沪东软件进行船体生产设计 案例集.docx
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沪东软件进行船体生产设计案例集
沪东软件进行船体生产设计练习题
习题0:
建立大型船舶分段船体结构三维模型
建立船体结构三维模型的通用软件有许多种，例如AUTOCAD、SOLIDWORK、SOLIDEGE等，本案例以广大船舶工程技术人员接触最多、最熟悉的AUTOCAD为工具，介绍基于通用软件的船体结构三维模型的建立方法。
已知某双层底分段由肋板、行材、内外底板构成，横、纵剖面、内外底板平面图如图0-0所示，肋板、行材厚度均为10，其它尺寸均在图中标出。
下面基于AutoCAD建立该分段三维模型，生成零件明细表，计算整个分段重量、重心。
图0-0双层底分段三视图
一、船体结构零件三维模型的生成
船体结构零件通常可以分为板材和型材。
型材主要采用角纲、T型钢、球扁钢等截面类型。
尽管船体结构零件类型不同、形状各异，但绝大多数船体结构零件有一个共同之处，就是可以通过其某个方向截面的拉伸生成零件三维数字模型。
这种拉伸的路径如果是直线，则生成等截面的柱体，如果是曲线则生成等截面的非柱体，例如，矩形截面沿直线拉伸可以生成板材模型，各种型材截面沿肋骨型线样条曲线拉伸则生成各种肋骨。
绝大多数船体结构零件都可以采用截面拉伸这种方法生成零件三维数字模型。
目前大家经常使用的CAD软件都具有通过截面拉伸这种方法生成三维模型的功能。
其基本过程是，先将生成对象的截面定义成面域实体（面域的边界一定要完全闭合），再将面域沿着指定的路径拉伸成三维实体。
生成船体双层底分段结构零件如图0-1所示。
图0-1三维双层底分段结构零件
二、确定零件的基准面、基准点
确定零件的基准面、基准点是将零件装配成船体结构模型的需要。
零件的基准面、基准点确定的合理，可以使得由零件构成结构模型变得简单、方便。
所谓零件的基准面就是XOY所在的平面，一般也是零件截面所在的平面。
生成截面就在这个平面上进行操作。
在模型空间中，零件的基准面可以根据零件的几何特征和空间位置选择和确定，方法是使用AUTOCAD系统提供的用户坐标系统UCS的功能。
对于平直板材通常将基准面设为与板材平行，曲面板材通常将基准面设为与板材曲面母线或直纹线方向正交，对于型材通常将基准面设为与型材长度方向垂直，如图0-2所示。
对于图2中的矩形平直板，如果单纯从长方体特征出发基准面设在板边截面和板平面上都可以，但是如果考虑其上面可能有开口的话，如人口、减轻口、通焊口等，就应该将基准面设置在板平面上。
所以图0-2中底板、肋板、桁材的坐标基准面都设置在了其板平面上。
图0-2双层底分段零件坐标的基准面
零件基准点通常选择在零件边界的特殊位置，如在板材上确定装配构件一面的角点，型材上确定接触板材表面的角点，这样便于确定零件在结构中的位置。
使用CAD系统提供的用户坐标系统UCS操作的方法是从命令行输入UCS命令或从UCS工具栏中选择相应图标，工具栏中的图标相当于命令提示中的选择项。
输入命令后提示为：
输入选项[新建（N）/移动（M）/正交（G）/上一个（P）/恢复（R）/保存（S）/删除（D）/应用（A）/?
