基于FORAN的结构模型管理方法

李军，李樱，罗白璐

（中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064）

0 引言

随着船舶设计技术以及计算机辅助设计（CAD/CAM/CAE）软件系统的深入应用，船舶设计手段由二维设计转为三维设计已是大势所趋。目前，国内许多研究所和造船厂已大量应用具有国际先进水平的三维造船软件，具有代表性的软件有TRIBON、NAPA、CADDS5、FORAN等，经过多年的经验积累和二次开发，这些软件的应用效果已得到一定体现，并获得了一定的效益[1][2]。

船体结构三维设计以其基础性、广泛性、精细性等特点成为船舶三维设计的重点，而对于较大型且结构较复杂的船舶来说，对众多结构模型的管理也成为三维设计的难点。FORAN软件是世界范围内应用最为广泛的大型造船专业软件之一，由船舶设计师开发，专供船舶设计师使用[3]，其中的结构三维建模FHULL模块，可以在一定程度上很好的实现对船舶结构模型的精细管理。本文详细介绍了FORAN软件的FHULL模块在管理船舶结构三维模型上的方法和特点。

1 FORAN简介

FORAN软件是西班牙SENER公司为船舶设计与建造专门开发的一款三维设计软件。该软件已在全球30多个国家的150多个用户中得到应用，并开发了数以万计的各类船舶和海洋平台[4]。该软件自2005年进入中国市场以来，以其强大的船舶三维设计功能，取得了良好的初步工程应用成效[5]。

FORAN软件结构三维建模模块为FHULL模块，FHULL模块下有两个工作模式，分别为Internal structure平面工作模式和Shell and decks曲面工作模式。在Internal structure模式下，三维结构设计人员可对内部甲板、平台、舱壁等平面结构进行三维建模；在Shell and decks模式下，三维结构设计人员可对船体外板、上甲板、内底等曲面结构进行三维建模[6]。

本文主要介绍FHULL模块中两个工作模式下对结构模型的管理方法。

2 Internal structure模式

2.1 模型管理元素

平面模式下模型的管理需要有Block、Section、Structural element、Parts四个元素，其所代表的含义分别为：

1） Block。Block是船体构件在软件中存放的区域，所有船体构件必须存放于某个Block中，零件编号也是在每个Block中顺序编号。Block由结构管理员在NORM模块中定义。Block名称可由数字和字母组成，字符串长度不超过4个。

2）Section。Section是在FHULL模块平面模式中创建的平面，一般包括内部甲板、平台、舱壁等。在船体结构平面模式下，通过创建Section进行船体结构三维建模。

3）Structural element。Structural element是在FHULL模块平面模式中创建的结构单元，每个结构单元必须附属于某个Section，而一个Section上可创建多个结构单元。在结构单元中定义构件的各个默认属性，如构件规格、理论线位置、存放Block、是否具有水密特性等，并可按照定义好的属性创建结构件。

4）Parts。FHULL中所有的结构件（板、筋）被称为Parts，包括Plate/Internal Plate、Longitudinal/Beam/Frame/Profile。其中，Internal Plate是平面模式中创建的板结构类型的统称，包含Internal Plate（平面板）、Bracket plate（肘板）、Standard plate（标准板）、Collar plate（补板）等。Profile是平面模式中创建的各种筋的统称，包括Straight profile（通过直线方式创建的筋）、Grid profile（通过网格创建的筋）、Face bar profile（面板）等。

所有的结构件都必须存放于某个Block。结构件隶属于Structural element，而Structural element隶属于Section。

以上四个元素的建模流程及随着设计深入各元素的处理方法如图1所示。

图1 各元素处理方法

2.2 模型管理方法

2.2.1 Block的管理方法

由于FORAN利用Block来存放结构模型，因此在方案设计阶段的三维建模之前必须按照一定的规则和约定来创建Block。并且，随着设计阶段的深入和结构模型的不断细化，Block也应逐步细化。若一条船划分为N个总段，则在方案设计阶段可按照总段和结构类型来划分Block（表1）。

表1中，XX表示01～N，不同的结构件被存放在不同的Block中。根据总段及结构类型可找到对应的结构模型，例如03总段4甲板存放的Block为03D，读入03D里所有的结构件即可看到03总段4甲板的三维模型。因此，通过不同的Block可在方案设计阶段实现对结构模型分门别类的管理。

