面向送審的船體結(jié)構(gòu)三維模型轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)技術(shù)研究

何麗絲，曹榮，王德禹

上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240

0 引 言

在船舶設計領(lǐng)域，近年來以UG NX、CATIA、FORAN 為代表的三維設計分析一體化軟件已經(jīng)在國外得到廣泛應用[1]。2018 年，法國海軍集團（Naval Group）、達索（Dassault）公司和法國船級社（Bureau Veritas）聯(lián)合宣布，經(jīng)過三方合作，首次利用三維送審方法完成了1 艘軍用船舶的入級，這標志著船舶三維設計應用已經(jīng)進入新時代[2]。

我國船舶設計單位和檢驗單位經(jīng)常使用不同的三維設計軟件平臺，目前仍處于二維送審階段。針對模型有效轉(zhuǎn)換問題，我國許多學者都進行了相關(guān)研究。陳燕凡[3]和張衍勝[4]使用STEP標準，分別實現(xiàn)了基于PRO/E 或SolidWorks 軟件的船體型值描述，以及TRIBON 軟件和CATIA 軟件之間的數(shù)據(jù)交換；何勝強[5]對XML 格式進行梳理，實現(xiàn)了TRIBON 系統(tǒng)向CATIA 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞；李巖[6]探討了使用XML 文件導入不同三維設計軟件的技術(shù)方案，開發(fā)了船體結(jié)構(gòu)強度分析軟件的接口；苗贊[7]開發(fā)了CADDS5 和TRIBON 之間的模型轉(zhuǎn)化工具；徐思豪等[8]分析了CATIA V6平臺的自動劃分網(wǎng)格機理，以加快CAD/CAE 一體化發(fā)展。上述工作都沒有涉及到面向送審的船舶設計模型數(shù)據(jù)，僅限于探討不同設計平臺間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化問題。章志兵等[9]討論了在NX 上如何進行面向送審的建模工作，但NX 生成的模型數(shù)據(jù)量較大[10]，設計三維模型需要用戶輸入大量信息[11]，模型轉(zhuǎn)化和存儲都不方便。

為此，我們擬基于對CAD 和CAE 系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)分析，提出面向送審的船舶結(jié)構(gòu)三維模型轉(zhuǎn)化的解決方案。采用XML 文件形式，給出一種簡潔、完整、可擴充的船體結(jié)構(gòu)三維模型的數(shù)據(jù)存儲格式，并通過二次開發(fā)設計分析平臺的輸入接口，實現(xiàn)面向送審的三維設計模型轉(zhuǎn)換和分析模型生成。此外，將使用本研究提出的數(shù)據(jù)存儲方案和相關(guān)接口，在CATIA 和Partarn 平臺實現(xiàn)某實船艙段結(jié)構(gòu)的三維設計重構(gòu)與分析模型生成，實現(xiàn)對目標模型的規(guī)范計算和艙段強度分析，打通三維模型審圖全流程，驗證面向送審的三維詳細設計模型數(shù)據(jù)的可行性。

1 詳細設計模型數(shù)據(jù)

船體結(jié)構(gòu)設計模型在不同階段會有不同的設計要求，本研究僅討論提交給船級社審查的詳細設計模型（后文簡稱“送審模型”）所需要的結(jié)構(gòu)信息和數(shù)據(jù)要求。一般來說，送審模型數(shù)據(jù)包含總體數(shù)據(jù)、材料特性和結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)3 部分，其中總體數(shù)據(jù)包含總體參數(shù)、艙室參數(shù)、坐標系信息；材料特性為材料自身的數(shù)據(jù)定義；結(jié)構(gòu)模型則包含板架、型材和肘板等零件，各種類型的開孔信息，以及零件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系等。本文通過以下數(shù)據(jù)記錄送審模型的相關(guān)信息。

1.1 總體數(shù)據(jù)

總體數(shù)據(jù)包括總體參數(shù)、艙室參數(shù)、坐標系信息。

總體參數(shù)有垂線間長（Lpp）、型寬（B）、型深（D）、結(jié)構(gòu)吃水（Tsc）、方形系數(shù)（CB）、載重量（DWT）、水線總長（Lwl）、干舷船長（Lll）。

