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摘要：传统的船舶工业由于技术简单、工作环境差、劳动力密集，一度被认为是夕阳产业，并且整个造船行业较低迷，因此减少造船成本对提高我国造船行业的竞争力具有很强的现实意义。随着计算机辅助三维建模软件的发展，快速化和智能化的实现船体结构设计具有重大而现实的意义，可以提高船舶设计效率，加快造船进度，增强船舶工业整体竞争力。
关键词：三维建模技术；船舶结构；研究探讨
随着计算机辅助软件的快速发展，在船舶设计、建造领域已经广泛使用三维软件进行船舶的设计建造。传统的二维设计渐渐被现在的三维设计所取代，成为船舶设计中的一种便捷高效的新方法。三维设计具有很多优点是传统的二维设计所无法比拟的：能够预估船舶分段的各种类型的钢材使用量，能够预估分段的焊缝长度以及焊条使用量，能够进行分段或者局部的结构强度计算，能够用于船舶任意肋位总纵强度的校核，能够用于船上设备的虚拟装配，用于检查设备之间的干涉问题，也能够用于Unity引擎下的舱室漫游，等等。其中，三维设计最大的优点是可以直观的呈现产品，并且可以展现出设计者设计产品的思路，又可以非常方便的发现修改其中的不足之处。最新的船舶三维建模技术涵盖了船舶设计、分析和计算等方面，基于船舶设计、建造和生产管理一体化的思想，逐渐开发出了许多造船集成系统，极大的缩短了船舶设计和生产的周期，提高了造船质量，促进科学管理的形成，推动了造船自动化进程。
1 船体结构三维建模系统应具备的功能
船体结构三维建模系统的开发是一个探索、研发、测试和应用的过程，应该与实际应用紧密结合，结构建模系统应该具备以下一些功能：（1）船体总体结构模型的生成，包括外壳板、甲板、内底板、横舱壁、纵舱壁、肋板、内龙骨等各种与船体曲面相关的大表面模型的生成，即船体顶层结构的生成，能够方便的调用曲面建模的结果；（2）具有参数化生成典型结构的功能，如双层底、舷侧分段的参数化生成；（3）具有工程数据库，建有标准零件库、典型结构库，用于存储大量标准件、典型结构，能够有效管理；（4）能够进行各种特征孔类建模，如各种基本开孔、货舱开口和各种贯穿孔等各种节点的定义和建模；（5）能够利用三维模型自动生成各种工程图输出；（6）能够完成理论布置线和各种型材的设计和表达，如纵骨、横梁、扶强材等型材；（7）方便的用户界面，可进行各种结构建模的交互与修改；（8）能够进行关联定义，使所有的结构件定义都具有拓扑关联，完成定义后，当用户修改其中某一结构数据，相关结构自动刷新或自适应更改；（9）船体结构重量重心计算及材料表自动生成；（10）具有与其它交换数据的接口。
2 船体结构三维建模方法及整体技术
2.1 参数化设计技术
参数化设计是将原有设计中的某些尺寸，例如定形、定位或装配尺寸定义为变量，在修改这些变量的同时由一些简单公式计算出并改变其他相关尺寸，计算机系统根据这些新的参数自动完成产品设计。目前，参数化设计的研究范围，己经由二维图纸参数化设计，发展到覆盖产品的全生命周期参数化设计除了传统的二维图纸、三维零件实体参数化设计外，还包括零件部件间的装配关系、产品特征、产品模型设计等产品层次的参数化设计。参数化设计是面向系列化产品的动态设计即利用对象拓扑结构的共同特征进行设计，如二维、三维参数化设计它既保持了产品拓扑结构关系不变，又保证了相关尺寸相对可更改。参数化设计要求对象结构形状比较定型，在船体结构中，平行中体部分的肋板、行材、肘板类等，甚至平直的双层底都可以实现参数化设计，可以用一组参数来约定结构尺寸关系，使参数与结构对象的控制尺寸有一定的对应关系。通过约束参数的修改能够方便地创建不同尺寸结构对象，参数化建模的关键在于用参数公式表格特征等驱动图形以达到改变图形的目的。
