CN108647462A - 基于三维模型的船体剖面惯性矩计算方法 - Google Patents

基于三维模型的船体剖面惯性矩计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于三维模型的船体剖面惯性矩计算方法，本方法先将全船结构三维模型进行批量布尔合并，形成整体模型，再通过切割模型来构建特定肋位位置的面惯性矩表征模型，最后提取出需要的数据，实现对横剖面惯性矩的求解。本发明方法利用现有三维模型，既不需要手动统计计算、又不需要在其他软件中重新绘制截面形状，基于已有船体结构设计模型为数据源，计算与设计模型完全一致，能精确反映任意剖面的惯性矩信息；批量布尔合并技术，实现将截面位置的上百个结构件模型合并为一个对象进行处理，利用切割出的薄体模型作为船体剖面表征模型进行计算，不存在统计遗漏，相较过去手动计算，在精度上有质的飞跃。

Description

基于三维模型的船体剖面惯性矩计算方法
技术领域
本发明涉及船舶结构设计技术领域，具体涉及一种基于三维模型进行船体剖面惯性矩计算方法。
背景技术
船体总纵强度计算是确保船舶安全性的重要工作项目。在总纵强度计算过程中计算船舶横剖面的截面信息是其重要的工作子项。具体包括轴向拉压的横截面面积A、圆轴扭转时的极惯性矩IP和抗扭截面系数WP，弯曲时对中性轴的惯性矩Ix、Iy和抗弯截面系数Wx、Wy，横截面的形心等。这些参数均与构件强度和刚度有关。
以往进行船舶剖面惯性矩计算时，一般依据《钢质海船入级与建造规范》，对该剖面的各项船体结构件(板、筋等)进行惯性矩的计算及移轴汇总，由于船舶结构件数量多且复杂性，这一工作极易遗漏且工作量极大。随着造船精细化程度的加深，这一计算方法已略显粗略。为方便、精确地求取船舶船体剖面惯性矩，不少设计师采用“CAXA”、“AutoCAD”等其它计算辅助软件或方法计算惯性矩，但这些手段都必须重新绘制所需计算的截面形状，实用起来依然很麻烦。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种基于模型的船体剖面惯性矩计算方法，它能快速、准确提取船体剖面惯性矩，为船体总纵强度等计算提供数据。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种基于三维模型的船体剖面惯性矩计算方法，包括以下步骤：
S1、建立船体结构布尔合并整体模型：以已完成结构三维设计的“船体结构设计模型”为数据源，对各三维结构件模型进行批量布尔运算，将三维模型实体合并为一体，建立“船体结构布尔合并整体模型”；
S2、按计算需求设定分隔面：在三维模型中设定Plane.1和Plane.2，设置Plane.1为目标剖面惯性矩位置的分隔面，设置Plane.2与Plane.1之间的距离为Δt为该段分隔段的分割间距；
S3、切割形成目标纵向位置船体剖面表征模型：定义Plane.1和Plane.2为前后切割面，将“船体结构布尔合并整体模型”进行布尔操作，将其切割为一个分隔段，为该段截面船体剖面表征模型；
S4、典型剖面惯性矩测量与解算：在三维模型中测量船体剖面表征模型对y轴的体积惯性矩Ivy，并通过数学换算得到该横剖面对y轴的惯性矩。
上述方案中，步骤S1与S2之间还包括以下步骤：
建立结构化组织的三维剖面惯性矩计算模板：模版包括5个数据集节点，分别为：参数(Parameter)、关系(Relation)、实体(PartBody)、几何集(Geometrical Set)、测量惯量(Measure Inertia)，
所述的参数(Parameters)节点是通过用户自定义参数来记录整个模型中所有涉及到的变量，本模版中定义长度参数Length——设定所需测量截面的x方向距原点的距离，设计者通过x方向数值的变化定义所需的测量截面，
所述的关系(Relations)节点是通过公式来定义参数之间的关系或通过方程来定义设计规则，
所述的实体(PartBody)节点是进行布尔操作后形成的三维实体集合，
所述的几何集(Geometrical Set)节点是各种几何元素的集合，
所述的惯性矩测量(MeasureInertia)节点是通过CATIA工具测量结构各类要素的集合。
上述方案中，在模版的参数(Parameters)节点下，定义所需测量截面x方向距原点的距离Length；在几何集(Geometrical Set)节点中设定Plane.1和Plane.2，设置Plane.1为求解目标剖面惯性矩位置的分隔面；在关系(Relations)节点中设置Plane.2与Plane.1之间的距离Δt为该段分隔段的分割间距；在实体(PartBody)节点中，将Plane.1和Plane.2定义为前后切割面，对“船体结构布尔合并整体模型”进行布尔操作；在惯性矩测量(MeasureInertia)节点下测量输出船体剖面表征模型对y轴的体积惯性矩Ivy。