艙室參數(shù)包括艙室類型（Type），例如干散貨艙、液貨艙、壓載水艙、燃油艙；艙室屬性主要包括起始肋位（Start）、終止肋位（End）、貨物質(zhì)量（MH），艙室的幾何信息主要包括艙頂垂向坐標（Ztop）、艙室重心坐標（XG/YG/ZG）、艙容（V）、貨艙長度（LH）、貨艙寬度（BH）、艙口圍長度（Lfs）、艙口圍寬度（Btop）。

坐標系由X，Y，Z這3 個方向坐標軸組成，需要表達各平面名稱及平面到原點的距離，即與絕對坐標的距離，和局部坐標的矢量關(guān)系。如圖1所示。其中關(guān)鍵字CoordSys 表示坐標系，Origin表示絕對坐標系，Waxis 和Uaxis 表示局部坐標，即該構(gòu)件相對于絕對坐標系的矢量方向。

圖1 坐標系數(shù)據(jù)信息的表達方式Fig. 1 Expression of the coordinate data information

1.2 材料特性

在定義模型屬性時，需要先定義材料特性。如圖2 所示，材料特性包括材料等級（Material Grade）、極限應力（UltimateStress）、許用應力（YieldStress）、泊松比（PoissonRatio）、楊氏模量（YoungsModulus）和密度（Density）等。

圖2 材料特性的表達方式Fig. 2 Expression of the material characteristics

1.3 結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)

1.3.1 板架數(shù)據(jù)信息

板架模型數(shù)據(jù)主要包含板架的定位面、屬性、邊界集、板縫集、子板集、筋集、開孔等數(shù)據(jù)集信息。定位面即板架所在的平面位置，可以是坐標系中的平面、絕對位置數(shù)據(jù)等實體曲面。

板架屬性數(shù)據(jù)包括板厚、材質(zhì)、零件類型、水密性、板厚方向、板架名稱以及ID 編號等數(shù)據(jù)。其中零件類型是船級社要求的關(guān)鍵屬性之一，例如甲板、內(nèi)底板、水密橫艙壁等信息。本研究與法國船級社共同探討，將船體零件類型進行分類，如表1 所示，法國船級社的審圖軟件會通過數(shù)據(jù)接口獲取到零件類型屬性。

表1 板的分類Table 1 Classification of plates

邊界數(shù)據(jù)集即單塊板的邊界信息集合，是板與周邊結(jié)構(gòu)保持關(guān)聯(lián)關(guān)系的重要依據(jù)，邊界數(shù)據(jù)可以是坐標系平面、幾何平面、曲線曲面以及板架等。根據(jù)邊界創(chuàng)建的先后順序，以Limit 為關(guān)鍵字，存儲邊界數(shù)據(jù)。

板縫數(shù)據(jù)集是單塊板架上板縫的數(shù)據(jù)集合。大板上通常會有數(shù)根交錯的板縫，根據(jù)創(chuàng)建板縫的順序，以Seam 為關(guān)鍵字，存儲板縫數(shù)據(jù)。

子板數(shù)據(jù)集是單塊板架劃分板縫生成的子板數(shù)據(jù)集合。因此子板集中子板的數(shù)量取決于板縫的劃分。在沒有板縫的情況下，子板集中唯一的子板即是板架本身。子板數(shù)據(jù)簡單，僅僅具有邊界數(shù)據(jù)和板厚材質(zhì)數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)繼承板架。

筋數(shù)據(jù)集是單塊板架上所有型鋼的數(shù)據(jù)集合。筋集僅僅表達了筋的零件號及其最基本的屬性，筋的詳細幾何信息和屬性信息會在型材的詳細數(shù)據(jù)中表達。該數(shù)據(jù)明確了板架上所包含的筋。在板上沒有型材的情況下，筋集可以為空。根據(jù)筋創(chuàng)建的先后順序，以Stiffener 為關(guān)鍵字，存儲筋的數(shù)據(jù)。

開孔數(shù)據(jù)集是單塊板架上開孔特征的數(shù)據(jù)集合。在板架上沒有開孔的情況下，開孔集可以為空。三維詳細設計時，創(chuàng)建開孔的主要方法是運用數(shù)據(jù)創(chuàng)建標準開孔，例如HO600x400，R300。

