基于CATIA的船體三維建模方法研究

邱鵬，史文杰

（武警海警學(xué)院 機電管理系, 浙江 寧波 315801）

0 引言

隨著海洋強國戰(zhàn)略的發(fā)展，以及地方海運事業(yè)的推進，船舶工程領(lǐng)域一直是重工業(yè)發(fā)展的必備板塊，隨之而來的是對船舶設(shè)計及制造業(yè)的技術(shù)需求。但是，目前我國的船舶工業(yè)領(lǐng)域的智能化設(shè)計與制作相對于其他造船大國而言，就明顯存在弱勢，因此要想扭轉(zhuǎn)這種局面，達到船舶產(chǎn)業(yè)的升級轉(zhuǎn)型，加快信息化建設(shè)水平，從而減少船舶設(shè)計及生產(chǎn)成本，就必須要注重研究船舶設(shè)計及性能的高水平研究[1]。而船體三維模型對船舶的設(shè)計、開發(fā)、制造及后期的性能研究都是起著關(guān)鍵性的作用，如何建立準(zhǔn)確的三維模型，就顯得尤為重要。而船舶的型線是光順、不規(guī)則的，同時其表面是曲面的，因此三維模型的精準(zhǔn)、高效建立一直以來都是研究的難點和熱點。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，目前船體的設(shè)計工作已經(jīng)逐步向科技化、數(shù)字化發(fā)展，以前的人工樣條放樣方式顯然有些落后，先進、智能化的三維軟件在設(shè)計者的需求中不斷脫穎而出，例如SolidWorks、Pro/E、CATIA、CADDS5等設(shè)計與計算軟件都逐步用于船舶設(shè)計和計算，大幅度地提高了船舶工作者的工作效率[2]。三維軟件的應(yīng)用，讓船體的設(shè)計效果由傳統(tǒng)的二維圖樣轉(zhuǎn)向了三維實體，由平面概率轉(zhuǎn)向了立體思維，表達形式上更加生動、具體，與此同時，船體的設(shè)計與計算也由二維積分變換為三維數(shù)據(jù)的直接讀取，讓船舶的研究變得準(zhǔn)確與高效。但在船舶的建模及各種性能的計算過程中，還是需要花費大量的精力進行繁瑣、重復(fù)的輸入和計算，一定程度上增加了人力成本，因此要想在船舶設(shè)計與制造領(lǐng)域搶占主動權(quán)，就必須實現(xiàn)船舶研究領(lǐng)域的高度自動化、智能化的水平。

目前，海軍大連艦艇學(xué)院的萬林等[3]基于Pro/E三維軟件開展了船體三維模型的建立，重點從建立站面、繪制曲線，草繪站面、質(zhì)量判斷等方面介紹了船體模型的操作步驟；彭勤學(xué)等[4]采用SolidWorks軟件對曲面的設(shè)計及繪制做了介紹，體現(xiàn)了該三維軟件在曲面繪制方面的強大技術(shù)；大連海事大學(xué)的盧雨等[5]采用VB語言對CAD進行了二次開發(fā)，目的是快速地對CAD中的型線點值進行讀取，從而在CATIA中進行曲面的繪制，該論文的創(chuàng)新點是CAD的二次開發(fā)，自動讀取數(shù)據(jù)并繪線，具有一定的參考性；劉勇杰等[6]采用CATIA軟件進行了二次開發(fā)，對螺旋槳進行了三維建模，完成了型值點的快速導(dǎo)入，手動繪制了三維實體模型，驗證了CATIA在曲面建模方面的可行性；戰(zhàn)翌婷等[7]借助了VB編程語言，對三維建模SolidWorks軟件進行了二次開發(fā)，編寫了命令代碼，實現(xiàn)了船舶三維曲面模型的快速建立；徐俊路等[8]采用VB編程的手段，搭建了表格驅(qū)動圖形的方法，對船舶的球鼻艏開展了三維模型的有效生成；朱曉軍等[9]開發(fā)了CATIA的宏功能的命令，在Excel上排列了三維型值表，完成了船體外形的快速建模，并在復(fù)雜的區(qū)域進行了多角度的手動光順，從而對船體外形進行了進一步的完善；于雁云等[10]則是通過變換函數(shù)的手段，根據(jù)NURBS曲面，最終達到了船體曲面的整體及局部等的參數(shù)化變換，同時也保證了變化后的光順性；胡翩等[11]借助VB匯編語言，對CATIA三維軟件的接口進行了二次開發(fā)，實現(xiàn)了某船的參數(shù)化自動建模。

