FORAN软件在船体结构设计中的应用_图文

1、FORAN 软件在船体结构设计中的应用胡要武 郑友霖 李兆华中国舰船研究设计中心,湖北 武汉 430064摘要:本文介绍了船舶制造三维设计软件 FORAN 结构设计部分的主要模块和基本思路, 通过使用 FORAN 软件进行一艘 60米级海事巡逻船的船体三维建模来验证该软件在结构设 计中的适用性,简述了几个典型分段结构三维建模的特点。关键词:FORAN ;船体三维建模Application of FORAN in Hull Structure DesignHu Yao-wu Zheng You-lin Li Zhao-hua(China Ship Development and Design C

2、enter, Wuhan 430064, China Abstract: This paper introduces main structural design modules and basic ideas of shipbuilding 3D design software FORAN. The structural design adaptability of the software is verified by performing a 60 m-class maritime patrol vessel 3D hull modeling. And 3D modeling featu

3、re of some typical blocks structure is described here.Key words:FORAN; 3D hull modeling1引言FORAN 软件是由西班牙 SENER 集团开发,集成了船、机、电、涂、舾装 各个专业的强大设计软件 1。本文主要介绍船体结构设计中的 NORM 模块、 FHULL 模块,并应用这二个模块完成一艘 60米级海事巡逻船的船体三维建模。 该船的主要尺度:总长 Loa 64.0m型宽 B 10.2m型深 D 5.0m结构特点是单层连续甲板; 除机舱外均设有平台甲板。 主船体及上层建筑采 用横骨架式结构。船体结构的三维建模是

4、在船体曲面的定义完成之后, 应用 FORAN 软件中的NORM 和 FHULL 模块,定义船体的材料、构件形式;定义整条船的所有结构, 包括曲面板、平板、肋骨框架、纵桁腹板、面板和纵骨等 2。NORM 模块是在一个船体的项目里完成材料、构件形式等的定义,在三维 建模中通过参数化的方式调用。FHULL 模块包括两大部分, 即 Shell and Decks和 Internal Structure。 在 Shell and Decks模式中能生成甲板横梁、纵骨、纵桁、甲板板和甲板开口,以及外板 区域上的纵骨、纵桁和肋骨 (腹板等高的 T 型材和角钢等 。在 Internal Structure模式

5、中能生成腹板高度变化的 T 型材肋骨、肋板,纵向不连续或腹板高度变化 的纵桁,纵、横舱壁上结构件,包括舱壁扶强材、肘板、开孔,以及所有节点处 肘板。2结构设计的建模思路2.1Shell and Decks建模进入 Shell and Decks模式,选择 Work surface和 Zone 。其中 Work surface是指在线型文件中产生的船体曲面 (包括主船体和上层建筑 和甲板面 (主甲板、 主 船体舱内平台、各层上层建筑甲板 。 Zone 是根据项目参与人员分工设定的工作 区域, Zone 只在 Shell and Decks模式中发生作用。2.2Internal Structure

6、建模a. 建立 Bulkhead通过定义平面位置 (横剖面、纵剖面、水平面、任意矢量方向平面 来定义 Bulkhead 。 Bulkhead 通过平面位置的定义,确定了将要建立的 Structural Element的位置。b. 建立 Structural Element在 Structural Element的定义中,选择该 Structural Element的各种属性 , 如对 称性、水密性、切口和补板的形式等。2.3利用 Block 进行分段管理在 Norm 模块中,通过定义 X 、 Y 、 Z 的范围来定义 Block 。在本项目中,我 们按照基本结构图中的分段划分和三层上层建筑将全

7、船分为 9个 Block 。3结构设计分工和约定3.1三维设计分工和相关命名根据主船体、 上层建筑的尺度划分为不同的区域, 按参加者承担的区域进行 分工,并对相应的 ZONE 和 BLOCK 命名。内容如下:位置 设计人员 ZONE BLOCK 对应二维设计的图号3.2Shell and decks环境下相应构件的命名约定主要包括:甲板板、甲板横梁、甲板纵骨、船壳板、船底纵骨、舷侧纵骨、 船底肋骨、舷侧肋骨和板上的开孔。3.3Internal Structural环境下相应构件的命名约定主要包括:肋板、肋骨、底部龙骨、板 (纵横舱壁、平台 、扶强材、舱壁门 窗开孔、以及各个位置处的肘板。3.4

