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文檔簡介
2.船舶技術(shù)與電子計算機船舶必要性船舶制造主要是滿足以卜.幾方面的需要:運輸軍隊服務,娛樂平臺2.2.船舶制造工業(yè)船舶制造工業(yè)的主要用途是為船舶運輸業(yè)和海事工業(yè)提供船舶、海洋潛器及海洋結(jié)構(gòu)物,應用于交通運輸和其它特殊的任務,例如深海資源的開采。在船舶制造及其相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域中,計算機應用起著非常重要的作用;為了說明這個問題,我們首先必須要了解該工業(yè)的性質(zhì)和船塢的基本功能。船舶制造工業(yè)是一種國際性的商業(yè),許多國家的政府部門也參與其中,行業(yè)競爭相當激烈,這是應該了解到的。某一個特定的造船廠的成功經(jīng)常會被估量為其造船能力,即在恰當?shù)臅r間以適當?shù)膬r格生產(chǎn)型號適當?shù)拇啊H绻@三個密切聯(lián)系的因素有一個不具備,就會帶來巨大的困難,甚至會導致組織業(yè)務上的失敗。由于造船工業(yè)競爭激烈,對于船廠而言,選擇制造何種型號的船舶會最具有經(jīng)濟效益是非常必要的。這要對市場供求變化的現(xiàn)象進行仔細而連續(xù)地觀察,這樣才能做出正確的選擇。這種工作需要處理大量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)進而引導船舶的設(shè)計;如果已經(jīng)得到最佳的設(shè)計方案,那么設(shè)計的程序就需要極高的精密性。對時間的控制也是十分重要的,因為要按照規(guī)定的時間交付設(shè)計船舶,也便于有適當?shù)臅r間來滿足船舶設(shè)計的要求。然而這項工作并不容易完成,因為對船舶的設(shè)計要求會隨著世界貿(mào)易的波動而周期性的浮動和變化。而價格是最主要的影響因素,它決定了某項工程是否會交給這個船廠來施工?;旧希爸圃焓且环N基于大量材料上的裝配工業(yè),原材料供應的費用占船舶制造總費用的三分之二。一些材料例如鋼板,是用于加工處理的;其它的應與船舶的推進裝置相配套。有鑒于此,船廠的生產(chǎn)組織必須仔細地進行計劃,以保證船舶制造的經(jīng)濟性。船舶制造工業(yè)的高效率取決于船廠的效能,而船廠的效能又取決于一系列的因素。這些因素包括從合適的設(shè)備的利用、充足的資金到管理的技巧、優(yōu)秀的勞動力、技術(shù)的掌握程度以及市場調(diào)查結(jié)果的應運。同時也包括適當?shù)挠嬎阍O(shè)備。2.3.主要功能為了說明電子計算機在船舶制造中的作用,我們把船舶設(shè)計與制造的基本過程與電子計算機的使用聯(lián)系在一起作說明?;旧?,我們可以把這個過程分為幾個主要的功能,如圖2.1?
市場調(diào)查圖2.1.船舶設(shè)計流程圖2.3.1.市場調(diào)查市場調(diào)查是起點,為船廠提供基礎(chǔ)信息。船廠通過這些信息可以決定制造何種型號的船舶或海洋結(jié)構(gòu)物,以及如何最優(yōu)地進行資金投入、調(diào)配人力資源?;旧?,這項工作包括收集資料和分析市場走向。除此之外,還必須與船主及設(shè)計者密切聯(lián)系,因為特殊的商業(yè)貿(mào)易和專家的操作設(shè)計都會影響到是否使用本船。電子計算機能夠儲存大量的數(shù)據(jù),并可進行模擬試驗和數(shù)學編程,來完成數(shù)據(jù)分析。2.3.2.初步設(shè)計通過對市場調(diào)查的結(jié)果或潛在客戶的咨詢,我們可以得到滿足初步設(shè)計的主要參數(shù);這些參數(shù)必須結(jié)合船東的要求和設(shè)計準則,同時符合該設(shè)計船型的各項標準。典型的信息數(shù)據(jù)包括航行方面的數(shù)據(jù)、經(jīng)濟因素、操作規(guī)范、產(chǎn)品設(shè)備、規(guī)章制度等等。因為船東的要求與設(shè)計的準則會存在一定的沖突,所以不可能設(shè)計出理想中的船舶;但是我們可以設(shè)計出最符合設(shè)計要求的船型來替代理想中的船舶。在過去,船舶設(shè)計主要是利用以往設(shè)計中的經(jīng)驗來進行設(shè)計;完全地按照私人船主的設(shè)計要求而去進行的船舶設(shè)計往往得不到最佳的設(shè)計效果。而競爭越來越激烈的船舶工業(yè)要求我們設(shè)計的標準船型能夠滿足各種船東的需求,同時還必須得出效果最佳的各項設(shè)計參數(shù)。設(shè)計的過程需要反復地校核,以便于把初始設(shè)計的理想?yún)?shù)校核為符合最佳效果的設(shè)計參數(shù),而這項工作靠手工完成是非常繁瑣的。利用電工子計算機來進行編程和公式化可以代替繁瑣的手工計算,早期船舶設(shè)計方面的電子計算機應用也是出于簡化設(shè)計的目的。2.3.3.合同擬定在得到相應的初步設(shè)計結(jié)果或標準船型的設(shè)計參數(shù)后,應該與船東進行協(xié)商,討論是否要將設(shè)計進行下去或是否有必要進行修改。資金在合同簽訂中起著決定性的作用;為此原因使某些參數(shù)必須要改動時,我們可以利用電子計算機進行計算來決定是否簽訂合同,當然,這與市場調(diào)查的結(jié)果也是有聯(lián)系的。2.3.4.制定計劃當合同簽訂以后,船東定制的船舶的各項目標數(shù)據(jù)就固定了。為了實現(xiàn)船舶數(shù)據(jù)上的要求,必須為整個生產(chǎn)過程制定詳細的計劃。這是非常重要的,不僅僅是因為船廠的信譽問題,還因為這是業(yè)務上對各個施工階段的資金統(tǒng)籌的需要,包括龍骨的安裝、上層建筑、特殊構(gòu)件、船舶F水試航以及移交船東等。生產(chǎn)計劃必須要具有高效性,生產(chǎn)過程中也必須保證對各種設(shè)備、裝卸機械、緩沖設(shè)備等的高利用率,以避免出現(xiàn)生產(chǎn)中的瓶頸現(xiàn)象。盡管傳統(tǒng)的手工計算在船舶設(shè)計中有廣泛的使用,并且在今后的設(shè)計中也會繼續(xù)使用,但是隨著船舶制造機械化和高效化的要求,我們必須引進計算機來輔助設(shè)計。另外,只要為計算機提供準確的數(shù)據(jù),它就能夠在設(shè)計中發(fā)揮顯要的作用。2.3.5.細節(jié)設(shè)計細節(jié)設(shè)計師對初設(shè)計的必要補充,包括建筑結(jié)構(gòu)細節(jié)、電力系統(tǒng)、管路布置、船舶操縱等附加信息?,F(xiàn)在,細節(jié)設(shè)計以及計算都可以有計算機完成,并且取得了相當程度上的成功,人們也正在逐步拓展計算機其它的細節(jié)設(shè)計功能。其中運用最廣泛、最典型的是計算機繪圖及其圖解法。3.6.生產(chǎn)制造現(xiàn)行的船舶制造過程包括一系列基本的步驟,可以歸為以下幾類:存儲:船廠采購各種材料并存儲在倉庫。預加工:將鋼板及其斷面進行清洗、涂漆、切割、滾軋等預處理以便于施工。裝配件:將獨立構(gòu)件組裝成小型構(gòu)件。裝配:將小型構(gòu)件組裝成大型配件。預陋裝:將其它項目例如機械項目、管路項目、通風項目等裝配到已完成的大型配件上。船臺裝配:在船臺或碼頭上完成船身建筑。碼頭胭裝:完成船體的所有項目(包括預艇裝過程中的項目)?,F(xiàn)在,計算機廣泛地應用在以上七個階段的設(shè)計中。首先,計算機可以用于采購材料以保證按時交船。其次,可以利用計算機數(shù)控機械來切割鋼板和彎曲斷面。第三,計算機可以保證各個構(gòu)件正確地安裝,提高建造效率。2.3.7.測試及試航當船舶建造和胭裝完成以后,該船必須經(jīng)過一系列的測試和試航以保證船舶的各項性能滿足要求。2.4.船舶設(shè)計師的任務與作用現(xiàn)代的船舶設(shè)計復合了多個工程設(shè)計分支,包括調(diào)研、設(shè)計、建造以及修復各種海洋運載工具(水上或水下)。在過去,船舶的型號、大小、復雜性都是極為有限的,因而船舶設(shè)計師好像在科研方面的作用不及工藝設(shè)計方面的作用。然而,今天的海洋運載工具五花八門,包括各種類型的不同水面排水量的船舶(商船、漁船、軍艦、游艇),各種高性能船(氣墊船、水翼艇、滑行艇等等),各種水下運載工具(潛艇、潛水器、水下機器人、深海潛水器、魚雷等等)以及近海結(jié)構(gòu)物(例如移動式鉆井平臺)。船舶設(shè)計師負責船舶的總體結(jié)構(gòu)、規(guī)劃布置以及綜合設(shè)計。同時此項設(shè)計必須在符合安全性能、規(guī)范約定和其它標準、資源配置、時間進程的條件下,滿足船東在各項性能、可靠性和經(jīng)濟性上的要求。船舶設(shè)計師同時也負責工程設(shè)計中的其它方面。這包括設(shè)上層建筑的設(shè)計和對結(jié)構(gòu)的浮性、穩(wěn)性、水動力特性、適航性和強度的設(shè)計,同時也包括對船體系統(tǒng)的工程設(shè)計,例如裝卸系統(tǒng)、水泵系統(tǒng)、布置方案、艙室布置、住宿布置、推進裝置等。5.計算機應用的引入在船舶設(shè)計的過程中,要求設(shè)計人員能夠解決設(shè)計中的矛盾之處,進一步定義規(guī)范,設(shè)計可供選擇的不同結(jié)構(gòu)形式,預估出這些結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)異并從中選出最可行的設(shè)計方案。