基于Solidworks对某76000吨散货船的EG22P分段三维立体模型设计研究.docx

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基于Solidworks对某76000吨散货船的EG22P分段三维立体模型设计研究

摘要

近几年，随着我国造船工业及其经济迅猛发展，数字化不仅支撑了企业的设计、制造和管理等各个方面，并且正在深刻地影响和改变着我国造船工业的体系结构和造船模式。

数字化造船成为信息时代船舶工业利用数字化手段支撑和促进“壳、舾、涂一体化”、“设计、制造、管理一体化”等现代造船模式发展的数字化大平台。

Solidworks作为一款操作方便、功能强大的三维CAD软件，在数字化造船的大潮中发挥了越来越大的作用，深受船舶设计从业者的欢迎。

本文通过利用Solidworks建立某76000吨散货船的EG22P分段三维立体模型，绘制分段装配图、分段零件编码、船舶生产图纸，对船舶生产设计中分段装配、零件编码、分段结构图绘制进行了系统的研究。

关键词：

船舶工业，数字化造船，三维建模，船体生产设计

Abstract

Inrecentyears,asChina'sshipbuildingindustryanditsrapideconomicdevelopment,informationsupportsnotonlythecompany'sdesign,manufacturing,andmanagementaspects,andwasprofoundlyaffectedandchangingthearchitectureofChina'sshipbuildingindustryandshipbuildingmode.Digitalshipbuildingmarineindustryintheinformationagebydigitalmeansofsupportingandpromoting"shell,outfitting,paintingintegration","design,production,managementintegration"digitalplatformofmodernshipbuildingmode.Solidworksisapowerfulthree-dimensionalCADsoftware,andeasytouse,thetideofdigitalshipbuildinghasplayedanincreasinglybiggerrole,deeplyshipdesignpractitionerswelcome.ThroughtheuseofSolidworksthisarticleforsomesub-EG22Pofthree-dimensionalmodelofthe76,000DWTbulkcarrier,subparagraphsdrawingAssemblydiagrams,codingofparts,drawingsofships,shipproductiondesigninsubassembly,encoded,segmentedstructure-mappingsystemofstudy.

Keywords：

Shipbuildingindustry,digitalshipbuilding,dimensionalmodeling,hullproductiondesign

前言

数字化造船就是以造船过程的知识融合为基础，以数字化建模仿真与优化为特征，将信息技术、先进的数字化制造技术、先进造船技术和现代造船模式，综合应用于船舶产品的设计、制造、测试与试验、管理和维护全生命周期的各阶段和各方面。

近几年，随着我国造船工业及其经济迅猛发展，数字化不仅支撑了企业的设计、制造和管理等各个方面，并且正在深刻地影响和改变着我国造船工业的体系结构和造船模式。

数字化造船成为信息时代船舶工业利用数字化手段支撑和促进“壳、舾、涂一体化”、“设计、制造、管理一体化”等现代造船模式发展的数字化大平台。

Solidworks是一种重要的三维建模软件，利用它可以方便地完成船舶三维模型的建立，另外Solidworks还提供了装配的功能，可以把建立好的三维零件模型进行装配，模拟船舶生产装配，可以把装配过程做成动画，让船舶生产设计更加直观、可感。

Solidworks具有良好的兼容性和可扩展性，船舶生产设计人员可以利用Solidworks把三维模型导入到AutoCAD中来，也可以把Solidworks中的3D模型导入到其他三维建模软件中去，这让船舶生产设计人员可以根据自己的需要做好生产设计的各项要求。

Solidworks具有良好的二次开发兼容性，通过程序设计可以让Solidworks快速完成三维建模，符合现代造船模式的要求。

虽然目前Solidworks在船舶生产设计中的应用还没有得到普及，但是我相信这款优秀的软件将会得到越来越多人的认可，并能够在船舶生产设计领域得到广泛应用。

本文即是通过利用Solidworks建立某76000吨散货船的EG22P分段（机舱二甲板立体分段）三维立体模型，完成相关图纸的绘制，验证了Solidworks在船舶生产设计中可以起到让设计更直观、更快捷、更方便的作用。