/世界（W）]<世界>:
选择新建（N）后提示：
指定新UCS的原点或[Z轴（ZA）/三点（3）/对象（OB）/面（F）/视图（V）/X/Y/Z]<0,0,0>:
可见新建的坐标系相对原坐标系可以是平移、绕某坐标轴旋转、XOY与某对象的面重合或三点共面重合。
通过这些操作可以实现零件的生成和定位。
例如，当前坐标系XOY面为分段横剖面时，肋板扶强材截面在XOZ面上，这时需要使用UCS命令新建绕X轴旋转90度的坐标系，并将视图设置为新的当前坐标平面。
一些便于在空间直接定位的零件，可以根据零件基准点直接在零件的空间位置处生成三维实体零件，例如底板、行材等。
方法是首先确定分段的空间位置，例如将外底板内表面与XOY平面重合，XOZ平面与第一道肋板表面重合，YOZ平面与第一道行材表面重合。
至于坐标平面与零件重合在哪侧表面，则按船体理论线规定。
然后确定零件基准点在空间的位置，例如外底板角点坐标就应该是X为距第一道行材距离，Y为距第一道肋板距离，Z为零。
接下来以此基准点为基准点在相应的基准面上就可以生成所在空间位置处的零件。
那些不便于在空间直接定位的零件，可以先在其它地方生成三维实体零件，再在其所依附的零件上定位，共同组合成部件后再定位到应该定位的位置，例如各种扶强材、加强筋等。
对于有开口的零件，例如有人口、减轻口、通焊口等的肋板和桁材，要先将板材和开口在同一坐标平面上定义成面域，再利用系统的求差集的功能，求出板减去开口后的面域，最后根据板厚生成带有开口的三维板。
定义面域命令是REGION，可以从命令行输入，或从绘图菜单和工具栏中选。
注意定义面域对边界要求十分严格，要求边界线必须完全闭合。
所以，对那些边界线复杂的零件要格外注意。
求差集使用SUBTRACT命令，可以从命令行输入，或从绘图菜单和工具栏中选。
注意面域之间求差集要求面域必须在同一平面。
这些命令的使用过程，在此不一一介绍。
如果读者对AUTOCAD的使用不十分深入，请阅读系统帮助文件。
三、对零件定义相关属性后与零件一起定义成块
属性定义成块以后就具有了两点与用TEXT命令输入的字符不一样的功能：
一是每次作为块插入时可以重新输入其值，二是可以提取到指定格式的文档中，例如EXEL文档中。
属性可以单独定义成块，也可以与其它图形对象（包括已经定义成块的）一起定义成块。
通常是定义了与零件相关的属性后，再与该零件一起定义成块。
当分段结构中所有零件都与其相关属性共同定义成块后，利用AUTOCAD的属性提取功能就能提取出这些块的属性，就可以得到所有零件的属性。
如果零件的属性是零件的名称、尺寸、材料、质量、质心等内容，提取所有零件属性就得到了分段零件明细表。
这对于船体生产设计是非常有意义的。
定义属性前，可以先查询零件实体的质量特性，将其中的质量、质心等信息输入到属性定义中，也可以将零件实体的质量特性输出到指定文件，然后在定义块时建立与该文件的超链接。
在编辑块时可以打开超链接文件。
一般情况下不需要建立零件实体质量特性输出文件的超链接，只有在某些特殊情况下才建立，如零件信息比较多或涉及分段定位基准的零件，在属性表中难于表达的情况下。
查询零件实体的质量特性的方法是使用Massprop命令，或从下拉菜单工具中选择查询再选择下一级面域/质量特性项，系统将提示选择查询对象，选择后在文本窗口中显示查询结果，并要求回答是否将结果输出到指定文件。
例如图3中的肋板，查询结果如下：
重量KN:
0.089。
重心MM:
X:
499.5249，Y:
499.9915，Z:
5.0000。
四、根据结构特点将部分零件装配成为部件
与实际分段装配类似，生成分段数字模型在许多情况下也需要先将零件装配成部件，再装配成分段结构，这样能够更方便。
