船体结构3D建模

1、工作任务要求：工作任务要求： 根据三视图及已知尺寸，运用掌握的技根据三视图及已知尺寸，运用掌握的技 能熟练进行双层底分段三维建模。能熟练进行双层底分段三维建模。 船体结构的三维模型船体结构的三维模型学习目标学习目标 学习的学习的知识与能力目标目标 1.了解有关船体结构三维建模的背景、意义； 2.理解和掌握建立船体结构三维模型的方法和过 程； 3.理解和掌握将零件定义相关属性后与零件一起 定义成块、提取属性的方法和操作过程； 4.理解和掌握建立一体化分段结构三维实体模型 和进行相关操作的方法和过程； 5.理解和掌握利用三维实体的视图功能，生成所 需视图的方法和技巧。 第五章船体结构的三维模型第五

2、章船体结构的三维模型 能力目标能力目标 v6. 熟练掌握建立船体结构三维模型的 方法和过程; v7. 熟练掌握将零件定义相关属性后与 零件一起定义成块、提取船体结构零 件属性的方法和操作过程； v8. 熟练掌握建立一体化分段结构三维 实体模型和进行相关操作的方法 v9. 利用三维实体的视图功能，生成所 需视图的方法和技巧； 教学图片教学图片 一组肋板三维模型一组肋板三维模型 船体结构三维模型技术背景、意义及学习内容船体结构三维模型技术背景、意义及学习内容 一、是国内外船舶CAD/CAM技术的发展潮流 和趋势 二、船体结构三维模型技术具有诸多优点，被 越来越多地应用于船舶CAD/CAM中，提高工

3、作 效率和质量。 三、采用三维实体建模的方式，从方法上是一 个质的提高 四、船体结构三维模型技术已成为船舶 CAD/CAM应用的基础。 五、在船体生产设计中分段结构图、部件 图、零件图的绘制，零件明细表的编制，分 段重量、重心计算，分段虚拟装配等均有重 要应用. 六、本章以一个常见的双层底中部分段为 例，介绍基于AutoCAD的船体结构三维模型 建立及应用，树立学生由二维向三维模式转 变的意识。 船体结构三维模型技术背景、意义及学习内容船体结构三维模型技术背景、意义及学习内容 建立船体结构的三维模型建立船体结构的三维模型 建模建模 建立船体结构三维模型的通用软件有许多 种，例如AUTOCAD、

4、SOLIDWORK、 SOLIDEGE等，本章以广大船舶工程技术人 员接触最多、最熟悉的AUTOCAD为例，介绍 基于通用软件的船体结构三维模型的建立方法， 利用其它通用软件的方法与此会有许多类似之 处。AUTOCAD虽然三维功能有限，但其普及 程度高、图形功能强大，一旦掌握了用它进行 船体结构三维数字模型建立方法和过程，再使 用其它软件就显得相对容易得多了。 船体结构零件的共同特征与生成零件三维模型的基本方法 一、船体结构零件通常可以分为板材和型材，板材和型 材又可以按其形状分为平直和曲面类型。 二、型材主要采用角纲、T型钢、球扁钢等截面类型。 三、尽管船体结构零件类型不同、形状各异，但绝大

5、多 数船体结构零件有一个共同之处，就是可以通过其某个 方向截面的拉伸生成零件三维数字模型。 四、拉伸的路径如果是直线，则生成等截面的柱体，如 果是曲线则生成等截面的非柱体，矩形截面沿直线拉伸可 以生成板材模型。船体结构零件基本上都可以采用截面拉 伸生成零件三维模型。 五、实体生成的基本过程是，先将生成对象的截面定义 成面域实体（面域的边界一定要完全闭合），再将面域沿 着指定的路径拉伸成三维实体。 船体结构零件的共同特征与生成零件三维模型的基本方法 教学图片教学图片 船体结构常见零件类型及特征船体结构常见零件类型及特征 确定零件的基准面、基准点确定零件的基准面、基准点 一、零件的基准面、基准点确

6、定的合理，可以使得由零件 构成结构模型变得简单、方便，确定零件的基准面、 基准点是将零件装配成船体结构模型的需要。 二、所谓零件的基准面一般是零件截面所在的平面，用 XOY表示。生成截面就在这个平面上进行操作。在 模型空间中，零件的基准面可以根据零件的几何特 征和空间位置选择和确定，方法是使用AUTOCAD系 统提供的用户坐标系统UCS的功能。 三、对于平直板材通常将基准面设为与板材平行，曲面板 材通常将基准面设为与板材曲面母线或直纹线方向 正交。 确定零件的基准面、基准点确定零件的基准面、基准点 四、对于型材通常将基准面设为与型材长度方向垂直， 如图2所示。在图2中，将舭部曲面板基准面XOY