在三维模型的建立过程中，我首先完成分段中各个零件的绘制，然后利用Solidworks的装配功能，将所建立的所有零件装配到一起，形成一个完整机舱分段。

建立好的三维模型在这之后的分段装配设计中起到了不可或缺的作用，通过它我生成了一系列相关图纸，这也证明了数字化造船的巨大优势。

数字化造船在深刻地影响和改变着我国造船工业的体系结构和造船模式，先进的技术必将推动造船工业的快速发展，助推我国从造船大国向造船强国的转变，作为一名船舶人能够参与其中我深感自豪。

一、现代船舶生产设计及发展现状

（一）现代船舶设计与生产

1、船舶设计各阶段

根据现代造船的特点，船舶设计一般分为初步设计、详细设计、生产设计三个阶段。

下面对各阶段的工作重点和主要工作内容作一介绍。

1.初步设计

初步设计阶段是产品设计的承前启后的重要阶段，主要任务一是配合造船单位为签订造船合同提供全船技术规格说明书、总布置图、中横剖面图、主要设备规格厂商表等。

初步设计的前期工作可因船而异，适当增减；二是造船合同签订后，按合同及其技术文件的要求，对全船总体性能、结构、装置、系统等进行设计计算和必要的试验，确定主要技术形态；三是为详细设计提供必要的技术条件和依据。

这一阶段的主要工作，是在深入分析任务书和调查研究的基础上，从全局出发，提出船体、轮机、电气不同专业方面的各种可行性方案，进行分析比较，得出一个能满足船东要求的合理的设计方案。

在这一阶段的工作中，船舶总体设计是最关键的。

它需要对船舶主要要素的决定、总布置、主机选型、船体型线、主要性能等方面进行细致的工作，通过计算、绘画、必要的模型试验及分析论证等技术手段，得出决定全船技术形态的总体方案。

与此同时，在船体基本结构，主要舾装设备、机舱布置、电力负荷及电站配置、机电设备选型等方面开展初步设计。

这一阶段提出的主要技术文件有：

（1）船舶说明书；

（2）总布置图；（3）型线图；（4）中剖面结构图及构件计算书；（5）航速、稳性、舱容、干舷等估算书或计算书；（6）机舱布置图；（7）电力负荷估算书；（8）主要设备规格和厂商表。

初步设计的结果，应提交船东审查。

主要图纸和技术文件应取得船东认可，作为下一阶段设计的依据。

这一阶段的设计工作虽然是初步的，但涉及全船主要技术形态的参数和指标应该保证是比较可靠的，技术措施是合理的。

初步设计阶段完成的工作内容的深度和广度是不同的，根据具体情况而定。

当以初步设计结果作为洽谈造船合同的依据时，初步设计的结果必须具备足够的技术把握，设备、材料等数量和规格应准确，设计得出的主要技术指标和规格也是交船验收的依据，必须可靠。

当船的技术复杂程度较高或开发设计新船型时，初步设计之前应增加方案设计（或称为基本设计、概念设计）阶段。

方案设计一般只出较少的图纸，更着重于对全船技术形态的研究和方案比较、优化。

如果以技术设计的结果作为签订造船合同的依据时，可用方案设计取代初步设计。

在市场经济中，为了对船东的询价要求作出迅速反应，可提出概要的技术规格书、简要的总布置图和主要设备厂商表，作为船厂初步报价的依据，这些工作通常称为报价设计。

报价设计不属于正式的一个设计阶段，其设计结果也不能作为签订造船合同的依据。

2.详细设计

详细设计的依据是造船合同和经审查通过的初步设计技术文件。

主要任务一是对各个具体技术专业项目的设计计算和图纸的绘制，解决设计中基本的和关键的技术问题，最后确定船舶全部技术形态、各项技术要求和标准；二是提供船舶检验，用船单位和有关部门送审认可的图纸文件；三是提供造船部门所需的材料、设备、备品、备件清单；四是为生产设计提供必需的技术条件和依据。

