贠亞杰等
船舶是一種航行于水面上建筑物,需要具有良好的水動力性能,所以船舶表面應(yīng)該是一種復(fù)雜的三維流線型光順曲面。在船舶設(shè)計期間,往往用型線圖等圖樣表示船舶外形,但當需要對船舶進行水動力性能分析或全船結(jié)構(gòu)強度分析時,由于有限元軟件自身不擅長復(fù)雜曲面建模,所以需要借助專業(yè)的三維建模軟件對船舶表面進行建模。本文使用 SolidWorks,采用不同的方法對不同船型進行了建模,建模方法對其他復(fù)雜曲面建模也有一定的參考價值。
本文主要使用 SolidWorks中放樣凸臺命令和 ScanTo3D插件對不同船型進行了建模,具體操作過程如下。
一、利用半寬水線圖放樣船體
大部分散貨船和油船帶有球鼻首和球尾,沿船長方形曲率變化較大,而且這類船舶多屬于肥大型船,具有平底,因此適合利用半寬水線圖放樣船體。 SolidWorks處理復(fù)雜曲面需要較大的計算量,因此在導(dǎo)入型線圖之前,需要對復(fù)雜的型線圖(通常使用 AutoCAD繪制)進行簡化,只留下必要的線條,建模時可以迅速捕捉曲線并提高建模成功率。大部分船舶都是左右對稱的,因此建模時只建一半即可。具體建模操作步驟如下。
1.新建零件,導(dǎo)入簡化后的型線圖
新建一個零件,然后單擊選中 xz面(上視基準面),單擊菜單欄的“插入” →“DXF/DWG”,彈出對話框后選擇已經(jīng)處理好的dwg格式的型線圖文件,單擊“完成”按鈕即可。導(dǎo)入的簡化型線圖如圖 1所示。圖中藍色線條上方為各曲線的名稱,如 500WL表示 500mm水線。
2.建立與上視基準面平行的基準面
半寬水線圖中的各條水線實際上是船舶在不同水線面處剖線的投影,也就是說半寬水線圖上的各條水線應(yīng)該處于不同的高度上,類似于等高線。因此需要建立一些不同高度的基準面來放置這些線條。根據(jù)水線圖上的數(shù)字建立不同高度的基準面,如要建立 500WL所在的基準面,先點擊選中窗口左邊模型樹中的“上視基準面”,在菜單欄選擇“插入”→“參考幾何體”→“基準面”,設(shè)置距離為500mm,點擊對號“ ”即可插入一個參考面,其他參考面采用相似方法建立。也可在建模功能區(qū)點擊“參考幾何體”按鈕插入?yún)⒖济?。建好的參考面如圖 2所示。
3.將半寬水線圖上的線條剪切到相應(yīng)基準面上
單擊選中模型樹中的草圖 1(第 1步導(dǎo)入的草圖),彈出快捷菜單,點擊“編輯草圖按鈕”,草圖處于編輯狀態(tài)。選中一條曲線(如 500WL),按鍵盤上的“Ctrl”+“X”鍵剪切,單擊窗口右上角的“退出草圖”按鈕。單擊選中第 2步新建的 500WL所在的基準面,按鍵盤上的“Ctrl”+“V”鍵粘貼該曲線,則在基準面上自動生成一個包含該曲線的草圖。圖 3為剪切好的曲線。由圖 3可以看出這些線條已經(jīng)初步體現(xiàn)出一半的船舶外形了。
4.添加放樣的引導(dǎo)線
添加引導(dǎo)線可以使放樣結(jié)果更加精確。在菜單欄選擇“插入”→“曲線”→“通過參考點的曲線”,順次拾取屏幕上的點,點擊對號即可光順連接為一條曲線。也可在建模功能區(qū)點擊“曲線”按鈕插入曲線。必要時可以生成多段曲線然后用“組合曲線”命令將多段曲線連接起來。共插入三條引導(dǎo)線。如圖 4所示。
5.放樣船體
點擊建模功能區(qū)中的“放樣凸臺 /基體”按鈕,彈出新窗口后,“輪廓”窗口自動處于激活狀態(tài),此時順次點選上述處于不同基準面上的曲線(開環(huán)),然后點擊“引導(dǎo)線”窗口,順次點選第 4步生成的三條引導(dǎo)線,點擊對號即可生成船體外形。由于船體首尾端曲率變化都很大,因此用這種方法建模的計算量很大,成功率不高,成功與否取決于型線圖。如果型線圖不合適,可以以導(dǎo)入的型線圖為底手工描繪曲線,或者采用“邊界曲面”命令生成精度稍差的船體外形(“插入”→“曲面”→“邊界曲面”,依次點選曲線為方向 1,引導(dǎo)線為方向 2)。生成的船體外形如圖 5所示。
二、利用橫剖線圖放樣船體
有些小型船舶如快艇、部分三體船和雙體船等沒有平底,也沒有球鼻首和球尾,首尾端曲率變化不大且船尾部為一平面,這類船舶適合采用橫剖線圖進行放樣,并且成效率和生成質(zhì)量都非常高。由于船舶左右對稱,只需建立一半的模型。需要注意的是,在型線圖上,船首半段和尾半段的橫剖線分別繪制在中線的左右兩側(cè),在 AutoCAD中簡化型線圖時可以將其中一半鏡像到另一邊。下面以一高速三體船的一個單船體為例介紹具體建模步驟。
1.新建零件,導(dǎo)入簡化后的型線圖
新建一個零件,然后單擊選中 yz面(右視基準面),單擊菜單欄的“插入”→“DXF/DWG”,彈出對話框后選擇已經(jīng)處理好的 dwg格式的型線圖文件,單擊“完成”按鈕即可。需要注意的是,船首端是一個尖點,因此船首處的輪廓只是一個點。導(dǎo)入的簡化型線圖如圖6所示。本例中型線圖中的線條本身為分段的,因此導(dǎo)入后也是分段的。
