基于二次开发的CATIA三维建模在全垫升气垫船设计中的应用*

张宗科

(七〇八研究所 上海 200011)

基于二次开发的CATIA三维建模在全垫升气垫船设计中的应用*

张宗科

(七〇八研究所 上海 200011)

全垫升气垫船;三维建模;CATIA;二次开发

全垫升气垫船的船体外形结构不再着重考虑水动力性能,而是采用浮箱结构,其折角面、断阶面与倒圆较多,另有垫升风机在浮箱上的出风开口等,空间形状复杂。此外还有风机、导管桨、空气舵、围裙等特种设备,适于用参数化软件CATIA作二次开发来进行三维建模。在CATIA中作了一些二次开发以方便建模,详细介绍了一条全垫升气垫船的三维建模过程,并就CATIA曲面展开功能在柔性围裙设计制造中的应用进行探讨。

0 引 言

全垫升气垫船不同于常规排水型船,垫态航行时依靠围裙垫升系统悬浮在运行表面上。因此船体外形结构对线型光顺性要求不再那么重要,而是采用浮箱结构,主要考虑围裙安装以及舱室布置等的要求,折角线、断阶线与导圆线较多,形状也更为复杂。全垫升气垫船主要有浮箱平台、客舱、机舱、垫升风机、围裙、导管桨、空气舵等组成,见图1[1,2]。

CATIA是法国Dassault Systemes公司开发的CAD/CAE/CAM一体化三维软件,模块众多,功能强大,且内嵌了VBA、CAA等二次开发工具,便于用户量身进行应用开发[3,4]。本文针对全垫升气垫船的特点,在CATIA中作了一些二次开发以方便建模。下面将对应全垫升气垫船以上组成部分在CATIA中的三维建模过程进行说明。

1 浮箱平台

图1 俄罗斯Project 20910 Chilim与芬兰T-2000Caombat ACV

浮箱平台(气道甲板)为全垫升气垫船结构的承载基础,在其上安置其余部分,并提供排水状态时所需的浮力,见图2。浮箱平台首部一般采用半圆头,以便安装围裙并减少垫态航行时,首部围裙的迎风阻力系数及越峰阻力等。军用气垫船因首部装有搭载坦克等上下的跳板而采用圆角矩形的形状。浮箱平台尾部采用两端为过渡圆角的平直形状,便于围裙布置,可减少越出阻力峰的时间。浮箱平台的设计必须考虑垫升气流的气道空间与围裙的安装形式。该部分形状较为规整简单,由LISP程序从AutoCAD二维图获得各组成线段的坐标形成数据文件,在CATIA中形成三维模型。

不同于常规排水型船,全垫升气垫船垫态航行时,运行于水气界面。如同飞机一样,全垫升气垫船对结构重量的要求极为严格,船体材料采用密度小的铝合金,并为铆接结构形式。焊接式船体结构各组成部件之间可以“无缝”拼接,而铆接式则需要连接肘板、角材、球扁型材等来搭接,见图3。

图4为浮箱平台结构的一部分,外板除外,还有肋板、扶强筋、纵骨、外板与肋板之间的连接骨材。其中纵骨为球扁型材,扶强筋为角材,可以利用CATIA中的Formu la、Desing Table和Catalog功能建立三维组件库加以调用。相应步骤为,实体建模、提取创建参数变量实现尺寸驱动控制实体模型、形成设计参数表、创建Catalog文件实现预览与调用[5,6]。

图2 全垫升气垫船组成部分

图3 全垫升气垫船典型铆接铝合金结构

图4 球扁型材参数化实体建模与浮箱平台结构的一部分

2 舱室与垫升风机风道

客舱居于浮箱平台上面的中前部,形状也较规整。客舱的梁拱可有Spline曲线来拟合,客舱上开窗较多,通过在客舱壁上绘制开窗的边线,由剪切功能(保留两侧)来实现。舱门可用厚曲面功能来模拟。将客舱作成几何体模型,由几何体模型强大的导圆角功能来实现光滑过渡,特别是客舱前端顶部为三个导圆角的交汇处,可方便获得其精确形状。利用Drafting功能获取投影后的二维图,方便船厂施工放样。