8、Bulkhead 和 Structural Element的命名确定主船体各分段之间、以及与各层上层建筑之间的工作面,再通过 Structural Element的命名来确定该区域内的构件, 并且能通过命名来准确判断和 选取所在区域 (分段 内的 Structural Element 。对每一个项目,应创建了该项目的 FHULL 模块命名规则的约定,在设计开 始时进行相关的命名约定。4结构的三维建模4.1标准库的建立在 NORM 模块下完成标准库的建立,标准库给该项目定义一系列材料、构 件形式、腹板和面板的端部切割形式、板的坡口、装配方式、型材穿过板的贯穿 切口等相关参数,也可以通过调用或复制

9、另外一个项目中的数据建立标准库。标准库按照中国的国家标准和船舶标准, 如国家标准的板材库和常用的型材 库, 船舶标准的端部削斜型式、 贯穿切口等。 还包括了的常用的肘板、 各类开孔、 板的切口等。对标准库中构件尺寸进行修改或添加后,即可在建模应用中进行调用。 4.2Shell and deck 模块的应用a. 甲板结构甲板结构主要由甲板板、 甲板横梁、 甲板强横梁、 甲板纵桁以及甲板开口组 成,在 shell and deck模块下完成。建立板单元需要 4根边界线,分别为 2根纵向的 Seam 线和 2根横向的 Butt 线。 Seam 线和 Butt 线可以通过辅助点和辅助线来建立, FOR

10、AN 提供了多种生 成点和线的命令。 甲板板的生成通过对板单元的定义, 可以赋予板的材料属性、 板的厚度和理论线的方向等。 Butt 线自身的位置调整对于分段板缝线调整很方便。 而且板自动与船体线型 进行无缝吻合,保证了结构随着总体的线型调整而自动更新。 甲板构件的生成通过选定 Butt 线或肋位,确定横梁的位置。对梁单元进行定义,赋予梁的 构件类型、尺寸、端部的伸缩量、切口型式等属性,生成一个横梁。然后利用梁 单元的复制功能, 生成其它肋位的横梁。 同时可利用梁单元参数化属性的修改功 能,生成强横梁等其它构件。按照结构的布置位置,确定纵桁的首、尾端点,完成纵桁单元的定义。赋予 纵桁的构件类型

11、、尺寸、端部的伸缩量、切口型式等属性,生成一个纵桁。对于 纵骨,也是采用该命令,只是在选取构件类型时选择角材、扁材或球扁钢。 在板和型材的建模过程中, FORAN 提供的型材尺寸选择、构件定位、端部 节点形式、 水密和非水密属性等选项符合船舶设计的特点, 加快了设计工作, 参 数化的各种属性设置也方便随时修改设计方案。b.底部结构与舷侧结构船底板和舷侧外板的定义与甲板板相同。轴包套板的定义则有所不同,要预先在线型文件中根据轴出口的要求确定外形,才能在shell and decks 模块下读出线型,再按照板定义的要求赋予属性。 船底板和轴包套板的生成底纵骨和舷侧纵骨按照肋骨型线图上的要求确定等分

12、点,再选用Longitudinal命令选择相应的点和投影方向连接成Landing线,最后选定构件的尺寸、端部型式和切口等。 底纵骨和舷侧纵骨的生成4.3Internal structure 模块的应用a.典型横剖面结构 典型横剖面结构是在Internal structure模块中的2D状态下实现的,通过建立辅助点和辅助线来定义舷肋骨和底肋板腹板,再添加面板。需要注意的是,为了实现拓扑化功能,最初始的辅助线和点都需要选取船体上的线和点来建立,这样建立好后的横剖面才可以复制到相似剖面中去。上图是机舱分段中带有轴包套的典型横剖面的平面模型。b.纵向剖面结构(基座纵桁 首先在基座纵桁的位置处建立Str

13、uctural Element,然后在这个面建立基座纵桁腹板,再在腹板上添加基座面板,通过调节面板的偏置尺寸,来定位面板的位置。小基座的做法与此类似。但是目前对于偏心距离不一致的基座纵桁面板来说,在结构模块中还不能单独完成,必须在Fsurf模块下建好基座纵桁面板的曲面后,才能在这个曲面上来添加面板。c.典型横舱壁结构 典型横舱壁的建立也是根据施工工艺要求,先划分板的范围,然后根据辅助线来定义板;扶强材通过连接甲板和外板上的加强材上的profile point来建立;横舱壁上的开口通过中心点的定位和参数化开口完成。扶强材上的肘板通过建立好的肘板节点库直接选取构件的端点来添加。4.4 典型三维结构