该阶段的设计内容是在上一阶段的总体设计的基础上，对各个局部的技术问题进行深入分析，开展各个分项目的详细设计和计算，调整和解决船、机、电各方面具体的问题和矛盾，最终确定新船全部的技术性能、结构强度、各种设备、材料以及订货的技术要求等等。

在详细设计阶段中，还要进行设计送审工作，即将设计图纸和技术文件送法定检验机构和所入船级社审查。

法定检验机构和船级社对送审的图纸资料目录有具体的规定。

审查通过后还需根据审图意见对设计图纸进行修改。

详细设计完成的主要技术文件也需得到船东的认可。

根据详细设计的结果，造船厂可进行材料和设备的订购工作，同时可开展下一步的生产设计。

在详细设计阶段中船体方面所需完成的主要技术文件有：

（1）详细的总布置图；

（2）正式的型线图；（3）重量重心计算书；（4）静水力曲线（或数据表格）和各种装载情况下的稳性和浮态计算书；（5）干舷计算书（包括载重线标志图）、吨位计算书、舱容曲线（或数据表格）；（6）航速计算书、螺旋桨设计图及强度计算书；（7）船体构件规范计算书和总强度计算书（有时还需要振动计算书）；（8）典型横剖面图、基本剖面结构图、外板展开图、肋骨型线图；（9）机舱结构图、首部结构图（包括首柱）、尾部结构图（包括尾柱）、主要舱壁结构图、上层建筑结构图；（10）防火控制图；（11）锚泊、起货、舵、救生等设备的计算书和布置图；（12）各系统原理图；（13）舱室内部舾装图；（14）详细的设备、材料规格明细表；（15）规范和法规有特殊要求的计算书以及试验报告等。

这一设计阶段完成的工作内容的深度和广度较浅时，也称为技术设计。

技术设计的深度一般至少应满足船检审图的要求。

有些图纸虽然不要求送审，但因涉及船舶性能、设备配备以及对建造有重要影响的，也应在技术设计阶段完成。

3.生产设计

生产设计是在详细设计的基础上，根据船厂的条件和特点，按建造的技术、设备、施工方案、工艺要求和流程、生产管理等情况，设计和绘制施工图纸以及施工工艺和规程等文件。

主要任务一是提供建造方案和施工要领；二是提供表示零部件加工图、装配图、制作图程序和安装图等施工图；三是提供管理图表；四是实现船舶建造中有关生产、技术、质量管理的协调统一，提高生产效率和经济效益。

生产设计的图纸技术文件目录，由各造船单位确定。

生产设计的详细程度要求很高，要能反映组装和管理的要求。

因此生产设计相当于在计算机上预演完成船舶建造的全过程。

生产设计的详细、完整和深入的程度对提高造船质量、缩短建造周期和提高生产效率有很大的影响。

现代造船中，生产设计必须应用计算机来辅助设汁，否则难以适应制造、加工中应用计算机控制和管理的要求。

造船生产设计的数字化是数字化造船的重要组成部分。

当前一阶段完成的是技术没计时，本阶段的设计一般称为施工设计。

施工设计的深度和广度一般不能完全满足建造施工的要求。

通常，施工设计的技术资料缺少施工工艺和施工技术规程等方面的内容，因此造船厂还需要补充施工工艺方面的设计工作。

2、船体生产设计

1、船体生产设计的含义

船体生产设计是在详细设计的基础上，按照现代造船模式的要求，根据船厂的生产条件和技术水平，以合理的建造方法为指导，根据工艺阶段和施工区域的生产和管理需要，绘制工作图、管理表以及提供有关施工、生产管理信息，用以指导和组织生产的设计过程。