例如双层底分段中的肋板与其上的扶强材先一起定义成部件，再作为一个整体进行装配、复制，要比单独作为零件处理方便得多。
还有桁材等也可以与其上的扶强材先一起定义成部件。
系统生成的三维肋板和桁材部件如图0-3所示。
图0-3肋板和桁材部件
由于我们通常已经先将零件定义成了块，所以定义部件就是定义包含零件块的嵌套块，这在AUTOCAD系统是允许的。
装配生成分段结构三维模型装配顺序一般是从下向上，先板材后骨材，部件作为整体装配，如图0-4示。
构成分段结构三维模型零件有两种情况：
图0-4分段结构三维模型的生成
一种是如前所述根据零件的空间位置，由零件的基准面、基准点直接在相应位置生成。
这一过程中要注意利用用户坐标系和视图功能。
二是将先前在其它位置定义的块（包括部件块）插入到相应位置装配成分段结构三维模型。
这一过程中要注意利用块的插入功能。
块插入时可以重新指定X、Y、Z方向比例、绕Z轴旋转角度和重新输入插入块的属性值。
五、提取船体结构零件三维数字模型属性
分段零件明细表是船体生产设计阶段应完成的重要设计表，它汇总、统计零件数量、尺寸、质量、质心等重要信息。
手工或二维模式进行生产设计时，表中的信息多数是依靠手工完成的，效率底，容易出错。
建立了零件三维数字模型后，可以先通过查询得到零件的最大外形尺寸、基点坐标、质量、质心等重要信息，复制到文件中，然后在零件属性定义时输入这些信息。
分段零件明细表可以从复制的文件直接得到，也可以通过提取零件属性得到，后者更方便，特别是当零件被插入到其他图形中时，这种方式就显得必不可少。
表1给出了双层底中部分段明细表，表中重心为相对于零件本身基准点。
表0-1
块名
计数
尺寸（mm）
重量KN
XOY平面
基准点
质心Xm
质心Ym
质心Zm
外底板
1
10*4000*6400
2.509
上表面
角点
2.0
3.2
-0.005
肋板
16
10*1000*10000
1.428
向尾表面
角点
0.4995
0.4999
0.0
桁材扶强材
6
10*40*80*6400
0.414
桁材表面
腹板角点
3.2
-0.00117
0.00533
桁材
3
10*1000*6400
1.882
左侧表面
角点
3.2
0.4995
0.005
肋板扶强材
32
10*40*80*840
0.289
肋板表面
腹板角点
0.00117
0.4200
0.00533
纵骨
16
10*40*80*6400
1.104
底板表面
腹板角点
0.00117
-0.00533
3.2
内底板
1
10*4000*6400
2.509
下表面
角点
2.0
3.2
0.005
合计
75
10.135
六、建立一体化分段结构三维实体模型和进行相关操作
在上述工作基础上，建立起一体化的整个分段结构三维实体模型，可以进行整体质量特性查询等相关操作，快捷准确地得到整个分段的质量、质心等生产设计所需的重要信息。
1、分解
前述由单个零件查询质量、质心信息，连同零件尺寸等一起定义到属性中，再提取到指定格式文件中进行汇总、计算，求出整个分段质量、质心的方法，从掌握每个零件的质量、质心、尺寸等信息的角度讲是非常必要的。
但是用这种方法求整个分段的质量、质心就显得很繁琐和效率低下。
如果我们能够将整个分段结构合并为一个整体，就可以直接查询出整个分段的质量、质心等重要信息。
实践上这是完全可行的。
方法是对所有块进行分解，使结构成为全部由实体构成的模型。
然后利用CAD系统提供的实体并集功能，将结构的所有实体合并为一个实体，再利用实体质量特性查询功能，得到整个结构的重量、重心坐标。
分解过程要十分注意分解对象的选择方法。
由于定义部件类型块时一般要包含嵌套块，所以一次不能分解完成，需要再次选择块对象。
