FORAN 软件在船舶总体设计中的应用 图文并茂

 

 

摘要：采用先进的三维造船软件并逐步深化其应用，已是国内造船行业的趋势，本文介绍了船舶制造三维设计软件FORAN 的开发内容、特点及总体设计部分模块的应用情况。并结合一艘60 米级海事巡逻船的施工设计为例，应用FORAN 软件进行了三维建模、静水力计算及舱容积算。 

    一、概述
    计算机辅助设计（CAD）技术可以提高船舶设计的效率和质量，已经成为国内造船行业的共识，国内多数骨干研究所和造船厂已经较大范围应用了国际先进水平的三维造船软件，具有代表性的软件是FORAN、TRIBON、MAXSURF、NAPA 和CADDS5 等，经过多年的经验积累和二次开发，应用水平达到了一定的高度，获得了一定的效益，目前正在扩大应用范围[1]。在许多尚未采用三维船舶设计软件的设计单位和造船厂，也已经认识到三维软件的重要性，正在进行软件的策划和考察，以期尽早升级到三维软件上，提高设计水平和竞争能力[2]。
    采用先进的三维造船软件不仅可以提高造船行业的设计能力、船舶质量，同时可以缩短交船周期，降低造船成本[3]。FORAN 软件是世界上应用最为广泛的大型造船专业软件之一，与其他综合性三维设计软件不同的是，FORAN 是是由船舶设计师开发、专门为船舶设计师使用的软件，符合船舶设计师、船厂的工作模式和生产特点。本文即将详细介绍FORAN 软件在船舶总体设计上的应用情况。
   
    二、FORAN 软件简介
    FORAN 软件由西班牙SENER 集团开发，该公司以船舶设计起家，已有50 年的历史，具有40 多年的造船CAD 软件开发和应用经验[4]。
    FORAN 软件主要包括以下设计模块：
    (1) 总体设计：FSURF 模块、HYDROS 模块、VOLUME 模块、LOAD 模块、FLOOD模块、SEAKP 模块、LAUNCH 模块和POWER 模块；
    (2) 结构设计：NORM 模块、NEST 模块、FHULL 模块等；
    (3) 管路设计：FMODEL 模块、FPIPE 模块等；
    (4) 电气设计：FCABLE 模块、EPOWER 模块等；
    (5) 出图：FDESIGN 模块。
    本文主要介绍 FSURF 模块、HYDROS 模块和VOLUME 模块，并应用这三个模块对一艘60 米级海事巡逻船作施工设计实例。
   
    三、设计对象简介
    工程代号：kt60
    船型：钢质、单层连续甲板、单底、倾斜艏柱、单体船
    主要技术参数：
    总长 Loa 64.0m
    型宽 B 10.2m
    型深 D 5.0m
    设计吃水 Tm 3.0m
    满载出港排水量 　 800t
   
    四、FSURF 模块建模
    FSURF 模块是FORAN 软件进行船舶总体设计的核心部分，它不仅是总体性能计算的基础，也是结构设计、管路设计、电气设计等模块的基础[5]。FSURF 模块包括一整套用一个或多个真正的三维NURBS 曲面进行三维船体建模的工具，可使船舶设计师快速、精确地设计并优化出各种船舶的主船体、上层建筑和附体型线。
    FSURF 模块型线建模的流程图如下：

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    (1) 点（Point）的生成：FORAN 可以通过输入点坐标、选取曲线上任意点、选取曲线端点、选取曲线拐点、选取两个元素交点（包括线线、线面等）等多种方法生成。来源：http://www.81tech.com/
    (2) 线（Curve）的生成：FORAN 生成线的方法也有多种，常用的有通过选取点（或者直接输入点坐标）生成；通过三点或两点加半径生成圆弧；通过已有的Polyline 生成；选取面（Patches）的边界线、交线或者网格线等。
    (3) 面（Ptach）的生成：常用的有通过选取曲线作为面的网格线生成（最少需要4 根）；通过选取曲线作为面的边界线生成（只由最先选中的2根决定）。
    (4) 特征线（Special line）的生成：通过选取已经存在的曲线（Curves）
   
    生成。
    (5) 主船体 Patches 基本建立之后就可以通过Build ship 生成Hull。
    (6) 打开型线管理器，将前面生成的 Patches 和Special lines 放入Hull中。主船体存放于Enternal Hull 中，上层建筑存放于Internal Hull中。（见图2）