7、设为 与板材曲面母线方向正交，就是为了在基准面XOY上 先生成舭部曲面板的截面。 五、同理将肋骨基准面XOY设为与肋骨样条曲线切线方 向正交，在基准面XOY上先生成肋骨的截面。但是生 成肋骨要进行一次坐标转换，即先在XOY平面中生成 截面，再将XOZ坐标平面转换成XOY坐标平面，在其 上绘出肋骨样条曲线，使生成的肋骨截面沿着这一曲 线拉伸成为实体。 六、对于图2中的矩形平直板，如果单纯从长方体特征 出发基准面设在板边截面和板平面上都可以，但是如 果考虑其上面可能有开口的话，如人口、减轻口、通 焊口等，就应该将基准面设置在板平面上。所以图2 中底板、肋板、桁材的坐标基准面都设置在了其板平 面上。

8、 图图2 2 不同类型零件坐标的基准面不同类型零件坐标的基准面 确定零件的基准面、基准点确定零件的基准面、基准点 u零件基准点通常选择在零件边界的特殊位置，如零件基准点通常选择在零件边界的特殊位置，如 在板材上确定装配构件一面的角点，型材上确定接在板材上确定装配构件一面的角点，型材上确定接 触板材表面的角点，这样便于确定零件在结构中的触板材表面的角点，这样便于确定零件在结构中的 位置。位置。 u使用使用CAD系统提供的用户坐标系统系统提供的用户坐标系统UCS操作的方操作的方 法是从命令行输入法是从命令行输入UCS命令或从命令或从UCS工具栏中选择工具栏中选择 相应图标，工具栏中的图标相当于命令

9、提示中的选相应图标，工具栏中的图标相当于命令提示中的选 择项。输入命令后提示为：择项。输入命令后提示为： u输入选项输入选项 新建新建(N)/移动移动(M)/正交正交(G)/上一个上一个(P)/恢恢 复复(R)/保存保存(S)/删除删除(D)/应用应用(A)/?/世界世界(W) : 确定零件的基准面、基准点确定零件的基准面、基准点 v选择新建（N）后提示： v指定新 UCS 的原点或 Z 轴(ZA)/三点(3)/对象 (OB)/面(F)/视图(V)/X/Y/Z : v可见新建的坐标系相对原坐标系可以是平移、绕 某坐标轴旋转、XOY与某对象的面重合或三点共 面重合。通过这些操作可以实现零件的生成

10、和定 位。例如，当前坐标系XOY面为分段横剖面时， 肋板扶强材截面在XOZ面上，这时需要使用UCS 命令新建绕X轴旋转90度的坐标系，并将视图设 置为新的当前坐标平面。 生成三维实体零件生成三维实体零件 v一些便于在空间直接定位的零件，可以根据零件 基准点直接在零件的空间位置处生成三维实体零件， 例如底板、行材等。方法是首先确定分段的空间位 置，例如将外底板内表面与XOY平面重合，XOZ 平面与第一道肋板表面重合，YOZ平面与第一道 行材表面重合。至于坐标平面与零件重合在哪侧表 面，则按船体理论线规定。 v 确定零件基准点在空间的位置，例如外底板 角点坐标就应该是X为距第一道行材距离，Y为 距

11、第一道肋板距离，Z为零。接下来以此基准点 为基准点在相应的基准面上就可以生成所在空 间位置处的零件。那些不便于在空间直接定位 的零件，可以先在其它地方生成三维实体零件， 再在其所依附的零件上定位，共同组合成部件 后再定位到应该定位的位置，例如各种扶强材、 加强筋等。 生成三维实体零件生成三维实体零件 v 对于有开口的零件，例如有人口、减轻口、 通焊口等的肋板和桁材，要先将板材和开口在同 一坐标平面上定义成面域，再利用系统的求差集 的功能，求出板减去开口后的面域，最后根据板 厚生成带有开口的三维板。定义面域命令是 REGION，可以从命令行输入，或从绘图菜单和 工具栏中选。 生成三维实体零件生成

