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引言：船体结构的设计是一个十分复杂的过程，不仅包括对船体基本结构的设计，甚至在中期还需要建立一个完全符合其本体结构的三维骨架模型。不管船体的设计进行到哪一阶段，这都要求设计师根据实际的结果来随时调整系统偏差。不同设计阶段的调整方案一般不同，如果建模有偏差，就会大大影响船体结构设计的工作效率和质量。本文将从船体结构设计和骨架模型的构建理论出发，通过实际的实验操作来构建船体结构设计的骨架模型。
一、我国船体结构设计的现状及问题
我国一般的船体结构设计都是以知识的船体结构设计为依据的，并构建船体结构的相关数据库，结合知识工程的专业技术来建立系统的设计知识库。设计师往往会对船体的整个结构先进行一个细节处理，优化设计思路，完善设计的整体方案，从根本上来提高船体结构设计的工程质量。然而，我国目前的船体结构的设计水平依旧有许多不完善的地方，特别是在基于骨架模型来设计船体结构时，设计师们总是会被各种不可行的思路和无法避免的数据误差所耽误工程，这里有两个主影响设计的问题。首先，船体结构的设计一直存在反复修改的问题，修改的次数过多会直接影响船体结构设计的工作效率。其次，由于各设计师的建模标准不相同，因此，无法提供完整的设计思路，这就导致了设计模型的重建，影响设计结果。针对上述问题，设计师必须基于骨架模型的理念，对船体结构进行快速建模，以节约成本。
二、以骨架模型为基础的设计方法
1.产品的设计
通常情况下，产品的设计主要是以自顶向下的设计思路为主，优先设计最上层的零件构造，接着再依次设计下面的部件，最后将装配完成的产品与中期构建的骨架模型相对比。简单来说，该思路不仅为船体的驱动功能的设计找到了新的方法，也根据不同产品的功能需求来转换产品的具体设计模型，保证了船体结构设计整个过程的精确性。从设计思路到装配模型，每个零件和部件的详细设计都有统一的规划，该设计方法更符合设计师们的发散思维。虽然我国目前的船体结构设计看上去比较复杂，但是实际的结构设计还是主要依托于传统的结构模型。这些复杂的船体结构经常会参考母型船，设计师会根据母型船的基本结构来进行创新设计，而骨架模型的设计思路则是实现自顶向下设计理念的重要依据[1-2]。
用专业的话来说，骨架模型就是在船体结构设计的阶段为其一些特定的功能提供一系列信息参考的模型。这种信息模型主要包括用于定位的一些常用的几何元素和各结构间的特征元素，这些元素相互协作共同构成了骨架模型，缺一不可。船体的顶层零件和下层部件之间也是通过骨架的节点来衔接的，各种零、部件之间的关系就像数学中的实体几何模型，这些元素被分散到各自的装配位置，设计师再找到其相关联的信息和各零、部件内在的约束信息，最后根据某些设计必须的数学参数来构建骨架模型，在达到令人满意的设计效果时，还可以提高工作效率。总体上，骨架模型的设计思路在船体结构设计中有着很广泛的应用，特别是在船体的顶层结构和最下层结构的设计上。
2.船体的结构特性
一般的船体结构可以细化分为舷侧结构、甲板结构、舱壁结构、底部结构、首尾端结构 等，每个结构在船体上的位置都不同, 其各自所起的作用也不同,每个结构相关的数据参数将直接通过骨架模型反映在结构设计的平面图上。在构建骨架模型的过程中，设计师要将位于不同部位的零、部件进行分类整理, 具体根据其位置和作用的不同可划分为强横梁、横梁、甲板纵桁 、甲板纵骨、强肋骨、肋骨、舷侧纵骨、舷侧纵桁、船底纵骨、肋板 、中桁材等。进一步分析可以发现, 所有零、部件其实都有着共同点, 就是其都是型材零件, 且在设计的过程中会被重复使用, 它们也都有不同的规格型号，这为船体结构的设计提供了一个多样化的零件库。设计师在设计的不同时期可依照规定的型材来自由选择, 同时，还建议参考各设计部门的设计要求, 把常用零、部件的规格尺寸都录入到数据库中, 形成了一个统一管理的零、部件标准数据库。
主船体是由船底、上甲板和舷侧围成的一个水密状的空心结构，船体内有沿水平方向设计的下甲板和沿船宽两侧方向布置的横舱壁，以及沿船长垂直方向布置的纵舱壁。设计师通常会以一个船舱内的几个舱室来作为设计的基本单元，并将舱室结构看作是一个由许多板架构成的长方体型大结构。在设计时，设计师必须明白，组成船舱的板架结构主要包括舷侧板架、甲板板架和船底板架等，且各个板架之间是相互连接、支撑的，这是为了让船舱的结构更坚固，而不会遇到风暴就被破坏。另外，构成各个板架的结构件主要又分为型材和板材，板材有平面与曲面之分，型材根据形状和布局又可进一步分为桁材和骨材。在船体的整体结构中，还有一种专门用来连接多个相交结构的部件叫肘板，为了更科学合理地布置电缆线，安排装修的工人进出，促进船体水流的排放，设计师就必须在其结构件上开孔[3-5]。
3.建模的基本思路