机舱包括主机舱与风机舱。主机舱一般位于浮箱平台上客舱的后部,形状比较简单,但舱壁前端开有进风网窗、舱壁后端开有出气百叶窗等,可用CATIA中的Formula功能实现参数化绘制。

按照船的用途及总布置要求,风机舱可位于两舷或与主机舱合在一起。对大型气垫船而言,因总布置及围裙气垫供气所需,风机舱往往位于两舷。对使用艏喷管的气垫船,风机舱必须位于两舷。国内垫升风机使用最多的是4-72或4-73型离心式风机,均有标准的蜗壳线型可供参考,需要根据出风口的布置要求,对线型略作调整即可。在AutoCAD中将风机标准型线汇出,调整后将控制坐标输出至数据文件内,在CATIA中绘制蜗壳形状。两风机之间需要保持一定的间隔,以保证进风面积的要求。

由于全垫升气垫船自身的特性,垫态时纵稳性较小,考虑到越峰能力及安全性要求,对重心位置控制较严,有时需设置压载水舱来调节纵向姿态。为达到最佳效果,压载水舱通常位于船的最前端,其两边为帆缆舱。同时需要保证垫升气流的流通空间,CATIA三维模型可较好的反映并优化该处舱室的形状布置。

3 艏喷管(艏推器)

全垫升气垫船垫态航行时,基本悬浮在运行表面上,因此其摩擦力小抗侧风能力较差。此外低速航行时空气舵来流小舵效差,操纵性也不理想,而艏部旋转喷管(艏推器)可改善低速操纵性与提高抗侧风能力。英国的AP.1-88、美国的LCAC、芬兰的T-2000Combat ACV均装有艏喷管,其中LCAC的艏喷管由双头蜗壳风机供气,必要时可经调整叶片格栅角度切断供气。美国CDIM-SDD(原Band,Lavis＆Associations)公司为芬兰设计的T-2000 Combat ACV则采用了改进的层叠式艏喷管[2,7],见图5。七〇八研究所设计带独立风机供气的艏喷管的小艇试航进一步证实了艏喷管的实际效果,利用艏喷管可在水上垫态原地回转,亦提高了抗侧风能力。

为艏喷管供气的风机出风口为矩形,因此存在一个方转圆的问题,利用CATIA的多截面放样功能可方便实现方转圆。有了艏喷管与风机的三维模型,就可以进一步用CFD计算分析,优化形状布局。

4 导管桨与空气舵

全垫升气垫船垫态航行时,基本悬浮在运行表面上,因此不能用常规的水螺旋桨推进,而是采用导管空气螺旋桨,舵系也相应的采用位于导管后端的空气舵,见图6。导管桨包含桨毂、桨叶与导管,其中桨毂可制成标准零部件;桨叶由CATIA中二次开发的专用程序绘制;由导管线型绘出剖面形状,经旋转后形成导管模型。空气舵通常采用NACA翼型,绘出剖面线型(Sp line)后,经拉伸即成。

图5 艏喷管在美国LCAC与芬兰T-2000上的应用

图6 CATIA中导管桨三维模型与芬兰T-2000实艇上的导管桨

5 围裙系统

围裙是全垫升气垫船所特有的设备,它在船体下方围成气室,由垫升风机产生的气流在此形成气垫,将整船托举在运行表面之上,使其具有水陆两栖性能。围裙设计好坏,对气垫船总体性能至关重要,如快速性、稳性、耐波性等。围裙由柔性橡胶涂覆织物(围裙布)制成,按构造形式分为囊指型、囊筒型、双囊指型、单囊套指型与双囊套指型等。周边围裙一般为囊指型,分隔裙则为囊筒型。

英国是气垫船研究的鼻祖,对围裙研究也最为先进,原SRN4 MK.3上安装的大型响应围裙具有良好的响应能力,耐波性高达四级海况(2m波高、10m/s横风情况下可越峰航行)。目前美国CDIM-SDD公司为LCAC设计柔性响应围裙已发展到第三代,使得整船阻力显著下降,耐波性也有所提高,见图7。

