三維建模與仿真

2013-06-22 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

液艙是國際間石油、化工等產(chǎn)品貿(mào)易結(jié)算、運(yùn)輸費(fèi)結(jié)算的主要計(jì)量器具之一,也是國內(nèi)液貨貿(mào)易交接的重要計(jì)量器具。當(dāng)前,國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計(jì)算不確定度為小于0.2%,但這樣的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重滯后于市場的需求。例如一條15萬噸的油輪,按照當(dāng)前汽油價(jià)格3210元/噸,每個(gè)航次會(huì)給用戶帶來大約96萬元的損失。因此對(duì)新建、改建和使用中的各類船舶進(jìn)行準(zhǔn)確的液艙容量檢定,直接關(guān)系到我國國內(nèi)外貿(mào)易的經(jīng)濟(jì)利益和聲譽(yù)。

由于船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尤其是占實(shí)際艙容約99%的型艙容(型艙容是指由前后艙壁、縱艙壁、艙底、舷側(cè)及液面組成的不考慮艙內(nèi)固定構(gòu)件所占據(jù)的容積空間)在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)近似計(jì)算存在的誤差較大,因此準(zhǔn)確地建立液艙模型就成為了準(zhǔn)確計(jì)算艙容的關(guān)鍵和研究熱點(diǎn)。

本文提出的液艙三維建模與仿真方法,運(yùn)用裝配概念,采用Top-Down設(shè)計(jì)方法和WAVE全相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù),通過建立引用集,對(duì)液艙的艙體和構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化建模。可通過仿真在多種浮態(tài)下艙貨區(qū)的空間及各艙液面的分布情況,建立基于裝配的高精度液艙三維仿真模型,為以后艙容的準(zhǔn)確定量奠定基礎(chǔ)。

    二、裝配技術(shù)在液艙建模仿真中的應(yīng)用

UG是面向制造行業(yè)的CAD高端軟件,可以數(shù)字化地定義和獲取三維產(chǎn)品信息。特別是UG強(qiáng)大的造型功能、裝配功能和全相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)更是在業(yè)界遙遙領(lǐng)先,并廣泛地應(yīng)用于汽車、航天、航空、機(jī)械、造船和消費(fèi)產(chǎn)品等工業(yè)的生產(chǎn)。

UG/OPEN API是UG與外部應(yīng)用程序之間的接口,是一系列函數(shù)和過程的集合。開發(fā)者可以通過用C語言編程來調(diào)用這些函數(shù)和過程,從而實(shí)現(xiàn)用戶的需要。

液艙構(gòu)件的種類和數(shù)量特別多,僅用常規(guī)手工建模方式得到的液貨艙模型是由很多特征組成的三維液艙模型,在仿真過程中不能以部件為單位進(jìn)行操作,不利于仿真過程的實(shí)現(xiàn)。采用裝配的建模方式能夠使構(gòu)件和艙體成為裝配件中的獨(dú)立單元,用戶可以方便地對(duì)船體構(gòu)件進(jìn)行管理。當(dāng)前市場上存在大量不同的船型和一些改裝船,這些不同類型的船之間有些構(gòu)件是形狀相似的,可以用同一個(gè)程序?qū)@些構(gòu)件進(jìn)行自動(dòng)建模,提高建模效率。采用裝配的方法對(duì)液艙部件進(jìn)行模塊化處理,增強(qiáng)了程序的通用性。同時(shí)裝配技術(shù)的采用,使得在建模過程中更容易進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查。

