CATIA软件在船舶设计中的几点应用

摘 要： 以某集装箱船双层底分段为例，介绍CATIA软件在船舶设计中的三维建模、有限元分析、焊接设计三点应用。讨论使用CATIA软件进行船舶计算机辅助设计工作的优点，为船舶工程相关技术人员使用CATIA软件提高工作效率提供参考。

关键词： CATIA；船舶设计；三维建模；有限元分析；焊接设计

CATIA是法国达索公司出品的优秀三维软件，该软件在航天航空、汽车等一些高端技术制造行业得到非常广泛的应用并取得非常成功的效果。近年来，该软件也开始越来越多的应用于船舶设计之中。CATIA软件甚至专门开发了一个船舶结构详细设计模块，并将其集成在设计系统中，遗憾的是由于该模块价格较高，我国使用范围较窄。然而，即便在缺少船舶专用模块的情况下，CATIA的常规功能仍然可以在船舶的设计中发挥巨大的作用，本文将以某集装箱船船底分段为例，对CATIA软件在船舶设计中的典型应用予以介绍。

1 分段三维建模

三维建模功能是CATIA软件最主要的功能，借助此功能可以将传统的船舶二维平面结构图纸转化成三维空间结构模型。与机械零件相比，船体构件的形状相对简单，主要是钢板和轧制型材。图1给出了某船双层底分段的横剖面图。

从图中可以看出，该分段构件主要包括船底板、内底板、纵桁、船底纵骨、内底纵骨、实肋板、加强筋等构件，并且各构件的二维投影轮廓也已清晰的给出。现以内底纵骨为例，说明创建三维实体的方法。本船内底纵骨采用HP180×10，首先在AutoCAD中分离出内底纵骨的剖面轮廓，（也可根据标准绘制该球扁钢剖面图，）保存成单独一张dwg图。退出“草图”工作台，选择“凸台”功能，输入该骨材的长度，即可形成内底纵骨的三维实体模型，如图2。同理可制作出其他板材、骨材的三维模型。船体平行中体处的分段，构件没有曲率变化，全部使用“凸台”功能即可完成。当构件有曲率变化时，可以使用曲面功能实现建模[1]。

全部构件建模完成之后，即可对分段进行装配。这里模拟船厂实际分段的装配顺序，以内底板为基面进行反造。在CATIA中新建一装配体，点击“产品结构工具”-“现有产品”，将制作好的内底板构件载入，通过“共面”（相合）约束各块船底板的相互位置。而后将内底纵骨调入装配体，由于内底纵骨牌号相同，同一零件可多次调入，通过设置“共面”（相合）、偏移、接触等约束，形成如图3所示的效果。进一步，将纵桁、肋板、船底板等构件依次调入装配体，分段最终装配成型，如图4所示（为更加清晰的反应内部构件结构，已将部分船底板设置成隐藏）。

通过二维结构图生成三维结构实体，对于船舶设计尤其是生产设计有很大的帮助作用。与二维结构图纸相比，三维图能够更加清晰的反应复杂的结构形式，更加明确的给出构件之间的连接方式，甚至可以通过动画说明不同构件的装配顺序，从而极大提高生产设计人员和现场施工人员对复杂结构的理解程度，提高生产设计和现场施工的效率和准确性。此外，借助CATIA软件自身的“材料清单”功能，可以生产全部零件的零件表，借助“测量惯性”功能，可以方便的计算各个构件的面积、重量、重心位置、惯性矩等参数，从而为整个分段重量、重心、涂装面积等计算提供准确清晰的信息。图5给出了系统对中纵桁和第一旁纵桁间肋板的有关测量信息。

CATIA软件集成了强大的出图功能，可以方便的生成三维结构任意剖面的投影或剖切视图。依然以此双层底分段为例，在全部装配完成中，选择“机械设计-工程制图”功能，选择空白布局，进入机械制图工作台。选择内底板作为主视图，选择“偏移截面视图”或“剖切截面视图”，在相应的横向和纵向位置进行标识，即可得到相应位置的投影视图和剖切视如图6所示。应指出的是，由于船舶工程图特殊的线型规定，由CATIA生成的图纸还不能直接用于生产，此问题可通过软件二次开发解决。

