CATIA軟件在船舶設(shè)計中的應用

CATIA軟件在船舶設(shè)計中的應用摘要：本文以運載器概念船為例，介紹了船舶設(shè)計中CATIA軟件的三維建模、有限元分析和焊接設(shè)計。本文論述了CATIA軟件在船舶計算機輔助設(shè)計中的優(yōu)勢，為船舶工程相關(guān)技術(shù)人員使用CATIA軟件提高工作效率提供了參考。關(guān)鍵詞：CATIA軟件；船舶設(shè)計；應用1刖言隨著科學技術(shù)的發(fā)展，船級社的船舶檢驗標準，業(yè)主的要求對船用設(shè)備的所有方面都在不斷增加，以及國際造船業(yè)競爭激烈，國內(nèi)造船企業(yè)等方面的質(zhì)量、成本、周期船舶都面臨著更多的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)使造船企業(yè)必須在造船、管理、技術(shù)設(shè)計、生產(chǎn)和施工等方面做出色的工作，這樣才可以獲得效益。CATIA是法國達索公司生產(chǎn)的一款優(yōu)秀的旗艦解決方案軟件。該軟件廣泛應用于航空航天、汽車等高端技術(shù)制造行業(yè)，取得了非常成功的成果。近年來，該軟件也開始使用越來越多的船舶設(shè)計。CATIA軟件甚至開發(fā)了船舶結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計模塊，并將其集成到設(shè)計系統(tǒng)中。不幸的是，針對船舶設(shè)計的PLM模塊的價格很高，一般在中國的大型科研機構(gòu)，船舶重工企業(yè)中使用，應用范圍相對狹窄。然而，即使在缺少PLM模塊的情況下，CATIA的常規(guī)功能仍然可以在船舶設(shè)計中發(fā)揮重要作用，本文將以概念船船體剖面為例，介紹CATIA軟件在船舶設(shè)計中的典型應用。2分段三維建模三維建模功能是CATIA軟件最理想的功能。在此基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)船舶二維平面和結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)換為三維空間結(jié)構(gòu)模型。與機械零件相比，船體構(gòu)件形狀比較簡單，主要是鋼板和型鋼。在分塊構(gòu)件中，主要包括船體、甲板、龍骨的設(shè)計，利用CATIA軟件中的“SketchTracer”模塊進行二維投影及線型提取，將提取的線型按照船體、甲板、龍骨進行分類，退出“SketchTracer”模塊，進入“工程制圖”模塊，將線型存為DWG格式，方便以后調(diào)用。在"零件設(shè)計”中利用"草圖”命令進行龍骨草圖繪制，繪制完成后退出“草圖”命令，選擇“凸臺”功能，輸入長度，可形成縱骨的三維實體模型。同樣的，可以制作其他板塊的三維模型。船體中間部分，零件無曲率變化，均采用“凸臺”功能完成。當零件有曲率變化時，可以用“創(chuàng)成式曲面設(shè)計”模塊及“零件設(shè)計”模塊進行復合設(shè)計來完成曲線函數(shù)建模［1］。在完成所有零件建模之后，進行裝配。在“裝配設(shè)計”模塊下，裝配序列的實際部分，底板是基于相反的。在CATIA中創(chuàng)建一個新的裝配體樹結(jié)構(gòu)程序集，點擊“插入”-“現(xiàn)有零件”，進行船體、甲板、龍骨的子集裝配，在裝配過程中，利用各種條件約束命令進行零件單體之間的建立關(guān)聯(lián)約束。新建CATIA“產(chǎn)品設(shè)計”一“裝配設(shè)計”，點擊“插入”-“現(xiàn)有產(chǎn)品”，在總裝中將各子分段裝配體進行同步裝配，總裝配成型，更清晰的顯示各子產(chǎn)品樹結(jié)構(gòu)，內(nèi)部各零部件在子裝配體中被隱藏。二維結(jié)構(gòu)圖生成的三維結(jié)構(gòu)實體，極大地幫助了概念船的生產(chǎn)設(shè)計。與二維結(jié)構(gòu)圖紙相比，三維圖可以更清晰的反應復雜結(jié)構(gòu)形式，給出更具體的裝配體連接類型，可以通過爆炸視圖顯示不同零件的裝配順序，大大提高現(xiàn)場施工人員對復雜結(jié)構(gòu)的理解，提高了施工效率。此外，利用CATIA軟件本身“材料清單”功能，可以產(chǎn)生所有部分的零件清單，借助“慣性測量”功能，可以查看每個零件的參數(shù)，如重量、重心位置，轉(zhuǎn)動慣量等準確的信息。