2.2 面向对象技术
所谓面向对象，就是包含了对象、分类、继承、通信等方面的内容。其中，对象是客观或是一物体或概念性东西的抽象表述，用专业的语言说，它是建立面向对象程序所依赖的基本单元种代码的实体。面向对象技术的应用必须具有面向对象的分析方法、设计方法和思维方法。其方法实现的基本目标是使描述问题的问题空间和解决问题的方法空间在结构上盡可能一致，将问题空间进行自然分割，以适合于人们的思维方式而建立问题域的模型，从而对客观实体的结构和行为进行模拟，使设计出的软件尽可能直接地描述现实世界，并与人们认识相一致。它不是用计算机的术语进行描述，而是一些描述问题空间对象的定义。由此可见，复杂的船体结构设计系统开发更适合采用面向对象的设计模式，因为对于船体结构而言，可以将船体结构中的各种不同模型类型进行抽象分类，用类的继承性建立模型的层次关系。
2.3 自顶向下技术
目前国际上的CAD系统主要支持自底向上、自顶向下和两者兼而有之的建模设计方法。自底向上设计方法是先设计零件，然后搭积木式地进行装配设计，逐步组合成复杂的整体。它要求设计师从一开始就要对整个模型的各个组成部分有较为清楚的了解，后期的修改要尽量少，所以该方法一般适合于传统的机械设计。而自顶向下的设计方法是从整体模型出发然后逐步分解细化，最后才对各个零部件进行设计。由于在零部件的设计阶段，它所在的部件设计已基本明确，因此，它的设计会受到整体设计的指导和约束。在进行新型船舶研制时，往往没有可参考的船型，在设计初期缺乏可依据的资料，探索性的、模糊性的、概念性的东西较多。因此，复杂的船体结构设计应采用自顶向下的技术方法，这种思想与人们的设计思路相吻合。
2.4 面向对象二次开发技术
面向对象的二次开发，也就是将面向对象技术应用在待开发的CAD系统，从要求出发，以对象作为基本概念，通过对对象的确定、分解和分类，建立相应的对象关系图用来分析面向对象系统。通过行为抽象和数据结构抽象，描述系统的属性，得到由对象构成的层次结构，形成对问题领域完整的语义描述，完成CAD系统模型设计，利用一种面向对象程序设计语言（如C++）将建立的模型转换成计算机可接受形式，完成程序编制，实现二次开发。当前，在CAD系统的开放式结构中，面向对象技术是API的主要形式，即系统的功能、数据和界面以对象的形式暴露给用户，由于目前已有大量的面向对象的编程工具，利用这些工具开发的应用程序，可以通过对象的属性和操作访问及控制系统。
2.5 数据库技术应用
参数化造型中的特征管理非常重要。利用特征进行零件设计，应预先将大量的标准特征或用户自定义特征进行存储，在设计阶段再调入所存储的特征，将之作为基本建模单元进行建模，再逐步输入其它几何信息、非几何信息建立零件的特征数据模型，并将其存入数据库。因此，在参数化设计过程中，数据库显得尤为重要。系统开发中数据库采用ACCESS2000，它是一种简单易学的关系型数据库系统，采用SQL语句可以对它进行各种操作。
3 结语
在船舶生产设计中，工程人员通过结构三维数字建模技术，进行板材、型材等零件的制作，完成虚拟装配，实现零部件属性链接，自动生成零部件明细并按照船体制图标准出图。三维数字建模技术是造船业未来发展方向，目前大型设计单位或船厂主要是通过专业的三维建模软件来实现的（以价格昂贵的进口软件为主），而大量的中小型企业还停留在二维设计阶段。因此用通用的三维建模软件，经过适量的二次开发，实现船体结构三维数字建模，有较强的现实意义与较好的经济效益。
参考文献：
[1] 姜玲.船舶稳性三维计算方法研究及软件开发[D].大连海事大学，2015.
