基于CATIA的船体三维建模方法研究

邱鹏，史文杰

（武警海警学院 机电管理系, 浙江 宁波 315801）

随着海洋强国战略的发展，以及地方海运事业的推进，船舶工程领域一直是重工业发展的必备板块，随之而来的是对船舶设计及制造业的技术需求。但是，目前我国的船舶工业领域的智能化设计与制作相对于其他造船大国而言，就明显存在弱势，因此要想扭转这种局面，达到船舶产业的升级转型，加快信息化建设水平，从而减少船舶设计及生产成本，就必须要注重研究船舶设计及性能的高水平研究[1]。而船体三维模型对船舶的设计、开发、制造及后期的性能研究都是起着关键性的作用，如何建立准确的三维模型，就显得尤为重要。而船舶的型线是光顺、不规则的，同时其表面是曲面的，因此三维模型的精准、高效建立一直以来都是研究的难点和热点。随着计算机技术的快速发展，目前船体的设计工作已经逐步向科技化、数字化发展，以前的人工样条放样方式显然有些落后，先进、智能化的三维软件在设计者的需求中不断脱颖而出，例如SolidWorks、Pro/E、CATIA、CADDS5等设计与计算软件都逐步用于船舶设计和计算，大幅度地提高了船舶工作者的工作效率[2]。三维软件的应用，让船体的设计效果由传统的二维图样转向了三维实体，由平面概率转向了立体思维，表达形式上更加生动、具体，与此同时，船体的设计与计算也由二维积分变换为三维数据的直接读取，让船舶的研究变得准确与高效。但在船舶的建模及各种性能的计算过程中，还是需要花费大量的精力进行繁琐、重复的输入和计算，一定程度上增加了人力成本，因此要想在船舶设计与制造领域抢占主动权，就必须实现船舶研究领域的高度自动化、智能化的水平。

目前，海军大连舰艇学院的万林等[3]基于Pro/E三维软件开展了船体三维模型的建立，重点从建立站面、绘制曲线，草绘站面、质量判断等方面介绍了船体模型的操作步骤；
彭勤学等[4]采用SolidWorks软件对曲面的设计及绘制做了介绍，体现了该三维软件在曲面绘制方面的强大技术；
大连海事大学的卢雨等[5]采用VB语言对CAD进行了二次开发，目的是快速地对CAD中的型线点值进行读取，从而在CATIA中进行曲面的绘制，该论文的创新点是CAD的二次开发，自动读取数据并绘线，具有一定的参考性；
刘勇杰等[6]采用CATIA软件进行了二次开发，对螺旋桨进行了三维建模，完成了型值点的快速导入，手动绘制了三维实体模型，验证了CATIA在曲面建模方面的可行性；
战翌婷等[7]借助了VB编程语言，对三维建模SolidWorks软件进行了二次开发，编写了命令代码，实现了船舶三维曲面模型的快速建立；
徐俊路等[8]采用VB编程的手段，搭建了表格驱动图形的方法，对船舶的球鼻艏开展了三维模型的有效生成；
朱晓军等[9]开发了CATIA的宏功能的命令，在Excel上排列了三维型值表，完成了船体外形的快速建模，并在复杂的区域进行了多角度的手动光顺，从而对船体外形进行了进一步的完善；
于雁云等[10]则是通过变换函数的手段，根据NURBS曲面，最终达到了船体曲面的整体及局部等的参数化变换，同时也保证了变化后的光顺性；
胡翩等[11]借助VB汇编语言，对CATIA三维软件的接口进行了二次开发，实现了某船的参数化自动建模。

由此可知，船体三维建模方法的探讨已经在众多的研究者中引起了广泛的兴趣，并取得了一些成就，体现了采用三维软件建立船体曲面的技术可行性，大致可分为以下3个步骤：1）获取三维型值点；
2）在三维软件中进行点、线、面的绘制；
3）在曲面复杂区域进行曲面的修复及光顺。但是现有研究中很少有人就船舶对象展开充分的讨论，特别是如何采用简单的方法对船体的三维型值点进行转换与读取，从而推广一种简单有效的型值获取途径。同时船体对曲面的光顺性要求较高，在船尾船艏等部分又存在复杂曲面，而CATIA三维软件在曲面建模方面具有对应的优势，一是有扫掠功能，二是有修建补差功能，两个功能优势恰好满足了船体这种曲面建模的需求，并且船体的性能研究一般还需要配上螺旋桨和舵，可借助CATIA软件中参数化建模的优势，提供了方便性的建模。本文重点对船舶这一特殊对象的型值点如何进行简单地读取展开了描述，然后在CATIA平台中进行曲面的绘制作以介绍，以期为今后更复杂的船体三维模型的建立及性能研究提供一定的参考意见。

CATIA（Computer Aided Tri-dimension Intergrated Analysis）软件是航天航空、汽车领域市场中占有率最高的CAD/CAE软件，在造船、建筑等领域也得到了广泛的应用。一旦用户掌握了其参数化设计方法，建立自己的常用零件库，将会进一步提高设计的效率[12]。该软件集合了草图设计、零件设计、创成式设计、参数化设计等绘图方法，在三维曲面设计方面具有扫掠、光顺等功能优势，并具备了二次开发的接口，能够采用VB等简单汇编语言实现自动命令流的功能的调动，同时该软件支持多种模型的输出与输入模式，极大地方便了软件之间的转换[13]。