這么復雜的過程包括大量的計算程序,以保證設(shè)計能盡可能多的滿足基本的參數(shù)要求。如果借助計算機輔助設(shè)計會在很大程度上簡化這些工作,因而在設(shè)計過程中,計算機被廣泛地應用。船舶設(shè)計中,早期的計算機應運主要是編寫程序,進行系統(tǒng)性的數(shù)學運算。近年來,船舶設(shè)計從初步設(shè)計、浮力計算、船體水動力技術(shù)到船舶性能評估、設(shè)計工具都取得了飛速地發(fā)展。這些設(shè)計理論和設(shè)計手段伴隨著非常復雜的計算,這也只能通過計算機來完成設(shè)計。6.為什么在船舶設(shè)計中使用計算機?競爭激烈:激烈的國際競爭使得船廠在船舶設(shè)計與制造中,不得不接受船東越來越苛刻的設(shè)計條件。這就意味著必須對給定的設(shè)備和設(shè)計規(guī)范進行最優(yōu)配置,以保證設(shè)計與制造出最佳的船型。而選擇不同的評判標準會得到不同的最佳船型,因此設(shè)計人員就應該根據(jù)不同的設(shè)計要求(快速性或經(jīng)濟性等)來選擇最優(yōu)船型。在設(shè)計的過程中,設(shè)計人員會遇到大量的數(shù)據(jù)計算。如果僅僅通過手工計算來完成是很困難的,因而這就需要借助計算機的輔助作用。設(shè)計程序的關(guān)聯(lián)性:船舶設(shè)計必須要經(jīng)過反復地修改以獲得最佳的設(shè)計,而這個程序的各個細節(jié)是相互聯(lián)系的。由于設(shè)計本身包括大量的數(shù)據(jù)運算,傳統(tǒng)的手工算法既沉悶乏味又耗費時間,會使得設(shè)計人員沒有足夠的時間去全面進行設(shè)計可行性的驗算。出于保證運算速度和運算精度的目的,我們引入計算機進行輔助設(shè)計。設(shè)計與生產(chǎn)之間的關(guān)系:船舶制造業(yè)的主要利潤就是設(shè)計與生產(chǎn)過程中的差額利潤。這就意味著當一種有特色的設(shè)計方案出臺后,我們必須要立刻對這種產(chǎn)品作深入的了解。把設(shè)計與生產(chǎn)聯(lián)系起來,以設(shè)計的角度對成產(chǎn)這種船舶的費用進行一下經(jīng)濟性的評估,往往是最有效的評估手段。在實際工作中,我們一般都采用計算機系統(tǒng)來完成如此龐大的評估工作,因為手工勞動會需要大量的人力資源來協(xié)調(diào)配合。數(shù)控機械的使用:在船舶的生產(chǎn)過程中,所有的零配件都必須滿足一定的級配精度;任何的偏差都可能會導致零部件的變形,從而延誤交船時間、增加生產(chǎn)成本。通常,使用數(shù)控設(shè)備(諸如鋼板氣焊切割設(shè)備)可以達到裝配要求的良好的精密度。而數(shù)控設(shè)備所需要的控制信息必須通過計算機控制才能有效地執(zhí)行。大量的信息運算:只有通過計算機才能完成設(shè)計中大量的信息運算(包括大量的數(shù)據(jù)計算)。這些信息運算一方面可以檢查并修正設(shè)計資料,另一方面也能驗算經(jīng)濟性要求。以大型油輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計為例,我們應該以具體計算理論(如有限元算法)得到的數(shù)據(jù)來檢驗不同位置的應力強度。而對于這樣的計算理論和任務,只有利用計算機這種快速運算工具才能得到我們所需要的模型職工工資的統(tǒng)籌:在船舶制造業(yè)和海洋工業(yè),一些重要部門諸如制圖部門、生產(chǎn)控制部門,面臨著專業(yè)人才短缺的問題;計算機的使用可以解決這些問題。這樣,一些日常性的、繁瑣性的工作完全可以交給計算機,那些有工作經(jīng)驗和工作效率的專業(yè)人才就可以去從事一些具有挑戰(zhàn)性的工作。計劃制定與管理控制:任何工業(yè)部門的成功都離不開詳細的計劃和組織管理,船舶工業(yè)也不例外。然而,要想得到高水平的詳細計劃和管理控制,需要大量的數(shù)據(jù)信息以及相配套的處理方案。只有使用計算機才能解決這些實際問題,這點是非常重要的。設(shè)計合理化:計算機為我們帶來了很多條理化、規(guī)范化的設(shè)計思路?,F(xiàn)在的設(shè)計多采用模態(tài)綜合法,該法取代了與計算機相結(jié)合的流程圖。這就要求設(shè)計人員在制定設(shè)計流程時要更加仔細。此外,計算機為設(shè)計人員也便利地提供了很多系統(tǒng)化的船舶設(shè)計流程。滿足設(shè)計數(shù)據(jù)的精度:使用計算機的一個很主要的好處就是在設(shè)計過程中可以減少近似公式的運用。當我們有足夠多的信息來調(diào)試程序時,我們就能夠很容易地進行重復計算并直接得到有價值的設(shè)計參數(shù),而不用重復地利用經(jīng)驗公式或設(shè)計經(jīng)驗來選擇參數(shù)和分析這些參數(shù)的作用。使用計算機的另一個好處就是可以把不同的設(shè)計步驟按照一定的順序排列。就單單從表面上來講,一個好的設(shè)計人員必須要考慮到,如何在盡可能短的時間內(nèi)為他所承擔的設(shè)計任務提供一個能被船東所接受的設(shè)計方案。不妨舉個例子,船體橫剖面的繪制在設(shè)計的一開始時就已經(jīng)進行了,但是型線的繪制確是在反復的計算并確定設(shè)計細節(jié)后才開始的?,F(xiàn)在由于計算機的使用,我們可以在早期就進行型線的繪制。同理,船舶的推進力、重量、縱傾、穩(wěn)性等問題也可以在設(shè)計初期就進行計算。7.計算機在船舶設(shè)計中的應用計算機最早應用于船舶設(shè)計的數(shù)據(jù)計算是在20世紀50年代末,諸如流體靜力學、船舶穩(wěn)性等方面。當時的計算機應用主要是為了進行一些簡單的數(shù)學運算,其步驟也和傳統(tǒng)的手工計算相同。隨著船舶設(shè)計的程序的逐步開發(fā),計算機在設(shè)計方面的能力也逐步提高。除了一些傳統(tǒng)的手工設(shè)計者,大多數(shù)設(shè)計人員都利用計算機來進行設(shè)計。船舶設(shè)計中的計算機應用可以分為以下三方面:典型計算:我們可以編寫獨立的程序來進行典型的細節(jié)計算,包括靜水力曲線計算、穩(wěn)性計算、下水計算、縱傾計算、艙室計算以及靜水彎矩計算等。全面計算:我們可以編寫獨立的程序來解決某些特定技術(shù)上的問題,諸如船體繞流、結(jié)構(gòu)分析、型線光順、運動預報。設(shè)計體系:我們可以利用完整的計算機設(shè)計體系來處理船舶設(shè)計過程中的主要部分。7.1.船舶制造中的應用隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,我們可以利用計算機對大量的數(shù)據(jù)進行快速地存儲,這也使得CAD/CAM等工具被廣泛地推廣使用。這些技術(shù)工具通常用來制定生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)進度,以保證各種原材料可以按時交遞,而不至于延期施工、出現(xiàn)瓶頸現(xiàn)象。7.2.生產(chǎn)管理中的應用計算機的廣泛使用為生產(chǎn)管理提供了極大地便利,其作用可以概括為幾方面:獲得需求信息:生產(chǎn)管理部門必須在第一時間內(nèi)取得各種各樣足夠的信息,以便于做出正確的決定。使用計算機的主要優(yōu)勢就是可以將大量的信息進行存儲,然后結(jié)合這些信息就可以提供合理的設(shè)計程序。而使用計算機的另外一個好處就是可以通過網(wǎng)絡科技為設(shè)計和建筑施工提供全球范圍的信息。庫存管理:因為船舶制造的過程中有大量的配件需要進行裝配,所以我們需要利用計算機來完成庫存的管理。對于馬上要用的材料或者是要運送到船塢的附加材料,我們都必須
進行歸類并直接調(diào)控。良好的庫存管理往往可以提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。財務管理:主要是進行工資、獎金和工時的計算,也可以進行總體的統(tǒng)計。7.3.設(shè)計、制造、管理的一體化船舶是一種非常復雜的建筑結(jié)構(gòu)物,建造一艘船舶需要大量的設(shè)計、生產(chǎn)以及資金方面的數(shù)據(jù)。當我們引進計算機輔助工具后,設(shè)計、制造方面的關(guān)系就更明顯了。當獲得設(shè)計與制造的整體性聯(lián)系后,管理體系就能夠做出最合理的計劃安排。圖2.2概括地介紹了船舶設(shè)計中各設(shè)計步驟的主要作用及相互關(guān)系。圖2.2.船舶設(shè)計程序的組織計劃流程圖信息輸入:在設(shè)計的一開始,我們需要處理各種各樣的數(shù)據(jù)諸如載重、航速、續(xù)航以及其它設(shè)計要求。這些數(shù)據(jù)可以由船東來提供,也可以由設(shè)計人員根據(jù)市場調(diào)查結(jié)果來預估。初步設(shè)計:在初步設(shè)計階段,我們需要把獲得的數(shù)據(jù)結(jié)合航行、船貨、進港、調(diào)整、設(shè)備需求、耗費等問題進行綜合處理。而船廠的建造設(shè)備以及建造程序已必須算入總預算中。