船体建造集成系统HCS

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船体建造集成系统HCS
船体建造集成系统HCS是在微机上研制开发和运行的造船应用软件。

经过近三十年的发展，已由原来的船体型线光顺、外板展开、结构线定义和生成、板材结构零件生成、零件套料和数控切割代码生成、以及船体加工信息生成等子系统组成的基本功能模块发展为船体三维造型系统。

并进一步发展，与船舶设计单位联合，即将推出具有拓扑关系的船体结构三维模型，采用统一数据库的、与上道设计相连的船体生产设计的新版本。

HCS建立在MS Win32和MS Access数据库的基础上，具有标准用户接口，便于系统功能的扩展以及与其它船舶CAD/CAM应用系统的联接。

该系统可光顺球艏、球艉、双尾、隧道、有纵倾、折角等多种船型，光顺周期短、质量高，特别适用于小型、复杂、奇特线型的船。

船体型线光顺子系统的基本功能有：
●交互输入/修改型值；
●图形交互生成边界线；
●型线三向自动光顺及交互处理；
●肋骨曲线自动生成；
●艏艉柱处理；
●完工三向视图及肋骨型线生成；
●窗口任意放大；
●DXF文件（任意型线、水线、站线、侧剖线、肋骨线、加密肋骨线）转换；
●肋骨型值表、站线型值表、艏艉柱型值表生成；
●型值表及型线样条入库，供其他子系统调用（如：数控肋骨冷弯机、逆直
线肋骨加工等）；
●数据库管理。

