船舶三维建模技术

6.4.1　船舶三维建模技术

在传统的船舶设计和制造中，设计人员通过二维图纸和相关资料下达加工、制造以及部分管理信息。使用计算机后，所有船舶设计信息是以产品几何模型以及相关的属性存储在计算机中，使设计的各环节（设计、分析、工艺加工、生产管理信息等）使用同一个产品模型，共享信息，从而实现CAD/CAPP/CAM系统的集成。通过产品建模不仅能绘制二维图纸，还能生成三维图形、生成三维实体模型和动态漫游画面，并对三维模型零部件进行物理性能（惯性矩、强度、刚度、振动等）计算。通过仿真软件可对产品模型进行加工、装配过程模拟，以验证设计的合理性。

人类生存的环境是一个三维空间的世界，设计所建立的三维产品模型对设计者、船东、作业者易于观察、理解和沟通，可缩短设计者和他人的交流时间，大大减少以二维图纸方式表达的产品说明、图表等文件。因此，三维建模技术自20世纪70年代研究以来，得到了迅速的发展。目前，我国造船设计中应用的计算机辅助设计系统（CAD/CAPP/CAM集成系统）大都采用三维建模技术进行产品设计。它通过三维线框建模、曲面建模、实体建模等技术建立产品模型。

1）线框建模

线框建模是CAD技术发展过程中最早应用的三维模型，这种模型表示的是物体的棱边。线框模型由物体上的点、直线和曲线组成，主要是为了自动绘图。初期的线框仅仅是二维的，点、直线、圆弧和曲线是线框模型的基本元素，用户需要逐点逐线地构造模型。后来，在二维线框模型的基础上应用三维的空间曲线描述技术发展成三维线框模型，使模型有了深度，可以做三维的平移、旋转，能产生立体感的图形。船舶设计中典型的线框模型是船体的线型模型，利用线框模型，可以进行分舱和船舶性能计算。

2）曲面建模

曲面建模是通过在线框模型的基础上，增加面的信息生成曲面，利用曲面就可以对产品模型作剖面、消隐、获得加工所需要的表面信息，船舶设计中典型的曲面建模是船体的外板、甲板。

3）实体建模

实体建模是以立方体、圆柱体、球体、椎体、环状体等多种基本体为单位元素，通过集合运算，生成所需要的几何体形。它能表示形体之间的相互关系和拓扑信息。船舶设计中典型的实体模型是设备、管子、船体的板架等模型。

4）特征建模

通过上述三种方法所建立的产品模型，是一个纯粹的由几何形体构成的模型。设计人员和有关人员可以通过屏幕清楚地看到所设计产品的外形和内部结构，但不能知道产品零部件使用何种材质，零件之间的装配关系，加工、装配的公差配合、加工工艺等特征。为满足生产、管理的信息需要，必须在几何模型上增加描述产品各种有关特征信息，进行特征建模，即给予产品模型零部件各种属性，以及描述模型零部件关系和约束的属性。

特征建模是指描述产品信息的集合，特征信息通常有：

（1）形状特征，即零部件的几何形状。

（2）精度特征，如加工余量、焊接收缩值、装配余量等。

（3）技术特征，如管路的压力。

（4）材料特征，如使用的材质、表面处理等。

（5）装配特征，如船体零部件的组立关系、零件之间结构关系等。

特征建模方法着眼于更好地表达产品完整的技术和生产、管理信息，能提供制造所需的产品零部件的几何信息和制造、管理信息，为实现“设计、生产、管理一体化”提供了技术基础。特征建模包括了大量的工艺、安装特征信息，通过模型可进行加工、制造、安装仿真，可在设计阶段发现设计的不合理之处，使设计错误在设计阶段就能消除掉。有利于提高设计质量和制造质量，有利于缩短产品制造周期，是CAD建模技术的一个新突破。

参数化设计是把形状和装配结构关系（特征）相似的零部件抽取其一定的几何要素关系，以一定量的参数来表达零部件的几何模型，从而通过参数的修改可改变零部件的结构尺寸，如船舶设计中的肘板、各类开孔、门、窗、梯、盖，各类支架、基座等均可采用参数化设计，通过参数化设计可大大减少建模的工作量。

通过三维产品模型可在计算机中更直观地表达产品的性能、功能等技术和生产管理信息。通过所建立的产品模型能生成产品设计和施工图纸以及技术文档，并使设计和生产准备的各阶段可以并行开展。数字化设计使设计人员不仅是面对点、线、圆弧等原始的几何要素，在图纸上表达设计思想，而是针对产品的功能特性，建立产品模型。由于产品模型直观、易于理解和具有组织生产的特征，能表达零部件的拓扑关系，易于设计修改。通过模型之间各专业的干涉检查、工艺仿真、模型漫游，设计人员从建模开始直至出图整个过程中，可进行并行设计和随时同各个专业协调对设计模型进行优化。数字化设计生成的产品模型包含了设计、生产、管理的信息，为实现集成制造创造了良好的条件。本质上，整个数字化生产设计是为生产管理提供必需的信息，也是生产设计所需要达到的目标——不仅要设计出产品，更重要的是要把产品制造的过程设计出来。