確定船體曲面:一旦協(xié)約簽訂后,我們必須進行細節(jié)設(shè)計并完成相應的計算。在這個階段,能否得到光順的船體曲面數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的。如果船體曲面不光順,我們必須修改曲面數(shù)據(jù)以獲得光順的船體曲面。細節(jié)計算:由初步設(shè)計得到的結(jié)果實不精確的,因此我們必須對設(shè)計細節(jié)進行進一步的計算,以保證可以獲得精確的主要參數(shù)。制定生產(chǎn)計劃:生產(chǎn)計劃主要是針對于鋼結(jié)構(gòu)而言,但是也還包括船舶艇裝和電力系統(tǒng)等技術(shù)性能方面。?管理部門的任務:管理部門所起的作用貫穿于整個設(shè)計和生產(chǎn)過程中,起著決定性的作用,并直接影響到設(shè)計效率與生產(chǎn)效率。利用計算機可以實現(xiàn)以上這些步驟的一體性和連續(xù)性,為設(shè)計生產(chǎn)帶來極大大便利。2.7.4.計算機在科研項目中的應用在船舶技術(shù)領(lǐng)域,計算機已經(jīng)成為科技研究的一個重要工具,起著非常重要的作用,可以分為以下幾個方面:結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析船體繞流和阻力估算船舶在波浪中的運動2.7.5計算機可作為船舶設(shè)計的圖形工具船體平面橫剖線圖船體三維曲線圖船體三維模型作業(yè):試描述以下各設(shè)計程序的特點以及性能,可以列表比較。你認為這些程序各自有什么特點?各個程序有何優(yōu)劣?各個程序的適用性如何?關(guān)于各個程序的具體信息可以在網(wǎng)絡上自己查找。80000110AutoSHIP80000122Intergraph80000135Tnbon80010114Maxsurf80970119Napa80980126Multisurf80980135Foran80990113DefeatFastShipBaselineWolfsonGODDESS4、計算機輔助船舶設(shè)計過程一項工程設(shè)計通常與產(chǎn)品的創(chuàng)造和合成有關(guān),它需要考慮大量的相互之間存在矛盾的設(shè)計要求。由于設(shè)計基于一定不確定的數(shù)據(jù)和推測,設(shè)計者必須明確哪個環(huán)節(jié)存在不確定性,以便在后續(xù)設(shè)計中加以改進和調(diào)整。在工程設(shè)計中從來沒有唯一的方法和準確的答案,只有最好的或較好的、可以讓人接受的解決方法來平衡各考慮因素。任何復雜的工程系統(tǒng)發(fā)展過程都包含創(chuàng)造(或發(fā)明)與保險(或保守)之際的矛盾。格林提出了在船舶設(shè)計過程中創(chuàng)造發(fā)明的試行原則:創(chuàng)新應該在恰當?shù)臅r候出現(xiàn)。并不是所有失敗的發(fā)明都沒有作用,很多是具有借鑒意義的。大多數(shù)成功的發(fā)明并不會很快被市場所采用,在船舶設(shè)計過程中,這是一個循序漸進的過程。船東并不喜歡發(fā)明創(chuàng)造,因為這是一種冒險。在船舶設(shè)計過程中,一次只有一個主要發(fā)明。在船舶設(shè)計過程中,被采用的發(fā)明往往是最可靠的??煽康陌l(fā)明應是常規(guī)的、容易維修的,也就是簡單的。能被船東接受的發(fā)明必須能創(chuàng)造真實的經(jīng)濟效益。發(fā)明所帶來的效益應盡可能的被消費者所接受。盡管遠洋船的設(shè)計和制造已經(jīng)有一定的歷史了,但在近幾十年里,設(shè)計技術(shù)才取得了令人矚目的進步,最顯著的變化就是計算機的廣泛應用。在船舶設(shè)計中,計算機的應用貫穿于設(shè)計、分析、使用的始終。設(shè)計螺旋線船舶設(shè)計是一個逐步近似的過程,在這個過程中最初確定的船舶主要要素耍根據(jù)后面的階段不斷地調(diào)整,直至滿足要求。鑒于船舶的復雜性,在一定的設(shè)計階段必然會有很多相互矛盾的要求,所以設(shè)計問題就是要尋求一種最合理的解決方案,使不確定因素的影響最小化。目前,在船舶設(shè)計過程中,沒有一種被普遍采用的按順序進行的設(shè)計方法,但是,整個過程中包括有大量船舶主要要素的選擇和確定,這些選擇和確定會影響接下來的設(shè)計階段,比較典型的描述船舶設(shè)計逐步近似的特點的是設(shè)計螺旋線,見圖4.1。設(shè)計要求圖4-1圖4.1描述了標準設(shè)計螺旋線的設(shè)計過程,這個過程以大量的設(shè)計要求為基礎(chǔ),主要條款有以下幾點:最大載重:量所需艙容續(xù)航力巡航速度速度對時間的曲線圖設(shè)計余量和標準其主要步驟如下:步驟一:確定主尺度:步驟二:根據(jù)上一步的主尺度初步確定大致的船型,這里的船型應指從基線到主甲板之間的簡單二維輪廓。為確定船型必須在開始的迭代中估計滿載排水量,因為在設(shè)計螺旋線的后續(xù)設(shè)計中將會用到這個量。在這個階段中還會得到一些主要的值:(1)甲板數(shù);(2)船體的有效總?cè)萘亢兔繉蛹装宓挠行娣e:步驟三:阻力和耐波性的估算:步驟四:設(shè)計推進系統(tǒng),這個步驟包括推進器、動力傳送、主要原動力以及相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計,推進系統(tǒng)可以是機械推進也可以是電力推進,推進器要滿足最大試航速度的要求。步驟五:主要進行電力系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和艇裝的設(shè)計。步驟六:進行船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在這個步驟中,將估算局部載荷和總體載荷的大小,并利用材料的特性來確定結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸,以保證船體的強度和外板的撓度。根據(jù)構(gòu)件尺寸可估算船體結(jié)構(gòu)的重量步驟七:重量的估算。將船舶所有的主要系統(tǒng)和次要系統(tǒng)的重量疊加得空船重量,隨后,進行船體載荷的估算和黃加。步驟八:船體總布置。甲板面積和船體容量必須能夠支持船舶各系統(tǒng)和載荷,如果甲板面積和船體容量不滿足要求,則要進行主尺度的調(diào)整,直至滿足要求為止。步驟九:完整穩(wěn)性的估算。主要根據(jù)步驟二確定的船型估算復原力臂。步驟十:確定是否達到穩(wěn)定設(shè)計。判斷步驟二計算得到的滿載重量和步驟七的滿載重量是否相同,如果二者不同,就需要進行又一輪的迭代計算,通常需要進行的迭代次數(shù)不少于15次,當最后估算得到的滿載排水量與開始估算的滿載排水量相差在0.5%之內(nèi),迭代可結(jié)束。當建立了穩(wěn)定的設(shè)計之后,船舶在海上的運動、營運周期所需的費用等等都可以預計。2船舶設(shè)計的特點船舶設(shè)計過程中主要有以下幾個重要特點:多學科性在設(shè)計過程中涉及到結(jié)構(gòu)、船型、穩(wěn)定性、使命要求、水動力性能等問題,這些問題與多種學科有關(guān)。循環(huán)性考慮到設(shè)計的目的,在設(shè)計過程中必須預估船舶的性能。這樣,就需要一個不斷改進、不斷調(diào)整的過程。解決方案的多樣性對一個給定的設(shè)計問題往往有很多個解決方案,每一個方案都可能完成任務,而且在技術(shù)上和經(jīng)濟上都是可行的。目標的多樣性不能簡單地用一種方法來確定最佳設(shè)計方案的標準,在必要的時候,要根據(jù)不同的設(shè)計目標運用不同的方法。局限性如果一個設(shè)計方案是可行的,它必須滿足這樣的前提條件:a)能夠創(chuàng)造價值;b)解決方法能滿足使用要求。近似性實際上,建立或評估一個模型并不嚴格按照理論基礎(chǔ),更多的時候是依據(jù)以往的經(jīng)驗。而且,在特定的設(shè)計階段,各要素之間的關(guān)系是會發(fā)生變化的,所以近似性是不可避免的。4.3設(shè)計要求初步設(shè)計是船型、速度、載荷以及航程等的確定,當船東的要求,設(shè)計者的技術(shù)標準都得到滿足時,整個船舶設(shè)計過程可以說結(jié)束了。在每一個設(shè)計過程中船東的要求是不同的,隨之,設(shè)計者的設(shè)計方案也要發(fā)生變化。船舶必須滿足的設(shè)計要求有以下幾點:.必須要有足夠的浮力,即船的排水量要等于船的重量。.設(shè)計的船必須可建造,可操作,并且滿足經(jīng)濟性要求..具有足夠的穩(wěn)性,在最危險海況下不至于傾覆。.船體結(jié)構(gòu)必須具有一定的水密性。.有良好的航海性能,在波浪中能自由航行。.防火、防爆、防腐,有足夠的救生設(shè)備。.有良好的操縱性能和足夠的動力儲備。.在航行周期中,有充分的各種儲備。除此之外,像建造成本、營運成本、安全系數(shù)等也都應在考慮范圍之內(nèi)。.3.1貨船貨船作為運輸系統(tǒng)的組成部分扮演著比較單一的角色,船東的主要目標就是獲取利潤。船東往往根據(jù)對使用功能的要求來定義貨船。對普通的貨船而言,這種要求包括理想的航速、必要的載貨能力、持久的運作能力。