而分解了一次后，对象中往往就包含了许多实体对象。
由于分解命令不仅可以将块分解成构成块的对象或下一级块，而且能分解实体等对象，假如要全部选择了分段结构的所有对象进行分解，其中不是块的实体对象也会被分解，接下来就不能合并成包含所有零件的分段结构实体，所以一定要使用对象选择过滤器选择对象，只选择没有被分解的块进行分解。
方法是使用QSELECT命令弹出过滤选择对象对话框。
从选择对象类型列表中选择块参照，特性中选择名称，运算符中选择全部。
这样就把所有没有分解的块都选中了。
2、干涉检查
在整个结构零件都被分解为独立实体的情况下，可以进行实体之间的干涉检查，既检查实体之间有没有共占同一空间的不正确的位置关系。
干涉检查使用INTERFERE命令。
通过干涉检查，如果发现实体之间有共占同一空间的不正确的位置关系，系统会提示并将一对干涉的实体亮显。
这就需要我们对实体之间不正确的位置关系进行修改，直至正确为止。
3、合并
合并整个结构三维实体零件使用UNION命令。
输入命令后系统会提示选中了多少个对象，这时要注意认真核对整个结构三维实体零件的数量，确认选中了全部零件。
4、查询
以本文中所举双层底分段为例，设坐标原点在外底板上表面向尾左舷角点处，XOY平面与外底板上表面重合，X轴为船宽方向，移动分段至上述位置，则查询结果如下：
重量KN:
9.976。
重心MM:
X:
2001.9544，Y:
3201.9935，Z:
493.7322
分段质量与使用明细表统计计算的结果比较，数值基本相同。
七、利用三维实体的视图功能，生成所需视图
手工或二维模式进行生产设计时，分段各个方向的视图和各个位置的剖面图是手工绘制的，而在建立了船体结构三维数字模型后，可以自动生成这些视图。
当然生成的视图还需要根据船体制图规定对图形的线型、线宽、颜色等特性进行适当的配制和处理。
图0-5为由三维模型自动生成的分段结构视图。
图0-5由三维模型自动生成的分段结构视图
八、船体曲面建模
建立船体结构三维数字模型会有曲面问题，对于单向弯曲曲面，如平行舯体舭部外板和曲线型甲板等，可以采取先定义平行于曲面母线方向的截面面域，再沿垂直于曲面母线截面的曲线拉伸的方法生成曲面。
由于船体构件基本都是沿纵向和横向排列的，所以，建立船体结构三维模型过程中处理不规则曲面问题主要是求取与不规则曲面板相交的纵向和横向构件弯曲形状，既纵骨和肋骨处型线。
仍借鉴船舶设计制造中的传统作法，根据型值表和型线图插出纵骨和肋骨型值，然后在AUTOCAD中使用SPLINE命令建立纵骨和肋骨样条曲线（注意曲线边界条件处理），如图0-6和0-8。
生成纵骨和肋骨截面面域，再沿纵骨和肋骨样条曲线拉伸，就建立了这些与不规则曲面相交的三维构件模型。
以上建模过程可以使用VBA语言编程完成。
不规则曲面板本身的建模，在AUTOCAD中可以采取近似的方法处理，既认为在纵骨或肋骨间曲面为规则曲面，如图0-7和0-9。
在通用CAD软件中，达索公司的CATIA软件曲面建模功能更强，但没有AUTOCAD普及程度高。
图0-6用样条曲线建立的水平纵向构件形状
图0-7竖向系统近似表示船体外表面形状
图0-8用样条曲线建立的横向构件形状
图0-9纵向系统近似表示船体外表面形状
案例1159000吨原油轮大型船舶横剖面图绘制
绘制中横剖面图是船体结构详细设计过程中的一项工作，又与船体分段结构图绘制密切相关，这里介绍已知中横剖面构件的尺寸和连接方式的情况下使用AutoCAD绘制中横剖面图的方法和步骤。
首先在相关链接中找出该船横剖面图，然后根据该图作以下工作：
1.选取计算机出图的图纸幅面
使用计算机输出设备出图时，可根据输出设备所能绘制图纸的最大尺寸，再设置出图比例。
