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、運輸費結(jié)算的主要計量器具之一,也是國內(nèi)液貨貿(mào)易交接的重要計量器具。當(dāng)前,國家計量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計算不確定度為小于0.2%,但這樣的計量標(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(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)濟利益和聲譽。

由于船體結(jié)構(gòu)復(fù)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(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)在實際使用中發(fā)現(xiàn)近似計算存在的誤差較大,因此準(zhǔn)確地建立液艙模型就成為了準(zhǔn)確計算艙容的關(guān)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(shè)計方法和WAVE全相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計技術(shù),通過建立引用集,對液艙的艙體和構(gòu)件進行參數(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強大的造型功能、裝配功能和全相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計技術(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、機械、造船和消費產(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行操作,不利于仿真過程的實現(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立單元,用戶可以方便地對船體構(gòu)件進行管理。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,可以用同一個程序?qū)@些構(gòu)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(shù)的采用,使得在建模過程中更容易進行數(shù)據(jù)檢查。

自頂向下裝配(Top-Down assembly)是自裝配件的頂級結(jié)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(shè)計建模,該裝配設(shè)計方法既符合人們的設(shè)計習(xí)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(zhǔn)面、基準(zhǔn)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(gòu)件和液艙進行分類歸納,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,即在上下文中進行設(shè)計,邊設(shè)計邊裝配。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(dǎo)航

下面用簡單實例來說明實現(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)品級設(shè)計技術(shù)WAVE(What if Alternative Value Engineer)即自動推斷的優(yōu)化工程設(shè)計,是全新的總體參數(shù)設(shè)計技術(shù),是真正的“自頂向下”的全相關(guān)的產(chǎn)品級設(shè)計技術(shù),是參數(shù)化造型技術(shù)和系統(tǒng)工程設(shè)計的有機結(jié)合。WAVE技術(shù)可以自主獲取各種知識的能力,包括工程、設(shè)計、加工及非幾何上的知識,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)動整個產(chǎn)品的總體設(shè)計、功能評估和工程更改。面向產(chǎn)品信息的全相關(guān)是WAVE技術(shù)的最大特點。在產(chǎn)品的裝配設(shè)計中,當(dāng)某個主參數(shù)改變后,產(chǎn)品會按照原來設(shè)定的控制結(jié)構(gòu)、幾何關(guān)聯(lián)性和設(shè)計準(zhǔn)則自動地更新產(chǎn)品系統(tǒng)中每一個需要改變的零部件,并確保產(chǎn)品的設(shè)計意圖和整體性。

在液艙自頂向下的設(shè)計過程中,通過采用全相關(guān)產(chǎn)品級設(shè)計技術(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、計量管、集油井和圍井等)時,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算得到所需的構(gòu)件特征,同時對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行插值,得到造型和計量基準(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)計對象的結(jié)構(gòu)形狀比較定型,可以用一組參數(shù)來確定設(shè)計對象,參數(shù)與設(shè)計對象的控制尺寸有明顯的對應(yīng)關(guān)系,從而可使設(shè)計的結(jié)果受尺寸的驅(qū)動。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,進行參數(shù)化設(shè)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(shù)(L,T,B,b和類型),位置參數(shù)(F1和F2)以及槽型個數(shù),來實現(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,增強建模通用性,對于其他液艙構(gòu)件建模時會顯示出更大的優(yōu)點。

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)計技術(shù),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(shù)化的使用又提高了液艙構(gòu)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(jù)液艙艙體和構(gòu)件特征,運用裝配概念、Top-Down設(shè)計方法和基于WAVE的全相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計技術(shù),通過建立引用集,對液艙艙體和構(gòu)件進行參數(shù)化建模,實現(xiàn)的液艙三維建模和仿真結(jié)果。

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