設(shè)計者根據(jù)這些要求作出在經(jīng)濟上可行、能被船東所接受的設(shè)計方案。因為商船是以羸利為主要H的,所以在實際設(shè)計過程中必然要進行經(jīng)濟性的評估。對一個船廠而言,“經(jīng)濟”就意味著最低的資本投入。另外,船東買船和使用船都要在給定的條件下,所以對經(jīng)濟的評估,包括運作成本和建造成本。3.2軍船通常,軍船具有復雜的運行形式,并沒有明顯的經(jīng)濟方面的限制。軍船必須具有必要的戰(zhàn)斗力,所謂的戰(zhàn)斗力是指在最危險海況下,軍船所能避免或承受敵方的襲擊的能力。不能有效地避免或承受敵方的襲擊,將是軍船致命的弱點。3.3客船在現(xiàn)代客船設(shè)計中,乘客的需求和舒適是最主要的。所以,設(shè)計者將低振動、低噪音、良好的耐波性能和高標準的住宿條件作為設(shè)計的主要目標。4船舶設(shè)計的約束條件設(shè)計的約束條件是受運行環(huán)境的限制或按照各種船舶機構(gòu)的規(guī)定強加在設(shè)計過程中,這些條件設(shè)計者必須遵守。典型的約束條件有:橋下行駛的高度限制淺水中的吃水限制碼頭、斜臺、管道等的限制船級社的規(guī)定IMO約定國際規(guī)則和慣例5船舶設(shè)計過程船舶設(shè)計過程可總結(jié)為以下幾個階段:船東要求的確定概念設(shè)計階段初步設(shè)計階段合同設(shè)計階段詳細設(shè)計階段建造完工和試航圖4.2給出了船舶設(shè)計過程。圖4-2船舶設(shè)計過程5.1船東要求的確定船舶設(shè)計的第一步就是明確設(shè)計的目標。商船船東的主要目標就是獲取盡可能多的利潤。船東通過市場調(diào)查,確定經(jīng)營的方式以及每年通過固定的航線運送貨物的數(shù)量。通常,船東可以選擇一艘大船或多艘小船來運貨,所以需要進行一系列經(jīng)濟論證來確定最佳方案。在商船的可行性研究中通常需要考慮的有:交易的形式確定設(shè)計是否滿足使用的要求,這些使用要求包括船可以??吭诤骄€中的任一碼頭,可以載運要求的貨物的數(shù)量和種類,能提供一定的舒適環(huán)境。航速船舶必須保證具一定的速度。船舶主尺度確定船的主尺度的航i應考慮到船能自由進出碼頭,有足夠的載貨容量。船型和排水量總布置主機的選擇應選擇效率最高、最可靠的推進設(shè)備。船體艄裝判斷不同的傳動裝置、支撐設(shè)備的重量和價格等是否符合要求。載貨能力和登記噸位相反,軍船的主要目的是為政府提供城懾力,加強軍事力量,以防潛在的敵人的襲擊。軍船的防御能力和進攻能力依賴于諸多因素,比如速度、探測設(shè)備、探測的范圍、導彈發(fā)射的準確率、人員的工作效率、對危險的預知能力等等,而且這些因素受氣候、地理、海洋狀況等的影響。所以,在各種特定的操作環(huán)境下,這些因素必須進行綜合考慮。設(shè)計文件主要用來明確船舶的使用功能,確定船東的要求和指導設(shè)計者進行更為有效地設(shè)計。它包括的內(nèi)容有:(1)船舶的用途或使命;(2)船舶性能的度量方法;(3)船東的設(shè)計要求;(4)設(shè)計的約束條件。船舶的用途或使命船舶的用途或使命經(jīng)??梢杂靡痪湓捇蛞欢卧拋砻枋?。比如,對客船而言,它的使命要求可以陳述如下:“在兩個港口之間,快速、安全、舒適地載送乘客并創(chuàng)造最大利潤?!边@種描述是簡單而又實在的,它在強調(diào)速度、安全、舒適的同時,并沒有忽略經(jīng)濟效益。像這樣的對船舶用途和使命的明確化,可以幫助設(shè)計者在設(shè)計過程中始終圍繞一個重點,得到最理想的解決方案。船舶性能的度量方法這部分的內(nèi)容是將船舶的用途或使命用數(shù)學公式來表述。船舶性能的度量方法是用一個公式來計算一個特殊量,從而來判定設(shè)計方案的優(yōu)劣。船舶性能的度量方法要根據(jù)船型而定。貨船通常用一個目標函數(shù)作為船舶性能的度量方法,運費率(RFR)就是比較常用的一個目標函數(shù)。sAACY+CR(i,n)xPKrK= = C C式中:C——每年的載貨量Y——每年的花費P——投資額CR——主要恢復因素船東的設(shè)計要求多數(shù)船東會指明成本、航速、航程以及居住性的一些要求。有效載荷貨物的載重量、集裝箱、系統(tǒng)、武器、探測裝置等。航程在特定速度下的持久力。速度在給定功率下的速度。特殊性質(zhì)比如起重能力、卸載能力。耐波性在特定的海況下,安全行駛。法規(guī)/規(guī)則如船級社的規(guī)定、法規(guī)、海上人命安全公約等等。設(shè)計的約束條件同4.4所述。5.2概念設(shè)計階段概念設(shè)計是將船舶的使命要求轉(zhuǎn)化為建造學和工程學上的需要。在這個階段的開始,設(shè)計者通過協(xié)調(diào)使用方面和成本方面的矛盾,尋求多種能夠滿足船東要求的方法。當船舶用于海匕交易時,概念設(shè)計包括不同種可行性運輸方案的研究和它們的經(jīng)濟性的評估;當船舶用于軍事活動時,概念設(shè)計應包括為達到要求的防御能力和攻擊能力進行的方案選擇,以及各種方案的成本和效率的估計。概念設(shè)計是以廣泛的調(diào)查為基礎(chǔ)的,為以后的各種設(shè)計提供幾種可行性方案。在概念調(diào)查中,設(shè)計小組往往會提出很多概念,比如新的船型,新的設(shè)備。在這個階段中,主尺度、總布置、主要重量、動力裝置都將大致確定。不管建造什么樣的船,在概念設(shè)計中造船師都必須明確設(shè)計要求的矛盾是不可避免的,必須分清主次關(guān)系,將重要的放在考慮的首要位置。在設(shè)計過程中以下幾點原則須遵守。在解決各因素之間存在的矛盾時,不能忽視船舶的主要功能。必須重視各要求之間的矛盾的不可避免性。重要的要求必須放在首要位置。設(shè)計中必須考慮穩(wěn)性和縱傾。船員和乘客的舒適也要優(yōu)先被考慮。相聯(lián)系的因素可以同時考慮。相抵觸的因素應分別考慮。.5.3初步設(shè)計階段初步設(shè)計的步驟如下:1、完成船體形狀的定義。2、形成比較詳細的結(jié)構(gòu)說明。3、確定內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布置。4、水動力性能和穩(wěn)定性要求的確定。5、對阻力、動力和船舶的性能進行重估。6、計算各項重量以確定準確的吃水,從而平衡船舶。7、計算各項成本。5.4合同設(shè)計階段初步設(shè)計是設(shè)計船舶的話,那么合同設(shè)計就是設(shè)計合同。合同設(shè)計的目標就是設(shè)計一系列的投標文件。合同設(shè)計包包含建造者進行投標所需的各種信息。典型的合同設(shè)計包應包括:總布置圖結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)的詳細資料推進裝置的布置,主機的選擇推進器的選擇發(fā)電機的選擇電力線路的圖表管路系統(tǒng)防火系統(tǒng)示意圖燃料系統(tǒng)示意圖通道設(shè)置清單涂裝系統(tǒng)進度表這些資料通常需要大量的圖表(根據(jù)船型的不同從40頁到200頁不等)和書面材料(一般情況下需要200頁)。5.5詳細設(shè)計階段在詳細設(shè)計階段,每一項必要的細節(jié)設(shè)計都已完工,隨之,材料的定購工作和船舶的建造工作都將開始。詳細設(shè)計小組的成員不一定都是參加概念設(shè)計和初步設(shè)計的成員。詳細設(shè)計的任務包括在建造過程中對船的重量的監(jiān)控,根據(jù)已得的數(shù)據(jù)計算穩(wěn)性以及對結(jié)構(gòu)和焊接技術(shù)的描述等等。詳細設(shè)計應使整個設(shè)計是可交付使用的,應包含圖表、模型和說明書??山桓妒褂玫脑敿氃O(shè)計具體包含的內(nèi)容有:型線圖,車間分布圖三維視圖總布置圖結(jié)構(gòu)圖甲板平面圖機械設(shè)備及其布置系統(tǒng)圖表說明書
設(shè)計實例主尺度主尺度這里將以復雜的現(xiàn)代艦船——美國最新的51導彈驅(qū)逐艦作為船舶整體設(shè)計的第一個例子。第一艘這種型號的導彈驅(qū)逐艦造價10億美元。美國海軍海上系統(tǒng)指揮部將該船設(shè)計過程分為四個階段:設(shè)計階段工時(小時)可行性或概念設(shè)計40-80初步設(shè)計300-2000合同設(shè)計3000-20,0008400LT30+KTS船長 506FT 8400LT30+KTS船寬 66FT 航速居住性 341
圖4-3美國51導彈驅(qū)逐艦應用現(xiàn)代造船理念,從簽訂合同到交船,一艘商船需要一年多的時間;而51導彈驅(qū)逐艦卻要用八年的時間準備前期工作及五年的時間進行建造和試驗。船舶設(shè)計過程中每年需要2000人,繪制2000張圖紙;裝配每年也需要2000人。商船設(shè)計比較簡單是因為船舶本身簡單?,F(xiàn)舉一例子與51導彈驅(qū)逐艦相比較,美國海軍在1984年末與海灣造船廠簽訂了三艘700箱集裝箱船的合同,總造價為180,000,000美元,這幾艘船長為216.4m,排水量為33500t。在二戰(zhàn)期間,它們創(chuàng)造了最短的建造期,1985年7月,開始鋪設(shè)第一塊平板龍骨,1987年4月、6月和10月,三艘船相繼交船。船舶設(shè)計方法船舶設(shè)計方法有很多種。傳統(tǒng)的做法是,設(shè)計者依據(jù)自己的經(jīng)驗和母型船的相關(guān)數(shù)據(jù)進行設(shè)計,只要母型船的設(shè)計達到最佳或接近最佳,那么,這種設(shè)計方法通常都能滿足經(jīng)濟性的要求。下面將簡要介紹幾種設(shè)計方法。4.7.1母型船設(shè)計方法這種設(shè)計方法以一種非常相似的船型為基礎(chǔ),選擇的船被稱之為母型船。在滿足設(shè)計要求的前提下,設(shè)計船的性能和母型船非常接近。如果設(shè)計者有比較滿意的母型船,且其他因素相差不大,那么這種方法是可靠的、快速的。如果設(shè)計船的使用要求與母型船有很大的不同,那么采用這種方法就不合適了。所以這種船舶不大適用于現(xiàn)代船舶。4.7.2曲面設(shè)計方法