由此可知，船體三維建模方法的探討已經(jīng)在眾多的研究者中引起了廣泛的興趣，并取得了一些成就，體現(xiàn)了采用三維軟件建立船體曲面的技術(shù)可行性，大致可分為以下3個步驟：1）獲取三維型值點；2）在三維軟件中進行點、線、面的繪制；3）在曲面復(fù)雜區(qū)域進行曲面的修復(fù)及光順。但是現(xiàn)有研究中很少有人就船舶對象展開充分的討論，特別是如何采用簡單的方法對船體的三維型值點進行轉(zhuǎn)換與讀取，從而推廣一種簡單有效的型值獲取途徑。同時船體對曲面的光順性要求較高，在船尾船艏等部分又存在復(fù)雜曲面，而CATIA三維軟件在曲面建模方面具有對應(yīng)的優(yōu)勢，一是有掃掠功能，二是有修建補差功能，兩個功能優(yōu)勢恰好滿足了船體這種曲面建模的需求，并且船體的性能研究一般還需要配上螺旋槳和舵，可借助CATIA軟件中參數(shù)化建模的優(yōu)勢，提供了方便性的建模。本文重點對船舶這一特殊對象的型值點如何進行簡單地讀取展開了描述，然后在CATIA平臺中進行曲面的繪制作以介紹，以期為今后更復(fù)雜的船體三維模型的建立及性能研究提供一定的參考意見。

1 CATIA三維軟件簡介

CATIA（Computer Aided Tri-dimension Intergrated Analysis）軟件是航天航空、汽車領(lǐng)域市場中占有率最高的CAD/CAE軟件，在造船、建筑等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。一旦用戶掌握了其參數(shù)化設(shè)計方法，建立自己的常用零件庫，將會進一步提高設(shè)計的效率[12]。該軟件集合了草圖設(shè)計、零件設(shè)計、創(chuàng)成式設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計等繪圖方法，在三維曲面設(shè)計方面具有掃掠、光順等功能優(yōu)勢，并具備了二次開發(fā)的接口，能夠采用VB等簡單匯編語言實現(xiàn)自動命令流的功能的調(diào)動，同時該軟件支持多種模型的輸出與輸入模式，極大地方便了軟件之間的轉(zhuǎn)換[13]。

2 船體型線圖認知

船體模型的表達形式一般主要有基本的主尺度參數(shù)及二維型線圖等。任何物體的三維模型都可通過正視圖、俯視圖、側(cè)視圖3種二維圖來表達，并且只要知道其中任何兩者視圖就可實現(xiàn)三維模型的建立。船舶也不例外，因此在前期工作中要先進行船體型線的識圖與讀圖。其中船體的三維數(shù)字建模，基本按以下思路：1）將船分為若干站，先建立站與站之間的曲面，再將每站曲面進行拼接與光順；2）在曲面比較復(fù)雜的區(qū)域，例如船艏及船尾，則需要多劃分幾站，從而實現(xiàn)曲面的準(zhǔn)確過渡，不會造成曲面過度失真。本節(jié)內(nèi)容以某船為例，介紹船體從二維型線到三維型值點的轉(zhuǎn)換。某船的基本參數(shù)如表1所示。

表1 某船基本參數(shù)

船體的二維橫剖線圖、側(cè)視圖如圖1、圖2所示。

在橫剖線圖1中，由于船體是對稱的，因此只需展現(xiàn)一半即可，即左邊為0到10站的橫剖線圖，右邊為10到20站的橫剖線圖，在圖1中主要提供了以下3點型值信息：1）每站型線的數(shù)值中的橫坐標(biāo)代表離船中距離，縱坐標(biāo)代表離船底距離；2）每站的型值點離船尾的距離缺失，要根據(jù)圖2側(cè)視圖讀??；3）位置水線的橫坐標(biāo)為側(cè)視圖提供了各水線離船中的距離。圖2中主要提供了以下2點型值信息：1）每條水線的橫坐標(biāo)代表了沿船長方向距離，縱坐標(biāo)代表水線離船底的高度；2）每條水線距離船中的距離缺失，需在圖1 橫剖線圖中讀取。綜上可知，每站的曲線、每條水線的三維型值點都可從橫剖線圖及側(cè)視圖中讀取并獲得。