12、三维实体零件 v 注意定义面域对边界要求十分严格，要求边 界线必须完全闭合。所以，对那些边界线复杂的 零件要格外注意。求差集使用SUBTRACT命令， 可以从命令行输入，或从绘图菜单和工具栏中选。 注意面域之间求差集要求面域必须在同一平面。 这些命令的使用过程，在此不一一介绍。如果读 者对AUTOCAD的使用不十分深入，请阅读系统 帮助文件。 根据结构特点将零件装配成为部件根据结构特点将零件装配成为部件 v 与实际分段装配类似，生成分段数字模 型在许多情况下也需要先将零件装配成部 件，再装配成分段结构，这样能够更方便。 例如双层底分段中的肋板与其上的扶强材 先一起定义成部件，再作为一个整体进行

13、 装配、复制，要比单独作为零件处理方便 得多。还有桁材等也可以与其上的扶强材 先一起定义成部件。系统生成的三维肋板 和桁材部件如图3所示。 图图3 肋板和桁材部件肋板和桁材部件 装配生成分段结构三维模型装配生成分段结构三维模型 一、装配顺序从下向上，先板材后骨材，部件作为 整体装配 二、构成分段结构三维模型零件有两种情况： 三、一种是如前所述根据零件的空间位置，由零件 的基准面、基准点直接在相应位置生成。这一过 程中要注意利用用户坐标系和视图功能。 四、一种是将先前在其它位置定义的块（包括部件 块）插入到相应位置装配成分段结构三维模型。 这一过程中要注意利用块的插入功能。块插入时 可以重新指定

14、X、Y、Z方向比例、绕Z轴旋转角 度和重新输入插入块的属性值。如图4示。 图图4 分段结构三维模型的生成分段结构三维模型的生成 对零件定义相关属性后与零件一起定义成块对零件定义相关属性后与零件一起定义成块 AUTOCAD具有定义属性的功能。所谓定义 属性就是允许用户在任意位置输入所需要的字 符，这些字符可以显示在图形中也可以不显示 在图形中，属性值在图中适当的位置显示可以 成为文字说明或对零件的标注，设置为不显示 时，在图中就看不到属性。用户还可以对其进 行修改。也就是说，属性在定义成块之前与用 TEXT命令输入的字符是一样的。但是属性定 义成块以后就具有了两点与用TEXT命令输入 的字符不一

15、样的功能：一是每次作为块插入时 可以重新输入其值，二是可以提取到指定格式 的文档中，例如EXCEL文档中。 属性定义属性定义 属性可以单独定义成块，也可以与其它图形对 象（包括已经定义成块的）一起定义成块。通常是 定义了与零件相关的属性后，再与该零件一起定义 成块。当分段结构中所有零件都与其相关属性共同 定义成块后，利用AUTOCAD的属性提取功能就能 提取出这些块的属性，就可以得到所有零件的属性。 如果零件的属性是零件的名称、尺寸、材料、质量、 质心等内容，提取所有零件属性就得到了分段零件 明细表。这对于船体生产设计是非常有意义的。 属性定义属性定义 定义属性前，可以先查询零件实体的质量特性

16、，将 其中的质量、质心等信息输入到属性定义中，也可以将 零件实体的质量特性输出到指定文件，然后在定义块时 建立与该文件的超链接。在编辑块时可以打开超链接文 件。一般情况下不需要建立零件实体质量特性输出文件 的超链接，只有在某些特殊情况下才建立，如零件信息 比较多或涉及分段定位基准的零件，在属性表中难于表 达的情况下。 属性定义属性定义 查询零件实体的质量特性的方法是使用Massprop命令， 或从下拉菜单工具中选择查询再选择下一级面域/质量 特性项，系统将提示选择查询对象，选择后在文本窗口 中显示查询结果，并要求回答是否将结果输出到指定文 件。例如图3中的肋板，查询结果如下： 重量 KN: 0

17、.089。重心 MM: X: 499.5249，Y: 499.9915，Z: 5.0000。 提取船体结构零件三维模型属性提取船体结构零件三维模型属性 分段零件明细表是船体生产设计阶段应完成的 重要设计表，它汇总、统计零件数量、尺寸、质量、 质心等重要信息。手工或二维模式进行生产设计时， 表中的信息多数是依靠手工完成的，效率底，容易 出错。建立了零件三维数字模型后，可以先通过查 询得到零件的最大外形尺寸、基点坐标、质量、质 心等重要信息，复制到文件中，然后在零件属性定 义时输入这些信息。分段零件明细表可以从复制的 文件直接得到，也可以通过提取零件属性得到，后 者更方便，特别是当零件被插入到其他