上述方案中，步骤S2中的分割间距Δt可以根据计算精度需要进行设置，Δt越小计算精度越高。
上述方案中，分割距离Δt一般取值为Δt<0.1mm时，精度能够得到保证。
本发明的有益效果在于：
1)方便快捷：利用现有三维模型，既不需要手动统计计算、又不需要在其他软件中重新绘制截面形状。
2)精确：基于已有船体结构设计模型为数据源，计算与设计模型完全一致，能精确反映任意剖面的惯性矩信息；批量布尔合并技术，实现将截面位置的上百个结构件模型合并为一个对象进行处理，利用切割出的薄体模型作为船体剖面表征模型进行计算，不存在统计遗漏，相较过去手动计算，在精度上有质的飞跃。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例船体结构布尔合并模型；
图2是本发明实施例结构化组织的三维剖面惯性矩计算模板组成架构；
图3是本发明实施例在船体结构布尔合并模型上切割得到的船体剖面表征模型；
图4是本发明实施例典型肋位中剖面(#28+200)；
图5是本发明实施例典型肋位剖面(#16)；
图6是本发明实施例典型肋位剖面(#54)；
图7是本发明实施例典型舱壁剖面(#83)。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本实施例以某渔业资源与环境科学调查船为例，其主要参数如下所示：
使用本发明方法计算该船船体剖面惯性矩的具体步骤如下：
S1、建立船体结构布尔合并整体模型：
使用CATIA软件，调出全船结构三维模型，将船体结构模型进行批量布尔合并，形成“船体结构布尔合并模型”的整体模型，如图1所示。
“船体结构设计模型”包括全船结构实体模型，包括舱室平台、甲板、舷侧结构、内部液舱结构、围壁结构等。由于结构的复杂性，在设计前期，因不考虑建造工艺，结构模型，如板与筋之间或筋与筋之间，是未打断的，因此将会出现重叠项。这些重叠项单个不大，但全船所有重叠项的累加量却不小，因此需要通过布尔运算将其合并成整体，从而消除了重叠项。使用批量布尔运算操作，对模型中板结构、加强筋、支柱、肘板等结构件中实体部分做合并，其合并结构即为“船体结构布尔合并整体模型”。以尾舱壁、基面及中轴面的交点为原点，建立x方向为船长方向，y方向为左舷船宽方向，z方向为船高方向的模型坐标系。
S2、建立结构化组织的三维剖面惯性矩计算模板：模版包括5个数据集节点，分别为：参数(Parameter)、关系(Relation)、实体(PartBody)、几何集(Geometrical Set)、测量惯量(Measure Inertia)，如图2所示。
参数(Parameters)节点是通过用户自定义参数来记录整个模型中所有涉及到的变量，本模版中定义长度参数Length——设定所需测量截面的x方向距原点的距离，设计者通过x方向数值的变化定义所需的测量截面。
关系(Relations)节点是通过公式来定义参数之间的关系或通过方程来定义设计规则，比如切割模型的间距Δt等。
实体(PartBody)节点是进行布尔操作后形成的三维实体集合。
几何集(Geometrical Set)节点是各种几何元素的集合，比如用于切割模型的平面等。
惯性矩测量(MeasureInertia)节点是通过CATIA工具测量结构各类要素的集合。
S3、按计算需求设定分隔面：在模版的参数(Parameters)节点下，定义所需测量截面x方向距原点的距离Length，在几何集(Geometrical Set)节点中设定Plane.1和Plane.2，设置Plane.1为求解目标剖面惯性矩位置的分隔面，在关系(Relations)节点中设置Plane.2与Plane.1之间的距离Δt为该段分隔段的分割间距，本例中，设置间距Δt＝0.02mm。
S4、切割形成目标纵向位置船体剖面表征模型：在实体(PartBody)节点中，将Plane.1和Plane.2定义为前后切割面，对“船体结构布尔合并整体模型”进行布尔操作，将其切割为一个薄体。切割后的船体剖面表征模型，如图3所示。
S5、计算该船体剖面表征模型的剖面惯性矩：获得船体剖面表征模型后，测量该薄体的体积惯性矩，通过“剖面惯性矩测量与解算”，即可换算出剖面惯性矩。具体方法如下：
因为该船体剖面表征模型极薄，可以认为是平行体，测量该薄体对y轴的体积惯性矩Ivy，得：
Ivy＝∫A z2·ΔtdA (1)
式中：Ivy为该薄体对y轴的体积惯性矩，z为面积dA到y轴的距离。
由Δt为常量，则有：
Ivy＝Δt∫A z2dA (2)
即：
Ivy＝Δt·Iy (3)
式中：Iy为该横剖面内所有构件面积对y轴的惯性矩。
公式(3)的结果在三维模型惯性矩测量(MeasureInertia)节点下测量输出。
再通过换算得该横剖面惯性矩：
Iy＝Ivy/Δt (4)
本例中，分别取肋位中剖面、肋位剖面、舱壁加强筋剖面、舱壁剖面处为例，计算其截面惯性矩。
