基于FORAN的船舶舾装设备参数化三维建模

向祖权， 王亚彬， 宋利飞， 郭 荣， 茅云生

(武汉理工大学 交通学院， 湖北 武汉 430063)

0 引 言

FORAN 软件建模与计算功能包括总体专业的船型建模与性能计算、结构建模、舾装设备的建模与安装、轮机管路敷设与机械设备的安装、电气电缆敷设与设备安装[1]。但由于FORAN 自带的专业附件库设备数量有限且需付费购买，并且其三维模型没有按照国内的设备标准建立，因此用户在设计时若需用国内的舾装设备，则须自行建立三维模型库。船舶舾装设备种类众多、数量庞大，且同种设备按尺寸规格有一系列产品，按各专业建立模型库工作量巨大。

关于船舶的三维建模，国内外很多学者都做了相关研究。赵洁等[2]通过CAXA和CATIA对船体构件建模并进行装配模拟；UYAR等[3]利用MATLAB的SIMULINK模块，验证具有多种机动能力船舶的运动特性；任晋宇等[4]利用CADD-S5对船舶的典型设备进行数值化的建模研究。但目前针对FORAN软件的参数化建模及其相关数据库的研究并不充分，本文针对系列化的船舶舾装设备，提出参数化建模思路，对同种设备，按照其尺寸规格，提取关键几何尺寸，利用基于TCL语言的几何宏进行编程，建立三维模型。

1 设备参数化建模与建库流程

设备参数化建模包括建模准备、设备属性定义、设备三维参数化建模、绘制设备尺寸草图等过程。

(1) 建模准备。收集设备图纸，整理设备接口信息，构思设备的分解简化方案，确定其几何尺寸，了解设备类型，以确定设备所在的模型库。FORAN模型库及其对应文件后缀如表1所示。

表1 FORAN模型库及其对应文件后缀名

(2) 设备属性定义。从FORAN已建立的基本信息库中调用属性等参数信息，包括CLASS定义、Component定义、Element定义等。

(3) 设备三维参数化建模。在Fdefin模块中选取Definition of Library Models工作模式，点击几何宏图标，选取几何模型的类型，再选取几何宏类型路径下的几何宏文件，然后点击“geometry”，参数化模型创建完成，接受点击“OK”,取消点击“CANCEL”。从图1可以看到模型库列表中为eqp库文件和inc库文件，所选择的vcpsimp.eqp文件已完成正确的三维参数化建模，勾选“Preview”，可在左上侧窗口中看到其三维模型。左下侧为可修改参数界面，通过设置不同的参数可生成对应尺寸的模型。点击右下角的“Show macro script”可以显示宏脚本文件的代码。

图1 三维参数化模型

(4) 绘制.png格式的Sketch草图。草图主要用于提示参数化建模的参数在图上所对应的位置。设备参数化建模主要流程如图2所示。

图2 设备参数化建模流程

2 基于TCL语言的模型几何宏编程

2.1 建模实例介绍

以CBT 199-BS(1)型管件的建模过程为例，该管件为1根直通管与1根90°弯管通过法兰盘连接而成。CBT 199-BS(1)型通舱管件的结构尺寸如表2所示，其中δ为公差。主要编程参数包括内径DN、外径DW、弯管半径R、直通管法兰直径D2、直通长度l、弯管弯曲半径L1、法兰外径D、法兰厚度b、总长度L以及中部舱壁法兰外径D4。

CBT 199-BS(1)型通舱管件模型如图3所示。

图3 CBT199-BS(1)型通舱管件模型

表2 CBT199-BS(1)型通舱管件尺寸

2.2 模型安装基准点设置与使用

利用参数化建模确定模型的形状，通过调整模型参数可获得不同尺寸的模型，但模型的放置位置、方向，如圆锥体的面向上或向下等涉及空间定位的重要信息，仍没有确定，需要通过模型信号点进行设置。信号点是通过宏程序定义的特殊点。通过设置几何宏位置、方向以及向量命令，提供整个几何宏文件的各信号点分布。在1个几何宏文件内可定义信号点类型包括:连接点、尺寸、方向、通舱件、质量中心以及其他信号点。