船体生产设计的基本要求是：

（1）船体生产设计应立足于造船企业的全部产品和各个专业中的全面实施。

（2）船体生产设计应贯彻建造方针、施工要领等文件所提出的要求。

（3）船体生产设计应根据工艺阶段和生产区域，包括工位、车间生产活动的需要，绘制施工图、管理表，并且提供有关施工信息。

因此，在设计前必须掌握船体建造的各个工艺阶段及其顺序。

2、船体生产设计的主要内容

船体生产设计采用分段出图模式时，其主要内容有分段施工图、分段零件明细表、部件装配图、放样资料及套料图和其他工艺文件。

3、船体生产设计程序

船体生产设计既贯穿整个船舶设计的过程，又是与机、电等专业有机结合的设计工作。

船体生产设计的流程在纵向和前两个设计阶段之间不仅有流动的关系，还有渗透的关系；在横向上与机、电专业的生产设计有相互交叉渗透的关系。

船体生产设计的工作流程如图1-1所示。

建造方针和施工要领等总体工艺文件，在初步设计、详细设计过程中就要不断进行研讨和协商，并将确定的施工原则和要求及时反映到产品图纸中去。

到详细设计后期，则应最后编制和定稿。

船体生产设计和舾装生产设计工作应平行且交叉进行，以便两者相互提供所需数据和图面，保证生产设计的质量。

船体生产设计是编制用于指导和组织造船生产的图表和技术文件的设计工作。

设计者要处理大量复杂且广泛的工程技术问题，若只依靠设计者个人的经历和经验，是难以做好这项工作的，所以必须制定一系列技术标准，作为设计者的设计依据，才有可能保证船体生产设计工作的顺利进行。

图1-1船体生产设计流程图

（二）数字化造船国内外发展现状

近几年，随着我国造船工业及其经济迅猛发展，信息化不仅支撑了企业的设计、制造和管理等各个方面，并且正在深刻地影响和改变着我国造船工业的体系结构和造船模式。

数字化造船成为信息时代船舶工业利用数字化手段支撑和促进“壳、舾、涂一体化”、“设计、制造、管理一体化”等现代造船模式发展的数字化大平台。

1、数字化造船国外发展现状

世界造船强国逐步由实施CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem，计算机集成制造系统）、应用敏捷制造技术向组建“虚拟企业”方向发展，形成船舶产品开发、设计、建造、验收、使用、维护于一体的船舶产品全寿命周期的数字化支持系统。

在数字化造船技术方面，世界先进船厂采用了多种设计软件和造船系统，如CAD/CAM系统、NAPA三维CAD系统软件、Tribon造船系统等，其中Tribon造船系统是在当今造船界中最为流行，受到很多船厂的青睐。

国外的数字化造船现状我们以比较典型的日本、韩国为例做出说明。

详细情况如表1-1、表1-2所示。

表1-1日本数字化造船现状

表1-2韩国数字化造船现状

2、国内发展现状

我国造船工业从1970年开始，采用造船CAM技术，使造船生产效率和加工质量有了较大的提高。

20世纪80年代后期，船舶工业统一组织开发了CASIS、CADIS和MIS等造船造机系统，有力促进了船舶企业的信息化进程。

随着造船CAD/CAE和MIS技术的发展，产品设计开始丢掉图板，新产品开发设计周期有效缩短，船舶企业现代化管理水平得到提高，船舶制造企业初具国际竞争力并不断壮大。

20世纪90年代中后期，国际先进的造船软件如TRIBON、CADDS5系统开始引进应用，骨干船厂应用三维建模技术建立产品电子信息模型。

新技术的应用使国内造船水平上了新的台阶，产品建造总周期得到了有效缩短，产品建造质量明显提高。

CAD/CAM技术的深入应用为推进集成制造技术提供了信息源头，CIM技术和CIMS开始在“沪东中华”、“渤海船厂”和“广船国际”等船厂开发应用。

CIMS的应用使产品制造和管理信息集成，从而能够实现制造信息高度共享和企业制造资源优化，全面提高企业运行效率.同时，船厂和科研院所非常重视船舶建造关键工艺装备的更新和改造，引进了平面分段流水线，数控切割机等多种先进自动化造船装备；自主研究开发了CNC切割机、数控肋骨冷弯机、数控弯管机等多种自动化造船装备。

