在CATIA环境中游艇机舱布置可视化实现及分析研究

付 磊， 蔡 薇， 陈高澎

(武汉理工大学 交通学院, 湖北 武汉 430063)

在CATIA环境中游艇机舱布置可视化实现及分析研究

付 磊， 蔡 薇， 陈高澎

(武汉理工大学 交通学院, 湖北 武汉 430063)

三维设计在船舶工业已有大量应用，本文应用CATIA对超级游艇机舱分别进行了常规推进设计和吊舱推进设计的三维再现与仿真，探究实现机舱可视化的方法和过程，并对可视化效果进行了检验，优化调整后得到可指导施工安装的机舱布置图。研究表明，CATIA强大的船舶建模技术可满足实际船舶工程设计要求，能极大地提高设计效率。

游艇 三维设计 CATIA 机舱可视化 吊舱推进

1 引言

机舱作为全船最重要的功能舱室，其设计是总布置设计中的一个重要内容。机舱内设备众多，管线繁杂，多学科交织，机舱空间相对狭小，设备布置受限，如何合理高效地完成机舱布置一直是设计者所关心和考虑的问题。设计人员希望能在游艇总体设计中感受机舱环境，了解机舱设备的布置可达性。三维建模技术通过立体形象的表现形式，可以实现机舱内布置可视化，通过智能优化可以极大提高设计效率。

CATIA是目前船舶行业普及较高的设计软件，为造船工业提供了优秀的解决方案。本文以某大型游艇机舱资料为基础，应用CATIA构建机舱可视化场景，探讨机舱三维可视化实现过程和布置评价。

2 大型游艇机舱布置

2.1 一般机舱布置原则

(1) 畅通性原则：机舱内设备布置应考虑到工作人员通行方便，故障处置时能够快速到达设备空间，楼梯通道力求合理，防止形成阻碍。

(2) 安全有效性：设备布置要考虑到功能实施的安全可靠。例如布置动力装置时，在一定范围内保证其功能在船舶横倾工况下仍旧可以可靠工作。另外，防火排水也是需要重点考虑的方面，需要满足入级规范和有关法规、规则的各项要求[1]。

(3) 合理性：设备布置合理性直接影响到轮机人员的可操作性和工作效率，其布置应该考虑人员的空间，设备拆修空间要充分。各种设备都有自己的特点，对环境的要求不尽相同，布置时应考虑布置后带来的不良后果，对于工作中想配合的机械设备，应尽可能靠近布置，方便操作管理。

2.2 常规推进与吊舱推进方式机舱布置特点

2.2.1 常规推进机舱布置

常规推进系统是利用柴油机直接或间接驱动轴系带动螺旋桨转动产生推进动力的一种推进方式。常规推进系统往往具有较长轴系，要求有较大的机舱空间。轴系将机舱分割成不连续布置空间，主机和相关辅助设备的布置都会受到影响，限制了舱内的交叉布置与连接，一定程度上影响了机舱容积利用率，局限了设计人员的布置理念和优化思想。

2.2.2 吊舱推进机舱布置

吊舱电力推进是一种在电力推进基础上发展起来的新兴船舶推进方式。电力推进是主机驱动主发电机发电，然后并网，再由电网供电给电动机驱动螺旋桨的一种传动形式。吊舱推进系统位于船体外，占用较少船内空间，利于提高机舱空间利用率，且主机和螺旋桨间没有机械联系，机、桨可在任意距离布置，机组布置更具灵活性。

3 机舱布置可视化

CATIA具有强大的参数化设计能力,提高了建模以及修改优化的速度；提供了智能化且逻辑清晰的结构树，便于用户快捷重复修改；提供了多模型衔接的工作环境和混合建模方式，利于实现并行协同设计。利用CATIA建立船体外壳、船体结构及舱内设备和管路的模型，再集中装配构成可视化的三维机舱。