本研究中數(shù)據(jù)文件單塊板架的數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 單塊板架的數(shù)據(jù)節(jié)選Fig. 3 Excerpt of single plate data information

1.3.2 型材數(shù)據(jù)信息

型材數(shù)據(jù)記錄型材的屬性、所在板架、定位信息（例如定位面或定位線、偏移量、軌跡線、安裝角度及方向）、端頭信息（例如兩個端頭元素、端頭連接形式）、端切幾何信息。

型材的屬性用于描述型材的類型、規(guī)格、材質(zhì)、名稱等屬性數(shù)據(jù)。圖4 中給出了某一型材的實例信息。

圖4 型材數(shù)據(jù)Fig. 4 Profile data information

型材的具體類型列表可根據(jù)船型情況，做針對性的規(guī)定。根據(jù)法國船級社審圖要求，本研究將常見的型材做如下分類，如表2 所示。

船體結(jié)構(gòu)中的型材不是單獨創(chuàng)建的，必須依附在板上，字條中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)對應板架信息。本文記錄的型材定位數(shù)據(jù)是型材的定位面或者定位線、偏移量、軌跡線、安裝角度及方向等幾何數(shù)據(jù)。型材的定位面一般以“plane”或“surface”或“curve”為基面進行偏移?！?”表示偏移方向和定位面的矢量方向相同，“?”則相反。數(shù)據(jù)表達型材的安裝角度，分為2 種情況：垂直于板架或者平行于定位面。

是型材的端頭信息。主要包括2 個端頭元素、端頭連接形式及端切幾何信息。端頭元素不可以為空，可以是幾何元素，例如曲面、平面、線，亦可以是結(jié)構(gòu)對象，例如另一個型材、板。端頭連接形式分2 種，頂牢或者削斜。

端切的幾何信息有多種形式，可采用端切幾何編碼來表達幾何信息。行業(yè)尚未統(tǒng)一端切幾何編碼，但各大船廠都有固化的幾何編碼標準，用于定義模型。目前送審模型數(shù)據(jù)不需要定義具體的端切幾何形式，因此在送審的模型數(shù)據(jù)可不包含端切數(shù)據(jù)信息。

表2 型材的分類Table 2 Classification of the profiles

1.3.3 肘板數(shù)據(jù)信息

肘板本質(zhì)上也是一塊板，既包括板厚、材質(zhì)等基本屬性，也包含邊界信息。除此之外肘板數(shù)據(jù)還包括肘板類型、肘板安裝平面及偏移距離等信息。

肘板類型不同，所對應的數(shù)據(jù)也不同，因此具體數(shù)據(jù)內(nèi)容根據(jù)肘板類型而定。不同類型的肘板所運用的模板各不相同，但最終通過模板和參數(shù)的共同作用，得到肘板的輪廓線。例如，KL 類型的肘板，對應的數(shù)據(jù)可以通過圖5 中的Geometry-Data 數(shù)據(jù)集進行表達，OuterContourID 是輪廓幾何線的ID 編號，Limit1 是第1 個邊界條件，Limit2是第2 個邊界條件，Length1 和Length2 分別表示2 個邊長，Scallop 表示角隅開孔數(shù)據(jù)，Geometry-Data 的具體條目根據(jù)肘板類型而定，對于其他類型的肘板，可通過擴充更多的數(shù)據(jù)條目來表述復雜的肘板。

圖5 肘板數(shù)據(jù)信息的表達方式Fig. 5 Expression of bracket data information

2 分析模型的數(shù)據(jù)

為實現(xiàn)面向三維送審模型的轉(zhuǎn)化，我們希望采用同一組數(shù)據(jù)信息，利用不同的接口讀取數(shù)據(jù)，能夠直接生成目標結(jié)構(gòu)的有限元分析模型（后文簡稱“分析模型”）。分析模型與送審模型的結(jié)構(gòu)信息和數(shù)據(jù)要求略有不同，需要對送審模型進行一定的簡化/修補處理以滿足有限元模型的要求，例如消除圓角、刪除小筋、加強筋處理、刪除小孔、孔等效。由于本研究以打通數(shù)據(jù)交換為目的，送審船級社的分析模型僅僅用于粗網(wǎng)格的局部強度分析，故我們在設計存儲數(shù)據(jù)與有限元軟件之間的接口時，采用XML 格式作為中間文件，接口具有模型轉(zhuǎn)換及簡化/修補模塊、劃分網(wǎng)格模塊、創(chuàng)建分組模塊等5 個功能，其中模型簡化模塊為主要功能。

