三维建模在计算机辅助船舶设计中的两种思路和应用

赵唯丞， 黄雪忠， 万雁翔

(1.中国船级社质量认证公司, 北京 100006; 2. 中国船级社江阴办事处，江苏 无锡 214422；3. Faculty of Engineering and Environment, Southampton University, Southampton, SO17 1BJ)

0 引 言

建模一直是计算机辅助船舶设计的重要环节。从数学模型到立体三维模型，从杆件模型到船体梁模型，由抽象到形象，由细节到宏观,无不体现建模思想在计算机辅助设计中的重要性。

三维建模作为现代计算机发展的重要成果之一，广泛应用于船舶设计的各个阶段[1]。三维模型的方便直观等特性得到了科研人员和设计师们的喜爱。然而，随着时间推移，三维模型被越来越多地应用于造船业的各个领域[2]，其缺陷也就逐渐暴露出来。比如，在船舶性能计算方面，三维模型的精确性饱受诟病，使得利用三维建模进行的计算只能作为估算结果。而在船舶结构安全的计算方向，虽然有限元模型有效解决很多技术难题，然而有限元模型的建立和边界条件的确立太过依赖于设计人员个人的工程经验积累，使得其计算结果精确性和可靠度一度成疑。令人欣慰的是，近年来三维模型在总体设计方向的应用越来越成熟可靠，三维设计的前沿科学家们甚至利用虚拟现实技术(Virtual Reality, VR)开发出软件来帮助设计师准确把握舱室设计。本文着重介绍三维模型在计算机辅助船舶设计中的反算法。

1 建 模

三维建模是计算机辅助船舶设计的重要步骤，建模的方式、方法会影响计算结果的可靠性，型线的设计可采用计算机辅助三维设计的方法来实现。本文大量采用三维设计，其中涉及Rhino 4软件和Maxsurf 13软件的掌握和使用。区别于手工修改型线的方法，本文中三维型线的修改步骤主要经历以下几个过程：(1)母型船CAD型线校核；(2)在CAD软件中通过查询命令提取型值点三维坐标，并形成固定格式的txt点云文件；(3)将点云文件导入到Rhino软件中，并使用B-Spline 内插样条曲线连接各三维坐标形成的点云；(4)利用Rhino软件的NURS曲面成型模块，以各样条线作为约束形成船体NURS曲面；(5)将曲面导入到Maxsurf软件中并进行参数设置，检查母型船模型精度；(6)根据之前设计得出的参数，在Maxsurf中执行参数变化命令，形成设计船的模型，并检查新模型的水动力参数是否符合初步设计的要求；(7)在模型上设置水线、分站、纵剖线等并导出dxf格式的CAD图纸；(8)在CAD中进行型线的二次光顺。

1.1 母型船三维建模

母型船变换法是船舶设计中常见的方法[2]。在母型船的建模过程中，虽然Maxsurf软件自带的NURS建模模块可以完成这部分工作，但依靠录入型值生成Markers云，再手工拖曳曲面靠近型值点的方法十分耗时且曲面成型精度也有待考证。于是，本文引入第三方NURS曲面成型软件Rhino，通过在母型船CAD图中复制出三维坐标的型值制成txt三维坐标文件导入到Rhino软件中形成型值点云，勾勒各条横剖线和水线，利用横剖线和水线约束NURS曲面得到母型船船体外壳。这样做的好处是曲面精度高，保证各个横剖面和水线面与型线图的形状完全一致。

1.2 逆向建模

逆向建模是指在缺少建模必要条件的情况下进行的船舶三维建模。本文算例中的建模过程由于缺少船舶的半宽水线图和纵剖线图，仅有横剖线图进行逆向建模。

以下文的反算法算例为例，该驱逐舰(Leander级)建模过程中没有蓝图或结构，关于其结构的详细信息也未知，仅有的信息是文献中的横剖面插图[3]。

图1 驱逐舰横剖面图

对该驱逐舰进行三维建模，首先须找到其横截面平面。图1是在文献[3]中发表的横剖面图。不幸的是，在这个不清晰横剖面图上并没有标明站号或肋位号，因此对站号进行假设，在平面CAD软件中重新绘制该横剖面图。

重新绘制的驱逐舰横剖面图如图2所示，与图1相比，增加了精确性。通过立体展开横剖面图得到3D船体曲线坐标(x,y,z)[4]，如图3所示。如图4所示，在得到曲线坐标形成坐标云之后，导入Rhino软件中得到船体曲面， 再将曲面导入Maxsurf软件中，进行船体参数和水动力计算模拟。

图2 驱逐舰横剖面图(重新绘制)