14、模型 以下给出了几个主要分段的典型三维结构模型， 并对各分段的特点予以简要 的说明。 尾部下滑分段结构模型（揭开甲板结构） 甲板板、舷侧板和船底板的建模按照板的定义要求完成。 底纵骨和舷侧纵骨按照肋骨型线图上长度和等分的要求确定等分点， 再选用 Longitudinal 命令选择相应的点和正确的投影方向连接成 Landing 线，最后选定 构件的尺寸、端部型式和切口等。 这一功能的应用表明该模块同样适用于纵骨架式结构系统。 滑道和尾门部分的建模是在 External Hull 中将它们作为外板来处理的， 滑道 横梁按 Frame 生成，尾门扶强材按 Longitudinal 生成。 由于该部分

15、板的形状不规则， FORAN 软件中严格要求板必须由两根纵向 而 的 Seam 线和两根横向的 Butt 线生成，为此应制定滑道部分总体线型 Line 生成 约定，对 Fsurf 模块生成该部分线型时 line 的组成和命名作出规定。 机舱分段结构模型 机舱分段结构较为复杂，相似剖面较少，并且还有主机基座、小基座、轴包 套等特殊结构，因此不能复制所有的剖面；但是可以通过复制局部相似结构来进 行。轴包套处底肋板需要与轴包套板关联建立，才能实现拓扑化功能；底肋板上 的轴开口中心定位需要圆心沿着主机轴系中心线来定位。 主机基座处的横隔板可 以通过与主机基座纵桁建立关联后，复制到有横隔板的横剖面上。横

16、隔板就能实 现随外板线型和主机纵桁面板的变化。 油水舱分段结构模型 甲板板、舷侧板和船底板的建模按照定义的要求完成。对于舷侧肋骨和实肋 板，由于这一部分线型变化较为平缓，构件拓扑化的复制功能在这里得到了充分 应用。 由于该分段油水舱较多，需要根据舷侧板、顶板的不同位置创建多个 Bulkhead 和 Structure element，在相应的 Structure Element 中赋予板、扶强材和 开口的属性。舱的前端按照肋骨型线图的走向开始逐步弯曲，因此对于#62#72 的液舱侧壁，我们在建模时将其近似地分为三个直线段，在每一个直线段中创建 一个 Structural Element，从而完

17、成这一段侧壁的建模工作。 当然要准确的完成这部分侧壁板的建模工作，并不存在技术上的困难。需要 先用 Fsurf 模块根据该侧壁板的走向创建一个曲面，在该曲面中即可完成结构的 建模工作。 5 主要特点及结论 FHULL 模块的两个主要工作环境 shell and deck 和 internal structure， 能方便 地定义甲板、外板、纵横舱壁和各类构件，参数化和拓扑化的设计理念贯彻在整 个工作环境中。在设计过程中，所有设计数据都保存在单一数据库里，设计过程 不涉及文件存储和文件读取。每次打开的设计数据都是来自数据库的最新版本。 FORAN 软件是应用较广泛的造船专用软件，通过在该项目中的

18、应用，表明 FORAN 设计系统的船体模块较好地符合了船体结构设计的工作模式。在完成了 全船所有分段的三维建模之后，应用该软件的 FDESIGN 模块完成了 3D 转 2D、 出图及分段重量重心的统计等工作， 限于篇幅这里仅对该部分工作做一简单介绍。 通过颜色、 线型和层的设置， 可以自动生成符合我们制图标准的各个横剖面、 纵剖面图及任意剖面的图，此外，也包括自动生成甲板平面图、外板展开图、舱 底平面图。能够对生成的剖面图进行剖切和节点的放大。 尤为突出的是， 二维剖面图是与三维数据库相关联的， 在对三维模型进行修改 后，只需对二维图进行刷新，修改的内容就可以自动更新。 它表明 FORAN 软件能直接适用于船体结构的施工设计。 当然，要把 FORAN 软件优势进一步发挥和充分应用，我们还需要进一步熟悉 和精通软件的各个模块，并完善和制定相关的设计准则。如结构构件的开口、补 板的型式、常用的构件尺寸等应按我们的习惯和规范进行定制。为了使设计人员 之间的分工明确和专业内部、专业间的协调便利，对 FORAN 应用的命名和建模约 定要进一步细化和调