2.1 模型簡化

2.1.1 針對孔的簡化

刪除尺寸較小的構(gòu)件孔及穿越孔（小構(gòu)件孔以及穿越孔對于結(jié)果的影響比較小。如果保留這種小構(gòu)件孔，對于其周邊網(wǎng)格的質(zhì)量會造成很大的影響）。但是，尺寸在800 mm × 600 mm 以上的減輕孔，或舭部R角大于1 000 mm 的孔應當保留（圖6）。

圖6 刪除長邊尺寸小于800 mm 的小孔Fig. 6 Deletion of holes with longitudinal dimension smaller than 800 mm

在船舶設計過程中，一般會在孔的邊界與鄰近的強框架之間保持100～200 mm 距離，這里的強框架指的是板、筋等對船舶結(jié)構(gòu)強度影響大的構(gòu)件。搜索與孔鄰近的強框架（如板架、筋），在孔與強框架的中間位置做適當?shù)挠邢拊W(wǎng)格細化處理。

在對孔進行簡化后或有些無法按真實情況模擬的連續(xù)開孔，其孔所屬板的面積會相應增大（比如刪除連續(xù)小構(gòu)件孔）或減?。ㄖ苯觿h除一個網(wǎng)格單元作為開孔信息）。在某些特殊要求下，需要按照開孔面積除以整板面積的比例，適當減少或增加板厚以保證板重量不變。

2.1.2 針對板的簡化

1） 一邊圓角化的板。根據(jù)有限元簡化原則和高質(zhì)量的網(wǎng)格需求，將一邊有圓角的板簡化成一塊直板。圖7 給出了1 塊典型的帶圓角的板簡化后的示意圖。2） T 型梁上的防傾肘板。將T 型梁上有斜度的防傾肘板簡化成直板，畫成1 個網(wǎng)格單元，如圖8 所示。

圖7 帶圓角的板簡化處理方式Fig. 7 Simplification of a plate with round corners

圖8 防傾肘板簡化處理方式Fig. 8 Simplification of an anti-tipping knee plate

3） 肘板。肢端尺寸小于300 mm 的肘板可以刪除，若計算之后的強度校核不滿足，則細化網(wǎng)格加入該地方的肘板。相對的，尺寸大于300 mm的肘板數(shù)據(jù)保留在設計模型中。

2.1.3 針對型材的簡化

1） 刪除小構(gòu)件筋。根據(jù)船舶有限元分析知識，小構(gòu)件筋對于結(jié)果的影響比較小，而且如果保留這種小構(gòu)件筋，對于其周邊網(wǎng)格的質(zhì)量會造成很大的影響（網(wǎng)格尺寸可能遠大于小構(gòu)件筋尺寸，自動網(wǎng)格劃分器很難保證在此處進行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分），因此需要在分析模型中對其刪除，如圖9 所示。

圖9 小構(gòu)件筋的刪除Fig. 9 Deletion of the small dimension stiffener

2） 修補頂點不在強框架上的筋。

船舶有限元分析中，任何一個頂點不在強框架上的筋都可以認為是對分析影響小的筋，如果保留這樣的筋，對其周邊網(wǎng)格的質(zhì)量會造成很大影響，因此可以考慮將其刪除。但是有些時候，考慮到后續(xù)建造需要，設計時在筋的頂點與幾何上連接的鄰近強框架之間留出一段距離以方便建造（如焊接）。這種筋就不能刪除，生成分析模型時需要將其自動延伸到鄰近的強框架上，同時也保證了此處的應力傳遞，如圖10 所示。