图1. 多折角船型
图2. 隧道型船型
HCS3.x的船体型线光顺处理模块采用剖面线三向光顺方法。

型线光顺的样
条函数则采用了我国独创的智能化程度很高的性能优良的“分段三次样条”函数
为主，“几何圆弧样条”函数为辅的拟合光顺工具。

当输入了型值表、求出各型线的端值、给出了各型线的光顺拟合信息后，三向光顺便可按设计要求自动完成光顺。

本模块在HCS相应模块的基础上加以开拓和研制，并满足军船生产的要求。

如：舰船的肋骨号从艏至艉排列的问题，加设肋号的增减信息 Istep_frame。

当计算民船时Istep_frame=1，而计算舰船时Istep_frame=-1，这样，在处理时，只要加上Istep_frame作为处理肋骨时的增减信息则可。

1.1 边界处理
边界处理是HCS3.x的型线光顺处理模块的一大特色。

用户可根据设计部门提供的型线图、型值表，再根据船体曲面组合的原理，在原设计图上处理好各边界线（包括把水线圆弧端处理为延伸折角线）。

输入了生成边界线的型值点数据，然后即可生成各边界线样条，存放在数据库内。

再根据边界线，便可自动插值而得到各型线的端值数据和一部分端点导数。

对于一些特殊的船型，亦可用人机交互的方式，根据边界线插出型线的端值数据。

利用曲面组合边界的方法，我们便可完成各类船型的线型光顺处理，如：球艏、球艉、带纵倾、带多个折角、隧道型、双尾鳍、斜平边、折角斜平边等船型（参见图1、2）。

1.2 各类型线的光顺拟合信息处理
光顺拟合信息是线型光顺的关键。

光顺拟合信息包括型线首末导数和形状参数。

用户可根据设计图来确定。

由于模块设置了人机图形交互功能，用户亦可在型线拟合光顺时，显示该型线的型值点，直接判断给出该型线的形状参数。

1.3 型值表的输入
型值表的数据多，输入易出错。

模块设置了非法数据出错排除功能，保证了数据不会由于输入非法字符而引发的错误。

模块设置了人机图形交互功能，用户可根据图像中显示的型值点的位置来判断输入的数据的正确性，对之进行检查修改。

以保证型值表能一次输入无误，大大缩短了查错时间。

1.4 线型光顺和后处理
线型光顺采用了以自动处理为主、人机图形交互处理为辅以及动态显示光顺信息和误差的方法。

用户可用人机图形交互的方式，给出正确的该型线的拟合光顺参数，纠正边界处理的错误，然后让模块自动进行光顺处理。

再根据动态显示的光顺信息、误差，来了解光顺情况。

而后用人机图形交互的方式，纠正影响光顺收敛的因素，最后使光顺顺利结束。

（三向线型光顺不吻合误差<0.1毫米）。

由于线型光顺采用了双表格，型值表原始值始终不变，故在光顺过程中，随时可显示各型值的光顺误差，供用户进行判别。

三向光顺完成后，便可自动生成各肋骨型线。

在生成肋骨型线过程中，用户可采用光顺的方式。

模块设置了光顺误差>2毫米肋骨信息显示功能。

用户可挑选一些光顺误差>2毫米肋骨作为加密站线再进行三向光顺处理。

直到所有肋骨的光顺误差都<2毫米，则光顺处理完成。

三向光顺处理，仅处理和生成了三个剖面线和肋骨线。

后处理则按设计的要求，生成了甲板、折角、舷樯。

并处理好艏艉柱圆弧（水线圆弧端）。

处理后的
船体型线，则与设计的线型完全一样，便可作为建造的依据。

2 外板展开
外板展开子系统根据已生成的船体型线及钢板规格，对船体外板进行板缝划分，同时生成相关结构线。

在此基础上用三角形法对指定外板进行展开并存入零件库，同时生成该外板的加工数据及相应图形。

改版后的外板展开模块，展开率高，原则上可以展开每一块板。

外板展开子系统的基本功能有：
●船型数据库定位；
●肋骨线形显示；
●外板端缝生成及显示；
●外板纵缝生成及显示；
●相关结构线生成及显示；
●外板定位；
●外板余量设置；
●外板展开精度设置(即外板划分网格大小设置)；
●外板展开及显示；
●展开外板存库；
●外板信息输出；
●外板加工数据及图形输出。

传统的外板展开法有两种：测地线法和三角形法。

其中三角形法方法简明单一，但要保证精度，则计算网格须取得较密。

以往认为外板展开用测地线法较能保证精度。

经研究、分析和比较，我们在外板展开模块采用了加权修正三角形外板展开法，取得了很好的效果。

图3显示了艏艉柱接缝三边形外板的展开。

图3. 艏艉柱接缝三边形外板的展开
外板子系统还开发了按法向剖线展开实长等综合方法生成首尾接缝的功能
（参见图4）。

这样可脱离放样台直接在计算机上生成板缝。

生成的板缝精确、迅速。

展板的利用精确高、速度快。

图4 按肋骨实长生成纵缝图
3 结构线定义和生成
结构线定义子系统是在型线光顺基础上，定义及生成用户所需的任意位置的船体空间直线和曲线（参见图5）。

图5 912消磁船结构线定义和生成
结构线定义子系统的基本功能有：
●任意位置的加密肋骨生成；
●任意水线、纵剖线生成；
●结构线展开；
●结构线生成并入库；
●加密肋骨线和结构线型值表生成；
●结构线、加密肋骨线的DXF文件转换。

4 板材结构零件生成
结构零件生成子系统通过读取用户编制的几何语言代码或转换用户AutoCAD 中绘制的零件后，生成结构零件并存入结构数据库。

结构零件生成子系统的基本功能有：
●多文档源文件及宏命令编辑；
●零件生成；
●面积计算，重心计算，重量计算；
●零件显示：任意区域放大，坐标显示；
●DXF文件输入：零件自动识别，参数输入，存库；
图6 AutoCAD DXF图形文件直接转换生成HCS3.x结构零件
●DXF文件输出：零件输出，样条输出，单（多）文件输出；
●命令提示板：提示及输入；
●零件库：分段和零件列表
●数据库操作：零件增加、删除和修改；
●计算器。

采用AutoCAD图形软件可以很直观地描述船体结构零件，而且AutoCAD强大的图形功能给用户提供了各种方便的绘图工具。

HCS3.x开发了AutoCAD DXF文件双向转换功能的接口，用户可方便地将由AutoCAD绘制的零件转入船体结构零件库，亦可将零件库的零件转出至AutoCAD 中。