如果設(shè)計者在最開始只能從船東的耍求中確定船舶的基本類型和最終設(shè)計要達到的效果。那么,為了得到一系列的船舶主要尺寸,就必須依賴已交付使用的船舶的具體資料。這種方法的優(yōu)點是不單純地依賴于一艘母型船,而是從一系列的船舶中得出平均值。所以,這種方法必須依賴相關(guān)的但不完全適用的以往設(shè)計,所以這種設(shè)計是安全的、常規(guī)的,但后續(xù)的一些性能有可能不滿足設(shè)計要求。4.7.3循環(huán)設(shè)計方法初步設(shè)計中,典型的循環(huán)方法如圖4.4所示。圖4-4初步設(shè)計中的典型循環(huán)設(shè)計方法這種方法的主要步驟如下:
運用經(jīng)驗公式計算排水量,計算公式如下:DWT0.750DWTA~DWT+300運用經(jīng)驗公式計算主尺度,計算公式如下:L=4.09871—^—|DIV7,I/3+31.8588,+4.2797=0.4524x8—0.9788運用經(jīng)驗公式估計船型系數(shù),計算公式如下:CB=1.00—0.774工Cm=0.9+0.1CflCP=0.95g+0.05船舶的總重量必須等于設(shè)計排水量△= +DWTOWT=DWTc+Wf+Wl+卬鵬+Wmurkum上式中的各重量項可用下面的經(jīng)驗公式計算:Ws=CSN1+|(CB-0.70)Jl+0.4^-+0.25^-+...式中:Cs=[0.210-0.026LogN:1+0.025借-12)%=12MCR0.84RPM%=12MCR0.84RPMMCR\kW],RPM[dev/dak]船舶的初穩(wěn)性必須滿足:船舶的初穩(wěn)性必須滿足:GM=KB+BM-KG式中:KBKBBM=—^(0.0727^+0.0106)TCBKG=0.65D用經(jīng)驗公式確定動力要求:Pe=5RT=Ry+Rr=R尸(l+k)+RwRf=-CfPSV2_ 0.075F~(Logi(]R,.-2)2z\1.06806zx0.46106/x0.121563z,\0.364861+M=0.93+0.487118仁) 后J 憐J (1-CP^0-6042477.3.1高級水面艦船評估工具高級水面艦船評估工具(ASSET)是對美國軍用水面艦船進行探測性和可行性設(shè)計的計算機軟件,ASSET的主要目的是根據(jù)艦船的使命要求在早期預估船舶的各項性能,并提高后續(xù)的設(shè)計和技術(shù)的準確度。a)輸入主要的輸入有:縱剖面圖有效載荷人員配備要求1、縱剖面圖ASSET假定在使用該軟件之前,造船師已經(jīng)有設(shè)計船的簡單縱剖面圖,根據(jù)縱剖面圖可以估算船的垂線間長,在很多船舶設(shè)計過程中,最小船長受干舷和上層建筑限制。縱剖面圖中必須指出機艙的數(shù)量和類型、機艙的布置位置以及相連機艙之間要求的距離,還需要指出甲板室的數(shù)量以及為布置甲板室的舷伸甲板的長度。當通過ASSET設(shè)計時,可能會證實上面的估算值的不準確和不理想,但是,由于影響設(shè)計的因素很多,對上面的估算值的調(diào)整往往山設(shè)計者來進行,而不是通過程序來調(diào)整。2、有效載荷應用ASSET時必須輸入與有效載荷有關(guān)的數(shù)據(jù),如自重、容量、電力負荷、監(jiān)視系統(tǒng)、軍備、可消耗重量等等。3、人員配備對特定的船舶設(shè)計,ASSET沒有設(shè)置人員配備的功能,通過MANNINGARRAY功能可進行粗略的人員配備。但是,人員配備是造船成本的重要組成部分,必須對人員配備進行比較合理的安排。b)船體幾何形狀船體幾何形狀模塊的功能是確定或修改船體線型,并估計船體性能。典型的船體幾何形狀模塊創(chuàng)建步驟如下:輸入型值利用Fastship生成船體型線根據(jù)邊界條件生成船體(船體邊界條件是根據(jù)典型水面艦船得到的)通過船體幾何形狀模塊計算可以得到:橫剖面型線圖船體縱向等容視圖船體輪廓和露天甲板平面視圖設(shè)計水線平面視圖橫剖面面積曲線同時,船體幾何形狀模塊還可以輸出以下數(shù)據(jù):船體主尺度
型線值?邊界條件限界線?橫剖面面積曲線garr,Me??wsnoii.t.snuwntit-
wrirmwxarma?canarmm:sma?vt*U.BFMTV2T?kArtMTM-?IBMtt??(3.Wb(M*3、mwt-8nlmiurn?■ ”31M1FrMfMTun-?maua.?RAt>ei*.t3r.AMaua?.14u.tt,孫 N.WrtmrtFMtlNMWinMi*?*>a?,t?.? m.M£*,(mLOK.■ tTF.lt3IKTSOICW.(07?—,mWMl?yrrw??"?.■ w.tjLCT/ieroes.■ *.>9m,sr?9Ms??n.■ .)?M?nm9.■ u.h?GT>3.1.00Q??ia>TA?.■■AlMlt?UX*T.? .QB9T,BEie4?*?rs>?nr?,ein,9rAatmst*zb,■ ?o.mm:s>am4FT?n.STArunouo,tn>,a 4.m?amm.>i>rc.tmn IR4.XSMB.■ 4,*AMAMA*.■■awlauiunmub?TWILEWA<HIMUSHIn.a>.<n圖4-8船體兒何形狀輸出報告b)流體靜力學模塊這個模塊將確定船舶的流體靜力學性能,結(jié)果將顯示六個幾何圖和七個數(shù)據(jù)報告。A3XET.>mMD3r?ITWIOH4J0-WTOncaTKTICAMALT313-tJ1/A3XET.>mMD3r?ITWIOH4J0-WTOncaTKTICAMALT313-tJ1/、?:0I?]IK.A?Ni>1IfJLLQOCFTHIBT,OFfCWIXB1MI4-YEKTfS1X1B圖4-9流體靜力學模塊輸出b)船體分艙模塊這個模塊將定義內(nèi)甲板、內(nèi)底、橫艙壁和縱艙壁的位置,同時也計算各艙可利用的面積和容積。該模塊將顯示甲板平面視圖和縱剖面圖,同時顯示八個數(shù)據(jù)報告。vt?FT'?-wn?vt—rp,IB- -,-<?nr- >:,,”vt?FT'?-wn?vt—rp,IB- -,-<?nr- >:,,”k,?i.r?2,■HPTISTI10.I7VTMvwm.n?WUU.■)3(AMUbCt bernK??rnrrtrin*.mI.4.?J?wtaLirrvrt.mML.■>nu.setaremt.b22.18*??45.X”-13.g?a”,.NWIt”圖4-10船體分艙模塊的輸出c)甲板室模塊這個模塊將建立船舶的上層建筑,計算出甲板室的體積、可用面積和結(jié)構(gòu)重量。該模塊將顯示兩個幾何圖和三個數(shù)據(jù)報告。**0171(mk?tb>.t-?K?aee3>SU?r?Ui?Hot**0171(mk?tb>.t-?K?aee3>SU?r?Ui?HotM-4XUIM>tsasubm-ta*,a>tb?.?■?ft?taKRm?m?'muu***■?waki,?ji?'m,a,souu>m?arm.k ur<.iit.HMH9u>UltMtu* ?a.:iOVTd?1*,I?1AMU.1 .11Mttf3??!?MO.a.M.ll?<nRt>*CW??(0*4M??V,?!>e?ntiatetR.??????,、<?>ni??>a??rmT.■>a>antuk?<nRt>*CW??(0*4M??V,?!>e?ntiatetR.??????,、<?>ni??>a??rmT.■>a>antukcrrwr.>hmb?i(?tncrr?f.aML,, tMM ?M3?4CTAtL,■> ?X.,?t.z tww V%m. m im.u11.Mmv ntcvT. ara* ?.?MM K4,I ?.l>圖4Tl甲板室模塊的輸出d)船體結(jié)構(gòu)模塊這個模塊將確定中剖面的結(jié)構(gòu)尺寸和主要構(gòu)件的重量,會顯示兩個幾何平面圖和十五個數(shù)據(jù)報告。AM/mm貫毀隈短而丫既"超潞噓,4小小00C「一口」力itfl'圖4-12船體結(jié)構(gòu)模塊輸出e)附體模塊該模塊用來確定附體的幾何特征、排水量和浮力,會顯示三個幾何平面圖和兩個數(shù)據(jù)報告。圖4T3附體模塊的輸出f)阻力模塊這個模塊用來計算船體的阻力,結(jié)果會顯示兩個幾何平面圖和四個數(shù)據(jù)報告。圖4-14阻力模塊的輸出g)螺旋槳模塊確定螺旋槳的主要尺寸和性能,結(jié)果會顯示兩個幾何平面圖和四個數(shù)據(jù)報告。h)機械模塊這個模塊用來確定推進器和電力裝置的實用性能、重量、尺寸和空間要求,結(jié)果會顯示五個幾何平面圖和二十個數(shù)據(jù)報告。