[2] 战翌婷，刘寅东.三维船体曲面模型建立方法及程序实现[J].船舶，2006（03）.
（作者单位：新大洋造船有限公司）
关键词：三维建模技术；船舶结构；研究探讨
随着计算机辅助软件的快速发展，在船舶设计、建造领域已经广泛使用三维软件进行船舶的设计建造。传统的二维设计渐渐被现在的三维设计所取代，成为船舶设计中的一种便捷高效的新方法。三维设计具有很多优点是传统的二维设计所无法比拟的：能够预估船舶分段的各种类型的钢材使用量，能够预估分段的焊缝长度以及焊条使用量，能够进行分段或者局部的结构强度计算，能够用于船舶任意肋位总纵强度的校核，能够用于船上设备的虚拟装配，用于检查设备之间的干涉问题，也能够用于Unity引擎下的舱室漫游，等等。其中，三维设计最大的优点是可以直观的呈现产品，并且可以展现出设计者设计产品的思路，又可以非常方便的发现修改其中的不足之处。最新的船舶三维建模技术涵盖了船舶设计、分析和计算等方面，基于船舶设计、建造和生产管理一体化的思想，逐渐开发出了许多造船集成系统，极大的缩短了船舶设计和生产的周期，提高了造船质量，促进科学管理的形成，推动了造船自动化进程。
1 船体结构三维建模系统应具备的功能
船体结构三维建模系统的开发是一个探索、研发、测试和应用的过程，应该与实际应用紧密结合，结构建模系统应该具备以下一些功能：（1）船体总体结构模型的生成，包括外壳板、甲板、内底板、横舱壁、纵舱壁、肋板、内龙骨等各种与船体曲面相关的大表面模型的生成，即船体顶层结构的生成，能够方便的调用曲面建模的结果；（2）具有参数化生成典型结构的功能，如双层底、舷侧分段的参数化生成；（3）具有工程数据库，建有标准零件库、典型结构库，用于存储大量标准件、典型结构，能够有效管理；（4）能够进行各种特征孔类建模，如各种基本开孔、货舱开口和各种贯穿孔等各种节点的定义和建模；（5）能够利用三维模型自动生成各种工程图输出；（6）能够完成理论布置线和各种型材的设计和表达，如纵骨、横梁、扶强材等型材；（7）方便的用户界面，可进行各种结构建模的交互与修改；（8）能够进行关联定义，使所有的结构件定义都具有拓扑关联，完成定义后，当用户修改其中某一结构数据，相关结构自动刷新或自适应更改；（9）船体结构重量重心计算及材料表自动生成；（10）具有与其它交换数据的接口。
2 船体结构三维建模方法及整体技术
2.1 参数化设计技术
参数化设计是将原有设计中的某些尺寸，例如定形、定位或装配尺寸定义为变量，在修改这些变量的同时由一些简单公式计算出并改变其他相关尺寸，计算机系统根据这些新的参数自动完成产品设计。目前，参数化设计的研究范围，己经由二维图纸参数化设计，发展到覆盖产品的全生命周期参数化设计除了传统的二维图纸、三维零件实体参数化设计外，还包括零件部件间的装配关系、产品特征、产品模型设计等产品层次的参数化设计。参数化设计是面向系列化产品的动态设计即利用对象拓扑结构的共同特征进行设计，如二维、三维参数化设计它既保持了产品拓扑结构关系不变，又保证了相关尺寸相对可更改。参数化设计要求对象结构形状比较定型，在船体结构中，平行中体部分的肋板、行材、肘板类等，甚至平直的双层底都可以实现参数化设计，可以用一组参数来约定结构尺寸关系，使参数与结构对象的控制尺寸有一定的对应关系。通过约束参数的修改能够方便地创建不同尺寸结构对象，参数化建模的关键在于用参数公式表格特征等驱动图形以达到改变图形的目的。
2.2 面向对象技术