图3 立体展开的驱逐舰横剖面图

图4 导入 Maxsurf 后的驱逐舰三维模型

如图5所示，该模型由于Rhino软件采用了IGES通用格式可用于在Maxsurf中建立三维模型，也可导入Patran建立有限元模型。

图5 导入Maxsurf中的3D船体曲面

1.3 有限元模型的建立

如图6所示，IGES格式的三维船体表面导入到Patran软件中同样可以兼容。该表面可用于有限元建模，这样整个有限元建模的精度可以提高，因为该三维曲面是通过转化平面CAD蓝图所得到的。

要构建驱逐舰船体的有限元模型，将使用MSC.Patran。这是一种强大的计算软件，可以构建舰船三维有限元模型。将驱逐舰3D船体表面导入Patran中，其表面长度约为109.72 m，宽度为12.36 m，比例1∶1。在这个表面上画网格，设计者可以很容易地得到完整的有限元网格结构。

图7是画好的驱逐舰模型有限元网格和节点，可以清楚地看到船体表面和甲板上的网状分布。需要注意的是，两个表面连接的节点必须是相同的，为了删除多余的节点，可在Patran中使用等价功能。如果某些节点不相同，会导致计算过程中出现一些问题。

图7 Patran软件中驱逐舰模型有限元网格设绘

2 正算法与反算法

2.1 正算法概述

正算法是指用母型船变换法推进的正常设计。该算法具备全部设计要素，通过Maxsurf中的设计模块转换母型船三维模型，从而得到新设计船的三维模型，再进行船舶结构、性能等一系列设计。

兴波预报是计算机辅助船舶三维设计的重要特色，利用计算机软件进行兴波预报直观可靠。以船体兴波预报作为正算法算例一则，主要是使用Maxsurf 13中的Hullspeed模块进行船体兴波预报工作，预报结果如图8和图9所示。

图8 渲染后的算例中设计船模型兴波预告图

图9 算例中设计船模型兴波波高等高线图

反算法是指利用计算机辅助设计的方法对缺少图纸信息的船舶进行反向演算。利用不完整的信息推演出船舶布置或结构的完整信息。

2.2 船体结构逆向设计

第1.2节得到驱逐舰三维船体曲面后，即可对驱逐舰内部结构进行推测，从而推算出驱逐舰船体梁的基本参数。

查阅大量文献，找到匹配算例中驱逐舰的结构简图[5]。图10显示一个非常典型的现代驱逐舰横截面。结构细节显示，在图中有2层甲板和立柱。图10还展示一些骨材梁结构安装在船体表面,但具体的板架结构是无法假设的，因此，使用一个非常简化的结构假设。根据前文图3所示，有21个假设的横截面平面，在该结构假设中所有的梁和杆结构细节都被忽略了。假定的横截面仅由主甲板、平台甲板和船壳组成，忽略立柱抗水平弯曲和扭转的影响，其原因是很难定义这种效应的大小。该结构假设的关键问题是假设板的厚度。

图10 典型舰船横剖面图

为确保有限元模型的质量分布与真实船舶相同，设计人员应假设不同断面的板厚度。从图11中可以看出，假设的板厚最大值是10.55 cm，厚度最小值是4.53 cm。这里还有一个重要的假设须注意:截面质量是均匀分布在船体板和甲板上的，在现实中，这是不可能的，因为现实船体中结构的密度并不均匀。

图11 驱逐舰有限元模型的质量分布

当每个部分的质量假设完成时，设计者可以开始计算纵轴穿过质量中心的转动惯量。在Patran中有一个质量属性计算工具，设计者可以用来查询相对于原点坐标和相对于相对坐标的转动惯量。从图12中可以看出，不同部分的网格被设置为组，根据组的设置，可以方便地检查出每个区段相对于不同轴的转动惯量。

图12 计算驱逐舰有限元模型转动惯量

反算法利用计算机三维建模和有限元软件在假设条件的情况下可以推算出驱逐舰船体的各类参数，算例中仅例举了驱逐舰质量分布和惯性矩推算的过程。该算例中所需的面积矩等必需参数同样可以推算得到。

2.3 在Patran中计算干模态

在Patran中完成三维有限元模型的构建之后，通过Patran软件将模型导入Nastran就可计算驱逐舰模型的干模态。计算模态是为了验证反算法中一系列的结构假设是否合理，相似驱逐舰的实船模态计算结果可以从文献[5]中查找。假设船体梁的两端都是固定的，并且使用Patran正常模式分析功能，设计师可以得到不同频次的模态，如图13所示。

图13 驱逐舰低频次干模态

通过利用反算法建立的驱逐舰模型在Patran中计算干模态，设计者会发现船体梁的区域振动会随着频率升高而越来越明显，这是因为反算法假设出的驱逐舰FEA船体模型的内部没有骨架，该模型只有板。事实上，这在现实中是不会发生的，真实船体中有大量梁和杆结构存在。对比文献中近似船的垂向弯曲频率，结果如表1所示。

从表1中可以看出，对比结果误差太大，前文中叙述了原因。因此，Patran的计算结果并不能给反算法提供满意的答案。然而，第2.1节从驱逐舰FEA模型中获得的数据可以导入代码UCLMOD1进行干模态计算。