a)典型肋位中剖面，以#22-100为例：
在x＝12000mm处，以厚度t＝0.02mm的薄体切割船体结构布尔合并模型，得薄体如图4所示，计算其截面对y轴惯性矩，得到：
Iy＝1.093m4
b)典型肋位剖面，以#60为例：
在x＝34900mm处，以厚度t＝0.02mm的薄体切割船体结构布尔合并模型，得薄体如图5所示，计算其截面对y轴惯性矩，得到：
Iy＝9.506m4
c)典型舱壁加强筋剖面，以#32为例：
在x＝16900mm处，以厚度t＝0.02mm的薄体切割船体结构布尔合并模型，得薄体如图6所示，计算其截面对y轴惯性矩，得到：
Iy＝2.696m4
d)典型舱壁剖面，以#94为例：
在x＝63100mm处，以厚度t＝0.02mm的薄体切割船体结构布尔合并模型，得薄体如图7所示，计算其截面对y轴惯性矩，得到：
Iy＝16.585m4
综上所述，本方法先将全船结构三维模型进行批量布尔合并，形成整体模型，再通过切割模型来构建特定肋位位置的面惯性矩表征模型，最后提取出需要的数据，实现对横剖面惯性矩的求解。采用批量布尔合并技术，实现将截面位置的上百个结构件模型合并为一个对象进行处理，利用切割出的薄体模型作为船体剖面表征模型进行计算，不存在统计遗漏。此外，使用本发明，可使设计人员从大量繁琐的设计、建模工作中解脱出来，单个截面惯性矩计算时间由以前的20小时·人，提高到1小时·人，大幅提升了计算质量与工作效率，为船舶总纵强度计算精细化计算提供了更为高效的数据支撑。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种基于三维模型的船体剖面惯性矩计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立船体结构布尔合并整体模型：以已完成结构三维设计的“船体结构设计模型”为数据源，对各三维结构件模型进行批量布尔运算，将三维模型实体合并为一体，建立“船体结构布尔合并整体模型”；
S2、按计算需求设定分隔面：在三维模型中设定Plane.1和Plane.2，设置Plane.1为目标剖面惯性矩位置的分隔面，设置Plane.2与Plane.1之间的距离为Δt为该段分隔段的分割间距；
S3、切割形成目标纵向位置船体剖面表征模型：定义Plane.1和Plane.2为前后切割面，将“船体结构布尔合并整体模型”进行布尔操作，将其切割为一个分隔段，为该段截面船体剖面表征模型；
S4、典型剖面惯性矩测量与解算：在三维模型中测量船体剖面表征模型对y轴的体积惯性矩Ivy，并通过数学换算得到该横剖面对y轴的惯性矩。
2.根据权利要求1所述的基于三维模型的船体剖面惯性矩计算方法，其特征在于，步骤S1与S2之间还包括以下步骤：
建立结构化组织的三维剖面惯性矩计算模板：模版包括5个数据集节点，分别为：参数(Parameter)、关系(Relation)、实体(PartBody)、几何集(Geometrical Set)、测量惯量(Measure Inertia)，
所述的参数(Parameters)节点是通过用户自定义参数来记录整个模型中所有涉及到的变量，本模版中定义长度参数Length——设定所需测量截面的x方向距原点的距离，设计者通过x方向数值的变化定义所需的测量截面，
所述的关系(Relations)节点是通过公式来定义参数之间的关系或通过方程来定义设计规则，
所述的实体(PartBody)节点是进行布尔操作后形成的三维实体集合，
所述的几何集(Geometrical Set)节点是各种几何元素的集合，
所述的惯性矩测量(MeasureInertia)节点是通过CATIA工具测量结构各类要素的集合。
3.根据权利要求2所述的基于三维模型的船体剖面惯性矩计算方法，其特征在于，在模版的参数(Parameters)节点下，定义所需测量截面x方向距原点的距离Length；在几何集(Geometrical Set)节点中设定Plane.1和Plane.2，设置Plane.1为求解目标剖面惯性矩位置的分隔面；在关系(Relations)节点中设置Plane.2与Plane.1之间的距离Δt为该段分隔段的分割间距；在实体(PartBody)节点中，将Plane.1和Plane.2定义为前后切割面，对“船体结构布尔合并整体模型”进行布尔操作；在惯性矩测量(MeasureInertia)节点下测量输出船体剖面表征模型对y轴的体积惯性矩Ivy。
4.根据权利要求1所述的基于三维模型的船体剖面惯性矩计算方法，其特征在于，步骤S2中的分割间距Δt可以根据计算精度需要进行设置，Δt越小计算精度越高。
5.根据权利要求4所述的基于三维模型的船体剖面惯性矩计算方法，其特征在于，分割距离Δt一般取值为Δt<0.1mm时，精度能够得到保证。
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