线型库中的线型也可以转成AutoCAD的DXF文件，这样，用户在AutoCAD环境下描述零件时，随时可以方便地调用所需的各种船体线型。

图6显示了使用HCS3.x的DXF零件转换生成程序将AutoCAD DXF图形文件直接转换成HCS3.x结构零件并存入船体结构零件库的过程。

使用该程序生成零件时零件名可扩展为生产设计所需的任何字母数字组合。

5 零件套料和数控切割代码生成
零件套料子系统是对生成的板材结构零件和已展开的外板板（存于HCS3.x 的结构数据库）在屏幕上进行人机交互套料（参见图7），然后自动产生数控切割代码，经HCS3.x动态模拟检验后（参见图8）供车间数控切割机（氧乙炔/等离子）下料。

零件套料子系统的基本功能有：
●钢板管理：钢板入库、钢板去向、钢板估算；
●零件管理：零件厚度/分段索引建立、零件属性修改、零件去向；
●套料管理：套料属性设置、套料信息入库、漏套零件列表；
●人机交互套料：平移、旋转、镜向、复制、删除、自动碰靠、零件浏览；
●放大同步操作；
●零件分割
●零件标识位置重置；
●零件起始切割点设置；
●共边设置；
●套料碰靠检查；
●套料零件切割次序重置；
●套料图和套料信息打印；
●套料管理信息打印；
●套料图DXF文件生成；
●数控切割代码生成；
●数控切割代码动态模拟检验。

图7 人机交互套料
图8 切割代码动态模拟检验
HCS3.x在套料方面也作了改进和扩充，如：在套料绘图中，把分段号、位置特征（如肋号）、零件号都自动写到零件图上（参见图9），零件库的合并、删除、整理等维护功能，套料引割线和割缝补偿控制等。

图9 满足生产设计的套料信息图
6 船体加工信息生成
根据船厂的需要，HCS3.x配备了外板加工样板计算、胎架计算、型材加工逆直线计算和数控肋骨冷弯机加工信息处理等船体加工信息功能。