4.7.4參數(shù)法在設(shè)計工作中,設(shè)計者始終要把握幾個目標,比如滿足要求的最小主尺度、最小動力、最少的材料消耗和最低的建造成本。但是,船東或使用者最感興趣的是:以最低的成本創(chuàng)造最大的工作效率。很顯然,上述各參數(shù)之間會存在一定的矛盾性,為了做出最后的選擇,往往需要進行綜合考慮。通常通過參數(shù)調(diào)查來確定。這個調(diào)查實際上是對已經(jīng)投入使用的船舶的主尺度和船型的優(yōu)點的結(jié)合。船舶設(shè)計中主尺度受很多因素限制,比如,船長受碼頭限制,吃水受港口的限制。為適應這些約束條件,參數(shù)調(diào)查還包括開發(fā)新的船型和設(shè)計新的主尺度,以滿足特定的標準。現(xiàn)代計算機技術(shù)和計算機輔助設(shè)計技術(shù)都允許同時使用兩種或兩種以上不同的設(shè)計方法,但遺憾的是這些方法之間的區(qū)別不是很明確。墨菲于1965年開發(fā)了一個程序,在這個程序中,船舶的主尺度和船型系數(shù)對船的大小和造價的影響隨所選參數(shù)的不同而變化。用戶等量地選擇四組所給變量的值,這里的變量指的是:排水量、棱形系數(shù)、寬度吃水比、速長比和中橫剖面系數(shù)。該程序的計算方法就是利用這些變量和船東想要的航速和續(xù)航力,計算出不同主尺度和船型系數(shù)的組合所需的成本。根據(jù)計算的數(shù)據(jù),繪制曲線,并結(jié)合約束條件,得到能夠同時滿足所有要求的設(shè)計方案。這個程序能夠給出所要求的低成本高效率的船舶的主尺度、船型系數(shù)和特性。該程序依賴于大量的實際經(jīng)驗。易姆茲和杰姆德開發(fā)了“探索性概念模型”程序,用于小型軍艦的設(shè)計,并嘗試應用于概念設(shè)計階段,“探索性概念模型”的目標是找出能夠達到預定的承載能力、速度和航程的最小尺寸船,為滿足快速探索的要求,這個模型更注重相對量,而不是絕對量。實際上,船舶設(shè)計中,很多變量都是受條件限制的,在該模型中只把主尺度視為獨立的變量。i?tahl”MOK1mIX%飛rz佃aUaMuozDM61waKI日X£1V91ASI831rinOzi"3ii0!?J6AKasi£a9j$it8f1fl/T1=1/SHO.>R"'3^duus?M\]、K|7”6?1?wapw*f\Hgri)l(a<n,(ari)Han)HS,-I)tan)ari>V8rI>1ai)r(jys)i.h>?ua)30w,31G32Cm33CoUCL3sG36Ci37Cr39G*40Cikk4iCroni42Gao丫UCmai、4434SP46CA47YMdwt49RFR7.4最佳設(shè)計法在船舶設(shè)計過程中,引入計算機的應用之后,很正常的就是要尋求在技術(shù)允許條件下的最佳設(shè)計方法。在自動化的最佳設(shè)計中,最主要的就是利用計算機編碼來排除設(shè)計者的干涉,也就是說,只要設(shè)計概念、設(shè)計約束條件和最佳目標已經(jīng)確定,并且這些量可以用定量的形式給出,那么,設(shè)計過程以等量的數(shù)學程序的形式重新進行是可能的。對設(shè)計過程進行編程需要一個目標函數(shù)。這個目標函數(shù)必須能給出所選的設(shè)計方法的大量數(shù)據(jù),像對設(shè)計有很大影響的約束條件一定要指明。另外,用來描述設(shè)計變量和用于定義船舶特性的參數(shù)之間的關(guān)系所采用的方法也要給出。不少人將運費率作為目標函數(shù)。它的定義是這樣的:每噸貨需要的使用和其他主要成本。60年代以來,已經(jīng)形成了幾種自動化的船舶最佳設(shè)計方法。然而,最佳設(shè)計方法依賴于昂貴的成本,所以它的應用很受限制,僅限于有嚴格限制的船型和有大量已造船舶的數(shù)據(jù)和圖表可參考的船舶。例如,1966年,馬德爾和利奧波德開發(fā)了一種最佳設(shè)計法,該法以所造的低成本高效益的船的主尺寸和排水量已知為基礎(chǔ),并且假定由用戶給出重量、容量、航速和續(xù)航力。所選的最佳方法的標準有三部分組成,第一部分是成本最低,第二部分達到要求的承載能力,第三部分是達到要求的容量。已經(jīng)被采用的最佳設(shè)計方法存在著這樣的問題:船舶的主要參數(shù),像船長、方型系數(shù)會發(fā)生變化,沿設(shè)計螺旋線的迭代會產(chǎn)生錯誤的結(jié)果;或者會系統(tǒng)地產(chǎn)生大量的相似船舶,具有一系列的排水量、長寬比、寬度吃水比、傅汝德數(shù)和棱形系數(shù),需要進行選擇。在最佳設(shè)計方法中,船舶性能的預報是以以往收集的數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析、通過船模試驗繪制的圖表,相似船舶的性能為基礎(chǔ)的,所以,任何由計算機確定的結(jié)果的正確性也依賴于經(jīng)驗關(guān)系、一定的前提條件和輸入的原始數(shù)據(jù)。這些缺陷迫使一些設(shè)計者想方設(shè)法通過計算機軟件進行自動循環(huán),從大量的變量中篩選出最佳結(jié)果。事實上,這是很難的,因為計算量隨著獨立變量的增加而急速增加,要定義一個最佳公式非常復雜,它包含經(jīng)濟、數(shù)學和工程方面的知識。理論上,給定最佳公式是可以得到唯一的最終結(jié)果,但實際上非常困難,近乎于不可能,主要的問題是:.所謂的最佳公式可能會遺漏一些重要的量。.為找到最佳公式必須將無窮多個設(shè)計變量減少到有限的幾個。.不同的設(shè)計者往往會得出不同的公式。.因為等式是非線性的,所以必須用探索性的研究方法來求解。.在計算過程中會產(chǎn)生多個錯誤的最佳值。7.5專門的系統(tǒng)設(shè)計方法近期,計算機在船舶設(shè)計方面的新應用是專門的系統(tǒng)設(shè)計方法。一個專門的系統(tǒng)是構(gòu)建在對某個特定領(lǐng)域的知識有一定的掌握的基礎(chǔ)之上的。這種方法的關(guān)鍵是在特定的領(lǐng)域或感興趣的范圍之內(nèi),集中于對復雜問題有突出貢獻的計算機系統(tǒng)的研究。也就是說,要扮演''專家”的角色,這個專門系統(tǒng)應像人類專家一樣,有豐富的知識,并能自如地運用他的知識與別人交流以解決具體的問題,并能給予一定的建議,就像一個顧問。與普通的軟件相比較,專門系統(tǒng)的優(yōu)點是它的基礎(chǔ)構(gòu)架可以由有關(guān)專家或系統(tǒng)本身自由添加。但這些基礎(chǔ)構(gòu)架只能解決某個特定領(lǐng)域的問題。專門系統(tǒng)的應用還未完善,所以在此有必要澄清一些問題。.知識的啟發(fā)是不容易的,因為人類專家喜歡用啟發(fā)式的、類推的、直覺的方法解決問題,這些方法很難成文。.知識構(gòu)架的發(fā)展是一個長期的而又困難的過程,尤其是在船舶的總體設(shè)計中。.從定義上來看,專門系統(tǒng)的設(shè)計和有經(jīng)驗的設(shè)計者的設(shè)計很像。.有些設(shè)計必須要由人工來完成。.用專門系統(tǒng)解決問題時存在的不確定性很難讓人滿意。據(jù)報道,在海軍領(lǐng)域有幾個應用專門系統(tǒng)的例子,如:MacCallum和Martins(1985),Schmidt和Curran(1989),Welshetal.(1989),這些應用相對而言還是成功的。.8計算機輔助船舶設(shè)計的必要性盡管遠洋船的設(shè)計和建造已有相當長的一段歷史,但是就在近幾十年船舶設(shè)計技術(shù)才取得令人矚目的進步。其中,最顯著的變化就是計算機技術(shù)的廣泛應用。計算機不僅應用于設(shè)計和分析,還應用于設(shè)計過程中對建造和使用的綜合考慮。計算機在船舶建造中的早期應用是進行常規(guī)的、冗長的但又是系統(tǒng)的計算。現(xiàn)在,計算機在船舶設(shè)計中的明顯進步是從對已存在的水動力學技術(shù)的應用發(fā)展成為評估船體性能的方法和工具。這些方法和工具也用于設(shè)計過程中的復雜計算?,F(xiàn)將計算機輔助船舶設(shè)計的必要性總結(jié)如下:競爭的激烈性:激烈的國際競爭促使船舶的設(shè)計和建造要在更加嚴格和更加苛求的條件下進行,這也就暗示著在給定要求和約束條件下,設(shè)計者必須尋找最佳方案,這樣才能設(shè)計和建造出最好的船。選定的標準不同,最好的船的衡量標準也不一樣,基于此,設(shè)計者會根據(jù)“最快的”,或者“最輕的”,或者“最便宜的”來設(shè)計最好的船。但是,不管怎樣,在設(shè)計過程中必然存在大量的計算,這些計算是無法用手工計算來完成的,所以必須求助于計算機。各設(shè)計階段的干擾性:船舶設(shè)計的各個階段是相互干擾的,在完成合適的設(shè)計之前,包含有大量的試驗和修改。設(shè)計過程中還包括決策和大量數(shù)據(jù)的處理,如果用手工的方法,設(shè)計者沒有足夠的時間去檢查各個環(huán)節(jié)。既然設(shè)計過程中的計算是冗長而又耗時的,那么利用準確而又快速的計算機就比較明智了。設(shè)計和建造的連接:造船利潤的增加通常和設(shè)計與建造過程的合理連接密切相關(guān),也就是說,當引進一種設(shè)計方法時,需要把它和建造聯(lián)系起來。聯(lián)系兩者的一種比較有效的方法是估算特定部分的造價,以便從經(jīng)濟的角度來選擇設(shè)計方案。