表1 Patran计算的垂向弯曲频率对比文献中近似船的垂向弯曲频率

2.4 运用UCLMOD1计算干模态

UCLMOD1是伦敦大学开发的代码，用来计算船体干模态，用户只需按格式要求键入船体参数就可得到振动频率和振动波形，使用简单而直观。第2.1节计算的很多船体数据可以直接代入UCLMOD1软件中。由上节可知，FEA并不是反算法中做干模态计算的好工具，设计者可以使用UCLMOD1来计算扭转和弯曲的振动频率，从而证明反算法中诸多假设的可靠性。UCLMOD1不需要进行结构细节的输入，因此从这个代码的计算结果中得到一个合理的答案可能会容易得多。输入UCLMOD1需要的驱逐舰结构假设数据，并运行UCLMOD1，设计者可在几秒钟内得到结果。图14为UCLMOD1计算出的当振动频率为3.909 Hz时驱逐舰的扭转波形示意图。

图14 UCLMOD1计算得到的驱逐舰扭转波形

2.5 反算法可靠性验证

振动频率的计算是由UCLMOD1进行的，为验证这些频率，通过文献[6]，找到1艘该驱逐舰的近似舰船(Canadian)，其主尺度参数与该驱逐舰(Leander)相似。由于船舶类型相似，结构细节可能与该驱逐舰相同。文献给出了近似舰船的振动频率。表2中给出UCLMOD1计算出的驱逐舰振动频率和它的近似舰船的振动频率，并做横向比对。

表2 UCLMOD1计算的振动频率(Leander)与近似舰船(Canadian)振动频率对比

从表2中可以看出，垂直弯曲误差不很大，特别是第3阶垂直弯曲的误差可忽略不计。Leander和Canadian驱逐舰的第2阶水平弯曲频率也比较相似。结合垂直弯曲和水平弯曲频率的对比，设计者可推断这2艘驱逐舰应具有非常相似的结构特性，并且验证了第2.1节反算法做出的假设。对比结果说明，由UCLMOD1计算的振动频率是可靠的，并且第2.1节对该驱逐舰船体结构的假设也是合理的。

3 2种计算方法的比对

从图15中可以看出，正算法与反算法共同的步骤是三维建模，其余步骤均不相同。同样为运用三维模型进行计算机辅助船舶设计的方法，反算法步骤与正算法却大相径庭，其原因在于这2种计算方法的出发点不同。正算法是正常的计算机辅助船舶设计方法即母型船变换设计，而反算法运用了逆向设计的思维。反算法可运用三维NURBS曲面复原缺少蓝图的船舶外表面，再运用有限元模型为结构假设提供运行代码所需的参数，在得出假设结构的参数以后，再导入计算代码得出船舶结构特征数据，比如船体梁的振动频率等。查找文献，对比用假设计算出的船舶特征数据和文献提供的数据误差，判断结构假设是否合理。

图15 两种计算方法的比对

4 结 语

本文叙述三维建模在计算机辅助船舶设计中的2种思路和应用，并指出三维建模在计算机辅助船舶设计中有2种思路。

第1种正算法即常见的运用三维建模软件推进母型船变换得到设计师需要的新船的方法。该方法目标明确，操作成熟，是目前广大设计师常用的计算机辅助船舶设计方法之一。随着计算机性能的飞跃和计算机辅助设计软件的日趋完善，该方法的应用将越来越广泛，大到初步设计，小到舱室设计，都有运用正算法思维的计算机辅助船舶设计的身影。

第2种反算法应用于缺少蓝图或其他资料的船舶的复原，是逆向设计思维的一种应用。该方法的利用需复原船舶已有的图纸资料数据，合理假设，再对假设进行验证，从而得出需复原船舶缺失的数据。未来的应用前景主要可用于引进海外先进船型填补国内造船业的技术空白，还可用于国防工业。

设计师在运用计算机辅助船舶设计时可以根据设计出发点合理选择这2种思路建立三维船模，从而做好船舶设计或复原工作。

[1] 顾敏童.船舶设计原理[M].上海：上海交通大学出版社，2006.

[2] 中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册[M].北京：国防工业出版社，1998.

[3] BENNETT S S, HUDSON D A， TEMAREL P.The influence of forward speed on ship motions in abnormal waves: Experimental measurements and numerical predictions[J]. Journal of Fluids & Structures, 2013,39(5):154-172.

[4] 杨永祥，峁文玉，翁士纲.船体制图[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2005.

[5] GILLMER T C. Modern Ship Design[R]. Maryland: Naval Institute Press，1977.

[6] MCTAGGART K,DATTA I,STIRLING A,et al.Motions and loads of a hydroelastic frigate model in severe seas[J]. Transactions: The Society of Naval Architects and Marine Engineers，1997, 105:427-450.