6.1 外板加工样板计算
外板加工样板计算分“中华格式”（参见图10）和“靖江（沪东）格式”两种。

两种方式的计算方法及过程一样，只是在加工数据表的计算要求稍有区别。

“中华格式”是一中心点为原点，计算各肋位上的高度。

“靖江（沪东）格式”则以距中心点平移一个高为原点，计算各肋位上的高度。

图10 中华格式加工样板计算
外板加工样板计算的具体功能有：
（1）板块选取
外板展开后，生成了外板的板型、边界（端缝、纵缝线号）等信息，存入数据库内。

用户可在板块信息列表中选取计算板块。

当该半宽已做了加工样板计算后，板块信息中会在该信息后，增加“_OK”，以供用户参考。

（2）加工样板处理
输入计算加工样板数据：样板件号、计算最大宽、计算宽度、平线高。

（3）转角平移
取两端缝的中心线与肋骨的交点处计算出切线角，取平均值作为转角。

以居中的一根肋骨与中心线交点为中心点，对各肋骨进行转角平移，转角平移显示各肋骨。

（4）加工样板表格
转角后（平移之前）对各肋骨按计算宽度插值，得到各计算宽度加工样板的高度。

然后按“中华格式”或“靖江（沪东）格式”计算，生成加工样板表格，供活络样板调节用。

（5）生成DXF文件
把转角平移的肋骨型线以DXF格式，生存.DXF文件，供AutoCAD 系统调用。

然后可以喷粉线方式，由数控切割机在钢板上绘出，人工做加工样板用。

6.2 胎架计算
胎架计算分双斜胎架计算和按肋骨单斜胎架计算。

两种计算的处理方法基本相同，双斜胎架计算较单斜胎架计算多了“生成纵向样条”和“纵向样条转角平移处理”。

图11 显示了双斜胎架计算。

图11 双斜胎架计算过程之一
胎架计算的要点和功能有：
（1）选取胎架处理边界
按外板展开的设置，在端缝、纵缝号列表中选取某分段的胎架的边界端缝、纵缝。

这些端缝、纵缝亦会在肋骨图种以另一种颜色显示出来。

（2）显示计算肋骨，输入计算数据信息
当选取好胎架处理边界，便可显示计算肋骨并可输入计算数据和信息。

（分段胎架号、基准肋号、中心高、横切线角、最小高度、板厚、胎架间距）。

当输入中心高按“Enter”键后，横切线角便自动计算生成，并显示在图形上。

用户亦可对横切线角进行修改。

（3）转角平移
各肋骨及边界线按横切线角作转角计算（单斜胎架还作平移到最小高度计算）。

并将显示转角计算后的各型线，供用户查阅。

（4）生成纵向样条（双斜胎架）
对于双斜胎架，则按胎架间距分别插值生成胎架间距纵向样条并计算出胎架基准点的纵向切线角。

（5）转角平移（双斜胎架）
对于双斜胎架，生成胎架间距纵向样条后，则按纵向切线角转角和平移到最小高度计算。

（6）板块选取计算
当分段胎架旋转平移计算参数均计算得到，就可选取分段中的各板块，按各旋转平移计算参数处理，并扣除板块的板厚，则可插值得到各胎架支点的高度和板块四个半角的定位长、宽、高。

（7）胎架及板块数据信息表输出
胎架计算完成后，输出胎架及板块数据信息表。

该表包括：
●胎架信息：胎架件号、基准肋号、横切线角、最小高度、胎架间距、胎
架左宽、胎架右宽、纵切线角、胎架前长、胎架后长、胎架支点坐标（长、
宽、高）。

●外板定位信息：外板号、纵缝号、端缝号、外板四角坐标（长、宽、高）。

6.3 型材加工逆直线计算
型材加工逆直线计算可在要弯曲加工的型材构件上拉出直线、计算等分间隔上的高度，形成加工逆直线表（参见图12）。

图12 肋骨加工逆直线处理
型材加工逆直线计算的具体功能有：
（1）选择型线（肋骨、加密肋骨、纵剖结构线、水平面结构线、斜剖线）输入加工数据；
（2）人机交互处理生成加工逆直线；
（3）生成加工逆直线高度表（Word）文件
二、船体建造系统的船体结构三维造型
船体建造系统的船体结构三维造型模块是在原有的船体建造系统HCS的基础上进行扩展，实现船体结构零件三维造型的。

它真实地反映了结构零件在船体三维坐标上的精确位置，并可进行船体结构的快速三维建模和显示，为管子、风管、电缆、设备等舾装设计提供背景数据信息，有效地进行上述舾装件与船体结构的干涉检查、校验和修正。

另外，该模块精确地计算出每个结构零件的重量以及在船体坐标中的重心位置，从而能够可靠地计算出分段的重量和重心提交生产建造部门使用。

船体结构三维造型模块以AutoCAD为操作运行平台，并通过数据库与船体建造系统HCS集成在一起。

由于其工作量小、内容不重复而效果显著，是一个实用
的、广受用户欢迎的程序。

船体结构三维造型模块采用Windows和AutoCAD平台，以菜单和工具条的方式提供用户使用（参见图14），其主要功能有：
图14 船体结构三维造型工具条和菜单
1、SetPath
工程路径设置和工程创建。