所谓面向对象，就是包含了对象、分类、继承、通信等方面的内容。其中，对象是客观或是一物体或概念性东西的抽象表述，用专业的语言说，它是建立面向对象程序所依赖的基本单元种代码的实体。面向对象技术的应用必须具有面向对象的分析方法、设计方法和思维方法。其方法实现的基本目标是使描述问题的问题空间和解决问题的方法空间在结构上盡可能一致，将问题空间进行自然分割，以适合于人们的思维方式而建立问题域的模型，从而对客观实体的结构和行为进行模拟，使设计出的软件尽可能直接地描述现实世界，并与人们认识相一致。它不是用计算机的术语进行描述，而是一些描述问题空间对象的定义。由此可见，复杂的船体结构设计系统开发更适合采用面向对象的设计模式，因为对于船体结构而言，可以将船体结构中的各种不同模型类型进行抽象分类，用类的继承性建立模型的层次关系。
2.3 自顶向下技术
目前国际上的CAD系统主要支持自底向上、自顶向下和两者兼而有之的建模设计方法。自底向上设计方法是先设计零件，然后搭积木式地进行装配设计，逐步组合成复杂的整体。它要求设计师从一开始就要对整个模型的各个组成部分有较为清楚的了解，后期的修改要尽量少，所以该方法一般适合于传统的机械设计。而自顶向下的设计方法是从整体模型出发然后逐步分解细化，最后才对各个零部件进行设计。由于在零部件的设计阶段，它所在的部件设计已基本明确，因此，它的设计会受到整体设计的指导和约束。在进行新型船舶研制时，往往没有可参考的船型，在设计初期缺乏可依据的资料，探索性的、模糊性的、概念性的东西较多。因此，复杂的船体结构设计应采用自顶向下的技术方法，这种思想与人们的设计思路相吻合。
2.4 面向对象二次开发技术
面向对象的二次开发，也就是将面向对象技术应用在待开发的CAD系统，从要求出发，以对象作为基本概念，通过对对象的确定、分解和分类，建立相应的对象关系图用来分析面向对象系统。通过行为抽象和数据结构抽象，描述系统的属性，得到由对象构成的层次结构，形成对问题领域完整的语义描述，完成CAD系统模型设计，利用一种面向对象程序设计语言（如C++）将建立的模型转换成计算机可接受形式，完成程序编制，实现二次开发。当前，在CAD系统的开放式结构中，面向对象技术是API的主要形式，即系统的功能、数据和界面以对象的形式暴露给用户，由于目前已有大量的面向对象的编程工具，利用这些工具开发的应用程序，可以通过对象的属性和操作访问及控制系统。
2.5 数据库技术应用
参数化造型中的特征管理非常重要。利用特征进行零件设计，应预先将大量的标准特征或用户自定义特征进行存储，在设计阶段再调入所存储的特征，将之作为基本建模单元进行建模，再逐步输入其它几何信息、非几何信息建立零件的特征数据模型，并将其存入数据库。因此，在参数化设计过程中，数据库显得尤为重要。系统开发中数据库采用ACCESS2000，它是一种简单易学的关系型数据库系统，采用SQL语句可以对它进行各种操作。
3 结语
在船舶生产设计中，工程人员通过结构三维数字建模技术，进行板材、型材等零件的制作，完成虚拟装配，实现零部件属性链接，自动生成零部件明细并按照船体制图标准出图。三维数字建模技术是造船业未来发展方向，目前大型设计单位或船厂主要是通过专业的三维建模软件来实现的（以价格昂贵的进口软件为主），而大量的中小型企业还停留在二维设计阶段。因此用通用的三维建模软件，经过适量的二次开发，实现船体结构三维数字建模，有较强的现实意义与较好的经济效益。
参考文献：
[1] 姜玲.船舶稳性三维计算方法研究及软件开发[D].大连海事大学，2015.
[2] 战翌婷，刘寅东.三维船体曲面模型建立方法及程序实现[J].船舶，2006（03）.
（作者单位：新大洋造船有限公司）