實際上,這項任務相當艱巨的,需要大量的人力,當然,比較理想的就是應用計算機系統(tǒng)。數(shù)控機器的應用:在船舶建造的裝配階段,若操作錯誤或構(gòu)件產(chǎn)生變形都會導致零部件之間的裝配出現(xiàn)偏差,這樣勢必延誤工期,增加建造成本。一般地,如果應用數(shù)控機器,裝配工作中的準確率將大大提高。但是,這些機器的應用必須依賴于計算機的控制。大量的計算:在設(shè)計過程中要處理大量的數(shù)據(jù),必須借助計算機才能完成。不僅需要檢驗這些數(shù)據(jù)的準確性,還要考慮它們的經(jīng)濟性。比如,在一艘大型油輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,需要對不同位置的應力進行計算,這就需要計算機來計算,比如有限元分析方法。人力的短缺:造船和船舶工業(yè)在重要的部門面臨著人力的短缺,比如制圖部門和生產(chǎn)控制部門,這個問題的唯?解決方法就是利用計算機,這樣就可以把常規(guī)和繁瑣的工作交給計算機,人力去處理更有挑戰(zhàn)性的任務,這些任務往往需要經(jīng)驗和有效的決策。計劃和管理控制:任何工業(yè)的成功都離不開周密的計劃和組織,造船也不例外。但是,達到更有效的計劃和管理控制水平,需要大量的數(shù)據(jù)以及使用這些數(shù)據(jù)的方法,鑒于問題的繁瑣性,需要利用計算機來解決。計算的準確性:在設(shè)計中引進計算機的一個優(yōu)點就是減少了近似公式的應用,當有足夠的經(jīng)過調(diào)試的子程序時,設(shè)計者就可以利用它們進行反復地計算,找出合適的參數(shù)值,而不需要利用經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式進行計算。4.9計算機在船舶設(shè)計中的應用50年代后期,在船舶設(shè)計中,計算機主要用于常規(guī)的計算,比如流體靜力學和初穩(wěn)性的計算。在那個時候,用計算機的主要目的是進行算術(shù)計算,而且計算步驟和傳統(tǒng)的人工計算方法幾乎一樣。對計算機充分的利用是船舶設(shè)計軟件包的開發(fā)。在這個軟件應用中,設(shè)計的決策權(quán)仍掌握在設(shè)計者的手里,而其他工作則由計算機自動處理。最近采用的CASD系統(tǒng)的設(shè)計圖示見圖4.1,根據(jù)這個圖示,一系列應用程序以中央數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)進行工作,每一個應用程序解決一個已定義好的、獨立的子問題,當設(shè)計方案被保存時,所有相關(guān)信息自動產(chǎn)生。計算機在船舶設(shè)計中的應用可分為三類:用于常規(guī)計算的獨立程序,典型的計算例子有流體靜力學、初穩(wěn)性、破損穩(wěn)性、下水、縱傾、進水以及靜水彎矩等等?;诟呒壖夹g(shù)、用來解決特定問題的獨立程序,典型的例子有船體繞流、結(jié)構(gòu)分析、線型光順、運動預報等問題。用于解決主要剖面設(shè)計的綜合設(shè)計系統(tǒng)。課后作業(yè)設(shè)計一艘載運100噸淡水的方形駁船。在建造中采用的鋼板均為20mm厚,設(shè)計的目標是使成本最低,駁船還應滿足下式的初穩(wěn)性的要求:GM>=0.05B試確定方形駁船的最佳尺寸,包括船長、船寬、吃水和型深。CAD基礎(chǔ)數(shù)字式數(shù)據(jù)任何數(shù)字格式的信息都能被稱作數(shù)據(jù)。換句話說,數(shù)字式可以表述為:“可以被電腦管理和操作的信息”。從而提煉出來的數(shù)字式數(shù)據(jù)管理的概念就是:文件:數(shù)字信息的“容器”目錄:將文件夾分等級從而將文件以合理的順序組織起來任何時候我們處理這種數(shù)字信息的時候,會發(fā)現(xiàn)這種信息存在不同格式的數(shù)據(jù)類型,并且這樣的數(shù)據(jù)類型很難互相轉(zhuǎn)換。這也就意味著在實際操作中我們只能設(shè)計能處理指定類型數(shù)據(jù)的電腦程序。最常用的數(shù)據(jù)格式或數(shù)據(jù)形式有:包含文字與數(shù)字的信息-即能用字母(abcAB),數(shù)字(0123)和特殊字符(+-/*&)來描述的信息圖像信息?矢量圖-以直線為基礎(chǔ)的圖形,CAD是具代表性的一種,其基本元素是“矢量線”(一條帶箭頭的直線)?影像圖-以像素為基礎(chǔ)的圖形,比如精細的圖像,其基本元素是“像素”,以圖像為其基本實體?其它形式的數(shù)字信息-如音樂等digital這個詞最早起源于拉丁文字digits,最初的意義是手指,更多的被人們理解為數(shù)字,能用數(shù)字來描述的東西就是數(shù)字式的。人類往往習慣于十進制的數(shù)字系統(tǒng),而計算機則是基于二進制的數(shù)字系統(tǒng),二進制的系統(tǒng)只有兩個數(shù)字:0和1。5.2CAD概念CAD(計算機輔助設(shè)計)在繪圖及設(shè)計包括工程科學領(lǐng)域已經(jīng)成為一個最主要的專業(yè)數(shù)字式工具。如今,CAD廣泛應用于生產(chǎn)生活中的各個領(lǐng)域,CAD這個縮寫詞普遍為人們所認識。在實際操作當中,CAD包含眾多“替代概念”,其中最常用的幾個在這里簡要的說明一下:IT(信息技術(shù))-作為90年代最常用的概念在計算,計算機,軟件以及近來的數(shù)字通訊中均有描述CAE(計算機輔助教育)-是一個稍老的概念覆蓋了各種基于計算機工程設(shè)計軟件。CIM(計算機綜合制造業(yè))和CAM(計算機輔助制造業(yè))-經(jīng)常被用于當原料尤其是在數(shù)字式機器幫助下集中到制造及加工的過程中。?NC-tools(數(shù)字控制工具)-例如在計算機輔助制造業(yè)中占主要地位的數(shù)字機器人。?CAD/CAM-著重被用于從產(chǎn)品設(shè)計到產(chǎn)品制造過程當中的直線數(shù)字式數(shù)據(jù)傳輸。CAD(計算機輔助設(shè)計)現(xiàn)如今已經(jīng)成為一個中性的且應用相當廣泛的縮寫,包含了從一般的“設(shè)計者的數(shù)字工具箱”到應用于工程中的電腦繪圖的主要工具。?CAD-system-覆蓋了包括工作站(硬件)和軟件的整個結(jié)構(gòu),CAD-workstation-包含了所有的應用于軟件工作的硬件設(shè)施組成部分。,CAD-application-是由圖形軟件包發(fā)展而來的一個可靠的應用軟件區(qū)域2D-CAD-表示用CAD系統(tǒng)進行繪制(最終產(chǎn)物是CAD圖)3D-CAD-表示用CAD系統(tǒng)建立三維幾何模型(CAD模型)術(shù)語"CAD模型”的意義有時會被混淆,通常一個CAD模型表示的是一個CAD文件,這個CAD文件所包含的可以僅僅是繪圖材料,也可以是一個三維模型。CADD(計算機輔助設(shè)計和制圖)是一個比較初級的縮寫僅僅描述用CAD制圖CAAD(建筑類計算機輔助設(shè)計)描述的是用于建筑類的CADCASD(船舶計算機輔助設(shè)計)描述的適用于船舶類的CAD3設(shè)計、制圖和建模設(shè)計是又一個常用的概念,經(jīng)常用來描述創(chuàng)造性的工作,也就是說設(shè)計或發(fā)明一些新的東西(創(chuàng)造的本質(zhì)當然是另外一個話題)。設(shè)計的一個重要特征就是它可以用現(xiàn)在不存在的非實質(zhì)性的但是可以被進行的計劃來描述未來的工作。在工程特別是有關(guān)建筑方面的領(lǐng)域,設(shè)計經(jīng)常包含一種強烈的用圖形信息工作的意味,即繪圖。設(shè)計的本質(zhì)是用繪圖來實現(xiàn)的,兩者的概念不能被分開理解,因此,繪圖可以被描述為:“一件創(chuàng)造性設(shè)計的工具工建模在CAD里被理解為建立空間三維幾何物體用于操作。CAD操作過程準確地說常常是幾何建模的過程,然而建模如果跟設(shè)計結(jié)合在一起就能更好的被理解,它是設(shè)計過程中虛構(gòu)的,不存在的目標或?qū)ο?。不同性質(zhì)的模型除了幾何模型之外,還有物理模型,功能和步驟的模型,數(shù)學模型(用于描述氣候變化)。4CAD應用軟件結(jié)構(gòu)CAD軟件常常是復雜和巨大的,由很多很多源程序和替代程序組成,位于一個詳細而精確的文件結(jié)構(gòu)當中。它也通常需要巧妙的設(shè)置來使一個CAD系統(tǒng)工作。一個完整的CAD系統(tǒng)通常由兩部分組成:?常規(guī)和基本部分-(如基本的繪圖程序等)可以在商店購買?應用軟件部分的詳細特性-(程序的特點,數(shù)據(jù)庫等等)這部分實際上是軟件的核心,常常被稱為第三類軟件。例如,AutoCAD實質(zhì)上是“公共CAD平臺”的一種,眾多的工程應用軟件在它的基礎(chǔ)上編寫,它包含了軟件區(qū)域的詳細信息,以及運用所需的最基礎(chǔ)部分。一般說來,初學者在運用CAD進行設(shè)計時只是用到了它的基本部分,而高級CAD用戶經(jīng)常會充分熟練運用CAD本身自帶的軟件(如創(chuàng)立符號,設(shè)計規(guī)劃等等),從而能使CAD更高效的工作,成為一個“私人工具”。CAD應用軟件也需要日常的維護來保證其正常運行。