基于AutoCAD和PDM的船舶總圖數(shù)字化設(shè)計(jì)方法研究

朱佳文，肖鵬安，韓海榮

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

基于AutoCAD和PDM的船舶總圖數(shù)字化設(shè)計(jì)方法研究

朱佳文，肖鵬安，韓海榮

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

在船舶產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于艙室數(shù)量多而導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)艙室面積、容積、周長(zhǎng)等總體設(shè)計(jì)參數(shù)耗時(shí)多，船舶總圖缺乏數(shù)字化管理模式。本文提出一種基于AutoCAD和PDM的船舶總圖數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，該方法將船舶總圖中甲板與艙室的名稱、編號(hào)、幾何信息通過(guò)擴(kuò)展數(shù)據(jù)的格式存儲(chǔ)在二維圖紙的甲板與艙室的邊界線上，利用基于Cauchy定理和Cauchy積分公式推導(dǎo)的算法可以判斷艙室所屬的甲板，并在PDM中建立了描述船舶總圖的艙室接口、甲板接口、區(qū)域結(jié)構(gòu)樹(shù)，然后在AutoCAD中開(kāi)發(fā)與PDM集成的接口，使得船舶總圖設(shè)計(jì)人員可以在AutoCAD環(huán)境中繪制數(shù)字總圖并進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布，同時(shí)還可以動(dòng)態(tài)加載PDM中的數(shù)字總圖。該方法可有效提升船舶總布置信息的綜合分析能力，為裝置、船舶保障、電力等系統(tǒng)的自動(dòng)設(shè)計(jì)，以及自動(dòng)提取設(shè)備重量重心、設(shè)備三維模型自動(dòng)布置奠定有力條件。

AutoCAD；PDM；船舶；總圖；數(shù)字化

0 引言

在船舶總體設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于艙室數(shù)量較多，艙室的幾何外形比較復(fù)雜，有些艙室跨越多層甲板，有些艙室的艙頂與艙底幾何外形不一致，在每一版總圖發(fā)布過(guò)程中，為了熟悉與甲板、艙室相關(guān)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，需要統(tǒng)計(jì)匯總?cè)呐撌颐娣e、容積，同時(shí)還需要了解艙室在甲板中的位置信息，大量的計(jì)算嚴(yán)重影響了專業(yè)設(shè)計(jì)人員的工作效率。

目前，總體專業(yè)的設(shè)計(jì)人員主要是基于AutoCAD開(kāi)展二維總圖的管理與發(fā)布，但是在總圖的管理與發(fā)布過(guò)程中主要是基于文檔的管理，缺少針對(duì)甲板、艙室的幾何參數(shù)、編號(hào)、位置信息的數(shù)字化管理，無(wú)法自動(dòng)獲取各個(gè)艙室的面積、容積等幾何信息，嚴(yán)重影響了各個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)人員的工作效率，同時(shí)還降低了船舶的研制質(zhì)量。

因此，為了提升船舶設(shè)計(jì)人員的工作效率，同時(shí)提高船舶的研制質(zhì)量，我們需要一種新的方法在AutoCAD中完成船舶總圖的設(shè)計(jì)工作。

1 數(shù)字化設(shè)計(jì)方法概述

在船舶總體設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于傳統(tǒng)的總圖繪制模式影響了船舶總體設(shè)計(jì)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)與分析效率，我們提出一種基于AutoCAD和PDM的船舶總圖數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，該方法將船舶總圖中甲板與艙室的名稱、編號(hào)、幾何信息通過(guò)擴(kuò)展數(shù)據(jù)的格式存儲(chǔ)在二維圖紙的甲板與艙室的多邊形邊界線上，并在PDM中建立了描述船舶總圖的艙室接口、甲板接口、區(qū)域結(jié)構(gòu)樹(shù)，然后在AutoCAD中開(kāi)發(fā)與PDM集成的接口，使得船舶總圖設(shè)計(jì)人員可以在AutoCAD環(huán)境中繪制數(shù)字總圖并進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布，同時(shí)還可以動(dòng)態(tài)加載PDM中的數(shù)字總圖。

在該方法中，我們開(kāi)發(fā)了AutoCAD與PDM集成的程序，在該程序中我們利用了基于Cauchy定理和Cauchy積分公式推導(dǎo)的算法來(lái)判斷多邊形的內(nèi)部與外部，從而可以快速判斷艙室與甲板的歸屬關(guān)系。

2 多邊形內(nèi)外的判別方法

本節(jié)利用復(fù)變函數(shù)中的Cauchy定理和Cauchy積分公式推導(dǎo)的算法，來(lái)判斷多邊形的內(nèi)部與外部。即：在二維平面中，通過(guò)一個(gè)點(diǎn)與多邊形頂點(diǎn)連線的俯角進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算的結(jié)果可判斷該點(diǎn)是否在封閉多邊形內(nèi)部。

圖1 沿著復(fù)平面中有向線段的積分

1）點(diǎn)A在封閉多邊形ω內(nèi)部，考慮復(fù)平面的常值函數(shù)f(z)=1，則函數(shù)在ω圍成的區(qū)域中解析，即由于原點(diǎn)根據(jù)Cauchy積分公式，