表1 方案设计阶段的Block定义

由于FORAN软件中Block字符串长度不能超过4个，因此在方案设计阶段定义Block时需考虑施工设计阶段Block的需求，即命名Block时要留下一定的余量，名字应尽量简练、精确及易于查找。

方案设计阶段只划分了总段，因此Block存放的内容比较多，即某一个总段某种类型的结构件可以全部存放在一个Block中。随着设计的不断深入，到施工设计阶段时，一个总段会划分成若干个立体分段，一个立体分段里面还包含甲板分段、舱壁分段、舷侧分段等分段模型，若继续沿用方案设计中定义的Block，则查看甲板分段中的某一个小分段时必须打开整个甲板结构的模型，此时，不仅模型读写的计算量大，更无法实现对结构模型的精细管理。因此，施工设计阶段必须对Block重新定义，每一个小的分段对应一个Block（表2）。

表2 施工设计阶段的Block定义

表2中，Block编号由3位数字和1位字母组成。例如042A，04代表04总段，2代表04总段中第2立体分段，A代表01，即第2立体分段中01分段，依此类推，B代表02，C代表03。

此时，若要查看某一个分段的结构模型，则只需打开其对应Block里的全部结构件即可，而无需打开整个分段结构模型。

2.2.2 Section的管理方法

Section即结构所在的平面，方案设计阶段一般会定义主船体结构所在的平面，如甲板、主横舱壁、主纵舱壁等。方案设计阶段创建的Section一般可在施工设计阶段继承使用，即不需要为结构重新创建新的Section，而直接沿用方案设计中的Section即可。但甲板横梁、纵桁以及其他所有需要用板材建模的T型材等局部结构件则需创建新的Section。

Section的名称在创建成功后是无法修改的，因此创建之前一定要注意命名规则，正确的名称才能方便后期对模型的分辨和查找。

2.2.3 Structural element的管理方法

方案设计阶段的船体结构是按照总段和结构类型来分类的，因此Structural element的设置大小与Section的设置一致，其包含的结构件为整个总段内的结构件，且这些结构件全部存放在同一个Block里。查看结构模型时只需读入该结构所在总段相应的Structural element。

施工设计阶段对船体的总段进行细化，每个总段划分了立体分段，每个立体分段包含多个结构分段，如甲板分段、舱壁分段、轻围壁分段等。以甲板分段为例（如图2）。

图2 甲板分段划分

图2为04总段2甲板，方案设计阶段Structural element指定的默认Block为04B，其结构件都存放在Block 04B。施工设计阶段时被划分为04102、04202两个分段，相应分段范围内的结构件也会被分配存放于Block 041B、Block 042B。此时，除了要对Block重新定义以外，还需按照新的Block创建新的Structural element，使其个数与甲板分段数目一致，保证一个Structural element对应一个分段号，同时指定与该分段号相对应的Block，这样便可实现Structural element、Block、分段之间的一一对应。若继续沿用方案设计中的Block和Structural element，则会出现一个Structural element里有多个不属于默认Block的结构件，无法实现Structural element与Block的一一对应。

该方法下查看某个分段的结构模型，只需读入与该分段号对应的Structural element即可，而不需读出整个分段的结构模型。

2.2.4 Parts的管理方法

Parts即结构件，施工设计阶段的板材和弱骨材可继承方案设计阶段的模型，但T型材，如横梁、纵桁、肋骨等，特别是端部有变化的T型材，则需要删除用型材创建的模型，重新用板材创建新的模型。

在施工设计阶段，总段划分了分段，Block也完成了相应的细化，其所对应区域的结构模型也必须分配到对应的Block（图2），原属于04B Block的结构模型需按照分段划分区域切开，然后分别分配到041B、042B两个Block中（图3）。

图3 结构件分配

以上方案可实现Block、Structural element、分段、结构件之间的相互对应，即一个分段只有一个Structural element，该 Structural element指定的默认Block与分段号对应，该Structural element内的所有结构件同属于默认的Block，从结构件上实现对模型的管理。

