基于FORAN的船舶舾裝設(shè)備參數(shù)化三維建模

向祖權(quán)， 王亞彬， 宋利飛， 郭 榮， 茅云生

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 湖北 武漢 430063)

0 引 言

FORAN 軟件建模與計(jì)算功能包括總體專業(yè)的船型建模與性能計(jì)算、結(jié)構(gòu)建模、舾裝設(shè)備的建模與安裝、輪機(jī)管路敷設(shè)與機(jī)械設(shè)備的安裝、電氣電纜敷設(shè)與設(shè)備安裝[1]。但由于FORAN 自帶的專業(yè)附件庫設(shè)備數(shù)量有限且需付費(fèi)購買，并且其三維模型沒有按照國內(nèi)的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)建立，因此用戶在設(shè)計(jì)時(shí)若需用國內(nèi)的舾裝設(shè)備，則須自行建立三維模型庫。船舶舾裝設(shè)備種類眾多、數(shù)量龐大，且同種設(shè)備按尺寸規(guī)格有一系列產(chǎn)品，按各專業(yè)建立模型庫工作量巨大。

關(guān)于船舶的三維建模，國內(nèi)外很多學(xué)者都做了相關(guān)研究。趙潔等[2]通過CAXA和CATIA對(duì)船體構(gòu)件建模并進(jìn)行裝配模擬；UYAR等[3]利用MATLAB的SIMULINK模塊，驗(yàn)證具有多種機(jī)動(dòng)能力船舶的運(yùn)動(dòng)特性；任晉宇等[4]利用CADD-S5對(duì)船舶的典型設(shè)備進(jìn)行數(shù)值化的建模研究。但目前針對(duì)FORAN軟件的參數(shù)化建模及其相關(guān)數(shù)據(jù)庫的研究并不充分，本文針對(duì)系列化的船舶舾裝設(shè)備，提出參數(shù)化建模思路，對(duì)同種設(shè)備，按照其尺寸規(guī)格，提取關(guān)鍵幾何尺寸，利用基于TCL語言的幾何宏進(jìn)行編程，建立三維模型。

1 設(shè)備參數(shù)化建模與建庫流程

設(shè)備參數(shù)化建模包括建模準(zhǔn)備、設(shè)備屬性定義、設(shè)備三維參數(shù)化建模、繪制設(shè)備尺寸草圖等過程。

(1) 建模準(zhǔn)備。收集設(shè)備圖紙，整理設(shè)備接口信息，構(gòu)思設(shè)備的分解簡(jiǎn)化方案，確定其幾何尺寸，了解設(shè)備類型，以確定設(shè)備所在的模型庫。FORAN模型庫及其對(duì)應(yīng)文件后綴如表1所示。

表1 FORAN模型庫及其對(duì)應(yīng)文件后綴名

(2) 設(shè)備屬性定義。從FORAN已建立的基本信息庫中調(diào)用屬性等參數(shù)信息，包括CLASS定義、Component定義、Element定義等。

(3) 設(shè)備三維參數(shù)化建模。在Fdefin模塊中選取Definition of Library Models工作模式，點(diǎn)擊幾何宏圖標(biāo)，選取幾何模型的類型，再選取幾何宏類型路徑下的幾何宏文件，然后點(diǎn)擊“geometry”，參數(shù)化模型創(chuàng)建完成，接受點(diǎn)擊“OK”,取消點(diǎn)擊“CANCEL”。從圖1可以看到模型庫列表中為eqp庫文件和inc庫文件，所選擇的vcpsimp.eqp文件已完成正確的三維參數(shù)化建模，勾選“Preview”，可在左上側(cè)窗口中看到其三維模型。左下側(cè)為可修改參數(shù)界面，通過設(shè)置不同的參數(shù)可生成對(duì)應(yīng)尺寸的模型。點(diǎn)擊右下角的“Show macro script”可以顯示宏腳本文件的代碼。

圖1 三維參數(shù)化模型

(4) 繪制.png格式的Sketch草圖。草圖主要用于提示參數(shù)化建模的參數(shù)在圖上所對(duì)應(yīng)的位置。設(shè)備參數(shù)化建模主要流程如圖2所示。

圖2 設(shè)備參數(shù)化建模流程

2 基于TCL語言的模型幾何宏編程

2.1 建模實(shí)例介紹

以CBT 199-BS(1)型管件的建模過程為例，該管件為1根直通管與1根90°彎管通過法蘭盤連接而成。CBT 199-BS(1)型通艙管件的結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示，其中δ為公差。主要編程參數(shù)包括內(nèi)徑DN、外徑DW、彎管半徑R、直通管法蘭直徑D2、直通長度l、彎管彎曲半徑L1、法蘭外徑D、法蘭厚度b、總長度L以及中部艙壁法蘭外徑D4。

CBT 199-BS(1)型通艙管件模型如圖3所示。

圖3 CBT199-BS(1)型通艙管件模型

表2 CBT199-BS(1)型通艙管件尺寸

2.2 模型安裝基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置與使用

利用參數(shù)化建模確定模型的形狀，通過調(diào)整模型參數(shù)可獲得不同尺寸的模型，但模型的放置位置、方向，如圓錐體的面向上或向下等涉及空間定位的重要信息，仍沒有確定，需要通過模型信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。信號(hào)點(diǎn)是通過宏程序定義的特殊點(diǎn)。通過設(shè)置幾何宏位置、方向以及向量命令，提供整個(gè)幾何宏文件的各信號(hào)點(diǎn)分布。在1個(gè)幾何宏文件內(nèi)可定義信號(hào)點(diǎn)類型包括:連接點(diǎn)、尺寸、方向、通艙件、質(zhì)量中心以及其他信號(hào)點(diǎn)。