对于船舶设备来说，最重要的是连接信号点和方向信号点。

连接信号点关键字为“Cx”，在某些类型的几何宏文件中(.fit、.ven 和 .ele)外部形状和连接点的位置同样重要。用户定义的几何宏连接信号点将信息传递到系统，使系统知道如何处理几何宏对象上的连接点信息。通过宏语言定义这些连接点的位置和方向，将其与参数化模型进行关联。在管路中，信号点关键字有如下标准：输出连接点是1个命名为“C1”的信号点，输入连接点是1个命名为“C2”的信号点，支管被命名为“C3” 和“C4”。1个连接信号点是通过1个箭头图形来表示的。在定义其他信号点时，第1个信号点的箭头起始点和箭头方向意义重大。此箭头必须总是指向入口或出口端，箭头方向意味着介质是从附件内流入还是流出。连接信号点影响 “C1”与“C2”之间的相对位置(点和矢量的方向与流向)是否适用于管系部件内的生成、插入、编辑、旋转等一些命令。

方向信号点的关键字为“OR”。方向类型的信号点时，需了解附件被插入管路时的方向。在1个几何宏文件中只能有1个方向信号点并命名为“OR”定义。通常位于几何宏的原始插入点上。如果没有定义方向信号点，部件的方向将从原始坐标轴的3个方向默认为1个方向。

通过1个箭头进行图形表示，信号点的参数化设置宏命令为：MAC_PLOG <名称> <点> <矢量>。

2.3 模型几何宏文件参数化编程[5]

选择以上参数作为编程参数的原因是其以通径、阀件尺寸及法兰厚度为主要涉及参数，可唯一确定阀件模型。用TCL语言编写CBT 199-BS(1)型管件的流程如图4所示。

图4 CBT199-BS(1)型管件几何宏编程流程图

绘制该管件的部分几何宏代码如下：

# macro CBT 199-BS.fit B，BS型通舱管件 #

#DNinner diameter 内径 #

#DWoutter diameter 外径 #

#Doutter diameter 法兰外径 #

#D2boss outter diameter 凸台外径 #

#bbottom height 底部法兰高 #

#D4D4middle outter diameter 中部舱壁法兰外径 #

#Llong all 总长 #

#llong top 舱壁法兰上端到顶部长度 #

#L1bow height 弯管高度 #

#Rradius of bow 弯管半径 #

proc Par { } { #定义一个名为par的过程，并定义变量、初始值及含义

globalDN; setDN20.

globalDW; setDW24

globalD; setD95

globalD2; setD248

globalb; setb12

globalD4; setD4145.

globalL; setL165

globall; setl90

globalL1; setL185

globalR; setR60

}

#管子L1方向加长

MAC_CONT INI "1. 0. 0." "0. 0. 0."

MAC_CONT PNT "0 $r 0"

MAC_CONT CEN "0 0 0"

MAC_CONT PNT "0 -$r 0"

MAC_CONT CEN "0 0 0"

MAC_CONT END "0 $r 0"

MAC_CONT PNT "0 $r1 0"

MAC_CONT CEN "0 0 0"

MAC_CONT PNT "0 -$r1 0"

MAC_CONT CEN "0 0 0"

MAC_CONT END "0 $r1 0"

MAC_SWEP PAR "2" [expr $L1-$R1]

MAC_COLO 9

MAC_TRAS "$R1 0 0"

最后得到标注参数位置信息的Sketch草图，如图5所示。当对同一种舾装件进行其他尺寸规格建模时，只需直接输入相应参数数值即可在指定位置自动生成不同规格的三维模型。

图5 CBT199-BS(1)型管件标注草图

3 结 论

在建立结构复杂、同一产品具有多种规格的船舶设备的三维模型时，传统的建模方法具有很大的局限性和重复。针对该问题，本文提出参数化建模思路。对同种设备，按照其尺寸规格，提取关键几何尺寸，采用基于TCL语言的几何宏进行编程，建立三维模型。只需选定不同的参数，即可构建出尺寸规格不同的同种船舶设备的三维模型。根据实船设计需要，已经完成了300多个系列化船舶设备建模工作，为船舶设备模型库的完善作出了一定的贡献，提高了实船的设计效率，缩短了设计周期。