3.1 船体曲面建模

CATIA具有优秀的曲面设计功能，可以达到很高的曲面连续性和高精度，从而得到较好效果的船体曲面。船体曲面建模是一个由线性设计生成线框，再到利用线框生成曲面模型的过程，其几何特征由众多船体表面上的型值点所控制。通过运行CATIA安装文件中关联excel中的相关宏，可得到若干条代表船体型线的样条线，对于曲率变化较大的艏艉部应加密横剖线来保证缓和过渡，再经过创成式外形设计里的多截面曲线、填充等命令可得到完整船体外壳曲面，最后优化修正得到最终船体外壳。

3.2 机舱结构建模

一条游艇结构件众多，特征相同或相似的开孔或者型材非常多，要提高工作效率，减少不必要的工作，在对游艇结构设计之前应该对全船结构件进行统计归类，然后根据统计内容进行构件基础库的建立，以便在进行结构建立时可直接调取相关构件。

机舱区域作为一个分段独立建模，在建立之前要先把机舱段分割出来。为了操作流畅性和其他专业使用模型的便利，在CATIA的船舶结构基础设计中可将机舱区域结构划分为船壳、甲板、纵舱壁、横舱壁、零散结构等多个子Part，再在各Part中建立相应结构。

机舱结构主要包括板型材、开孔以及局部加强。CATIA结构库中存在大量板材、型材模型，可以直接调取放在支持面。在要求材料、规格和大小相同的情况下，板型材可以采取批量式建模思路一次生成。由于实际情况是游艇机舱段位于艉部，曲面曲率变化大，各处的板型材有差异，因此需要添加后再剪切。舷侧纵桁在添加时会根据类别选择来识别外板曲面的变化自动生成。舭肘板、船底龙骨腹板通过切割成型，面板作为自由边上的板材来创建。游艇上存在多种有类似特征的开孔，比如人孔、流水孔、减轻孔、贯穿孔等。通过建孔库的方式可以提高开孔速度，另外板材的开孔还可以通过直接草绘开孔或者以空间存在的三维对象投影生成孔轮廓。机舱内存在一些特殊部位，因承受多种静态载荷或动态载荷的作用，需要局部加强，如基座。由于样船是单层底，主机基座纵桁同时也起到内龙骨的作用。纵桁腹板高度比肋板大，为防止纵桁左右倾倒，纵桁两旁应用肘板加强。首先分割出机舱段外壳，Part下定义合适平面系统作为肋位或者甲板所在支持面，依照二维结构设计图，添加板型材并开孔，建立的机舱段结构设计效果如图1所示。

图1 机舱段单层底结构模型

3.3 设备实体建模

机舱中各设备都是作为零部件单独建模，通过CATIA中零部件设计模块和创成式外形设计模块中的基于草图特征、修饰特征、基于曲面特征、变换特征等工具可以建立机舱内主要设备的简单模型。

3.4 管路建模

CATIA中管路库包括管路、接头、阀件、法兰、垫片等在内的多种零部件，且具备功能类和物理类属性。管路标准件的创建过程与开孔不同的是，创建时通过选择功能物理类型，模型直接继承库中标准件所具有的相关属性。在此应注意创建设计表时参数的定义要按照标准来进行，比如公称通径、端面类型、压力等级、材料类别等。

3.5 机舱环境虚拟装配

CATIA装配设计可将机舱产品的所有组成部分按照布置规范标准进行集中虚拟装配[2]组合，从而得到三维机舱模型。先导入船体结构，然后逐个导入建立好的设备，按照二维布置方案中的设备位置确定设备在机舱空间的位置，利用分析工具分析装配后的结构和设备间、设备和设备间有无干涉，根据情况适当调整。机舱内的管路走向和长度控制可以通过定义管段节点的空间坐标来实现。

根据某大型游艇的机舱布置数据，对机舱设备进行空间布置，并添加多个管路系统，所得两种推进形式下可视化机舱模型如图2、图3所示。

图2 常规推进可视化机舱模型

4 基于人机工程学的可视化效果检验

完成的可视化机舱内的设备布置并不能完全符合实际布置情况，需要通过各种手段对可视化效果进行检验，反复优化得到满足要求的可视化机舱效果，进而得到可实际应用的机舱布置图。