對(duì)于船舶設(shè)備來說，最重要的是連接信號(hào)點(diǎn)和方向信號(hào)點(diǎn)。

連接信號(hào)點(diǎn)關(guān)鍵字為“Cx”，在某些類型的幾何宏文件中(.fit、.ven 和 .ele)外部形狀和連接點(diǎn)的位置同樣重要。用戶定義的幾何宏連接信號(hào)點(diǎn)將信息傳遞到系統(tǒng)，使系統(tǒng)知道如何處理幾何宏對(duì)象上的連接點(diǎn)信息。通過宏語言定義這些連接點(diǎn)的位置和方向，將其與參數(shù)化模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)。在管路中，信號(hào)點(diǎn)關(guān)鍵字有如下標(biāo)準(zhǔn)：輸出連接點(diǎn)是1個(gè)命名為“C1”的信號(hào)點(diǎn)，輸入連接點(diǎn)是1個(gè)命名為“C2”的信號(hào)點(diǎn)，支管被命名為“C3” 和“C4”。1個(gè)連接信號(hào)點(diǎn)是通過1個(gè)箭頭圖形來表示的。在定義其他信號(hào)點(diǎn)時(shí)，第1個(gè)信號(hào)點(diǎn)的箭頭起始點(diǎn)和箭頭方向意義重大。此箭頭必須總是指向入口或出口端，箭頭方向意味著介質(zhì)是從附件內(nèi)流入還是流出。連接信號(hào)點(diǎn)影響 “C1”與“C2”之間的相對(duì)位置(點(diǎn)和矢量的方向與流向)是否適用于管系部件內(nèi)的生成、插入、編輯、旋轉(zhuǎn)等一些命令。

方向信號(hào)點(diǎn)的關(guān)鍵字為“OR”。方向類型的信號(hào)點(diǎn)時(shí)，需了解附件被插入管路時(shí)的方向。在1個(gè)幾何宏文件中只能有1個(gè)方向信號(hào)點(diǎn)并命名為“OR”定義。通常位于幾何宏的原始插入點(diǎn)上。如果沒有定義方向信號(hào)點(diǎn)，部件的方向?qū)脑甲鴺?biāo)軸的3個(gè)方向默認(rèn)為1個(gè)方向。

通過1個(gè)箭頭進(jìn)行圖形表示，信號(hào)點(diǎn)的參數(shù)化設(shè)置宏命令為：MAC_PLOG <名稱> <點(diǎn)> <矢量>。

2.3 模型幾何宏文件參數(shù)化編程[5]

選擇以上參數(shù)作為編程參數(shù)的原因是其以通徑、閥件尺寸及法蘭厚度為主要涉及參數(shù)，可唯一確定閥件模型。用TCL語言編寫CBT 199-BS(1)型管件的流程如圖4所示。

圖4 CBT199-BS(1)型管件幾何宏編程流程圖

繪制該管件的部分幾何宏代碼如下：

# macro CBT 199-BS.fit B，BS型通艙管件 #

#DNinner diameter 內(nèi)徑 #

#DWoutter diameter 外徑 #

#Doutter diameter 法蘭外徑 #

#D2boss outter diameter 凸臺(tái)外徑 #

#bbottom height 底部法蘭高 #

#D4D4middle outter diameter 中部艙壁法蘭外徑 #

#Llong all 總長 #

#llong top 艙壁法蘭上端到頂部長度 #

#L1bow height 彎管高度 #

#Rradius of bow 彎管半徑 #

proc Par { } { #定義一個(gè)名為par的過程，并定義變量、初始值及含義

globalDN; setDN20.

globalDW; setDW24

globalD; setD95

globalD2; setD248

globalb; setb12

globalD4; setD4145.

globalL; setL165

globall; setl90

globalL1; setL185

globalR; setR60

}

#管子L1方向加長

MAC_CONT INI "1. 0. 0." "0. 0. 0."

MAC_CONT PNT "0 $r 0"

MAC_CONT CEN "0 0 0"

MAC_CONT PNT "0 -$r 0"

MAC_CONT CEN "0 0 0"

MAC_CONT END "0 $r 0"

MAC_CONT PNT "0 $r1 0"

MAC_CONT CEN "0 0 0"

MAC_CONT PNT "0 -$r1 0"

MAC_CONT CEN "0 0 0"

MAC_CONT END "0 $r1 0"

MAC_SWEP PAR "2" [expr $L1-$R1]

MAC_COLO 9

MAC_TRAS "$R1 0 0"

最后得到標(biāo)注參數(shù)位置信息的Sketch草圖，如圖5所示。當(dāng)對(duì)同一種舾裝件進(jìn)行其他尺寸規(guī)格建模時(shí)，只需直接輸入相應(yīng)參數(shù)數(shù)值即可在指定位置自動(dòng)生成不同規(guī)格的三維模型。

圖5 CBT199-BS(1)型管件標(biāo)注草圖

3 結(jié) 論

在建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、同一產(chǎn)品具有多種規(guī)格的船舶設(shè)備的三維模型時(shí)，傳統(tǒng)的建模方法具有很大的局限性和重復(fù)。針對(duì)該問題，本文提出參數(shù)化建模思路。對(duì)同種設(shè)備，按照其尺寸規(guī)格，提取關(guān)鍵幾何尺寸，采用基于TCL語言的幾何宏進(jìn)行編程，建立三維模型。只需選定不同的參數(shù)，即可構(gòu)建出尺寸規(guī)格不同的同種船舶設(shè)備的三維模型。根據(jù)實(shí)船設(shè)計(jì)需要，已經(jīng)完成了300多個(gè)系列化船舶設(shè)備建模工作，為船舶設(shè)備模型庫的完善作出了一定的貢獻(xiàn)，提高了實(shí)船的設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期。