CATIA软件在船舶设计中的应用

CATIA软件在船舶设计中的应用

发表时间：2018-08-16T10:58:53.260Z 来源：《基层建设》2018年第19期作者：伍国威梁俊虎吕江华

[导读] 摘要：本文以运载器概念船为例，介绍了船舶设计中CATIA软件的三维建模、有限元分析和焊接设计。

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摘要：本文以运载器概念船为例，介绍了船舶设计中CATIA软件的三维建模、有限元分析和焊接设计。本文论述了CATIA软件在船舶计算机辅助设计中的优势，为船舶工程相关技术人员使用CATIA软件提高工作效率提供了参考。

关键词：CATIA软件；船舶设计；应用

1前言

随着科学技术的发展，船级社的船舶检验标准，业主的要求对船用设备的所有方面都在不断增加，以及国际造船业竞争激烈，国内造船企业等方面的质量、成本、周期船舶都面临着更多的挑战。这些挑战使造船企业必须在造船、管理、技术设计、生产和施工等方面做出色的工作，这样才可以获得效益。

CATIA是法国达索公司生产的一款优秀的旗舰解决方案软件。该软件广泛应用于航空航天、汽车等高端技术制造行业，取得了非常成功的成果。近年来，该软件也开始使用越来越多的船舶设计。CATIA软件甚至开发了船舶结构的详细设计模块，并将其集成到设计系统中。不幸的是，针对船舶设计的PLM模块的价格很高，一般在中国的大型科研机构，船舶重工企业中使用，应用范围相对狭窄。然而，即使在缺少PLM模块的情况下，CATIA的常规功能仍然可以在船舶设计中发挥重要作用，本文将以概念船船体剖面为例，介绍CATIA软件在船舶设计中的典型应用。

2分段三维建模

三维建模功能是CATIA软件最理想的功能。在此基础上，将传统船舶二维平面和结构图转换为三维空间结构模型。与机械零件相比，船体构件形状比较简单，主要是钢板和型钢。

在分块构件中，主要包括船体、甲板、龙骨的设计，利用CATIA软件中的“Sketch Tracer”模块进行二维投影及线型提取，将提取的线型按照船体、甲板、龙骨进行分类，退出“Sketch Tracer”模块，进入“工程制图”模块，将线型存为DWG格式，方便以后调用。在“零件设计”中利用“草图”命令进行龙骨草图绘制，绘制完成后退出“草图”命令，选择“凸台”功能，输入长度，可形成纵骨的三维实体模型。同样的，可以制作其他板块的三维模型。船体中间部分，零件无曲率变化，均采用“凸台”功能完成。当零件有曲率变化时，可以用“创成式曲面设计”模块及“零件设计”模块进行复合设计来完成曲线函数建模[1]。

在完成所有零件建模之后，进行装配。在“装配设计”模块下，装配序列的实际部分，底板是基于相反的。在CATIA中创建一个新的装配体树结构程序集，点击“插入”-“现有零件”，进行船体、甲板、龙骨的子集装配，在装配过程中，利用各种条件约束命令进行零件单体之间的建立关联约束。新建CATIA“产品设计”—“装配设计”，点击“插入”-“现有产品”，在总装中将各子分段装配体进行同步装配，总装配成型，更清晰的显示各子产品树结构，内部各零部件在子装配体中被隐藏。

二维结构图生成的三维结构实体，极大地帮助了概念船的生产设计。与二维结构图纸相比，三维图可以更清晰的反应复杂结构形式，给出更具体的装配体连接类型，可以通过爆炸视图显示不同零件的装配顺序，大大提高现场施工人员对复杂结构的理解，提高了施工效率。此外，利用CATIA软件本身“材料清单”功能，可以产生所有部分的零件清单，借助“惯性测量”功能，可以查看每个零件的参数，如重量、重心位置，转动惯量等准确的信息。

CATIA软件集成了强大的制图功能，可任意生成三维结构的投影或切割视图。例如，在整个装配过程中，选择“机械设计”—“工程制图”功能，选择所有视图，将装配体进行六视图及正等轴测图显示，得到相应的位置投影视图。再转成CAD格式，在AutoCAD中进行二次处理即可作为生产加工图纸。

综上所述，CATIA软件可以通过三维建模、组件表生成和工程制图的功能，为设计工作提供很大的帮助。可通过AutoCAD和CATIA的协同设计完成生产设计。此外，二维图形还可以用来绘制及检查三维结构图，这相当于数字环境中截面的“虚拟构造”。通过提前发现和纠正图纸中潜在的不准确，实际施工可以提高效率，避免返工。

3有限元分析

在现代船舶结构设计中，有限元分析已经成为一种非常重要的计算工具。本文主要讨论了CATIA二维建模的相关内容，以辅助生产设计。事实上，CATIA软件还集成了相当强大的有限元分析能力，包括静态分析和动态分析[2]。

利用船舶结构的三维模型，可以利用有限元分析对局部强度和整体纵向强度的计算提供强有力的支撑。完整的有限元分析理论比较复杂，而本文仅以中间底部龙骨的弯曲应力计算为例，说明了用CATIA软件进行有限元分析的基本流程。

概念船采用纵向框架式，底部纵骨间距为5100mm，横向间距为600mm，结构吃水5米。根据以上数据，舱底可以简化为5100×600，承载5米方管和刚性固定矩形板。首先在CATIA中建立实体模型，添加材料属性，然后选择“分析和模拟”-“Generative Structural Analysis”，进入有限元分析模块。在弹出对话框中，可以选择多态分析。为简单起见，一般选择“Static Analysis”。选择“Restraints”-“clamp”，选择矩形板周围的边界，并添加固定约束。单击“Loads”-“Distributed Force”，在弹出对话框中输入加载大小及方向。单击“compute”命令自动划分网格。在操作之后，可以在“Image”菜单中查看命令，查看网格划分、压力分布、位移分布等。通过在工具中使用“Image out”命令，计算显示它不是最重要的。计算得到骨架的最大应力分布在长边的中点，这与理论解是一致的。在更复杂的计算中，可以通过“Restraints”菜单项来实现各种约束。可以通过“load”菜单项添加不同的负载。通过“Nodesand Elements”—“OCTREE Tetrahedron Mesh1”选项对网格进行细分和角度优化，从而得出更准确的计算结果。

4焊接设计

在船舶建造过程中，包括了大量的焊接操作。CATIA软件集成了强大的焊接设计功能，可以“虚拟焊接”不同部件，实现焊接效果的可视化。介绍了CATIA软件焊接设计功能的应用过程。

选择纵桁和内底板，根据上述力装配组装，并选择“启动”—“机械设计”—“Weld Design”进入焊接设计工作台。在此工作阶段，有单面、双面等16种焊接形式，纵桁和内底板的焊接应是双面角焊。为了比较焊接效果，采用了双侧角焊。在“Fillet Weld”命令中，选择“创建焊接”对话框，选中“Selection Assistant”，根据提示，选择右侧龙骨，输入焊接结构高度为5mm，完成右侧焊接。再次选择“Fillet Weld”命