三维建模与仿真

2013-06-22  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

  液舱是国际间石油、化工等产品贸易结算、运输费结算的主要计量器具之一,也是国内液货贸易交接的重要计量器具。当前,国家计量标准规定的计算不确定度为小于0.2%,但这样的计量标准严重滞后于市场的需求。例如一条15万吨的油轮,按照当前汽油价格3210元/吨,每个航次会给用户带来大约96万元的损失。因此对新建、改建和使用中的各类船舶进行准确的液舱容量检定,直接关系到我国国内外贸易的经济利益和声誉。
   
由于船体结构复杂,尤其是占实际舱容约99%的型舱容(型舱容是指由前后舱壁、纵舱壁、舱底、舷侧及液面组成的不考虑舱内固定构件所占据的容积空间)在实际使用中发现近似计算存在的误差较大,因此准确地建立液舱模型就成为了准确计算舱容的关键和研究热点。
   
本文提出的液舱三维建模与仿真方法,运用装配概念,采用Top-Down设计方法和WAVE全相关产品设计技术,通过建立引用集,对液舱的舱体和构件进行参数化建模。可通过仿真在多种浮态下舱货区的空间及各舱液面的分布情况,建立基于装配的高精度液舱三维仿真模型,为以后舱容的准确定量奠定基础。
   
    二、装配技术在液舱建模仿真中的应用
   
UG是面向制造行业的CAD高端软件,可以数字化地定义和获取三维产品信息。特别是UG强大的造型功能、装配功能和全相关产品设计技术更是在业界遥遥领先,并广泛地应用于汽车、航天、航空、机械、造船和消费产品等工业的生产。
   
UG/OPEN API是UG与外部应用程序之间的接口,是一系列函数和过程的集合。开发者可以通过用C语言编程来调用这些函数和过程,从而实现用户的需要。
   
液舱构件的种类和数量特别多,仅用常规手工建模方式得到的液货舱模型是由很多特征组成的三维液舱模型,在仿真过程中不能以部件为单位进行操作,不利于仿真过程的实现。采用装配的建模方式能够使构件和舱体成为装配件中的独立单元,用户可以方便地对船体构件进行管理。当前市场上存在大量不同的船型和一些改装船,这些不同类型的船之间有些构件是形状相似的,可以用同一个程序对这些构件进行自动建模,提高建模效率。采用装配的方法对液舱部件进行模块化处理,增强了程序的通用性。同时装配技术的采用,使得在建模过程中更容易进行数据检查。
   
自顶向下装配(Top-Down assembly)是自装配件的顶级结点生成子装配和组件,在装配层次上建立和编辑组件,从装配件的顶级开始自顶向下进行设计建模,该装配设计方法既符合人们的设计习惯,又能提高建模效率,便于使用程序自动建模,因此本文采用自顶向下装配的方法进行建模。在装配建模的过程中,建立自己的引用集,大大地减少了装配件中的信息,例如一个部件中除了实体图形外,还有基准面、基准轴和草图等,而我们在装配时只需要实体图形,那么我们就定义一个只包含实体图形的引用集。引用集一旦建立,就可以单独地装配到装配件中。
   
液舱的种类和形式很多,通过对相似构件和液舱进行分类归纳,得到液舱构件和类型如图1所示。
    

 图1  液舱构件和类型

按照“自顶向下”的思想,首先建立装配结构,即装配关系,但不建立任何几何模型。然后使其中的组件成为工作部件,并在其中建立几何模型,即在上下文中进行设计,边设计边装配。在建立组件的过程中设定组件的引用集,引用所要显示的部件对象。例如本例是某油船液舱的三维仿真模型,其装配关系如图2所示:顶上两级不包括任何信息,三级组件依次为计量管模型、自定义类型横舱壁、槽型横舱壁、横壁墩、槽型纵舱壁、变截面类型纵壁墩、等截面类型纵壁墩和舱体文件。
   