圖1 橫剖線圖

圖2 側(cè)視圖

3 具體建模過程

建模的主要思路是由點連成線，再繪制成線，最后根據(jù)引導(dǎo)線掃掠成曲面，對于曲面復(fù)雜的區(qū)域進行點和線的加密處理，從而確保曲面的準(zhǔn)確度，減少模型失真帶來的后期性能評估的偏差。

3.1 數(shù)據(jù)前處理

一般而言，我們需要大量地讀取每站的型值點，點數(shù)越多，代表擬合程度越高。在CAD軟件中，可以借助讀點工具，直接讀取二維型值點，并配以第三者的值，將數(shù)值記錄在Excel中，從而得到船舶的三維型值點，但是此種方式的不足之處是數(shù)據(jù)處理點多達上千，手動工作量較大，工作繁瑣。因此本文提出一種較為便捷的方法，采用VB平臺對CAD讀點控件進行二次開發(fā)，并發(fā)布成可運行的.exe格式，能夠方便使用，將讀取的二維信息自動寫入Excel中，能夠連續(xù)進行讀點操作，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動讀取與寫入。需要注意的是，在操作過程中，選取的型線必須為多線段，否則不可讀取，因此可在CAD中先采用多線段轉(zhuǎn)換的命令進行轉(zhuǎn)換。

圖3為CAD讀點二次開發(fā)控件讀取點數(shù)據(jù)圖，可以看出，該二次開發(fā)實現(xiàn)了型值點的自動讀取，并自動寫入到了Excel工作表中。

圖3 型值點讀取圖

3.2 模型繪制

1）CATIA中提供了較好的數(shù)據(jù)讀入接口，通過CATIA內(nèi)置的宏命令結(jié)合Office Excel軟件快速導(dǎo)入3維型值點，并利用宏的命令代碼自動連成曲線，其中宏命令對Excel中的數(shù)據(jù)型值點的排序有一定的格式要求，需要在Excel的開頭部分寫上StartLScurve，讓后中間排入型值點，最后以ECurve結(jié)尾，具體示意圖如圖4所示。

圖4 型值數(shù)據(jù)排列示意圖

2）利用CATIA軟件中的放樣曲面命令進行船體曲面建模，首先對船中段曲率變化較小的區(qū)域進行建模，再對船體艏艉進行建模，艏艉部分需要適當(dāng)增加剖面密度，在曲面拼接時增加控制線可增加曲面的光順度；在CTAIA軟件中，具備了多截面曲面、填充曲面及高級填充的功能，最終能夠較好地實現(xiàn)船體的光順，但是在進行曲面填充操作時，要理解邊界條件中切線連續(xù)、點連續(xù)和曲率連續(xù)的區(qū)別所在，切線連續(xù)則是表示兩個面相連直線的法向量是相切的，能夠?qū)崿F(xiàn)相鄰2個曲面的平滑過渡，而點連續(xù)和曲率連續(xù)分別會出現(xiàn)折角和曲率的突變，因此不能達到曲面光順。在曲面生成后，可借助創(chuàng)成式曲面或者自由曲面中的斷開、切割等功能來修補曲面，最終達到船體整體的光順性。建立好的三維模型如圖5、圖6所示。

圖5 型值點及型線圖

圖6 三維模型圖

4 結(jié)語

由于船體的復(fù)雜曲面，導(dǎo)致三維曲面建模的工作一直是研究的難點，如何建立高精度及有效的三維模型，在船舶性能的研究及應(yīng)用方面都占有著不可替代的位置。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，解讀了船體型線圖讀圖的方法，介紹了CATIA三維軟件在船體建模方面的具體優(yōu)勢，開展了基于該三維軟件進行船體三維模型建立的基本繪制思路，最終實現(xiàn)了基于CATIA軟件進行船體曲面的建模?；静襟E是首先采用讀點軟件進行了型值點的獲取與轉(zhuǎn)換，借助宏命令實現(xiàn)點的批量化輸入和線的自動繪制，再利用軟件的曲面多方面功能實現(xiàn)了船體的三維建模，結(jié)果表明本文的建模結(jié)果可靠，建模方法簡單有效，具有一定的實用性及普適性。