HCS系统及其工程是一棵生命力极强的树。

它可以根据用户的需要，“种植”于计算机系统的任何地方（参见图15）。

图15工程路径设置和工程创建
2、Pcopy
在AutoCAD环境中通过采集、拾取、过滤等功能，将窗口1中的船体工作图中零件的图形元素，复制到窗口2中。

若需要，窗口2中的零件图可用AutoCAD 的功能再进行修改和编辑，在繁重的零件生成过程中，极大地方便了用户。

3、Transfer
将指定窗口中的零件转换到船体建造系统HCS的船体结构三维数据库。

该功能一次最多可同时转换100个零件。

图16显示的转换功能窗体提示用户输入待转换零件所需的船体三维信息。

这些信息保留在系统中，直至用户在下一个零件使用时修改它们。

因此，与二维零件生成相比较，三维零件生成所需输入的船体三维信息量是很小的。

图16 船体三维零件的转换和生成
4、Origin
在AutoCAD环境中指出待转换零件在船体三维坐标中的基准点位置。

基准点位置可在待转换零件图形的任何点上，该点应该是用户在做Transfer步骤时最容易确定和输入船体三维信息的。

5、Pname
在AutoCAD环境中指出待转换零件的零件名，减少了用户的输入工作量。

6、EntFilter
在AutoCAD环境中过滤图形实体，得到所需的图形。

7、Structure-Lines
在AutoCAD环境中进行结构线处理。

8、Display
用窗体的方式显示转换后零件的图形（参见图17）。

9、3Dview
在AutoCAD环境中用三维线框、实体或面域的方式显示某一个零件、某一肋位/剖面的零件或某一个分段的零件。

三维线框模型体积很小。

三维实体模型体
积很大，但它真实地显示了船体结构的尺寸和空间位置，可以非常精确的检查船体零件的准确性（参见图18）
图17 船体三维零件的显示（图中黄色的圆孔为管子孔）
图18 船体结构零件的三维实体模型
图19 船体结构与管子的干涉检查
，并可用于管子、风管、电缆、设备等舾装件与船体结构的干涉检查（参见图19）。

三维面域模型体积不大，除了显示的结构零件没有厚度外，其它方面都很真实地显示了船体结构的尺寸和空间位置（参见图20），因此它可作为三维船
体结构背景提供管子、风管、电缆、设备等舾装件的布置（参见图21）。

图20 7600DWT散货船主船体结构三维模型（采用面域方式显示）
图21 提供管子、风管、电缆、设备等舾装件布置的三维船体结构背景10、ShellExpansion
在AutoCAD环境中进行外板展开。

11、ShellDraft
自动生成外板下料草图（参见图22）。

图22 自动生成外板下料草图DXF文件
12、Shell 3Dview
生成并显示船体外壳三维图（参见图23）。

图23 8500DWT散货船船体外壳三维图
13、SpltoRxy
样条转换成多段线的快速处理功能。

该功能能将用户或上道工序提供的样条转换成CAM能够处理的直线圆弧样条。

14、PipeHoles
能将管系、电缆等系统在船体结构中的开孔信息和数据自动连接到船体相应的结构零件上。

由于船体结构和舾装系统是相互独立的，管系、电缆等系统在船体结构中的开孔信息，是在船体结构零件生成和套料工作完成以后，在数控切割代码生成时才真正放到代码中去的。

因此，这两个专业的工作可以并行进行。

所有应用系统建立在统一的船体坐标上，生成的数据非常精确。

另外，由管系、电缆等舾装图纸的变化而引起相应开孔的改动，不必去修改船体结构零件或套料信息，而只要容易地再执行一下切割代码生成就可以了。

15、数据库管理等其它功能
HCS立足于整个造船行业，是为各类船厂设计和服务的，特别适用于中小船厂。

目前，HCS的船体三维造型功能已开始技术转让给船厂使用，并得到用户的欢迎和好评。

HCS之所以有生命力，是因为他不断创新、不断地发展。

HCS将根据广大用户的反馈意见和需求，不断地完善、推出新的功能和新的版本。

附1：HCS3.x的基本运行环境
（1）硬件：Pentium 166以上、内存32MB/硬盘3.2GB、显示分辨率1024*768 （2）软件：Windows 98/NT/2000、Access数据库、AutoCAD 2000以上。

附2：HCS3.x的扩展运行环境
（1）硬件：P3以上、内存256MB/硬盘10GB、显示分辨率1024*768
（2）软件：Windows 2000/XP、Access数据库、AutoCAD 2005。

附3：联系方式
单位：中国船舶工业应用软件开发中心地址：上海市中山南二路851号上海申博信息系统工程有限公司
电话：（021）64684310，64684486
传真：（021）64384064 邮编：200032。