图2 液舱装配导航

下面用简单实例来说明实现过程。

file://变量初始化
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://设定创建的新的部件路径和名称
char       file_name[200]="";
strcat(file_name,file_parth);
strcat(file_name,"modeling\\T_SIZE_XZ.prt");
file://查询当前工作零件的单位
UF_PART_ask_units(work_part, &units);
file://创建新的零件文件,零件名为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、相关性建模技术在液舱仿真中的应用

全相关产品级设计技术WAVE(What if Alternative Value Engineer)即自动推断的优化工程设计,是全新的总体参数设计技术,是真正的“自顶向下”的全相关的产品级设计技术,是参数化造型技术和系统工程设计的有机结合。WAVE技术可以自主获取各种知识的能力,包括工程、设计、加工及非几何上的知识,并把他们整理统一到一起,以便于在产品开发过程中重新利用和补充。WAVE的本质就是通过“自顶向下”的一系列工程参数控制来驱动整个产品的总体设计、功能评估和工程更改。面向产品信息的全相关是WAVE技术的最大特点。在产品的装配设计中,当某个主参数改变后,产品会按照原来设定的控制结构、几何关联性和设计准则自动地更新产品系统中每一个需要改变的零部件,并确保产品的设计意图和整体性。

在液舱自顶向下的设计过程中,通过采用全相关产品级设计技术WAVE,建立液舱舱体与液舱内其他组件之间的几何关联性,从而实现液舱各部件的相互联系,减少建模的工作量和设计成本,保持建模前后的一致性。液舱的舱体比较复杂,特别是对于曲面型的液舱来说,液舱舱体的形状变化就更大了。因此在建立其他的构件模块(如壁墩、舱壁、计量管、集油井和围井等)时,首先通过建立液舱舱体和构件的关联,然后在构件建模的过程中,让构件与舱体相接的部分做的大一些,最后通过他们的布尔运算得到所需的构件特征,同时对于那些需要从液舱舱体中找到基准的构件,舱体和构件间的几何关联则可以使其能够方便地进行插值,得到造型和计量基准。图3所示的是液舱模型的WAVE信息。

图3 液舱模型WAVE信息
   

    四、参数化技术

在一般的CAD系统中,参数化是指设计对象的结构形状比较定型,可以用一组参数来确定设计对象,参数与设计对象的控制尺寸有明显的对应关系,从而可使设计的结果受尺寸的驱动。在船体结构中,大量构件的定位和定形都可由一定的尺寸参数控制,这是船舶结构设计中可以应用参数化技术的基础。

在参数化建模的过程中,首先需要抽取各个零部件的总体参数,即与总布置有关的基本结构参数。这些参数可分为两类:

    ☆ 形状参数:它决定总成部件的大小与形状;

    ☆ 位置参数:它决定总成部件的布置方位。

    通过这些总体参数可以建立部件的三维模型,进行参数化设计。下面以槽型纵舱壁和等截面纵壁墩为例进行说明。

如图4所示,可以通过定义槽型纵舱壁的形状参数(L,T,B,b和类型),位置参数(F1和F2)以及槽型个数,来实现槽型纵舱壁的参数化建模,如图5所示;可以通过定义壁墩的形状参数(a,b,h,H和类型)和位置参数(距舱底BL)来定义壁墩。通过参数化技术能够大幅提高建模效率,增强建模通用性,对于其他液舱构件建模时会显示出更大的优点。   

    

图4 槽型纵舱壁参数图

    图5 等截面壁墩参数图

图6 仿真中的液舱模型

    五、实例与结论

在液舱的三维建模仿真的过程中,通过采用装配和WAVE全相关产品设计技术,用户在液舱模型仿真的过程中能够方便快捷地对液舱各部件进行操作和分析。参数化的使用又提高了液舱构件的建模效率,增强了建模的通用性。图6所示为以某油轮液舱为研究对象,根据液舱舱体和构件特征,运用装配概念、Top-Down设计方法和基于WAVE的全相关产品设计技术,通过建立引用集,对液舱舱体和构件进行参数化建模,实现的液舱三维建模和仿真结果。


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