图3 吊舱推进可视化机舱模型

机舱布置设计不仅要考虑设备间的合理布置，也要考虑到轮机人员在机舱中的操作管理需要。人机工程设计与分析功能可以将数字化人体模型置于机舱可视化空间，通过人的视线来观察机舱场景，视点高度位置和角度更符合实际，利于准确观察机舱。视野的类型、范围和距离都可以调整，当人体模型移动时，视线跟着实时移动。用这种方式可以对机舱布置的可视化效果进行合理性验证。

人体工作空间分析可以检查人与设备间的距离和空间是否符合要求，可以测量不同对象间的最小距离，也可以计算出分析对象处于用户定义范围内的区域。在未发生干涉情况下，可通过设定距离范围以检查设备及设施的布置是否为人员通行及操作管理留下足够空间。

5 可视化环境下两种推进方式的比较分析

常规推进和吊舱推进两种推进方式的配套设备有差异，总体布置上也有不同，通过三维建模呈现各自布置，可以清晰对比观察两种推进方式下的机舱布置环境。机舱布置图如图4、图5所示，在可视化的环境中我们可以清楚地看出两种推进方式有着很大的差异。

图4 常规推进机舱布置

图5 吊舱推进机舱布置

5.1 从布置灵活性方面考虑

从图4可以看出常规推进系统配备了很长的轴系，将机舱空间划分为不连续的三段，且轴系周边一定范围内不能布置设备，进而限制部分管路和构件的交叉连接。这也给设备布置带来一定障碍，并且压缩了机舱可利用空间，使机舱显得拥挤。由图5可以看出吊舱推进器只占机舱很小范围的空间，且是狭小利用价值不大的船艉区域，吊舱推进系统中的许多设备都布置在其他区域，所需机舱空间相对较小，机舱内布置相对整齐紧凑，方便机舱设备的布置和轮机人员的日常管理维护，提高了空间利用率。

常规推进系统的整套动力设备都被限制在舱底布置，而吊舱推进系统的电动机与螺旋桨直接连接，没有传动轴系，原动机的位置不再受到螺旋桨的影响，发电设备可以不受推进电动机和螺旋桨的限制，可根据全船的配置合理安排，甚至可在全船空间内进行立体布置。如果从消防和安全性的角度考虑，还可把发电机分成几组[3]分别布置在不同的舱室中。由于机舱艉部不需要安装柴油机，为了满足平衡性的要求，可以把一些重量较轻的设备向艉部布置，重量较重的设备多布置在中间位置。原动机可以不在舱底布置，总体设计人员可根据船型特点开辟空间单独布置，有利于舰船布置的全面优化。随着电机技术的发展，吊舱内所用电机的尺寸和重量不断减小，吊舱推进装置的比重已经降低到25 kg/kW。将驱动电机置于吊舱内，集推进装置和操舵装置于一体，省去了轴系和舵可使得空间布置更加灵活，便于自由分配。尤其是对空间布置要求较高的游艇，更好的空间灵活性也就意味着具有更多布置方案供选择。

5.2 从其他方面考虑

在水动力性能方面，相对于常规推进，吊舱推进器改善了船艉型线，提升船艉流场品质，使得推进器在比较理想的伴流中工作，船体流体性能得到充分改进，提高水动力性能[4]。据测算，经过优化后的船型效率比使用常规桨可提高15%左右，优化设计后的POD推进器的流体性能比常规桨提高约4%。POD的螺旋桨比常规螺旋桨小，产生空泡现象的临界速度高，可改善振动与噪声性能，还可以在船体内灵活布置，以获取最佳的推进性能。