自頂向下裝配(Top-Down assembly)是自裝配件的頂級(jí)結(jié)點(diǎn)生成子裝配和組件,在裝配層次上建立和編輯組件,從裝配件的頂級(jí)開始自頂向下進(jìn)行設(shè)計(jì)建模,該裝配設(shè)計(jì)方法既符合人們的設(shè)計(jì)習(xí)慣,又能提高建模效率,便于使用程序自動(dòng)建模,因此本文采用自頂向下裝配的方法進(jìn)行建模。在裝配建模的過程中,建立自己的引用集,大大地減少了裝配件中的信息,例如一個(gè)部件中除了實(shí)體圖形外,還有基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸和草圖等,而我們在裝配時(shí)只需要實(shí)體圖形,那么我們就定義一個(gè)只包含實(shí)體圖形的引用集。引用集一旦建立,就可以單獨(dú)地裝配到裝配件中。

液艙的種類和形式很多,通過對(duì)相似構(gòu)件和液艙進(jìn)行分類歸納,得到液艙構(gòu)件和類型如圖1所示。

圖1 液艙構(gòu)件和類型

按照“自頂向下”的思想,首先建立裝配結(jié)構(gòu),即裝配關(guān)系,但不建立任何幾何模型。然后使其中的組件成為工作部件,并在其中建立幾何模型,即在上下文中進(jìn)行設(shè)計(jì),邊設(shè)計(jì)邊裝配。在建立組件的過程中設(shè)定組件的引用集,引用所要顯示的部件對(duì)象。例如本例是某油船液艙的三維仿真模型,其裝配關(guān)系如圖2所示:頂上兩級(jí)不包括任何信息,三級(jí)組件依次為計(jì)量管模型、自定義類型橫艙壁、槽型橫艙壁、橫壁墩、槽型縱艙壁、變截面類型縱壁墩、等截面類型縱壁墩和艙體文件。

圖2 液艙裝配導(dǎo)航

下面用簡單實(shí)例來說明實(shí)現(xiàn)過程。

file://變量初始化
double origin[3] = {0.0, 0.0, 0.0};
double csys[6] = {1.0, 0.0, 0.0,
0.0, 1.0, 0.0};
int units;
tag_t      instance;
file://設(shè)定創(chuàng)建的新的部件路徑和名稱
char       file_name[200]="";
strcat(file_name,file_parth);
strcat(file_name,"modeling\\T_SIZE_XZ.prt");
file://查詢當(dāng)前工作零件的單位
UF_PART_ask_units(work_part, &units);
file://創(chuàng)建新的零件文件,零件名為T_SIZE_XZ.prt
remove(file_name);
    UF_ASSEM_create_component_part(work_part,file_name,
NULL, NULL, units, -1,
origin, csys, 0, NULL,
&instance);

三、相關(guān)性建模技術(shù)在液艙仿真中的應(yīng)用

全相關(guān)產(chǎn)品級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)WAVE(What if Alternative Value Engineer)即自動(dòng)推斷的優(yōu)化工程設(shè)計(jì),是全新的總體參數(shù)設(shè)計(jì)技術(shù),是真正的“自頂向下”的全相關(guān)的產(chǎn)品級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù),是參數(shù)化造型技術(shù)和系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的有機(jī)結(jié)合。WAVE技術(shù)可以自主獲取各種知識(shí)的能力,包括工程、設(shè)計(jì)、加工及非幾何上的知識(shí),并把他們整理統(tǒng)一到一起,以便于在產(chǎn)品開發(fā)過程中重新利用和補(bǔ)充。WAVE的本質(zhì)就是通過“自頂向下”的一系列工程參數(shù)控制來驅(qū)動(dòng)整個(gè)產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)、功能評(píng)估和工程更改。面向產(chǎn)品信息的全相關(guān)是WAVE技術(shù)的最大特點(diǎn)。在產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)中,當(dāng)某個(gè)主參數(shù)改變后,產(chǎn)品會(huì)按照原來設(shè)定的控制結(jié)構(gòu)、幾何關(guān)聯(lián)性和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則自動(dòng)地更新產(chǎn)品系統(tǒng)中每一個(gè)需要改變的零部件,并確保產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖和整體性。

