1 前言

       现代船舶设计分为初步设计、详细设计、生产设计三个阶段。详细设计是在初步设计确定的船体型线、主尺度、总布置方案和主要设备配置基础上，进行船、机、电各专业规格参数设计，获得整条船舶完整设计方案。船体是轮机、电气设备布置安装的基础。船体详细设计以保证船舶结构安全为出发点，参照船级社规范或强度直接计算的方式，确定船体构件的规格、形式、布置和数量，使其能承受使用过程中的各种载荷，确保服役期内安全可靠，通常还会对最终设计结果进行总纵强度、局部强度有限元校核。此外，船体详细设计还需要考虑建造与航行经济性要求，通过轻量化设计、增加高强度钢使用、减少零件规格等措施，提升燃油经济性，减少钢材采购成本和生产管理复杂度。

       受行业特点和软件限制，目前国内船体详细设计仍采用二维线框设计，设计人员分别绘制三个正投影视图来表达船体三维结构，在图中标注各个构件的规格、尺寸。大多数情况下，船舶设计图纸是在相似船舶已有设计图纸基础上修改而来，从而降低工作量和重复性劳动。虽然传统二维设计模式也能满足要求，但与其他行业推行的三维数字化设计模式相比，则暴露出许多问题：

       1）用二维手段表达产品实体，不同视图的检查核对工时高，设计出错率高；

       2）基于二维设计信息标注产品位置尺寸，标注准确性、完整性低；

       3）二维设计信息不能用于有限元仿真分析；

       4）不支持数字化设计过程管理与设计数据管理；

       5）基于文档操作的知识重用，出错高、效率低；

       6）多专业协同设计、上下游并行设计无法实现，已成为制约船舶设计创新与设计制造一体化的主要问题。

       采用现代三维CAD手段开展船体详细设计，取代二维图文档为载体的传统设计管理模式，成为摆在行业面前的一项重大而紧迫的需求。开发先进易用、面向行业个性化需求的船舶设计专用CAD软件，是实现这一目标的关键。综合离散制造业三维数字化设计发展趋势、船舶产品特点及行业运行模式，理想的船体详细设计三维CAD软件应具备以下功能：

       1）合理的模型数据结构，正确建立几何要素、各类构件之间关联关系；

       2）基于标准件参数化的船体快速建模；

       3）提供灵活易用的镜像对称、偏移复制操作，尽可能加快建模效率；

       4）能面向设计分工需要进行建模区域划分；

       5）能接收多种格式的三维船壳曲面；

       6）三维设计模型能快速转换为有限元计算模型、生产设计模型；

       7）支持与PLM软件集成，实现数字化设计管理模式变革。

2 全三维船舶设计解决方案探索

       中国船舶集团海舟系统技术有限公司开发的全三维船舶CAD软件——珊瑚Marine，功能覆盖船舶初步设计、详细设计、生产设计各个阶段，在中船海舟开发的琥珀PLM平台上运行，其功能架构、业务逻辑、数据架构按照三维一体化并行设计模式开发，实现各阶段设计模型直接转换，并可生成标准数据格式文件，与异构CAD、CAE、CAM软件数据集成，在建模出图效率、模型快速浏览、运行稳定性等方面达到了较高水平，能够满足未来船舶设计业务数字化转型需要。其中，船体详细设计三维建模是珊瑚Marine的核心功能模块，以三维、参数化方式创建全船结构模型，可被后续生产设计、有限元分析直接使用，达到单一数据源效果。图1为珊瑚Marine软件船体详细设计界面。
   
3 项目工程配置

       工程配置模块用于设定建模背景和基础数据，包括初步设计阶段完成的船壳曲面、设定三坐标标尺、设定船型主尺度和导入结构资源库。船壳曲面是三维CAD曲面模型，是在初步设计确定的型值点基础上，通过数学插值方法得到的光顺曲面，在详细设计建模时作为船体外板创建的生成曲面，可由船舶初步设计CAD或通用机械CAD软件完成。珊瑚Marine软件可支持异构CAD软件创建的船壳曲面导入，效果如图2所示。
   
       三坐标标尺是定义X、Y、Z三个方向的坐标平面，平面位置往往与实船的肋位、水线面、纵剖线面的坐标对应，便于在建模时快速、准确定位构件的创建位置，避免繁琐的坐标尺寸量取和输入工作。软件中创建的标尺如图3所示。主尺度包括船舶总长、垂线间长、型深、型宽等主要外形尺寸，由初步设计结果给定，其作用是限定船体建模的坐标范围。

       船体结构资源库包括板材、型材、标准孔、角隅孔、贯穿孔、补板、肘板及面板等标准零件的参数化模型。珊瑚Marine软件提供完善的板材、型材规格定义与修改功能，预先编写的结构资源库脚本文件、二维示意图文件按要求的组织结构整理后，可一键式整体导入，在船体详细设计建模中能够直接调用，通过规格参数修改来得到所需要的构件模型。图4为结构资源库功能。