经围裙成型计算,确定沿船周向不同位置处的围裙剖面形状,利用生成的AutoCAD图形文件,由二次开发程序转化为CATIA中的图形,经多截面放样,绘制出整套围裙的形状。利用CATIA中的展开功能,可得到艏艉转角处围裙的平面展开形状,经Generative Drafting功能得到二维展开图,从而为围裙放样制造提供基础,见图8。

6 全船建模时的一些注意事项

全船三维建模时,需预先考虑好各不同功能模块组成部分之间的分组,将其划分为不同的几何集、几何体等,这样便于用CATIA的特征树来控制各部分的显示/隐藏(类似于AutoCAD中的Layer概念)。此外尽可能利用对称性,以减少建模工作量。对导管桨、风机、艏喷管等相对独立的设备可采用先独立建模再插入到全船模型中加以定位,如此改动时仅需修改定位参数即可。对一些舱面属具,如导缆嵌、系泊羊角、“十”字带缆桩、栏杆基座、锚等规范产品,预先制作成标准零件库,再按需集成到全船模型中。

图7 芬兰T-2000上安装的CDIM-SDD公司第二代响应围裙

图8 围裙CATIA三维模型与艏部大囊的局部展开图

7 结 语

本文对参数化软件CATIA在一条全垫升气垫船设计中的应用进行了介绍。通过二次开发,在CATIA中可方便实现船体结构、风机、导管桨、艏喷管、围裙等的三维建模。该三维模型在气垫船设计工作中发挥了较大作用,利用其可对舱室形状布置以及设备安放进行优化,且对总布置图、外型图、桨叶图、围裙布置图等二维图纸的设绘也提供了有价值的参考。

本文仅是CATIA在全垫升气垫船设计中应用的初步尝试,还有多方面工作要做,如进行结构的三维设计二维零部件出图,材料明细表的统计生成等。导管桨、船体舱室结构的三维模型为包含桨前舱室在内的导管桨CFD计算分析提供了基础,可利用Modern CFD Tools来优化导管桨布置及桨直径、桨叶与桨后整流支架的布局,进一步研究围裙的三维放样展开,实现精确制造来保证整个围裙表面成形光顺。

[1] Rosoboronexport 2003 Naval Systems Export Catalogue[M].Intervestnik Publishing House.

[2] D.R.Lavis and B.G.Forstell.Air Cushion Vehicle(ACV)Developments In the U.S.FAST2005[C].Russia,2005.

[3] 胡挺,吴立军.CATIA二次开发技术基础[M].电子工业出版社,2006.

[4] 尤春风等.CATIA V 5曲面造型[M].清华大学出版社,2002.

[5] 李原,彭培,林邵毅等.基于CATIA的标准件库设计与实现[J].计算机辅助设计与图形学学报,2005,17(8):1873-1877.

[6] 邓冬梅,周来水,陈功等.基于CATIA的组件库建库工具的设计与实现[J].华南理工大学学报(自然科学版),2007,357(1):138-142.

[7] B.Forstell.Air Cushion Vehicle(ACV)Developments in the U.S.[R].Joint SNAMESD-5/HISDinner Meeting.2005.6.

Application of CATIA 3-D Modeling Based on Secondary Development in the Design of ACV

Zhang Zongke

ACV;3-D modeling;CATIA;secondary-development

The hull figure structure of ACV no longer puts emphasis on hydrodynamical performance,but on pontoon structures,which has more beveler,redan and fillets,and with air-cushion fan on the air ventilation hatch,having complicated space features.Moreover,there are also many special devices such as fan,ducted propeller,air rudder,skirt,which fits to the parametric software CATIA to make secondary development for 3-D modeling.This paper makes some secondary development by CATIA to simplify the modeling,introduces the 3-D modeling procedure for an ACV,and discusses the application of CATIA curved surface spread in flexible skirt design and manufacture.

U674.943

A

1001-9855(2010)05-0055-05

2010-02-08

张宗科(1973.11-),男,汉族,山东人,工程师,主要从事船舶设计与软件开发工作。