在液艙自頂向下的設(shè)計(jì)過程中,通過采用全相關(guān)產(chǎn)品級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)WAVE,建立液艙艙體與液艙內(nèi)其他組件之間的幾何關(guān)聯(lián)性,從而實(shí)現(xiàn)液艙各部件的相互聯(lián)系,減少建模的工作量和設(shè)計(jì)成本,保持建模前后的一致性。液艙的艙體比較復(fù)雜,特別是對(duì)于曲面型的液艙來說,液艙艙體的形狀變化就更大了。因此在建立其他的構(gòu)件模塊(如壁墩、艙壁、計(jì)量管、集油井和圍井等)時(shí),首先通過建立液艙艙體和構(gòu)件的關(guān)聯(lián),然后在構(gòu)件建模的過程中,讓構(gòu)件與艙體相接的部分做的大一些,最后通過他們的布爾運(yùn)算得到所需的構(gòu)件特征,同時(shí)對(duì)于那些需要從液艙艙體中找到基準(zhǔn)的構(gòu)件,艙體和構(gòu)件間的幾何關(guān)聯(lián)則可以使其能夠方便地進(jìn)行插值,得到造型和計(jì)量基準(zhǔn)。圖3所示的是液艙模型的WAVE信息。

圖3 液艙模型WAVE信息

四、參數(shù)化技術(shù)

在一般的CAD系統(tǒng)中,參數(shù)化是指設(shè)計(jì)對(duì)象的結(jié)構(gòu)形狀比較定型,可以用一組參數(shù)來確定設(shè)計(jì)對(duì)象,參數(shù)與設(shè)計(jì)對(duì)象的控制尺寸有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從而可使設(shè)計(jì)的結(jié)果受尺寸的驅(qū)動(dòng)。在船體結(jié)構(gòu)中,大量構(gòu)件的定位和定形都可由一定的尺寸參數(shù)控制,這是船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以應(yīng)用參數(shù)化技術(shù)的基礎(chǔ)。

在參數(shù)化建模的過程中,首先需要抽取各個(gè)零部件的總體參數(shù),即與總布置有關(guān)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。這些參數(shù)可分為兩類:

☆ 形狀參數(shù):它決定總成部件的大小與形狀;

☆ 位置參數(shù):它決定總成部件的布置方位。

通過這些總體參數(shù)可以建立部件的三維模型,進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。下面以槽型縱艙壁和等截面縱壁墩為例進(jìn)行說明。

如圖4所示,可以通過定義槽型縱艙壁的形狀參數(shù)(L,T,B,b和類型),位置參數(shù)(F1和F2)以及槽型個(gè)數(shù),來實(shí)現(xiàn)槽型縱艙壁的參數(shù)化建模,如圖5所示;可以通過定義壁墩的形狀參數(shù)(a,b,h,H和類型)和位置參數(shù)(距艙底BL)來定義壁墩。通過參數(shù)化技術(shù)能夠大幅提高建模效率,增強(qiáng)建模通用性,對(duì)于其他液艙構(gòu)件建模時(shí)會(huì)顯示出更大的優(yōu)點(diǎn)。

圖4 槽型縱艙壁參數(shù)圖

圖5 等截面壁墩參數(shù)圖

圖6 仿真中的液艙模型

五、實(shí)例與結(jié)論

在液艙的三維建模仿真的過程中,通過采用裝配和WAVE全相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù),用戶在液艙模型仿真的過程中能夠方便快捷地對(duì)液艙各部件進(jìn)行操作和分析。參數(shù)化的使用又提高了液艙構(gòu)件的建模效率,增強(qiáng)了建模的通用性。圖6所示為以某油輪液艙為研究對(duì)象,根據(jù)液艙艙體和構(gòu)件特征,運(yùn)用裝配概念、Top-Down設(shè)計(jì)方法和基于WAVE的全相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù),通過建立引用集,對(duì)液艙艙體和構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化建模,實(shí)現(xiàn)的液艙三維建模和仿真結(jié)果。

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