目前工厂使用的绘图仪一般最大为A0。
尺度较小的船可选用较大的比例，超大型船舶要选用较小的比例，如1：
100或更小，通常根据输出设备所能绘制图纸的最大图纸幅面选定图样比例。
但为了使用方便，图纸幅面不宜太大，所以有时还需根据选用的图纸幅面大小重新选取适当的图样比例。
图纸幅面通常在A0、A1、A2范围内选择。
2.设置计算机绘图环境
计算机绘图环境的设置通常包括绘图单位设置、精度设置以及绘图空间的界限范围等方面。
①设置绘图单位
绘图单位包括长度单位和角度单位，AutoCAD提供了DrawingUnits对话框来设置长度单位和角度单位。
执行UNITS命令即 可打开DrawingUnits对话框，根据需要进行设置。
船舶图样绘制一般选取Decimal（小数）类型，精度选取至0.01MM即可。
②设置图形界限
3.图面布置
剖面图按剖切位置的肋位编号顺序从左至右依次布置。
局部结构图可安排在剖面图相应结构部位的附近或其它空白的地方。
主尺度栏和附注栏通常安排在图纸的右上方。
布置可根据图幅左下角点和右上角点坐标进行，如果在以后的绘制过程中发现不合适的地方，可通过移动命令进行调整。
4.绘制剖面图的外形和定出各部分结构的位置。
在此项绘图中，对于线型和线宽的处理有两种类方式，一种是先不设置线型、线宽和图层，待图形绘制完成后，再使用图形对象特性匹配命令设置；另外一种方式是绘图之前设置。
两种方式各有方便之处，都可以采用。
①在图纸下方适当位置使用直线段命令Line作基线，然后根据剖面图的半宽值，在适当位置作出基线的垂线，即船体中线。
作基线的垂线，可利用屏幕下方的“OTRACK”按钮提供特殊方向和点的追踪功能，先打开“OTRACK”按钮，然后使用直线段命令Line在基线上确定一起点，将光标移开此点，大致移向垂直方向，则有虚线自动准确显示垂直方向，由此可确定垂线上另外一点。
每个剖面图都应单独给制船体中线，而不允许两个剖面合用一根中线。
②根据剖面图的剖切位置，在型线图中得出肋位剖面图外形的尺寸，然后绘制外形。
如果读者的计算机上或联网的计算机上有船体型线光顺系统与型线图绘制系统，如上海沪东船厂开发的HD--SHM系统，那么所选肋位剖面的外形不需要重新绘制，只要从光顺后的型线图中将其粘贴过来即可。
如果无上述条件，就要使用AutoCAD绘制，对于剖面外形由直线和圆弧组成的，只要使用直线段和圆弧绘制命令即可，要注意在舭部直线段和圆弧会相切；对于剖面外形除了由直线和圆弧组成外，还有一般曲线的情况，如舭部或甲板为一般曲线，则舭部或甲板要使用Spline命令绘制。
③根据双层底和各甲板间高度，各纵向围壁距船体中线的尺寸等定出各部分结构的位置。
确定各部分结构的位置时，注意使用AutoCAD提供的相对坐标功能，例如，甲板边线点在横剖面上距中心线和基准线的距离是确定的，这样就可以使用Point命令在中心线和基准线相交处作出一点，再使用Point命令并输入距中心线和基准线的相对坐标值，就确定了甲板边线点的位置。
由步骤①、②、③可绘出图1-1所示的图形。
图1-1横剖面外形与各部分结构位置图形
5.绘制各部分结构
绘制的顺序通常是先绘底部结构，再绘舷侧结构，然后绘甲板和上层建筑结构。
由于船体结构通常对称于中线面，所以剖面图的图形一般只绘略多于一半的图形，见图1-2。
图1-2横剖面图的各部分结构
6.校对无误后按图线要求设置线型、线宽和标注尺寸
设置线型、线宽可采用特匹配命令，例如，要将先用细实线绘制的外板剖面线设置为粗实线，可按粗实线宽度绘制任意直线，然后使用特性匹配命令先选中该直线，再点击外板剖面线，外板剖面线既变为粗实线。
图1-3设置线宽后的横剖面图
7.绘图前设置线型、线宽和颜色
