基于三维建模的船舶管系设计

基于三维建模的船舶管系设计

摘要：三维建模技术的崛起以及虚拟现实技术的出现，为生产设计和创新提供了一种非常好的工作平台。设计人员可以直接从三维概念和构思入手，通过模型仿真来分析和评价设计方案的可行性与可靠性。本文介绍了NUPAS-CADMA TIC在船舶管系设计中的应用，并以一个实际案例阐述了三维建模的整个流程，同时探究了其存在的必要性与优势。

关键字：三维建模模型仿真管系设计优势

引言

船舶管系的设计, 首先必须进行原理设计, 然后根据原理图进行管系的布置设计。管系原理图没有说明管系的具体位置, 因此利用原理图无法进行管系的制造及安装。传统的管子制造是按“样棒弯管”法进行。由于该方法制造的管子安装质量差、劳动强度大、船舶建造周期长,所以现在已不再使用。现在的管子制作都是通过计算机布置管路、放样及出零件图, 然后在车间按零件图预制好。

船舶管系三维建模国内外现状

随着科学技术的发展，船舶设计手段不断更新，当今船舶的三维建模设计应用越来越普遍。船舶三维建模技术是一种新型的船舶设计手段，它是对传统的以二维平面设计（AUTOCAD 为平台）为主的船舶管系放样方式的突破。改变了传统管系放样模式，将计算机三维建模技术与现代船舶管系放样紧密结合，能够准确的反应设计者的意图，直观真实地呈现在设计者面前，使得船舶管系放样与建造有机地结合在一起，对于减少劳动强度，防止返工现象是一种行之有效的方法，从而达到提高生产效率和经济效益，减少建造周期的目的[1]。

目前三维建模在国外的发展要领先于国内。在国外，三维技术已经是比较成熟的技术，但是在国内，由于知识产权等因素的制约，加上起步较晚，国内的三维软件与国际水平还有一定的差距，目前国际常用船舶设计软件主要有Tribon 、NUPAS 、NAPA、Catia 等，国内的软件有东欣、沪东等，从上世纪90 年代起，上海沪东开始研发自己的三维放样软件，经过十几年的发展，已经形成了较为完善的系统，同时被国内很多厂家采用，目前在国内应用最广泛的是Tribon[2]。下面就三维建模软件NUPAS-CADMATIC为例，从建模到输出管系透视图ISOS 和管道图SPOOLS，如何识别图纸探讨三维建模在船舶管系设计中的应用与优势。

NUPAS-CADMATIC建模概述

NUPAS-CADMATIC 普遍适用于各种船舶设计，被形象地喻为“在电脑里造船”[3]。它是利用建立船舶产品虚拟制造的装配系统和应用环境，在模型中合理布置设备、敷设管道、风管和桥架等。其直观的三维用户界面，和E-BROWSER 软件一起，使得设计意图很直观的表现在设计者面前。同时其灵活多样的输出方式，在设计中生成的三维模型可以直接进入造船厂的生产管理系统，进行计划、工艺和管道预制。

对于NUPAS-CADMATIC，从建模到图纸输出，每个环节是紧密连接在一起的，在模型中包含了所有的数据和信息，它是输出相关二维图纸的基础，所建模型的好坏直接影响到以后的各个环节，为了能更加合理布置设备和敷设管道，达到理想的设计效果，建模对管系放样显得至关重要。经过专业人员多年的经验沉淀，现如今普遍的建模方式主要有如下几种：

一、船用标准件（standard component）建模

船舶是一是由数以万计的零部件和数以千计的配套设备构成，分成数十个功能各异的子系统，通过船体平台有机组合成的一个整体。由于船舶建造具有多样性和复杂性的特点，为了能适应船舶设计的不同要求，尤其是在管道放样过程中，NUPAS-CADMATIC 需要建立一个庞大的数据库，把我们在设计过程中所用到的标准件，作为标准模型（standardcomponent）放在数据库（database）中，该模型不仅包含该部件所有的信息，而且以三维实体的形式，在需要时能随时调出布置在整个模型中，在输出ISOS 和SPOOL 时用统一的符号，这些符号与管道大小无关。