船体模型的表达形式一般主要有基本的主尺度参数及二维型线图等。任何物体的三维模型都可通过正视图、俯视图、侧视图3种二维图来表达，并且只要知道其中任何两者视图就可实现三维模型的建立。船舶也不例外，因此在前期工作中要先进行船体型线的识图与读图。其中船体的三维数字建模，基本按以下思路：1）将船分为若干站，先建立站与站之间的曲面，再将每站曲面进行拼接与光顺；
2）在曲面比较复杂的区域，例如船艏及船尾，则需要多划分几站，从而实现曲面的准确过渡，不会造成曲面过度失真。本节内容以某船为例，介绍船体从二维型线到三维型值点的转换。某船的基本参数如表1所示。

表1 某船基本参数

船体的二维横剖线图、侧视图如图1、图2所示。

在横剖线图1中，由于船体是对称的，因此只需展现一半即可，即左边为0到10站的横剖线图，右边为10到20站的横剖线图，在图1中主要提供了以下3点型值信息：1）每站型线的数值中的横坐标代表离船中距离，纵坐标代表离船底距离；
2）每站的型值点离船尾的距离缺失，要根据图2侧视图读取；
3）位置水线的横坐标为侧视图提供了各水线离船中的距离。图2中主要提供了以下2点型值信息：1）每条水线的横坐标代表了沿船长方向距离，纵坐标代表水线离船底的高度；
2）每条水线距离船中的距离缺失，需在图1 横剖线图中读取。综上可知，每站的曲线、每条水线的三维型值点都可从横剖线图及侧视图中读取并获得。

图1 横剖线图

图2 侧视图

建模的主要思路是由点连成线，再绘制成线，最后根据引导线扫掠成曲面，对于曲面复杂的区域进行点和线的加密处理，从而确保曲面的准确度，减少模型失真带来的后期性能评估的偏差。

3.1 数据前处理

一般而言，我们需要大量地读取每站的型值点，点数越多，代表拟合程度越高。在CAD软件中，可以借助读点工具，直接读取二维型值点，并配以第三者的值，将数值记录在Excel中，从而得到船舶的三维型值点，但是此种方式的不足之处是数据处理点多达上千，手动工作量较大，工作繁琐。因此本文提出一种较为便捷的方法，采用VB平台对CAD读点控件进行二次开发，并发布成可运行的.exe格式，能够方便使用，将读取的二维信息自动写入Excel中，能够连续进行读点操作，实现了数据的自动读取与写入。需要注意的是，在操作过程中，选取的型线必须为多线段，否则不可读取，因此可在CAD中先采用多线段转换的命令进行转换。

图3为CAD读点二次开发控件读取点数据图，可以看出，该二次开发实现了型值点的自动读取，并自动写入到了Excel工作表中。

图3 型值点读取图

3.2 模型绘制

1）CATIA中提供了较好的数据读入接口，通过CATIA内置的宏命令结合Office Excel软件快速导入3维型值点，并利用宏的命令代码自动连成曲线，其中宏命令对Excel中的数据型值点的排序有一定的格式要求，需要在Excel的开头部分写上StartLScurve，让后中间排入型值点，最后以ECurve结尾，具体示意图如图4所示。

图4 型值数据排列示意图

2）利用CATIA软件中的放样曲面命令进行船体曲面建模，首先对船中段曲率变化较小的区域进行建模，再对船体艏艉进行建模，艏艉部分需要适当增加剖面密度，在曲面拼接时增加控制线可增加曲面的光顺度；
在CTAIA软件中，具备了多截面曲面、填充曲面及高级填充的功能，最终能够较好地实现船体的光顺，但是在进行曲面填充操作时，要理解边界条件中切线连续、点连续和曲率连续的区别所在，切线连续则是表示两个面相连直线的法向量是相切的，能够实现相邻2个曲面的平滑过渡，而点连续和曲率连续分别会出现折角和曲率的突变，因此不能达到曲面光顺。在曲面生成后，可借助创成式曲面或者自由曲面中的断开、切割等功能来修补曲面，最终达到船体整体的光顺性。建立好的三维模型如图5、图6所示。

图5 型值点及型线图

图6 三维模型图

由于船体的复杂曲面，导致三维曲面建模的工作一直是研究的难点，如何建立高精度及有效的三维模型，在船舶性能的研究及应用方面都占有着不可替代的位置。本文在前人的研究基础上，解读了船体型线图读图的方法，介绍了CATIA三维软件在船体建模方面的具体优势，开展了基于该三维软件进行船体三维模型建立的基本绘制思路，最终实现了基于CATIA软件进行船体曲面的建模。基本步骤是首先采用读点软件进行了型值点的获取与转换，借助宏命令实现点的批量化输入和线的自动绘制，再利用软件的曲面多方面功能实现了船体的三维建模，结果表明本文的建模结果可靠，建模方法简单有效，具有一定的实用性及普适性。