如果不同线型、线宽的图线比较多、混合在一起，则使用特性匹配命令设置线型、线宽不够方便，在将来出图比例一定的情况下，可以根据将要绘制的图形对象的线型、线宽，先设置线型、线宽再绘图。
在将来出图时的线宽没有确定的情况下，可以先设置线型，不同线宽的图线可设置成不
图1-4Plot对话框
同颜色，再去绘图，最后出图时，对不同颜色设置不同线宽，例如将线宽为0.5MM的图形对象颜色设置为红色。
出图时使用PLOT命令，弹出如图1-4示的PLOT对话框。
从打印样式表Plotstyletable（笔指定penassignments）栏中选择一种样式表。
如选择已有的acad.ctb样式表或新建样式表，再单击编辑edit按钮，则弹出如图1-5示的对话框。
在图纸格式（Formview）选项中绘图笔颜色（Plot）下拉列表中选择线红色，在右侧的特性（Properties）栏中将线宽选择为需要的0.5MM。
完成以上设置，绘出的图纸中，凡是红色的图形，线宽均为指定的0.5MM线宽。
图1-5PlotStyleTableEditor对话框
8.标注尺寸
中横剖面图中的尺寸很多，因此在标注尺寸时必需做到布置合理。
最后如图1-6。
图1-6最后完成的横剖面图
案例2159000吨原油轮大型船舶分段图绘制。
绘制分段结构图是详细设计中的一项重要工作,绘制的主要依据是船体分段划分图,中横剖面图,基本结构图,外板展开图,肋骨型线图等.给制前,要根据分段划分图确定的分段位置,阅读中横剖面图,基本结构图等图样,分清分段构件的组成和主要构件的尺寸及连接情况.
分段结构图通常以其表示的结构来分类。
一般有底部分段结构图、舷侧分段结构图、甲板分段结构图、舱璧结构图、首段结构图、尾段结构图和上层建筑结构图等。
如果分段结构图表示的是船体某一环形段（包括船底、舷侧和甲板）的结构，称为总段结构图。
对于同一类分段结构图，则以其表示的分段位置来区分，如"#6-150～#16+250"甲板结构图等。
分段结构图的数量取决于船舶大小和分段划分的情况，大、中型船舶的船体分段数量较多，一般有几十个以至近百个分段。
因此，分段结构图的数量也就较多。
本节将以29000T多用途货轮的底部结构为例，详细介绍分段结构图的绘制过程。
一、确定视图
1.确定主视图
通常选择能表示分段结构基本情况的视图作为主视图.主视图是表示分段结构基本组成的视图，一般来说，底部、甲板，平台、上层建筑常以基本结构图中相应位置的舱底图、甲板图、平台图为依据，用较大比例绘制而成，首尾段结构则以纵剖面图为依据，用较大此例绘制而成。
舷侧分段常以外板展开图中相应位置的图形为依据，用较大的比例绘制而成，也可从舷侧有构架的一面进行投影所得的视图作为主视图。
横舱壁结构则以它的肋位剖面图作为主视图·首、尾柱结构则以它的侧面投影图为主视图等。
底部（双层底结构）、舷侧、甲板、平台、舱壁、上层建筑分段结构图的主视图通常采用简化画法来表示，它们的图线含义与基本结构图或外板展开图相一致。
确定主视图要充分利用计算机绘图的复制、插入、缩放等编辑功能，根据分段的分布范围从基本结构图和外板展开图中得到本分段的主视图。
例如，分布范围为"#153+150～#165+300"的底部分段结构图的主视图，可以在基本结构图的舱底图上，以分段线为基准向外侧让出适当距离，作分段线的平行线，然后使用Trim命令切去分段以外的图形，再将该线改为破折线，即得到本分段的主视图。
如图2-1所示。
图2-1底部分段主视图
2.确定剖面图
根据主视图所表示的结构基本情况来确定剖面图,对形式不同的结构分别绘制剖面图来表示,对形式相同的结构只绘制一个剖面图来表示。
剖面图
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