圖2 點(diǎn)A在封閉多邊形ω內(nèi)部

因此，

由于θt與rt，與均為實(shí)數(shù)，所以，

圖3 點(diǎn)A在封閉多邊形ω外部

因此，

根據(jù)上述函數(shù)在有向線段上的積分推導(dǎo)，得到：

由于θt與rt，與均為實(shí)數(shù)，所以，

綜上（1）（2）所述，我們可以得到如下的結(jié)論：

3 數(shù)字總圖實(shí)施方法

3.1 詳細(xì)流程

基于AutoCAD和PDM的船舶總圖數(shù)字化設(shè)計(jì)方法流程圖，如圖4所示。

下面結(jié)合流程圖，對(duì)基于AutoCAD和PDM的船舶總圖數(shù)字化設(shè)計(jì)方法的工作流程進(jìn)行詳細(xì)描述：

1）管理員在PDM接口數(shù)據(jù)提交系統(tǒng)中新建船舶型號(hào)產(chǎn)品Product_N；

2）根據(jù)船舶總體設(shè)計(jì)要求，總體專業(yè)在PDM接口數(shù)據(jù)提交系統(tǒng)的接口協(xié)調(diào)定義模塊中定義產(chǎn)品Product_N的“艙室空間位置”接口關(guān)系，它包含接口屬性：底、頂、艙室底面積、艙室頂面積、艙室層高、容積、周長(zhǎng)、艙底Z坐標(biāo)、艙頂Z坐標(biāo)、艙頂附近的甲板名稱；

圖4 基于AutoCAD和PDM的船舶總圖數(shù)字化設(shè)計(jì)方法流程圖

3）根據(jù)船舶總體設(shè)計(jì)要求，總體專業(yè)在PDM接口數(shù)據(jù)提交系統(tǒng)的接口協(xié)調(diào)定義模塊中定義產(chǎn)品Product_N的“甲板空間位置”接口關(guān)系，它包含接口屬性：甲板序號(hào)、甲板Z坐標(biāo)、甲板層高、底、甲板基點(diǎn)X坐標(biāo)、甲板基點(diǎn)Y坐標(biāo)；

4）管理員根據(jù)產(chǎn)品Product_N的水密區(qū)、甲板的組成在PDM接口數(shù)據(jù)提交系統(tǒng)的區(qū)域?yàn)g覽器中創(chuàng)建區(qū)域結(jié)構(gòu)樹(shù)；

5）在AutoCAD的加載應(yīng)用程序的啟動(dòng)組中添加定制開(kāi)發(fā)的CAD與PDM的數(shù)字總圖集成程序“DES-GD.dvb”與“DES-GD.lsp”，每次啟動(dòng)AutoCAD將自動(dòng)加載程序并啟動(dòng)“PDM-GD”功能菜單，“PDM-GD”功能菜單中包括：“總布置圖基本信息”、“批量發(fā)布艙室數(shù)據(jù)到PDM”、“批量發(fā)布甲板數(shù)據(jù)到PDM”、“動(dòng)態(tài)加載艙室”、“繼續(xù)發(fā)布艙室數(shù)據(jù)到PDM”；

6）總體專業(yè)的設(shè)計(jì)人員在AutoCAD中新建總圖文件“Product_N_General.dwg”，通過(guò)功能菜單“總布置圖基本信息”設(shè)置總圖的基本信息，包含：設(shè)置產(chǎn)品代號(hào)“Product_N”、設(shè)置設(shè)計(jì)階段“技術(shù)設(shè)計(jì)”、設(shè)置版本“1.0”、設(shè)置基點(diǎn)（通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)選確定基點(diǎn)X坐標(biāo)、基點(diǎn)Y坐標(biāo)）等信息；

7）每層甲板用一個(gè)多段線進(jìn)行描述，多段線表示甲板的幾何邊界，甲板的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以擴(kuò)展數(shù)據(jù)格式通過(guò)程序保存在多段線中，甲板多段線的擴(kuò)展數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1 甲板多段線的擴(kuò)展數(shù)據(jù)格式

8）總體專業(yè)的設(shè)計(jì)人員在甲板圖層“SZZT_JIABAN”中，用多段線分別繪制總圖中的各層甲板，在“編輯甲板”模式下（快捷鍵：在AutoCAD中輸入bjjb），單擊甲板，即可對(duì)甲板的序號(hào)、編號(hào)、名稱、Z坐標(biāo)、甲板層高、甲板基點(diǎn)X坐標(biāo)、甲板基點(diǎn)Y坐標(biāo)等信息進(jìn)行設(shè)置；

9）每個(gè)艙室用一個(gè)多段線進(jìn)行描述，多段線表示艙室的幾何邊界，判斷艙室所屬的甲板，可通過(guò)第二章中的算法實(shí)現(xiàn)，艙室的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以擴(kuò)展數(shù)據(jù)格式通過(guò)程序保存在多段線中，艙頂多段線與艙底多段線的擴(kuò)展數(shù)據(jù)格式如表2所示。