圖10 筋到鄰近強框架的延伸Fig. 10 Extension of stiffener to the adjacent main frame

2.1.4 板縫的處理

船舶設計時，通常都要求將“板縫”與強框架之間交接的地方預留距離差，目的是為了后期的制造工藝要求（焊接）以及基于可靠性考慮。直接在這種模型上劃分網(wǎng)格，將導致此板縫與強框架交接處出現(xiàn)很狹長的四邊形單元，影響計算結(jié)果。生成分析模型時需要自動將該板縫移動至強框架交接處，以保證有限元模型的網(wǎng)格質(zhì)量，提高計算精度，如圖11 所示。

圖11 移動板縫至強框架交接處Fig. 11 Movement of seam to the main frame junction

以上所有的簡化操作都是有限元接口軟件自動完成，用戶可根據(jù)需要對軟件參數(shù)進行設定，可選擇是否刪除構(gòu)件或小于多少的尺寸需要刪除等，確保生成的有限元模型符合送審要求。

3 中間文件和接口

3.1 中間文件

要實現(xiàn)在不同平臺間的數(shù)據(jù)傳遞，還需借助中間文件對數(shù)據(jù)信息進行存儲。對CAD/CAM 系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)傳遞多采用標準產(chǎn)品數(shù)據(jù)格式，如IGES，STEP 等[12-13]。但這些數(shù)據(jù)格式過于復雜，可讀性和擴展性較差。為此，本研究采用可擴展標記語言XML 格式對前文數(shù)據(jù)進行存儲?？蓴U展標記語言（標準通用標記語言的子集）是一種簡單的數(shù)據(jù)存儲語言，使用一系列簡單的標記描述數(shù)據(jù)，而這些標記方便建立。雖然可擴展標記語言占用的空間比二進制數(shù)據(jù)更多，但可擴展標記語言極其簡單,易于掌握和使用，這是我們選擇XML 格式進行數(shù)據(jù)傳遞的主要原因。

關(guān)于XML 格式表達船舶設計通用模型數(shù)據(jù)的形式可參見文獻[6]。需要說明的是，由于本研究希望能實現(xiàn)同一數(shù)據(jù)文件在不同平臺的模型轉(zhuǎn)化，所以第2 章中所述的分析模型的簡化處理均放入模型轉(zhuǎn)換的輸入接口中，則中間文件XML僅存儲設計模型數(shù)據(jù)。即在重構(gòu)CAD 模型和轉(zhuǎn)化生成CAE 模型時使用同一個XML 文件，該文件中存儲的結(jié)構(gòu)模型信息，如外形信息、材料信息、板厚與型材朝向等，都會在對應的軟件接口中讀取并繼承到重構(gòu)的CAD 模型和CAE 模型中。

3.2 模型參數(shù)的讀寫接口

存儲在XML 文件中的數(shù)據(jù)，需要對應的接口才能被CAD 和CAE 軟件讀取和調(diào)用。采用如下功能模塊，對送審模型和分析模型進行讀取。

1） 設計模型導入接口。包括：板架類型參數(shù)讀寫模塊；板架支持面參數(shù)讀寫模塊；板厚、厚度偏移及厚度方向等參數(shù)讀寫模塊；板架和型材的材質(zhì)參數(shù)讀寫模塊；板架邊界參數(shù)讀寫模塊；型材類型參數(shù)讀寫模塊；型材支持面參數(shù)讀寫模塊；型材規(guī)格、錨點、生長方法，球頭朝向等參數(shù)讀寫模塊；筋的端頭參數(shù)讀寫模塊；定義開孔模塊；標準開孔參數(shù)讀寫模塊?；跀?shù)據(jù)接口讀取XML 文件中的數(shù)據(jù)，自動構(gòu)建CAD 板架結(jié)構(gòu)，包括生成板，創(chuàng)建型鋼，生成開孔等。

2） 分析模型導入接口。包括：模型轉(zhuǎn)換及簡化/修補模塊；劃分網(wǎng)格模塊；創(chuàng)建分組模塊；創(chuàng)建屬性模塊；FEM 元素與幾何元素匹配模塊。