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    (7) 甲板（Deck）的生成：通过输入甲板中心线自动形成与船体（Hull）相交生成甲板。FORAN 可以生成平面甲板、阶梯形甲板、抛物线形甲板、圆弧形甲板等，对于有梁拱的甲板只需按梁拱计算出甲板中心线的位置就能获得准确定位的甲板。
    (8) 舱壁（Bulkhead）的生成：首先通过舱壁所在横坐标、纵坐标或者舱壁所在平面方程定位，再选定舱壁边界生成舱壁。FORAN 可以生成普通横舱壁、纵舱壁以及槽型舱壁。
    建模过程中如需对某个元素进行修改，只需右键点击需要修改对象（包括Points、Ploylines、Curves、Patches、Decks、Bulkheads、Hulls）,这时会弹出对话框可以显示对象属性，或进行复制、移动、编辑、修改等等操作，比菜单栏Modify 下的命令更全面。
    至此，船体型线建模已经基本完成。当然这只是完全依靠FORAN 软件来完成型线建模，而船舶设计一般是跟据母型船的资料进行修改优化而得到的新船型，这就要求我们能够利用已有的资料，来简化我们建模的时间。FORAN 提供了良好的与其它软件的接口，我们可以通过导入.dxf 文件直接形成Ploylines,或者导入.igs 文件直接形成Patches，这样我们就能通过已有船型的资料快速完成我们的型线建模。
    对于方案设计来说，建立粗糙的船体外壳模型，我们以前用过的软件MAXSURF 更为方便快捷，但是FORAN 在外形光顺优化上功能更为强大，鉴于篇幅问题，线型光顺在此不作展开。此次模型正是在导入MAXSURF 生成的主船体模型的.igs 文件的基础上，经过光顺优化，再建立尾封板、尾滑道、甲板、上层建筑以及舱壁完成的总体建模。
    60 米级海事巡逻船Kt60 用FSURF 建模的最终结果如图3 所示。

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    模型建立之后通过出图模块就能迅速得到船舶型线图，简单的总布置图，和粗略计算的静水力数据。
    五、HYDROS 模块静水力计算
    HYDROS 模块的功能包含静水力计算以及静水力曲线图的绘制、稳性横截曲线的计算及绘制、邦戎曲线的计算及绘制、干舷计算和可浸长度的计算。来源：http://www.81tech.com/
    HYDROS 模块的界面如图4 所示。

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    进行静水力计算首先选定你需要计算的项目并设定结果输出时的顺序。
    FORAN 的静水力计算包含以下项目：排水量、排水体积、浮心纵向坐标（含附体和不含附体）、浮心垂向坐标、水线面面积、最大横截面积、横稳心半径、纵稳心半径、中横剖面系数、菱形系数、方形系数、水线面系数、每厘米纵倾力矩、湿面积、每厘米吃水吨数、漂心纵向坐标、横稳心垂向坐标和纵稳心垂向坐标共19 项。如果有不需要计算的项目，在Position 栏输入0。
    运行计算前根据需要定义海水密度、甲板厚度、附体情况等等参数。输入对话框如图5 所示。

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    参数设定好之后运行计算就能很快得到结果，同时可以选择绘制静水力曲线图和邦戎曲线图。
    稳性横截曲线、干舷和可浸长度计算也可以类似的获得。
    六、VOLUME 模块舱容计算
    VOLUME 模块的功能包含舱容计算、吨位计算、测深计算和自由液面惯性矩的计算，以及绘制舱室布置图。
    对舱室进行定义是本模块所有计算的前提。VOLUME 模块定义舱室的操作界面虽然略显复杂，但是功能强大。通过定义舱室的前壁后壁，左舷右舷，舱底舱顶可以完成对规则形状的舱室定义；还可以通过选取舱室所围各舱壁或定义舱室各边界形状，再利用增加和扣除功能来定义任意形状的不规则舱室。大大提高了计算的准确性。
    Kt60 液舱舱室定义完成之后的界面如图6 所示。

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    进行计算前先设定各种装载的密度，如下图：

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    然后选择需要计算的液舱，按需要设定计算水线，运行舱容计算就能立即得到所选液舱的舱容计算结果。类似的我们还可以得到吨位计算、测深计算和自由液面惯性矩的计算结果。
    七、FORAN 软件的特点及其在应用中应注意的问题
    FORAN 软件的特点：
    (1) FORAN 是由船舶设计师开发、为船舶设计师使用的软件，符合船舶设计师、船厂的工作模式和生产特点；FORAN 软件可以用于各种船型的设计和建造，包括常规客轮、货船、非对称船、双体船等，各种军用舰船包括航空母舰、巡洋舰、驱逐舰、潜艇等，也可用于FPSO、海洋平台等[6]。
    (2) FORAN 覆盖了造船领域所有的专业，包括总体设计、船体结构、管路及HVAC、舾装、设备、电气、住舱设计等；同时，FORAN 可以满足初始设计、送审设计和详细生产设计的全部需求。
    (3) 全船的三维产品模型保证了设计的一致性和数据的精确度，同时可随时进行干涉检查，可在极大程度上避免设计错误、提高下料精度、减少切割和焊接的余量。这样可以大量节约设计和生产的时间，节约原材料，为模块化生产、分段制造、壳舾涂一体化等提供了坚实的技术基础。来源：http://www.81tech.com/
   
