浅谈船舶三维设计平台关键技术

朱春林

【摘要】计算机技术一直以来就被广泛应用于船舶设计领域，其有着较多的软件，且在各大造船厂的应用历史也比较广泛。这些软件包括TRIBON、NAPA、CATIA与CADDS5等，每个软件都有自己独特的优势，但是却由于各个系统之间的封闭性，导致它们之间数据交换的不通顺。鉴于此，本文就针对船舶三维设计平台的技术进行了研究，并得出了自己的一些见解和建议。

【关键词】船舶设计；三维技术；平台；关键技术

船舶设计是一项大型而又复杂的系统工程，在计算机技术未出现之前，船舶设计主要以螺旋上升的设计方式为主，而再产生了计算机技术之后，设计周期不断缩短，而且设计流程也更加规范，但是船舶的结构也越来越复杂了，因此如何能够更好的在较短时间内完成符合标准的设计，依旧是船舶设计中比较严峻的问题。

一、计算机技术在船舶三维设计中的价值性

在整个船舶企业的设计制造当中，船舶企业必须要依赖一个设计平台。来管理整个设计过程，并进行数据交换与数据共享。因此为了提高船舶的建造质量，并且降低船舶的建造成本，必须要重视船舶三维设计的重要意义。

首先，船舶三维设计平台可以对系统的资源进行整合，因为软件是多样性的，所以企业需要利用平台对软件系统进行整合，让每个软件系统都发挥自己的优势，这样就会加快设计的效率。

其次，这个平台可以管理模型的数据信息。在船舶的开发与设计过程中，需要产生大量的数据，而这些数据证实船舶制造的关键信息，但问题是每个软件生成的信息不是统一的，这样一来就增加了信息管理的难度，且软件的不断更新、更换或者升级，又有可能会造成数据丢失。因此利用三维平台可以让数据进行统一规整与管理，提升效率，保护数据。

最后，三维设计平台有利于船舶一体化的设计。船舶设计软件设计的结果是环环相扣的，修改一个数据机会牵扯到其他数据，因此采用三维设计平台，通过统一管理数据，可以避免很多因为数据修改而产生的错误，并且对船舶一体化的设计有着非常重要的作用。

二、船舶三维设计平台的技术方案探析

船舶的设计是多方面的，分为较多部分，其中依次是概念的设计、总体的规划设计、深化设计以及生产深化设计几个部分。且这个几个部分相互关联相互影响，呈螺旋上升的过程。因此在三维设计平台设计船舶的外形及结构设计过程中，因此需要通过平台对进行资源与数据整合。

（一）系统的架构分析

CATLA作为三维平台的核心系统，具有相当重要的意义，其通过Automation技术开发船体外形，实现船体的基本机构设计。通过XML中间格式文件，实现系统集成。而整个船舶设计功能模块，是分为5个部分的，但是船舶设计表达通用模型是整个平台的核心。

（二）核心平台分析

船舶三维设计平台在前期的研究中，也是做了比较多的测试与对比的，因此最终选择的是CATLA作为核心平台。主要是原因是：首先，其实一款通用的CAD软件，船舶设计的几个造型功能非常强大，且操作简单，精度也是比较高的。在转换软件时也能保证完整的模型精度。其次，CATLA软件提供了比较多的二次开发接口，资料较为丰富，这也为软件的开发降低了难度。其接口能够提供标准的文件格式，且还可以输出标准的文件格式。其三，CATLA软件可以建立船舶的型材库、板材库与设备库等，这样就能提升设计效率，降低建模时的难度。最后比较重要的一点就是，CATLA软件具有比较强大的发展空间，其收购了许多家公司，因此可以预测其再将来的一段时间之内，仍将是船舶设计中的比较主流的一款软件，这样就能保证船舶设计三维平台的生命力与反发展力。

（三）模型的接口方案分析

船舶三维设计平台，有很重要的一个功能就是数据交换功能，实现模型共享，因此其CAX系统的数据接口主要有三种主要方式：专用、通用以及统一模型的数据交换。

专用格式数据交换是为了实现三维模型的映射与转化，其针对的主要特性系统有CAD的DWG格式、CATLA软件的CATpart与CATprodurct等。而通用的数据标准则是由DXF、STEP、LGES、VRML、X3D等，这些数据格式是中性的，不依赖与任何系统。统一产品模型数据交换是不同的系统采用相同的数据管理软件。因此，由于船舶设计的三维平台有着跨平台的优越性，因此其具体图（1）示如下：