表2 艙底多段線的擴(kuò)展數(shù)據(jù)格式

表3 艙頂多段線的擴(kuò)展數(shù)據(jù)格式

10）總體專業(yè)的設(shè)計(jì)人員在艙室圖層“SZZT_CANGSHI_BOTTOM”中，用多段線分別繪制總圖中的各個(gè)艙室，在“編輯艙室”模式下（快捷鍵：在AutoCAD中輸入bjcs），單擊艙室，即可對(duì)艙室的編號(hào)、名稱、艙頂Z坐標(biāo)、艙底Z坐標(biāo)、艙頂附件的甲板名稱等信息進(jìn)行設(shè)置；

11）總體專業(yè)的設(shè)計(jì)人員利用集成程序完成總圖的繪制后，通過(guò)功能菜單“批量發(fā)布甲板數(shù)據(jù)到PDM”，即可將該總圖中的甲板數(shù)據(jù)通過(guò)集成程序和已定義的“甲板空間位置”接口關(guān)系發(fā)布到PDM的區(qū)域?yàn)g覽器中；

12）總體專業(yè)的設(shè)計(jì)人員通過(guò)功能菜單“批量發(fā)布艙室數(shù)據(jù)到PDM”，即可將該總圖中的艙室數(shù)據(jù)通過(guò)集成程序和已定義的“艙室空間位置”接口關(guān)系發(fā)布到PDM的區(qū)域?yàn)g覽器中；

13）總體專業(yè)的設(shè)計(jì)人員在完成總圖數(shù)據(jù)的發(fā)布后，所有專業(yè)的設(shè)計(jì)人員即可通過(guò)功能菜單“動(dòng)態(tài)加載艙室”將PDM區(qū)域?yàn)g覽器中的甲板、艙室數(shù)據(jù)下載到本地，并自動(dòng)還原總圖（將甲板的幾何信息加載到“SZZT_JIABAN”圖層，將艙室的幾何信息加載到“SZZT_CANGSHI_BOTTOM”圖層，同時(shí)將PDM中甲板、艙室的接口數(shù)據(jù)通過(guò)擴(kuò)展數(shù)據(jù)保存在甲板、艙室的邊界線中）；

14）總體專業(yè)的設(shè)計(jì)人員加載總圖后，即可對(duì)總圖中的甲板、艙室數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，并可再次發(fā)布新的總圖數(shù)據(jù)。

3.2 方法特征

在本文提出的基于AutoCAD和PDM的船舶總圖數(shù)字化設(shè)計(jì)方法中，甲板、艙室多段線保存的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中不含產(chǎn)品信息，總圖的產(chǎn)品代號(hào)、設(shè)計(jì)階段等信息在“總布置圖基本信息”中設(shè)置，通過(guò)修改“總布置圖基本信息”，總圖具有可復(fù)用性。

總圖的發(fā)布權(quán)限通過(guò)PDM中的產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)模塊進(jìn)行管理，所有專業(yè)的設(shè)計(jì)人員均可以通過(guò)加載數(shù)字總圖下載總圖的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，僅總體專業(yè)的設(shè)計(jì)人員具有發(fā)布總圖數(shù)據(jù)的權(quán)限，設(shè)計(jì)人員每次啟動(dòng)AutoCAD通過(guò)集成程序與PDM進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，PDM會(huì)要求設(shè)計(jì)人員輸入帳號(hào)、密碼進(jìn)行身份驗(yàn)證。

該方法開(kāi)發(fā)的集成程序，艙室數(shù)據(jù)的發(fā)布支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳，可通過(guò)“繼續(xù)發(fā)布艙室數(shù)據(jù)到PDM”功能菜單實(shí)現(xiàn)。

所有專業(yè)的設(shè)計(jì)人員加載總圖后，就可以利用總圖開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別設(shè)備的艙室信息、自動(dòng)提取設(shè)備重量重心、自動(dòng)開(kāi)展設(shè)備三維模型的布置等功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于AutoCAD和PDM的船舶總圖數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，該方法解決了船舶總體設(shè)計(jì)過(guò)程中總布置數(shù)據(jù)處理工作煩瑣、總布置數(shù)據(jù)缺乏有效管理、設(shè)計(jì)效率低下的問(wèn)題，使得AutoCAD二維總布置圖與PDM數(shù)據(jù)高度集成，針對(duì)船舶中甲板、艙室的名稱、編號(hào)、幾何信息實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化管理，具備自動(dòng)提取全船艙室的面積、容積、周長(zhǎng)等功能，并對(duì)建數(shù)字化總圖進(jìn)行版本管理，為裝置、船舶保障、電力等系統(tǒng)的自動(dòng)設(shè)計(jì)、提升船舶總布置信息的綜合分析能力、自動(dòng)識(shí)別設(shè)備的艙室信息、自動(dòng)提取設(shè)備的重量重心、自動(dòng)布置設(shè)備三維模型奠定了基礎(chǔ)。

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THE

ZHU Jia-wen, XIAO Peng-an, HAN Hai-rong

TP206

：A

：1009-0134(2017)08-0141-04

2017-05-19

朱佳文（19 -），男