2.建立與右視基準面平行的基準面
橫剖線圖中的各橫剖線實際上是船舶在不同站位處剖線的投影,也就是說橫剖線圖上的各條橫剖線應(yīng)該處于不同的站位上。按照第一個標題中提到的方法,根據(jù)型線圖上各站的位置坐標建立基準面。建好的基準面如圖7所示。圖中基準面的視覺大小不同,而基準面理論上是一個無限大的平面,不影響正常建模。
3.將橫剖線圖上的線條剪切到相應(yīng)基準面上
按照第一個標題中提到的方法,依次將將橫剖線圖上的線條剪切到相應(yīng)基準面上即可。圖 8為剪切好的曲線。
4.添加放樣的引導(dǎo)線
按照第一個標題中提到的方法,插入三條引導(dǎo)線。如圖 9所示。
5.放樣船體
點擊建模功能區(qū)中“放樣凸臺 /基體”按鈕,彈出新窗口后,“輪廓”窗口自動處于激活狀態(tài),此時順次點選上述處于不同基準面上的曲線(包括船首的那個草圖—“點”),然后點擊“引導(dǎo)線”窗口,順次點選第 4步生成的三條引導(dǎo)線,點擊對號即可生成船體外形。生成的船體外形如圖 10所示。一般情況下船舶型線圖中橫剖線的數(shù)量非常多,因此生成的船體外形也比較精確。本例中橫剖線為封閉的,因此生成的船體為一實體,而不是殼。放樣時也可以選擇生成殼。endprint
三、點云建模
有時我們需要分析的船舶歷史比較久遠或?qū)儆诓还_的設(shè)計,目前已經(jīng)找不到圖樣或無法從相關(guān)部門獲得圖樣,我們可以借助船舶精度控制方面的儀器和軟件得到一系列的點數(shù)據(jù),這些點數(shù)據(jù)數(shù)量龐大,被稱為點云。點云建模也可以用于其他產(chǎn)品的逆向工程,即從已有的產(chǎn)品上反向探索設(shè)計圖樣。點云建模需要在 SolidWorks中的工具選項中啟動 ScanTo3D插件。
如果有大量的點云數(shù)據(jù),并且數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的話,點云建模會非常簡單,效率和精度也高。點云數(shù)據(jù)可以存放到 txt文件中, x、y、z坐標用空格分隔,不同的點(三個坐標值)單獨成行即可。本文將點云數(shù)據(jù)存放到“點云 .txt”文件中。建模步驟如下。
1.導(dǎo)入點云
新建一個零件,在菜單欄選擇“文件” →“打開” →“點云.txt”,得到如圖 11所示的點云。
2.由點云生成網(wǎng)格
右鍵點擊上圖左側(cè)模型樹中的“點云 1”,彈出快捷菜單,單擊“網(wǎng)格處理向?qū)А边M入網(wǎng)格處理向?qū)?。如圖 12所示。如果點云質(zhì)量足夠好,則在圖 12所示窗口中一直點擊“下一步”至最后一頁后(不能再點“下一步”為止)點擊對號即可生成網(wǎng)格,模型樹中將產(chǎn)生一個“網(wǎng)格 1”。生成的網(wǎng)格如圖 13所示。
3.在船中部新建基準面
由圖 13可以看出,生成的網(wǎng)格與實船外形已經(jīng)非常接近,但網(wǎng)格是由許多小小的平面組成的,并不是一個曲面。接下來需要用這些網(wǎng)格生成曲面。由于船舶首尾端曲率都很大,而中間段形狀變化不大,為了節(jié)省計算機資源并提高建模成功率,將網(wǎng)格分為首尾兩部分進行建模。在菜單欄選擇“插入”→“參考幾何體”→“基準面”,設(shè)置好參考的基準面和距離,在網(wǎng)格中間部分插入一個基準面用于將“網(wǎng)格 1”拆分,如圖 14所示。
4.將網(wǎng)格拆分為前后兩部分
右鍵點擊“網(wǎng)格1”,彈出快捷菜單,單擊“曲面向?qū)А边M入曲面向?qū)?,如圖 15左所示。點擊“下一步”后在“創(chuàng)建選項”下面的備選方案中選擇“劃分區(qū)域生成曲面”,點擊“下一步”,看到“分割平面”,選擇剛才創(chuàng)建的基準面,點擊“下一步”至最后點擊對號即可。此時“網(wǎng)格1”變?yōu)槲募A,里面包含兩個子網(wǎng)格。單擊“網(wǎng)格 1”前面的加號展開文件夾。
5.生成船體曲面
右鍵點擊“子網(wǎng)格1”,彈出快捷菜單,單擊“曲面向?qū)А边M入曲面向?qū)?,如圖 15左所示。點擊“下一步”后在“創(chuàng)建選項”下面的備選方案中選擇“自動生成”,點擊“下一步”至最后點擊對號即可。生成的曲面是隱藏的,將其顯示即可。用同樣的方法生成“子網(wǎng)格 2”的曲面,生成后曲面如圖 16所示。
四、結(jié)語
本文采用三種不同的方法,針對不同的船型建立了船體曲面模型。如果船型合適,可以用橫剖線圖建立模型,建議使用橫剖線圖,因為橫剖線數(shù)量多,建模比較精確,成功率高。SolidWorks是一款上手很快的軟件,價格也不高,但在曲面建模的精度方面有待改善。本文所使用的建模方法也可以在其他同類軟件,如 Pro/ENGINEER等中使用。endprint