CATIA軟件集成了強大的制圖功能，可任意生成三維結(jié)構(gòu)的投影或切割視圖。例如，在整個裝配過程中，選擇"機械設(shè)計〃一"工程制圖〃功能，選擇所有視圖，將裝配體進行六視圖及正等軸測圖顯示，得到相應的位置投影視圖。再轉(zhuǎn)成CAD格式，在AutoCAD中進行二次處理即可作為生產(chǎn)加工圖紙。綜上所述，CATIA軟件可以通過三維建模、組件表生成和工程制圖的功能，為設(shè)計工作提供很大的幫助?？赏ㄟ^AutoCAD和CATIA的協(xié)同設(shè)計完成生產(chǎn)設(shè)計。此外，二維圖形還可以用來繪制及檢查三維結(jié)構(gòu)圖，這相當于數(shù)字環(huán)境中截面的"虛擬構(gòu)造〃。通過提前發(fā)現(xiàn)和糾正圖紙中潛在的不準確，實際施工可以提高效率，避免返工。3有限元分析在現(xiàn)代船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中，有限元分析已經(jīng)成為一種非常重要的計算工具。本文主要討論了CATIA二維建模的相關(guān)內(nèi)容，以輔助生產(chǎn)設(shè)計。事實上，CATIA軟件還集成了相當強大的有限元分析能力，包括靜態(tài)分析和動態(tài)分析［2］。利用船舶結(jié)構(gòu)的三維模型，可以利用有限元分析對局部強度和整體縱向強度的計算提供強有力的支撐。完整的有限元分析理論比較復雜，而本文僅以中間底部龍骨的彎曲應力計算為例，說明了用CATIA軟件進行有限元分析的基本流程。概念船采用縱向框架式，底部縱骨間距為5100mm，橫向間距為600mm，結(jié)構(gòu)吃水5米。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，艙底可以簡化為5100x600，承載5米方管和剛性固定矩形板。首先在CATIA中建立實體模型，添加材料屬性，然后選擇"分析和模擬”-"GenerativeStructuralAnalysis”，進入有限元分析模塊。在彈出對話框中，可以選擇多態(tài)分析。為簡單起見，一般選擇“StaticAnalysis”。選擇“Restraints”-“clamp”，選擇矩形板周圍的邊界，并添加固定約束。單擊“Loads”-“DistributedForce”，在彈出對話框中輸入加載大小及方向。單擊"compute”命令自動劃分網(wǎng)格。在操作之后，可以在"Image”菜單中查看命令，查看網(wǎng)格劃分、壓力分布、位移分布等。通過在工具中使用“Imageout”命令，計算顯示它不是最重要的。計算得到骨架的最大應力分布在長邊的中點，這與理論解是一致的。在更復雜的計算中，可以通過“Restraints”菜單項來實現(xiàn)各種約束。可以通過“l(fā)oad”菜單項添加不同的負載。通過“NodesandElements”一"OCTREETetrahedronMeshl”選項對網(wǎng)格進行細分和角度優(yōu)化，從而得出更準確的計算結(jié)果。4焊接設(shè)計在船舶建造過程中，包括了大量的焊接操作。CATIA軟件集成了強大的焊接設(shè)計功能，可以“虛擬焊接”不同部件，實現(xiàn)焊接效果的可視化。介紹了CATIA軟件焊接設(shè)計功能的應用過程。選擇縱桁和內(nèi)底板，根據(jù)上述力裝配組裝，并選擇“啟動”一“機械設(shè)計”一"WeldDesign”進入焊接設(shè)計工作臺。在此工作階段，有單面、雙面等16種焊接形式，縱桁和內(nèi)底板的焊接應是雙面角焊。為了比較焊接效果，采用了雙側(cè)角焊。在“FilletWeld”命令中，選擇“創(chuàng)建焊接”對話框，選中“SelectionAssistant”，根據(jù)提示，選擇右側(cè)龍骨，輸入焊接結(jié)構(gòu)高度為5mm，完成右側(cè)焊接。再次選擇“FilletWeld”命令，選擇左側(cè)龍骨，輸入10mm的焊接結(jié)構(gòu)高度，完成左側(cè)焊接［3］?？梢郧宄乜吹剑笥覂蛇叺暮缚p高度變化。在CATIA焊接設(shè)計的幫助下，船舶設(shè)計人員可以直觀地發(fā)現(xiàn)不同參數(shù)對焊接效果的影響，為最佳焊接力提供參考。5結(jié)束語綜上所述，CATIA該軟件可以支持船舶工程的大量工作，合理有效利用將有助于提高船舶工業(yè)的設(shè)計和施工水平，本文的內(nèi)容不可避免地存在不足和遺漏，但仍然可以