三維建模與仿真

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

液艙是國際間石油、化工等產品貿易結算、運輸費結算的主要計量器具之一,也是國內液貨貿易交接的重要計量器具。當前,國家計量標準規定的計算不確定度為小于0.2%,但這樣的計量標準嚴重滯后于市場的需求。例如一條15萬噸的油輪,按照當前汽油價格3210元/噸,每個航次會給用戶帶來大約96萬元的損失。因此對新建、改建和使用中的各類船舶進行準確的液艙容量檢定,直接關系到我國國內外貿易的經濟利益和聲譽。

由于船體結構復雜,尤其是占實際艙容約99%的型艙容(型艙容是指由前后艙壁、縱艙壁、艙底、舷側及液面組成的不考慮艙內固定構件所占據的容積空間)在實際使用中發現近似計算存在的誤差較大,因此準確地建立液艙模型就成為了準確計算艙容的關鍵和研究熱點。

本文提出的液艙三維建模與仿真方法,運用裝配概念,采用Top-Down設計方法和WAVE全相關產品設計技術,通過建立引用集,對液艙的艙體和構件進行參數化建模。可通過仿真在多種浮態下艙貨區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,為以后艙容的準確定量奠定基礎。

    二、裝配技術在液艙建模仿真中的應用

UG是面向制造行業的CAD高端軟件,可以數字化地定義和獲取三維產品信息。特別是UG強大的造型功能、裝配功能和全相關產品設計技術更是在業界遙遙領先,并廣泛地應用于汽車、航天、航空、機械、造船和消費產品等工業的生產。

UG/OPEN API是UG與外部應用程序之間的接口,是一系列函數和過程的集合。開發者可以通過用C語言編程來調用這些函數和過程,從而實現用戶的需要。

液艙構件的種類和數量特別多,僅用常規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行操作,不利于仿真過程的實現。采用裝配的建模方式能夠使構件和艙體成為裝配件中的獨立單元,用戶可以方便地對船體構件進行管理。當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件是形狀相似的,可以用同一個程序對這些構件進行自動建模,提高建模效率。采用裝配的方法對液艙部件進行模塊化處理,增強了程序的通用性。同時裝配技術的采用,使得在建模過程中更容易進行數據檢查。

自頂向下裝配(Top-Down assembly)是自裝配件的頂級結點生成子裝配和組件,在裝配層次上建立和編輯組件,從裝配件的頂級開始自頂向下進行設計建模,該裝配設計方法既符合人們的設計習慣,又能提高建模效率,便于使用程序自動建模,因此本文采用自頂向下裝配的方法進行建模。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,例如一個部件中除了實體圖形外,還有基準面、基準軸和草圖等,而我們在裝配時只需要實體圖形,那么我們就定義一個只包含實體圖形的引用集。引用集一旦建立,就可以單獨地裝配到裝配件中。

液艙的種類和形式很多,通過對相似構件和液艙進行分類歸納,得到液艙構件和類型如圖1所示。

圖1 液艙構件和類型

按照“自頂向下”的思想,首先建立裝配結構,即裝配關系,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,即在上下文中進行設計,邊設計邊裝配。在建立組件的過程中設定組件的引用集,引用所要顯示的部件對象。例如本例是某油船液艙的三維仿真模型,其裝配關系如圖2所示:頂上兩級不包括任何信息,三級組件依次為計量管模型、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 液艙裝配導航

下面用簡單實例來說明實現過程。

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://設定創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://查詢當前工作零件的單位
UF_PART_ask_units(work_part, &units);
file://創建新的零件文件,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、相關性建模技術在液艙仿真中的應用

全相關產品級設計技術WAVE(What if Alternative Value Engineer)即自動推斷的優化工程設計,是全新的總體參數設計技術,是真正的“自頂向下”的全相關的產品級設計技術,是參數化造型技術和系統工程設計的有機結合。WAVE技術可以自主獲取各種知識的能力,包括工程、設計、加工及非幾何上的知識,并把他們整理統一到一起,以便于在產品開發過程中重新利用和補充。WAVE的本質就是通過“自頂向下”的一系列工程參數控制來驅動整個產品的總體設計、功能評估和工程更改。面向產品信息的全相關是WAVE技術的最大特點。在產品的裝配設計中,當某個主參數改變后,產品會按照原來設定的控制結構、幾何關聯性和設計準則自動地更新產品系統中每一個需要改變的零部件,并確保產品的設計意圖和整體性。

在液艙自頂向下的設計過程中,通過采用全相關產品級設計技術WAVE,建立液艙艙體與液艙內其他組件之間的幾何關聯性,從而實現液艙各部件的相互聯系,減少建模的工作量和設計成本,保持建模前后的一致性。液艙的艙體比較復雜,特別是對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件模塊(如壁墩、艙壁、計量管、集油井和圍井等)時,首先通過建立液艙艙體和構件的關聯,然后在構件建模的過程中,讓構件與艙體相接的部分做的大一些,最后通過他們的布爾運算得到所需的構件特征,同時對于那些需要從液艙艙體中找到基準的構件,艙體和構件間的幾何關聯則可以使其能夠方便地進行插值,得到造型和計量基準。圖3所示的是液艙模型的WAVE信息。

圖3 液艙模型WAVE信息

四、參數化技術

在一般的CAD系統中,參數化是指設計對象的結構形狀比較定型,可以用一組參數來確定設計對象,參數與設計對象的控制尺寸有明顯的對應關系,從而可使設計的結果受尺寸的驅動。在船體結構中,大量構件的定位和定形都可由一定的尺寸參數控制,這是船舶結構設計中可以應用參數化技術的基礎。

在參數化建模的過程中,首先需要抽取各個零部件的總體參數,即與總布置有關的基本結構參數。這些參數可分為兩類:

☆ 形狀參數:它決定總成部件的大小與形狀;

☆ 位置參數:它決定總成部件的布置方位。

通過這些總體參數可以建立部件的三維模型,進行參數化設計。下面以槽型縱艙壁和等截面縱壁墩為例進行說明。

如圖4所示,可以通過定義槽型縱艙壁的形狀參數(L,T,B,b和類型),位置參數(F1和F2)以及槽型個數,來實現槽型縱艙壁的參數化建模,如圖5所示;可以通過定義壁墩的形狀參數(a,b,h,H和類型)和位置參數(距艙底BL)來定義壁墩。通過參數化技術能夠大幅提高建模效率,增強建模通用性,對于其他液艙構件建模時會顯示出更大的優點。

圖4 槽型縱艙壁參數圖

圖5 等截面壁墩參數圖

圖6 仿真中的液艙模型

五、實例與結論

在液艙的三維建模仿真的過程中,通過采用裝配和WAVE全相關產品設計技術,用戶在液艙模型仿真的過程中能夠方便快捷地對液艙各部件進行操作和分析。參數化的使用又提高了液艙構件的建模效率,增強了建模的通用性。圖6所示為以某油輪液艙為研究對象,根據液艙艙體和構件特征,運用裝配概念、Top-Down設計方法和基于WAVE的全相關產品設計技術,通過建立引用集,對液艙艙體和構件進行參數化建模,實現的液艙三維建模和仿真結果。

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