图（1）船舶通用模型数据信息示意图

三、船舶设计的表达通用模型分析

船舶设计是牵扯到的因素是方方面面的，其本身就是一个复杂的综合物体，所以对其进行设计其方案也必定拥有较为复杂的综合性特点，这些问题包含了流体静力学、水动力以及结构等多方面的知识。只有把这些学科高度优化与融合在一起，才能完整的设计船舶，因此，对于船舶的设计而言，其设计问题是具有综合性的特点的。因此，在船舶设计到建造施工的过程中，涉及到的设计者、船厂与船检方等，都需要共同努力。船舶设计者也应该将整个设计的船舶作为研究对象，利用船舶设计表达通用模型。

（一）模型表达中的单位与坐标

船舶设计的不同阶段对应相应的设计知识积设计自由度，设计阶段越靠后需要的设计知识越多，而设计的自由度却越低。在船舶的设计过程中，一般以毫米为单位进行建模，针对不同软件的不同单位制，一般维持在毫米级为准。但是还出于不同三维设计软件对几何体的参考数据精度要求不同，因此一般采用四位小数点作为有效值的标准方法。

坐标方面，由于船型、重量、船舱容量、速度与稳定性、操纵的灵活性、结构与经济性等。因此对不同类型的船舶进行多学科优化设计的时候，需要选择与其相适应的经验公式与统计公式模型。以及船舶的构件尺寸不是唯一的，且焊接形式较多，因此需要考虑全局坐标系和局部坐标系的问题。一般来言，船舶设计坐标系采用右手笛卡尔坐标系，原点在船的尾垂线与船中线的交点。

（二）船舶整体模型

船舶设计周期长、学科多以及耦合关系复杂等，因此决定了学科分析需要采用精度更高的方法，然后利用响应面近似模型技术来完成整个设计优化过程。如今，多学科设计的优化方法已经被飞机甚至是导弹行业所应用，并且也取得了良好的设计结果。由此可以看得出来其是一项非常科学的、行之有效的方法。船舶的整体模型，包含管系、电气及设备等模型，具体如下图（2）所示：

具体为ship为跟元素，其就是整个船体。Shape是外形模型，hull是结构模型，而subdivsion分舱模型。

（三）船舶外型模型

船舶设计的过程重组就是用另一种方式设计船舶，但是在设计中，要注意三维平台系统虽然功能强大，设计师在设计的时候可以利用它来进行设计，可以将它作为有效地辅助工具，但是，设计者一定要建立在对这个系统的深入理解上，而不只是依靠计算机忽视了思考和创新。因此在传统的设计方法基础之上，通过船舶的型表值来表达船型，但是问题是不够直观，所以在船体的外形及曲面的三维空间设计中，需要在专用的设计软件中建立船舶外形模型。

四、结束语

船舶设计三维平台能够很快的提高船舶设计的效率，提升船舶设计的水平，并且能够在设计过程中做到更加彻底和创新，通过过程重组，从而提高船舶制作过程中的质量和降低成本。因此，本文通过对船舶设计三维平台的关键技术进行分析，有着非常重要的意义，其中包括探索数据接口方案、模型间的信息传递等，以及建模等，以期能够对船舶设计三维平台的完善与发展提供建议，为我国造船业与船舶设计业做出贡献。

参考文献

[1]李岩.船舶三维设计平台关键技术研究[D].大连理工大学，2010.

[2]战翌婷.船舶数字化设计软件平台关键技术研究[D].大连理工大学，2008.

[3]于雁云.船舶与海洋平台三维参数化总体设计方法研究[D].大连理工大学，2009.

[4]苏绍娟，刘寅东，刘晓明.基于集成平台的船舶三维协同设计流程研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2011，02：353-356.

[5]张伟波.船舶3D分舱设计技术研究[D].大连海事大学，2013.

[6]卢小润.船舶机舱分段装配过程的仿真研究[D].集美大学，2012.