因为目前我国的船体结构设计还处于初期阶段，采用的建模方法仍然为二维绘图，因此，在进行船体结构的设计时, 设计师只需在二维设计中输入一些简单的数据就可以完成对整个船体结构的初步设计，且这种方法的设计时间很短。而如果设计师使用专业的三维建模软件来设计船体结构, 其就必须要准确描绘出一个实际的三维船体形状，这不仅需要大量的数据支持,而且也特别消耗时间。因此，在使用三维建模软件来构建骨架模型时, 设计师必须提前将船体重要的数据信息全部都输入系统, 确定三维模型的形状和位置。由于需要输入的数据信息很多, 所以设计师要做好进行大量运算的准备。
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此外，在构建三维船体的骨架结构时，设计师必须随时注意对骨架模型的分析。从二维曲线到三维模型这是一个非常漫长的过程，我们应该从各个方面基于骨架模型的理念来进行快速建模研究。首先，设计师必须建立一个符合的船体结构的数学模型，结构关系的运算分析离不开数学模型的支持。其次，设计师必须深入研究船体结构的各个零、部件, 分析其特点和属性, 建立一个含有大量的船体结构数据的零、部件标准数据库。最后，制定出一个科学合理的骨架建模流程, 并利用系统来完成其中大量的几何运算[6]。
4.船体骨架模型的构建
船体板架结构的设计主要是由肋板、强肋骨、纵骨、纵桁等构件的具体参数来确定的。因为桁材、肋板等构件会长时间承受巨大的载荷，因此，设计师需要在板面上增加硬核材、肘板等重要的支撑构件，这些构件的腹板就是构建骨架模型的重要元素。相邻两个桁材之间的距离一般是骨材间距的整数倍，而相邻的两个肋板之间的距离则是肋骨间距的整数倍。通过分析船体的整体结构，设计师可明确船体的分段包括舷侧板架、甲板板架、船底板架等箱体结构，而板架是由板和支持的周界共同组成的特殊结构。因此，在构建骨架模型时，板架就是设计中一个最基本的单元。设计师将板架的平面进行系统的参数化，可以得到相应的坐标系，并判断板架内的纵桁、纵骨、肋骨等参数与其重要的关联。其中，板架的二维坐标系和其沿船宽垂直方向的肋骨参数密切相关，倘若我们将其前舱的壁肋位定义为0，那么后舱的壁肋位置就是1。这种定义方法可以很直观地反映出各坐标的间距，且计算方便。
以船体的纵骨架为例，设计师对其骨架模型进行系统的参数化表述，将起始和终止的位置通过实际的参数坐标来计算。首先，我们应确定该线段的起点和终点坐标的位置，接着，将两个左边点进行连线，将得到一个纵桁的轴线。当我们设计的方式按骨材的跨距来时，设计师就需要在板架的平面上来计算板架内的桁材实际数量，以及每个桁材起点和终点相对应的系统参数。我们可以先过纵桁轴线做垂直的一个平面，就可以得到纵桁的腹板所在的平面，进而得到纵桁的基本骨架。纵向的构件在板架的整体结构中，需要按照其在船宽方向的实际比例来设计，如果纵桁或纵骨的起点和终点在板架前壁的肋位，那么这个比例值就会根据驱动的方向随时进行自动更新，其他结构与此类似。
与纵向一样，横向的构件在船体的板架结构中需要按照其在船长方向的具体位置来设计，如果肋板或肋骨的起点和终点在板架的近中线边，那么这个中间的比例值就会根据驱动的横向构件来进行自动更新。当船体的所有构件按照某一方向来等距设计位置时，设计的参数此时就是构件的间距。在设计船体构件的整体布局时，设计师需要精确地输入构件的间距，并利用相关程序来计算对应的比例参数。当板架的强度需要根据实际情况来调整时，设计师必须按规定来进行板架模型的重新计算，并自动更新骨架模型的数据。而当板架的布局设计需要调整时，则设计师不需要修改骨架模型中的基准点、基准面和基准轴，只需要修改其坐标的变化参数，就可以实现骨架模型的快速更新。因为船体结构设计本身所具有的异地性，三维模型的建立在某种程度上也很难完善其具体的数据信息。因此，在构建船体结构的骨架模型时，这些数据信息必须由设计部门的专人来进行逐一添加，满足设计要求后，才能正式开始构建骨架模型。另外，当构建的骨架模型需要进行大规模的调整时，设计师就需要依据二维图纸来重新建模。只有及时发现系统误差并制定相应的解决方案，结果才能完善[7-9]。
三、结束语
总而言之，船体结构设计的完整性与骨架模型的建立息息相关，三维建模的成功与后期的施工密切相关，因此，设计师在设计船体结构时，必须充分了解三维实体模型的特点，基于骨架模型构建的理论来快速建模。这不仅可以大幅度提高船体结构设计的工作效率，缩短设计的实际周期，还能够有效避免误差的出现。本研究根据船体结构设计自顶向下的设计思路，基于骨架模型的设计方法，在船体结构设计的过程中，分析船体各部分骨架之间的关联，并将重要的数据信息充分运用到骨架模型内，最后有效完成船体结构的快速布局和结构调整，科学地验证了基于骨架模型的船体结构快速建模的可行性。随着三维建模技术应用的越来越广, 人们针对船体的主要结构的快速建模方法的研究也会继续深入。
参考文献
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论文作者:1唐冲 2林斌
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第12期
论文发表时间:2019/9/19
标签：船体论文; 骨架论文; 结构论文; 模型论文; 设计师论文; 建模论文; 结构设计论文; 《中国西部科技》2019年第12期论文;