4 几何元素设计

       针对船体详细设计，珊瑚Marine软件开发了大表面设计模块，该模块主要用于创建点、线、面三种几何元素，其目的在于为特殊船体零件或特征建模提供必要几何信息。其中，多段线设计功能用途广泛，用于在指定平面上绘制连续的多段线，下一线段终点可通过坐标定义，也可以切换为角度、长度的方式定义，画线完成后可对两线段交点进行倒角。对于同一平面上绘制的多条多段线，可以通过“合并多段线”功能进行裁剪与倒角，从而得到任意形状的平面轮廓，可使用该轮廓进行板架边界定义或非标准孔的开孔边界，如图5所示。
 
       大表面设计提供了多种面元素创建功能，主要用于创建倾斜平面或异形面，作为后续板架实体模型构建基础，许多面元素的绘制往往要用到点、线元素作为几何依据。图6为借助绘制几何面来建立的板架模型。
   
5 船体板架建模

       船体板架模型对应全船所有板材，是后续结构特征模型（型材、开孔）创建的基础。首先要选择板架所在的面，该面可以是标尺平面、大表面设计的面、及船壳曲面，当选定面之后，软件能自动捕捉该面与其他构件的交线，作为潜在的边界选择。板架创建第二步是选择边界，该步骤既可以在3D建模视图选择面与周围构件的交线作边界，也可以在属性对话框输入边界的坐标位置，还支持以大表面设计完成的封闭曲线轮廓作为边界，同时支持在3D建模视图或属性对话框中选择边界两侧的方向。图7为板架建模的面选择与边界选择。

       板架趾端建模是软件的一个亮点功能，每个板架在创建时都可以选择在边界轮廓的角点处创建趾端特征，趾端特征须预先从结构资源库中导入，从导入的标准趾端类型中选择，进而设置标准趾端的可修改参数完成创建。图8为板架趾端建模。
 
6 结构特征建模

       船舶型材包括扁钢、球扁钢、槽钢、工字钢等类型，绝大部分安装在板材上，起到加强作用，少量型材作为立柱使用。型材规格由结构资源库定义，只能以标准件参数化形式建模型材，首先要选择型材安装的板架，然后确定型材具体位置，可以通过3D建模视图自由移动、在位置属性框输入坐标的方式定义。此外，软件还提供基于已有型材偏移复制得到新型材的功能，针对非直线形状型材，可采用先绘制几何线，然后由几何线向板架正投影的方式创建，对一些大开孔处的边界型材设有专门的“边界创建骨材”功能。图9为船艉外板扭曲型材和开孔处的边界型材。
 
       船体结构中存在大量开孔，既有供人员通行和设备安装的大型开孔，也有为了减轻重量、气液连通或型材贯穿板材的较小开孔，从形式上可分为普通孔、角隅孔、贯穿孔三种类型。普通孔开在板材任意位置，角隅孔、贯穿孔开在板材特定位置，开孔时首先选择要开孔的板架对象，然后选定孔的类型与具体参数。结构资源库提供了大量标准孔类型，通过参数修改方式创建，对于轮廓形状特殊的非标准孔，软件支持基于几何线创建的方式来开孔。为加快开孔速度，同一板架上的相同孔，可以由已创建孔偏移复制得到。图10为集装箱船绑扎桥部位的标准孔。
 
7 货舱区域建模

       使用珊瑚Marine软件详细设计模块完成了一艘万箱集装箱船货舱区域建模，该货舱区域跨47个肋位，包含6个绑扎桥，底部和舷侧为双层结构，货舱结构特点在于构件数量多，但规格形式统一，存在很大相似性，可通过软件提供的镜像对称、阵列偏移复制功能进行快速建模，减少重复性工作。建模主要难点在与绑扎桥上部结构存在一些非标准开孔和倾斜板架，须借助大表面设计的多段线和辅助面来建模，建模结果也可以通过板架偏移复制构造其他肋位的绑扎桥模型。图11为大型集装箱船货舱区域模型。
 
8 总结

       本文使用国内首款全三维自主化船舶设计软件珊瑚Marine进行了船体详细设计建模，通过预先导入的结构资源库数据实现主要构件与特征的标准化、参数化创建，采用镜像对称、偏移复制操作完成大量相同、相似结构建模，提升了设计工作效率。软件全三维操作、自定义快速浏览、结构化数据管理等功能保证了设计人员能完全专注于设计活动本身，充分释放产品创新设计才能，所见即所得的工作方式避免了传统二维图文档设计中的大量非创造性工作困扰以及多视图表达不一致、标注出错等设计质量问题。珊瑚Marine软件完成的船体详细设计模型可直接转化为有限元分析和生产设计阶段所需模型，充分满足三维一体化设计和单一数据源要求，未来将为推动我国船舶工业设计模式变革、突破智改数转瓶颈、加速新质生产力建设发挥重要作用。