对于标准件，都是用参数法来建模的。如果要得到其它通径的模型，只需改变其参数，就能得到相应的模型。图1 是ECONOSTO 公司生产的截止止回阀，建模时根据其外形设定不同的参数，其单位都以mm 计，要想得到不同的模型，只要按照ECONOSTO 提供的产品参数，输入相应的DN，L，H，A，M，B和OD 就可以了。

图一截止止回阀模型参数

在CADMATIC数据库建模中，绝大部分模型都是用这一方法得到的。注意这些模型在ISOS和SPOOLS中有统一的符号，用来表示，该符号与阀门通径大小无关。

二、集成模块建模

为了使管系布置满足船舶规范和国际公约的相关要求，在安装阀门、旋塞及过滤器等时，应设在便于操作或维修的地方。在布置这些部件时，往往将用于控制的阀件集中安装，生成模块，这样不仅能便于操作，而且易于集中控制。这种模块是有多种阀门，通过管道、法兰连接在一起，它是多个标准模型的结合体。在建模时，定义整个模块为同一管道编号，这样便于拾取，从而进行编辑、旋转和移动等操作，就这种模块而言，都把它当作整体看待，图2是回转拖轮抽舱压载系统模块的标准原理图，不同的船型只是支管数量不同。

图2 抽舱压载集管原理图

从原理图可以看出，在该模块中包含多种标准模型，在为其管道编号时，整个模块用统一的管道编号310-001L0050，其中310为系统编号，001为图纸编号，L0050是整个模块管线编号。

对于该模块的创建，首先将泵的模型放在整个船舶模型的适当空间位置，选取其出口（或进口）为模型的基点，一般选取其坐标为10 的整数倍，再根据原理图连接管道（route pipe)和阀门(insert valve)，在标准件的属性栏填入其代号（如310-001-033-03），这个建模过程，就是我们常说的“在电脑里造船”，只是需要的部件可以直接从数据库直接“领取”。图3是依据原理图创建的抽舱压载三维实体模型，它是以一个整体的形式存在，然后以设定的基点做参考点，把模型放入所需要的位置。

图3 抽舱压载三维模型

三、设备建模

对于有些不是标准件的设备，如主机，污水处理装置和空压机等，在建模时应当重点关注其接口形式和空间尺寸，其外形和内部结构相对来说来说是无关紧要的，因此只要找到它们接口的准确位置，编辑它们的接口形式，是进口(inlet)还是出口(outlet)等，这些设备都是根据厂家提供的CAD图纸建模的。

在建主机模型时，一般以飞轮与联轴器的连接点做基点，找出各接口的相对坐标，从而确定在模型中的正确位置，编辑其接口形式，并根据二维图纸创建其外形，对于该模型，应当编辑冷却水进出口、燃油进出口和排气管位置。当然对于稳心计算时，还得定义其重心坐标和其他一些信息。

以上是CADMATIC建模时经常用到的方式，在整个管道建模中，都是将标准件和设备用管道连接起来。当然它跟其他的计算机应用软件一样，都要通过设计人员的操作来完成设计过程，软件只是起到辅助的作用。由于CADMATIC是主要用于船舶管道布置的软件，因此在建模时，就得考虑管道的制作工艺和船级社规范，还要了解设备工作原理、焊接工艺、涂装工艺和木作装修等[4]。

对ISOS和SPOOLS的认识

创建的三维模型，主要用于车间生产[5]。CADMATIC能根据所选择的截面位置、视图方向和定义所要拾取“盒子”的大小，生成AUTOCAD图纸，同时提供生成透视图ISOS和管道图SPOOL的功能。它是由多种象征性符号，通过管道把它们联系在一起的，在该图纸中，可以知道该管路的构成和在船上的具体位置。在编辑ISOS 时，一般在相邻管道（SPOOL）的连接处标注其坐标，以便在船上安装管道时作参考。对于图纸中的线段体现这些管路的大致走向，同时能