3 Shell and decks模式

3.1 模型管理元素

曲面模式下有两个元素与平面模式下的元素不同，分别为Surface和Zone。

1） Surface。Surface是在总体曲面模块（FSURF模块）中创建的曲面，一般包括外板、上甲板、内底等。在船体结构曲面模式下，通过选择工作Surface和Zone对该工作曲面进行船体结构三维建模。

2）Zone。Zone是FHULL模块曲面模式下的船体区域概念。Zone存在的意义在于：三维设计人员可对某一曲面（如外板、上甲板、内底）的不同区域同时建模。每个项目中可以有多个Zone，但是只有一个Zone0，其它普通的Zone均在Zone0中创建。需要注意的是在曲面模式下创建的构件依然保存在Block中，Zone中不保存任何构件。

由于曲面模式中没有Section和Structural element的概念，因此既不能继承Section也不能新建Structural element，而只能通过Surface、Zone、Block来管理结构件。

3.2 模型管理方法

3.2.1 Surface的管理方法

曲面模式中，在对结构进行编辑操作前，需首先选择结构对应的曲面，如图4所示。在左栏中选择曲面，在右栏中选择需要进入的Zone，曲面是在FSURF模块中预先定义的，无法在FHULL模块中编辑和修改。因此，在整个设计阶段中，若曲面没有问题则不需要对其进行修改和变更。

图4 曲面和Zone的选择

3.2.2 Zone的管理方法

除了系统默认的Zone0外，设计人员可给船体的每个总段定义一个Zone，例如01总段定义Zone 01，02总段定义Zone 02，依此类推。通过Zone实现对船体结构按照总段进行管理。

利用Surface和Zone可实现区分结构类型和管理结构总段。而对Block的处理方法可参照平面模式中的做法，由于Block是在NORM模块中创建的，不受FHULL模块的约束，因此定义好的Block在平面模式和曲面模式中的效力是一样的。方案设计阶段，某个总段内的结构件可全部存放在同一个Block中，随着设计深入到施工设计阶段和总段划分分段，此时只需将方案设计中已创建好的结构件在分段缝位置切开，然后将相应分段区域范围内的结构件指定到与该分段对应的Block即可。如图2所示，将原来属于04B的结构件分别按照分段范围指定到041B、042B，后期若需查看041B里的结构件则只需读入该Block里的结构件。

对于曲面模式下用型材创建的横梁、纵桁等端部有变化的T型材，施工设计阶段需删除用型材创建的模型，重新在平面模式用板材创建新的模型，且对应分段的T型材需存放在与该分段对应的Block中。

4 结论

FORAN软件的引进为我国船舶工业的自我创新发展提供了一个有效的设计平台，该软件体现了良好的设计理念，有完善的数据库，可使设计更加安全可靠，并有良好的操作性。

本文提出的基于FORAN的结构模型管理方法，随着设计阶段的不同而不同，对每个设计阶段的结构模型都能够实现高效管理，不仅方便结构模型的查找，更有利于后续对模型的更改和维护。

但是在一些大而复杂的船舶项目中，随着结构件的增多，数据库的容量也急剧增大，如果整个船舶的所有结构件都在一个数据库里创建，则上述施工设计阶段中对Structural element的处理会给软件数据库的写入和读出带来更多的计算量，降低工作效率。因此，建议在大型船舶工程项目中，将整个数据库分为多个项目，分别建模，减少单个数据库的数据容量，提高软件读写和计算速度，再结合本文所提出的管理方法，充分发挥该软件的优势。

[1]邵开文,马运义.舰船技术与设计概论[M].北京:国防工业出版社,2005.

[2]陈宁.FORAN在船舶数字化设计全流程中应用技术研究[J].造船技术,2009(4):34-38.

[3]张凯,谢承福,涂跃红,等.FORAN软件在船舶总体设计中的应用[J].中国舰船研究,2009(8):76-80.

[4]ROSS J M.ABEAL D.Practical Use of 3D Product Modeling in the Small Shipyard [J].Journal of Ship Production,2001,17(1):27-34.

[5]陈练,张新华.FORAN系统在各国舰艇中的应用情况[G].UFC用户大会论文集,2007.

[6]Sener Group.FORAN USER GUID[M/CD].Madrid: Sener Group.Company,2007-10.