近年来，沪东中华等厂所自主开发了船体建造软件，三维舾装管系设计系统，已在国内数十余家船厂应用；沪东中华已把“数字造船、绿色造船”作为企业发展的基本方针；江南造船正在建设“e江南”，外高桥造船公司引进了体现先进造船观念和模式的韩国HANA/CIMS，并正在调试推进应用。

沪东中华等单位已逐步开展了船舶企业制造资源配置计划和造船物流管理技术的研究和应用工作。

在企业网建设领域，发展更是迅速。

如CSSC总部建立了连接北京、上海、广州、九江四地的中船企业网和集团公司视频会议系统，建立了基于国际互联网，面向国内外船舶行业的服务性网站—中国造船网。

各骨干造船企业计算机网络建设方面初具规模，计算机辅助设计制造与生产管理的软硬件平台初步建立，已为建立数字化船舶企业提供了扎实的硬件基础。

船舶工业的信息化建设使我国船舶产品制造能力和水平得到较大的提升，表1-3为我国骨干船厂数字化造船的现状。

表1-3我国骨干造船厂数字化造船现状

（三）论文研究内容

生产设计涉及的方面和内容很多，主要对船厂生产设计中分段建模和图纸绘制进行研究，并与船舶生产设计工作的实际相吻合。

造船是由一张张船板，一根根型材拼出来的，船舶建造时就必须把一条船分为几个分段，一个分段再分成几部分。

各部分的各块版的大小和位置，各个型材的位置，各个附件的图纸及位置，各部分组合的工艺及要求等绘制成生产设计图。

本项设计的任务就是进行生产分段装配图纸的绘制及相应的开发工作。

毕业设计要求完成生产设计图纸方面的部分工作。

主要内容包括：

船舶分段模型建模、船舶分段零件编码、船舶生产图纸的绘制，尤其是我所选取的76000吨双壳散货船EG22P分段（机舱中间甲板分段）生产图纸的绘制，要求所绘制图纸能达到船舶初步生产的要求。

以上内容都要在此论文中体现出来，具体为用Solidworks建立分段三维模型，并依据模型生成生产设计图纸，此外本论文还要介绍船舶生产设计及数字化造船的发展现状，着重强调数字化造船在现代造船模式中发挥着不可或缺的重要作用。