以CATIA 為例，運用CAA 接口CATIStrUse-CategoryMngt->SetCategory()，即可定義零件類型信息；調(diào)用CATIStrUsePanelSurf 接口對板架支持面參數(shù)進行讀寫；調(diào)用CATIStrUsePlateExtrusionMngt 接口進行板厚、厚度偏移及厚度方向等參數(shù)讀寫；運用接口CATIStrUseOpeningMngt 命令在板架上新建開孔，再調(diào)用 CATIStrUseOpening3DObject->SetIntersectingElement()定義貫穿對象，即可實現(xiàn)批量開孔等。

4 實例分析

按照以上的數(shù)據(jù)分析和格式說明，我們整理了某船1 個艙段模型的數(shù)據(jù)，該艙段模型包含雙層底、雙舷側(cè)、甲板、艙壁、骨材以及開孔信息和依附關(guān)系。整理的XML 文件部分數(shù)據(jù)如圖12 所示。

圖12 XML 文件部分數(shù)據(jù)Fig. 12 Partial data in XML file

4.1 設計模型轉(zhuǎn)入

使用3DE 軟件平臺上自帶接口讀入XML 文件，二次開發(fā)重構(gòu)模型的接口軟件，交互界面如圖13 所示。

圖13 CATIA 二次開發(fā)接口軟件交互界面Fig. 13 Secondary developed interface of CATIA software

交互界面中的功能信息說明如下：

1） CreatePanels 功能框。功能按鈕CreatePanels用于將數(shù)據(jù)信息創(chuàng)建為板材模型；選項框Limit-Panels 用于選擇模型處于船舶結(jié)構(gòu)中的布置方位，X表示相對平行于肋位Frame 方向，Y表示相對平行于縱骨longitudinal 方向，Z表示相對平行于甲板Deck 方向；功能按鈕LimitPanels 用于修正板材模型邊界拓撲關(guān)系；功能按鈕Create Opening用于為板材模型開孔。

2） Create Stiffener 功能框。功能按鈕Create Stiffeners 用于將數(shù)據(jù)信息創(chuàng)建為型材模型；功能按鈕Limit Stiffeners 用于修正型材模型邊界拓撲關(guān)系。

讀取模型信息重構(gòu)模型數(shù)據(jù)后生成CATIA 3DE 軟件內(nèi)的設計模型（SFD），模型的建立依靠輸入的接口軟件和少數(shù)的人工干預完成。重構(gòu)的模型如圖14 所示，該送審模型數(shù)據(jù)類型和原生船舶專用設計模塊生成的模型數(shù)據(jù)一致，可采用船體結(jié)構(gòu)解決方案進行進一步編輯。

圖14 重構(gòu)的“送審”模型Fig. 14 Reconstructed “inspection-oriented” model

4.2 分析模型轉(zhuǎn)入

在Patran 軟件上二次開發(fā)XML 文件輸入的接口軟件，讀取模型信息，接口軟件的功能界面如圖15 所示。Import 為模型轉(zhuǎn)換及簡化/修補模塊；Mesh 為劃分網(wǎng)格模塊；Group 為創(chuàng)建分組模塊；Material 為定義材料屬性模塊；Property 為創(chuàng)建單元屬性模塊；Refine 可對模型進行細化。

圖15 接口軟件的功能界面Fig. 15 Functional interface of the connection software

模型的簡化/修補處理是接口軟件的重要組成部分，以接口的人機互動操作完成，避免出現(xiàn)“一刀切”的情況。按照2.2 節(jié)的內(nèi)容，進行模型轉(zhuǎn)換及簡化/修補模塊的編譯工作，交互界面如圖16 所示。圖16 中第1 個對話框Arc/Hole 表示圓弧/孔的處理，包括生成圓弧的節(jié)點數(shù)，是否移除小孔，若移除小孔則移除長邊尺寸為多大的孔等；第2 個對話框Plate 表示對板的操作，如是否移除尺寸較小的板，可選擇根據(jù)長邊或面積的大小對板進行刪除等；第3 個對話框Stiffener 表示對筋的操作，如是否移除尺寸較小的筋，可根據(jù)筋的尺寸大小來進行篩選，是否延伸筋頂點至鄰近的強框架等；第4 個對話框Other 表示對板縫、小穿越孔等操作。

圖16 模型轉(zhuǎn)換及簡化/修補模塊交互界面Fig. 16 Interface of model transformation and simplification/mending