总而言之，通过三维建模、零件表生成、工程图绘制等功能，CATIA软件能够为生成设计工作提供极大的辅助作用。在缺少大型生成设计软件的情况下，通过AutoCAD与CATIA的配合，也完全可以完成生产设计的任务。除此之外，由二维图纸绘制三维结构，也可以对各平面结构图起到检查的作用，相当于在数字环境中对分段进行“虚拟建造”。通过提前发现并改正图纸中潜在的不合理之处，使实际建造能够提高效率，避免返工。

2 有限元分析

在现代船舶结构设计中，有限元分析已经发展成为非常重要的一种计算工具。前文中重点讨论了利用CATIA三维建模功能辅助生产设计的相关内容。事实上，CATIA软件也集成了相当强大的有限元分析功能，包括静态分析和动态分析。分析的流程可图7简单表示。

利用创建好船体结构三维模型，可以快速简便地有限元分析，为船体局部强度的计算和总纵强度的校核提供有力的支持。完整的有限元分析理论比较复杂，本文仅以分段结构中船底板格弯曲应力计算为例，说明使用CATIA软件进行有限元分析的基本流程。

本船采用纵骨架式，船底纵骨间距620，肋板间距2150，结构吃水5米。根据以上数据，船底板格可简化2150×620，承受5米水头均布载荷，四周刚性固定的矩形板。在CATIA中首先制造该板的三维实体，而后选择[开始]-[分析与模拟]-[Generative Structural Analysis]，进入有限元分析模块。弹出的对话框中可以选择静态分析（Static Analysis）、限制状态固有频率分析（Frequency Analysis）和自由状态固有频率分析（Free Frequency Analysis）三项。简单起见，选择Static Analysis。选择[Restraints]-[clamp]，点选矩形板四周界，添加四周刚性固定约束；点击[Loads]-[pressure]，在弹出的对话框中输入载荷大小（49KN/m2），完成载荷的添加。如图8。点击“compute”命令，即可自动划分网格并开始运算。运算结束后可查看点击[Image]菜单中的命令，可查看网格划分情况、应力分布情况、位移分布情况等。图9给出了应力分布图。通过工具中的“Image Extrame”命令，可以显示最大应力点。从图9可以看出，板格的最大应力分布在大约长边中点处，这与理论上的解是吻合的。在更加复杂的计算中，通过[Restraints]菜单项，可以实现各种不同的约束；通过[Loads]菜单项，可以添加不同的载荷；通过[开始]-[分析与模拟]advanced meshing tools工具，可以对网格进行细化和优化，从而更加准确的计算结果。

3 焊接设计

船舶建造过程中包含大量焊接作业，CATIA软件集成了强大的焊接设计功能，可以对不同构件进行“虚拟焊接”，实现焊接效果的可视化。现已纵桁和内底板的焊接为例，说明CATIA软件焊接设计功能的使用过程。

选择纵桁和内底板，按上文所述方法组成装配体，选择[开始]-[机械设计]-[Weld Design]进入焊接设计工作台。在此工作台下可实现单、双面角接焊；方形对接焊；单、双面V型对接焊缝等共16种焊接形式。纵桁与内底板的焊接应采用双面角接焊接，这里为了对比焊接效果，采用两次单面角接焊接。选择“fillet weld”命令，打开创建焊接对话框，勾选“selection assistant”，根据提示依次选择纵桁右侧面和内底板面，输入焊接结构高度5mm，完成右侧面与内底板面的焊接。再次选择“fillet weld”命令，依次选择纵桁左侧面和内底板面，输入焊接结构高度10mm，完成左侧面与内底板面的焊接。如图10所示。

图中可以明显看出左侧和右侧的焊缝高度的变化。借助CATIA焊接设计的功能，船舶设计人员可以直观的发现不同参数对焊接效果的影响，从而为制定最优的焊接方案提供参考。

4 结束语

本文简要讨论了CATIA软件在船舶设计中的几点应用。可以看出，该软件可以为船舶工程中的许多工作提供支持。在船舶工程界越发强调数字化造船技术的今天，合理有效的利用此软件，必能对船舶行业提高设计和建造水平带来帮助。由于作者水平有限，加之CATIA软件功能非常强大，文中的内容难免有不足和疏漏之处，肯定老师们给予补充指正。

参考文献：

[1]盛选禹，CATIA曲线和曲面功能详解，北京：机械工业出版社，2004.

[2]盛选禹，CATIA有限元分析命令详解与实例，北京：机械工业出版社，2005.

[3]盛选禹，CATIA焊接设计实例教程，北京：机械工业出版社，2007.