    (4) 在全船的设计中应用了 Topological（拓扑化）技术，实现了船体结构、舾装、管路、HVAC、电气、住舱等各种组件及其相互关系的相对位置定义，在某一处出现修改时，系统可以根据约束条件对相关组件自动修改，解除了设计师修改设计时的顾虑，极大地提高了设计质量和设计效率。
    (5) FORAN 软件将设计和生产紧密联系在一起，所有的设计可以随时根据需要进行套料、管段制造和安装，并直接生成小票图、材料清单（BOM）、自动产生数控路径和程序；每一分段或模块可计算出重量和重心，为指导生产提供依据。
    (6) FORAN 软件提供了一系列接口，用于与各种软件系统实现数据交换，其中包括常用的IGES、DXF、DWG、STEP、XML 等；其Oracle 数据库完全向用户开放，可以根据需要提取数据，实现与其他应用系统（PDM、ERP、
    物流管理等）的集成。
    FORAN 软件应用过程中应注意的问题
   
    FSURF 模块:
    (1) 在 Build ship 的时候FNAM 名必须与Project（工程代号）一致；(2) 导入二维.dxf 文件时，要注意比例的变化，并需要先将其存为R14 的格式；
    (3) 将所有 Patches 的边线生成Special lines，以方便结构建模使用。其中需要在型线图中表示的除中纵剖面线的类型选用Profile，其他均选用Knuckle；
    (4) 右键选取对象时，若因多个对象交叉不易选中，可以通过 Tab 键来改变对象以选取需要的元素；
    (5) 完成选取点的命令之后，需要通过 Shift+F 键退出选点模式，才能进行其他操作，要回到选点模式按下Shift+X 键；
    (6) 模型基本建立之后，如出现需要修改的Patches 或者Lines，一定要在原模型上修改，切忌删除重新建立，否则其他专业在此基础上作的建模会出现混乱；
    (7) 如同其他常用三维软件，FORAN 软件本身也存在不稳定性，所以最好经常存盘，并在有较大修改前备份fsf 文件；
    HYDROS 模块:
    (8) 利用 HYDROS 进行干舷计算时，由于应用的规范不同，计算结果可能不满足需要，所以不推荐使用该软件进行计算；
    VOLUME 模块:
    (9) 利用 VOLUME 定义舱室的时候必须通过Store selected space（保存）或者Quit selected space（退出）来退出当前舱室，这样才能进行新建或修改舱室等其他操作；
   
    八、结论
    实际应用中，船舶设计者首先应具备坚实的理论基础和丰富的实践经验，遵循各种船舶设计的基本原理和步骤，将上述FORAN 软件的各模块视为一个有机整体，相辅相成、互为贯通地灵活应用，才能取得满意的应用效果[8]。
    任何计算机辅助船舶设计和建造软件都只是船舶设计者的应用工具。能否设计和建造出优秀的船舶，关键在于设计者自身的水平和能否真正了解并掌握应用软件自身的特点[9]。目前FORAN 软件在我国计算机辅助船舶设计和建造领域的应用虽然仅仅处于起步阶段，但已经在多个实际应用工程中显示出独特的自身优势。只要我国的船舶设计工作者，能扬长避短，就一定能很好地借鉴和吸收国外的先进经验，设计出具有21 世纪世界先进水平的船舶和海洋工程物[10]。随着我国船舶设计技术研究、企业新产品开发以及技术改造步伐的不断加快，FORAN 软件在我国计算机辅助船舶设计与建造领域的应用前景一定会非常广阔。

 

2010-05-19 资料来源：中国舰船研究设计中心

    参考文献：
    [1] 邵开文，马运玉.舰船技术与设计概论[M].北京：国防工业出版社，2005.
    [2] Benthall L., Briggs T. Step for Shipbuilding: A Solution for Product Model DataExchange [J].Journal of Ship Production，2003, 44-52.
    [3] 谢子明.国产化船舶制造三维设计软件的开发与应用[J].造船技术，2001.
    [4] Jonathan M. Ross, Diego Abeal. Practical Use of 3D Product Modeling in theSmall Shipyard [J]. Journal of Ship Production, 2001, 27-34.
    [5] 陈练，张新华.FORAN 系统在各国舰艇中的应用情况[J].UFC 用户大会论文集，2007.- 11 -
    [6] Brazilian Navy Presentation. FORAN Applications on Initial and Basic SubmarineDesign [J]. Forum FORAN Users meeting, 2006.
    [7] 李雪峰.结构设计软件应用中应注意的问题[J].山西建筑，2007.
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    [10] 陈晓川，方明伦等.先进设计技术在船舶设计中的应用策略[J].机械设计与制造，2003.