在操纵性能方面，相比于应用柴油机推进系统的船舶，采用电力推进系统的操纵性能有了显著的提升。整个吊舱推进器可由旋转电动机或液压马达控制实现360°回转，省去了舵及侧推器等装置，也就没有最大舵角的限制，具有灵活的航向控制能力。不同推进方式的船舶操纵性能对比如表1所示。

机动性和舒适性是大型豪华游艇设计建造的主要追求目标，通过在以上各方面的对比可知吊舱推进相对于常规推进有较大的优势。除此之外，吊舱推进还有以下特点：

(1) 推进装置的总功率可以由多个机组承担，当一台原动机发生故障时其他原动机可作为总动力源，船舶推进不受影响，即推进装置与原动机之间可交叉连接[6]；在阻力经常变化的航态下可维持动力设备工作在恒定功率，提高了动力设备效率。

(2) 吊舱推进器采用变速驱动的推进电机，原动机与螺旋桨之间无硬性连接，几乎消除了噪音和振动，大大提高了乘客的舒适性，因此特别适用于豪华游艇[7]。

表1 不同推进方式的船舶操纵性能对比[5]

(3) 电力推进系统的废气排放更少，更符合未来绿色船舶的发展趋势和环保要求。

吊舱式推进系统是豪华邮轮推进方式的主流配置，吊舱电力推进器的功率范围可完全满足大型游艇的功率需求，相信随着国际海事组织节能减排政策的逐步实施和深入以及游艇的大型化，吊舱推进系统日益显现出其先进性，更能适应未来大型游艇的各项性能要求，使更多的应用成为可能。

6 结束语

机舱设计涉及面宽广，过程复杂，三维技术符合现代船舶设计特点，CATIA通过三维表现的可视化方式，集成多方面数据资源，保证各设计部门高效的并行协同设计，是船舶数字化设计的一大体现。本文通过CATIA软件对机舱可视化实现进行的研究表明：

(1) CATIA的船舶设计模块可以完成船体结构、设备建模，并可将船舶设计多学科有效集成进行同步设计，以用来后期同步修改。

(2) 利用CATIA可以对建立好的可视化机舱模型进行有效检验，设计者根据问题进行再设计，从而得出高质量的设计产品。

[1] 刁有明，钱自行，韩凌志等.近海拖网渔船机舱布置实例[J].大连水产学院学报，2009,s1.

[2] Wu Dianliang,Zhen Xijin,Fan Xiumin.A virtual environment for complex products collaborative assembly operation simulation[J].Journal of Intelligent manufacturing, 2012,23(3): 821-833.

[3] 陈家金，王和平.船舶电力推进系统的发展[J].世界海运，2006,29(4)：9-11.

[4] Ghassemi H, Iranmanesh M. Comparison of hydrodynamic characteristics on two ship propulsors (PRS and AZIPOD)[J].Iranian Journal of Science and Technology Transaction.

[5] http://www.docin.com/p-414380337.html.

[6] 韩秋平，曾凡其.船舶电力推进系统的应用[J].交通科技，2008,s10.

[7] http://www.abb.com.cn/cawp/seitp202/6930cb9a9e 8340ce482578f0002644ed.aspx.

Visualization and Analysis of Yacht Engine Room Arrangement Based on CATIA

FU Lei, CAI Wei， Chen Gao-peng

(Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430063, China)

3D design has been widely used in ship industry.CATIA is applied in this paper which has carried on 3D reproduction and simulation of the conventional propulsion design and pod propulsion design respectively to the super yacht, to explore the ways and process of achieving the visualization of engine room. The visualization effects were tested, and arrangement diagram of engine room which can be used to guide the production and installation after optimizing and adjusting can be obtained. The study shows that powerful ship modeling techniques of CATIA can meet the actual ship engineering design requirement and enormously improve design efficiency.

Yacht 3D design CATIA Engine room visualization POD propulsion

工信部高技术船舶专项，***大型游艇设计建造关键技术研究，工信部联装[2010]337。

付 磊(1987-)，男，硕士研究生。

U662.9

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