二、船舶机舱段生产设计

（一）生产设计包含的内容

（1）建造方式；

（2）线型光顺；

（3）分段工作图；

（4）零件明细表；

（5）施工要领；

（6）焊接坡口形式；

（7）工艺符号；

（8）零件流向；

（9）图画要点

（10）胎架型式、胎架图（型值图）；

（11）套料图（包括型材、板材）；

（12）型材、板材手工下料图；

（13）数控切割数据；

（14）加工样板信息；

（15）完工测量图；

（16）船台定位图；

（17）吊耳布置及加强图；

（18）脚手布置图；

（19）舾装开孔；

（20）机器基座补强；

（21）分段材料清单；

（22）质量、重心计算；

（23）焊接长度计算；

（24）分段涂装要领。

（二）进行船体生产设计所需的主要图纸

进行船体生产设计所需的主要图纸包括：

总布置图、型线图、中横剖面图、典型节点图、外板展开图、分段划分图、相应区域的大段图等。

下面对这些图纸作简单的介绍。

1、总布置图

总布置图是表示全船总体布置的图样，它比较集中的反映了船舶的技术、经济性能，是重要的全船性基本图样之一（如图2-1所示），它的主要用途是：

（1）表示船舶上层建筑的型式以及舱室、设备、门窗、通道等的布置情况。

（2）进行其它设计和计算的依据。

如进行全船重量和重心位置计算，船舶设备设计和结构设计等的依据。

（3）作为绘制其它图样的依据。

如绘制各类设备、系统布置图；门、窗、扶梯布置图；木作、绝缘布置图等的依据。

（4）在施工时，可作为具体施工的一张指导性图样。

它能起到协调各机械、设备的相互关系，当它们之间发生矛盾时，以总布置图中的布置为准。

总布置图对船舶建造时的舾装工作尤其有着重要意义。

图2-1总布置图

2、型线图

型线图是表示船体形状和大小的图样，型线图要表达的船体形状包括外板的形状和甲板的形状。

如图2-2，型线图分为中纵剖面、设计水线面、中横剖面，详细介绍如下：

中纵剖面：

将船体分为左、右对称两部分的纵向（船长方向）垂直平面称为中线面。

中线面剖切船体后所得剖面称中纵剖面。

自尾向首看，其左边部分称为左舷，右边部分称为右舷。

中线面与船体型表面的交线称为中纵剖线，它是由龙骨线及首、尾轮廓线所组成。

中线面与外板型表面底部的交线称为龙骨线，与外板型表面首部的交线称为首轮廓线，与外板型表面尾部的交线称为尾轮廓线。

设计水线面：

通过船体的设计吃水线（通常为船舶满载时的吃水线）所作的一个水平面称为设计水线平面。

设计水线平面剖切船体后所得剖面称设计水线面。

它与中纵剖面相垂直，并把船体分为水上和水下两部分。

设计水线平面与船体型表面的交线称为设计水线。

设计水线面的一半为半宽水线面。

中横剖面：

通过垂线间长的中点所作的横向（船宽方向）垂直平面称为中站面。

中站面剖切船体后所得剖面称中横剖面。

它与中纵剖面、设计水线面相垂直，并把船体分为首、尾两部分。

中站面与船体型表面的交线称为中横剖线。

图2-2型线图（从上至下依次为中横剖面、中纵剖面图、半宽水线图）

3、中横剖面图

中横剖面图是船体中段范围内数个典型横向剖视图，它表示船体结构的基本情况的全船性结构图样，是校核和绘制其它结构图样的主要依据。

中横剖面图通常由肋位剖面图和主要尺度栏组成。

中横剖面图表达的内容有：

横向构件，肋板、肋骨、横梁以及支柱的尺寸、结构形式和相互连接方式；纵向构件，中桁材、旁桁材、舷侧纵桁、甲板纵桁、纵骨等；

外板、内底板和甲板的横向排列及其宽度；上层建筑纵向围壁的位置和板厚及扶强材的尺寸和结构形式；舱口的宽度及舱口围板的尺寸和结构形式；双层底、船舱及各层甲板间的高度及梁拱高等。

图2-3为某散货船的机舱区大段图中一个典型剖面图。

图2-3机舱区大段图的典型剖面

4、典型节点图

船体是由外板和纵横相交的构件所组成，船体纵向构件相互交互连接的地方称为节点。

表示节点处结构详情的视图称为节点视图。

如图2-4为某典型节点图。

图2-4典型节点图

5、外板展开图

外板展开图主要用于表示全船外板的排列、厚度以及外板上开口的位置和大小的结构图样。

如图2-5所示，它是一种船壳的近似展开图，主要用途是：

（1）与肋骨线图配合，确定外板的接缝和外板拼版的位置，作为船体放样时的依据；

（2）统计全船外板所需要的钢板数量和规格，以便订货或备料；

（3）作为计算船体重量和重心位置的主要依据。

所以外板展开图是生产准备和外板放样、下料以及拼版工作的施工依据。

图2-5外板展开图

（三）船舶主要参数

本课程设计以某76000吨双壳散货船机舱区的EG22P分段为对象进行生产设计，这艘船的船型参数如下：

总长：

244.60米

垂线间长：

233.00米

型宽：

42.00米

型深：

22.20米

设计型吃水：

12.00米

载重量：

76000吨

航速：

不小于15.7节

三、机舱EG22P分段结构模型建立

（一）Solidworks建模软件简介

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。

Solidworks功能强