18、图形中时， 这种方式就显得必不可少。表1给出了双层底中部 分段明细表，表中重心为相对于零件本身基准点。 表表1 零件数量、尺寸、质量、质心明细表零件数量、尺寸、质量、质心明细表 块名计数尺寸(mm) 重量 KN XOY平 面 基准点 质心X m 质心Y m 质心Z m 外底板110*4000*64002.509上表面角点2.03.2-0.005 肋板1610*1000*10000 1.428 向尾表 面 角点0.49950.49990.0 桁材扶强材610*40*80*6400 0.414 桁材表 面 腹板角 点 3.2-0.001170.00533 桁材310*1000*6400 1.882

19、 左侧表 面 角点3.20.49950.005 肋板扶强材3210*40*80*840 0.289 肋板表 面 腹板角 点 0.001170.42000.00533 纵骨1610*40*80*6400 1.104 底板表 面 腹板角 点 0.00117-0.005333.2 内底板110*4000*6400 2.509 下表面角点2.03.20.005 合计75 10.135 建立一体化分段结构三维实体模型和进行相关操作建立一体化分段结构三维实体模型和进行相关操作 在上述工作基础上，建立起一体化的整个 分段结构三维实体模型，可以进行整体质量 特性查询等相关操作，快捷准确地得到整个 分段的质量、

20、质心等生产设计所需的重要信 息。 v一、将已定义的块分解 v 由于块不能进行实体集合运算，所以需要 对前面定义的所有块进行分解，使结构成为 全部由实体构成的模型。然后利用CAD系统 提供的实体并集功能，将结构的所有实体合 并为一个实体，再利用实体质量特性查询功 能，得到整个结构的重量、重心坐标。 分解分解 v 分解过程要十分注意分解对象的选择方法。由于 定义部件类型块时一般要包含嵌套块，所以一次不 能分解完成，需要再次选择块对象。而分解了一次 后，对象中往往就包含了许多实体对象。由于分解 命令不仅可以将块分解成构成块的对象或下一级块， 而且能分解实体等对象，假如要全部选择了分段结 构的所有对象

21、进行分解，其中不是块的实体对象也 会被分解， 分解分解 v接下来就不能合并成包含所有零件的分段结构实体， 所以一定要使用对象选择过滤器选择对象，只选择 没有被分解的块进行分解。方法是使用QSELECT 命令弹出过滤选择对象对话框。从选择对象类型列 表中选择块参照，特性中选择名称，运算符中选择 全部。这样就把所有没有分解的块都选中了。 干涉检查干涉检查 v 在整个结构零件都被分解为独立实体的 情况下，可以进行实体之间的干涉检查， 既检查实体之间有没有共占同一空间的不 正确的位置关系。干涉检查使用 INTERFERE命令。通过干涉检查，如果发 现实体之间有共占同一空间的不正确的位 置关系，系统会提

22、示并将一对干涉的实体 亮显。这就需要我们对实体之间不正确的 位置关系进行修改，直至正确为止。 三、合并三、合并 v合并整个结构三维实体零件使用 UNION命令。输入命令后系统会提示 选中了多少个对象，这时要注意认真 核对整个结构三维实体零件的数量， 确认选中了全部零件。 四、查询四、查询 u以所举双层底分段为例，设坐标原点在外底板上 表面向尾左舷角点处，XOY平面与外底板上表面重 合，X轴为船宽方向，移动分段至上述位置，则查 询结果为： u重量 KN: 9.976。 u重心 MM: X: 2001.9544，Y: 3201.9935，Z: 493.7322 u分段质量与使用明细表统计计算的结果

23、比较，数 值基本相同。 利用三维实体的视图功能，生成所需视图利用三维实体的视图功能，生成所需视图 手工或二维模式进行生产设计时，分段各 个方向的视图和各个位置的剖面图是手工绘制 的，而在建立了船体结构三维数字模型后，可 以自动生成这些视图。当然生成的视图还需要 根据船体制图规定对图形的线型、线宽、颜色 等特性进行适当的配制和处理。图5为由三维 模型自动生成的分段结构视图。 图图5 由三维模型自动生成的分段结构视图由三维模型自动生成的分段结构视图 船体曲面建模船体曲面建模 建立船体结构三维数字模型会有曲面问题，对 于单向弯曲曲面，如平行舯体舭部外板和曲线型甲 板等，可以采取先定义平行于曲面母线方向的截面 面域，再沿垂直于曲面母线截面的曲线拉伸的方法 生成曲面。 由于船体构件基本都是沿纵向和横向排列的， 所以，建立船体结构三维模型过程中处理不规则曲 面问