其中板的開孔是識別XML 文件中圓弧2 個頂點（或孔的圓心）和半徑進行幾何線的生成，用戶自定義需要在圓弧上添加多少個點來模擬圓弧以離散圓弧/孔的幾何線。圖17 以半圓、添加3 個點為例來說明圓弧/孔的生成方法。

圖17 有限元模型中圓弧/孔的生成方法Fig. 17 Generating method of the arc/hole in FEM model

由于有限元模型是離散的，所以不需要考慮構(gòu)件之間的連接關(guān)系，而是依靠XML 文件中的原始坐標和局部坐標位置來定義構(gòu)件的位置關(guān)系，筋模型是通過已生成的板模型單元邊界進行生成的，軟件界面如圖18 所示，先劃分板單元，再生成梁單元。圖中對網(wǎng)格的控制暫時提供3 個參數(shù)：網(wǎng)格平均尺寸、網(wǎng)格最小尺寸及網(wǎng)格最大尺寸。

圖18 板、梁單元的劃分Fig. 18 Mesh generation for the shell and bar elements

提交給法國船級社BV 的有限元模型僅僅是用于局部強度計算的粗網(wǎng)格模型，生成的有限元模型如圖19 所示。

圖19 生成的有限元分析模型Fig. 19 Generated FE analysis model

在CATIA 3DE 軟件和Patran 軟件中重新生成的模型質(zhì)量和信息完整性都較好，在CATIA 3DE 上重構(gòu)的設計模型提交給法國船級社審查，是可以在審圖軟件上識別和進行操作的。在Patran上生成的分析模型進行加載和邊界條件設定，可以進行局部強度分析計算。法國船級社基于三維模型無紙化審圖和退審工作，完成了部分規(guī)范校核、強度計算。船級社給出的審圖意見可在網(wǎng)站VPM 上登錄查看，與設計單位實時交互共享三維模型數(shù)據(jù)，是一種三維模型退審意見的實現(xiàn)方法。本研究截取了該艙段的退審意見，如圖20 所示。

圖20 法國船級社部分退審意見Fig. 20 Part of the review letter from the Bureau Veritas (BV)based on the 3D virtual model

5 結(jié) 語

本文針對面向送審的詳細設計模型數(shù)據(jù)信息和特點進行分析說明，對分析模型的數(shù)據(jù)要求和簡化處理進行闡述，并介紹了中間文件格式和接口。采取XML 文件格式，整理了某船艙段模型的數(shù)據(jù)，對CATIA 3DE 軟件和Patran 軟件進行二次開發(fā)，完成了該艙段設計模型的重構(gòu)和分析模型的生成。

實現(xiàn)了對目標模型的規(guī)范計算和艙段強度分析，打通了三維模型審圖全流程，驗證了面向送審的三維詳細設計模型數(shù)據(jù)可行性。三維審圖可以完全實現(xiàn)傳統(tǒng)的紙質(zhì)/電子版圖紙審圖的功能和目標。與傳統(tǒng)的審圖方式相比，設計者不需要提供紙質(zhì)/電子版圖紙，僅以三維模型為對象完成審圖。

該實例表明，利用XML 文件進行數(shù)據(jù)存儲，二次開發(fā)設計分析平臺的輸入接口，可以在不同平臺上完成模型的重構(gòu)和生成。XML 格式具有簡單易用、便于擴展等優(yōu)點，能夠為船舶不同平臺模型間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式提供一種新途徑。而利用XML 文件進行數(shù)據(jù)存儲，二次開發(fā)設計平臺的輸入接口，也是實現(xiàn)面向送審的三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化一種新的嘗試。

利用本文所提出的XML 格式對模型數(shù)據(jù)進行存儲，可以在不同平臺上完成模型的重構(gòu)和生成，實現(xiàn)不同平臺的模型轉(zhuǎn)換，達到減少設計人員重復勞動的目的。當然，模型質(zhì)量和重構(gòu)信息是否完整，也依賴于輸入接口編譯功能是否完整。但對于現(xiàn)在船舶行業(yè)三維送審模型轉(zhuǎn)化的問題，通用數(shù)據(jù)格式文件共享率更高，而且二次開發(fā)的輸入軟件接口數(shù)量相對比專用軟件接口數(shù)量少。