相對于普通的字處理軟件(低價值)和圖形處理軟件(中等價值)來說CAD是比較昂貴并且難于掌握的。但是如果用戶能充分利用CAD軟件自身的優(yōu)勢,CAD軟件的功能是非常強大的。在所有的系統(tǒng)管理工作和維護工作當中,它是相當復雜的有關(guān)于數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)。5.4.1用戶界面用戶界面包含了用戶在運用和控制一個CAD系統(tǒng)時可能用到的所有工具和方法。用戶界面同時依賴于硬件和軟件特性。像人機工程學,顯示器尺寸,和鍵盤位置等都是重要的硬件界面,而屏幕的邏輯結(jié)構(gòu)和菜單等就是重要的軟件界面。界面通常被理解為運用計算機系統(tǒng)進行工作的途徑。CAD硬件部分主要包括顯示器,鍵盤和指示裝置,再加上輸出裝置如:打印機。一個微型CAD系統(tǒng)通常需要高端的電腦,需要足夠大的中央存儲器(至少256MB)和足夠的磁盤空間(至少40GB)。合適的CAD顯示器應該是一個高質(zhì)量的大型彩色顯示器(17英寸一21英寸)。圖像的質(zhì)量非常市要,因為用戶往往每天要用它進行好幾個小時高強度的工作。一些適當?shù)膱D形需要較高的刷新率(至少60Hz-70Hz,推薦75Hz-100Hz)和屏幕區(qū)域(像素1024*768或1280*1024).盡管幾年前人們在CAD工作站中還是用數(shù)字化的寫字板,但是現(xiàn)在,鼠標己經(jīng)成為最常用的指示裝置。普通的激光打印機(A3和A4)就可以應付一般的CAD打印,而一些大型的(A2-A0)或者塑膠的打印則很容易在商業(yè)打印服務中實現(xiàn)。過去,CAD用戶還經(jīng)常使用一些昂貴的墨筆標繪器,現(xiàn)在經(jīng)常用在三維模型和可視圖形上的彩色打?。▏姾诤图す獠噬蛴C)也能為大家所承受。典型的CAD軟件界面由位于屏幕上的窗口和菜單組成。用戶可以點擊菜單或者用鍵盤輸入命令給CAD軟件,同時鍵盤也能更加精確的在工作中輸入對象的坐標,因此常常作為高級用戶操作的快捷途徑,CAD軟件的界面經(jīng)常會被定制成面向用戶的需要,適當?shù)腃AD界面應該是直截了當?shù)?,合理的和符合邏輯的,這樣一些雖然看起來笨拙的界面同樣能有效的操作。圖57是一個典型的CAD界面,包含了不同的窗口,菜單以及用于不同任務的工具。圖5-15.4.2建模空間CAD軟件的工作區(qū)域稱為建??臻g,它可以是一個平面區(qū)域也可以是三維空間區(qū)域。建??臻g的本質(zhì)就是坐標系統(tǒng),平面系統(tǒng)以XY軸為基礎(chǔ),三維系統(tǒng)里的Z軸通常被定義為“高度”,坐標原點無論在平面還是三維的坐標系統(tǒng)中都是坐標值為零的點。下面是典型的3坐標軸系統(tǒng),XY軸被定義為繪制平面圖形,Z軸被定義為“高度”,如圖5-2所示:原點圖5-2在CAD中,坐標可以定點確定(現(xiàn)在經(jīng)常用鼠標)參考如下:?柵格系統(tǒng)-用戶定義坐標(取決于模型空間和工作的精確度,如100表示100mm,50表示50mm)?用已經(jīng)存在的點定義-如任意的已知線條,交點,中心點等。比例的概念在CAD工作中并不是那么重要,坐標的單位往往在工作開始前就被定義了(選擇例如1mm或1m的坐標單元),在定義以后所有的坐標值都是其實際大小。比例只有在打印文件的時候能被用到,確定比例是用來使打印出來的文件能與紙張相匹配(打印比例可以取例如1:100或者120).在工作當中,絕對坐標與相對坐標這兩種方法應該受到重視,絕對坐標以模型空間的原點為參考,相對坐標則以最后一個活動的坐標點為參考。5.4.3窗口與投影窗口能給用戶一個關(guān)于CAD模型的直觀的圖形,窗口就是一個模型空間以算術(shù)方法定義的投影面。它可以是:?平行面投影(平面圖,正視圖和軸測圖)?圓錐投影(透視圖)同一模型的二維平面圖,正視圖,三維透視投影如圖5-3所示:圖5-3當模型空間要比顯示器屏幕范圍大時,CAD就需要在顯示窗口中移動模型,可以通過拖動窗口(移動邊界)和縮放當前窗口比例的途徑來實現(xiàn)。拖動和縮放允許用戶移動活動窗口到模型空間,如圖5-4所示:
圖5-45CAD內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5.1基礎(chǔ)原理-制圖和建模的基本元素CAD模型的構(gòu)建是山基礎(chǔ)模型元素來完成的,取決于應用軟件的建??臻g和軟件本身的種類。CAD文件都是由最原始的基本組成元素構(gòu)建的。這些原始的基本組成元素稱作實體,模型元素或?qū)ο?,關(guān)于面向?qū)ο蟮哪P瓦@個術(shù)語,會在用來強調(diào)對象模型之間的適應性時用到,我們會在別處具體說明,這里就不贅述了。典型的CAD基礎(chǔ)模型元素有:平面繪圖-點,線,多線,圓,圓弧等三維建模-三維線,體積箱(平行管),圓柱,圓錐等面向?qū)ο蟮腃AD設(shè)計-實體設(shè)計,如用CAD建立墻,窗和厚地板組合的模型等二維平面繪圖,三維建模以及面向?qū)ο蠼5幕驹匦问饺鐖D5-5所示:對象投影平面投影對象投影平面投影圖5-5CAD軟件中的“基礎(chǔ)模型元素”這一概念由原始道具來體現(xiàn),諸如線形,色彩和圖層是最常用的部分。線型和色彩是典型的視覺道具,能最簡單的體現(xiàn)在屏幕上和最終的輸出上(通常是在紙上)。5.2圖層建立圖層是構(gòu)建CAD基本元素和材料最重要的方法之一.就像把照片疊起來放一樣,一個圖層可以設(shè)置為可見或不可見(在一些特別的系統(tǒng)中還有其它的形式),因此,圖層可以控制CAD元素在屏幕上時或者輸出時是否可見。圖層的層數(shù)和名字由用戶來定義。理論上來說不同的元素都能放在不同的圖層中,但是
在實踐當中,例如在船舶設(shè)計當中往往只設(shè)置幾個圖層就夠了。建筑設(shè)計中的圖層設(shè)置如圖5-6所示:圖5-65.3符號和符號庫CAD符號是“預制”的組成部分,可以由基本的實體來創(chuàng)建。例如平面繪圖中,一個符號可以由一些線,弧形和文字組成。符號是一個基本元素組,是一個獨立的實體,可以像一個基本元素?樣被移動或刪除。在AutoCAD這個最常用的CAD軟件當中,符號被稱作“塊”。例如一個門的“塊”由兩條直線,一個方塊,一段弧,和一些文字這些基本元素組成,如圖5-7所示:圖5-7幾個簡單的符號可以組成更為復雜的符號,一旦符號被創(chuàng)建起來后就被保存在CAD文檔中隨取隨用。所有繪圖當中出現(xiàn)的符號都被稱作庫符號的“圖例”,當符號被保存到符號庫以后,用戶還可以針對不同的情況來對符號作一些小的更改.如圖5-8所示是在建筑設(shè)計中用到的在符號庫中已經(jīng)被預先定義的門符號,有兩個圖例被用到:
圖5-85.4屬性屬性是圖形元素的文字和數(shù)字信息,由用戶來定義。屬性的設(shè)定能使CAD軟件的應用變得更加高效和智能,屬性往往包含重要的設(shè)計信息。屬性可以是用戶自己定義或自動從圖像獲取,同樣也能從圖形信息中計算而得。如圖5-9所示是連接一個多線圖形的三條屬性。用戶只輸入房間號碼和數(shù)字,地板面積數(shù)據(jù)可根據(jù)公式直接從圖形中自動獲得。圖5-9這種參數(shù)化的符號是一種符號和屬性的結(jié)合體。用戶在制作符號的時候每一個符號都要有其獨立的屬性。如圖5-10是一個參數(shù)化的“門”符號。在創(chuàng)建的時候用戶只給出門的類型,寬度和高度,根據(jù)這些給定的參數(shù),符號的屬性就被創(chuàng)建起來,有的參數(shù)則是根據(jù)計算自動得出的。在這張二維的平面設(shè)計圖中需要給定符號的類型,寬度,高度和厚度。
圖5-10參數(shù)化的符號可以被有效的應用于自動繪圖,例如已經(jīng)設(shè)定了一個帶參數(shù)的''門”符號,用戶可以通過改變參數(shù)來獲得各種各樣的“門”符號。5.5關(guān)聯(lián)文件關(guān)聯(lián)文件是將兩個或兩個以上的CAD文件聯(lián)結(jié)成一個類似于實體的邏輯結(jié)構(gòu)形式的方法。用關(guān)聯(lián)文件時CAD模型或CAD圖形自動更新,例如,假如改變未聯(lián)結(jié)的文件能使結(jié)合的文件也發(fā)生可視的變化,則這樣的變化在更新后會體現(xiàn)出來。如圖5-11所示最終輸出的紅色文件圖是山綠色的位置圖和藍色的建筑圖中抽取部分組合而成的,兩張圖在輸出時都被用到了兩次。圖5-11關(guān)聯(lián)文件的應用能使CAD工作變得更加有效率,它大大降低了在工作中要用到的文件復制的次數(shù),還能將一些暫時不用到的文件保存在其他地方從而使當前可視活動窗口變得更小。但是所涉及的文件不能通過當前的連接來更改,而只能打開原始文件修改。關(guān)聯(lián)文件的應用現(xiàn)在不僅僅局限于CAD軟件的應用,在一些其它的諸如寫入和計算的辦公工具軟件中也能用到(如一些微軟公司的軟件DDL和OLE鏈接等)。5.6文件結(jié)構(gòu)CAD模型,準確的說是CAD圖形文件中經(jīng)常包含一些其他形式文件的元素,例如符號和關(guān)聯(lián)文件。因此,CAD文件結(jié)構(gòu)常常變得更復雜化,比如字處理過程。如圖5-12是一個典型的CAD系統(tǒng)文件結(jié)構(gòu)。CAD系統(tǒng)設(shè)定圖形文件符號庫系統(tǒng)CAD系統(tǒng)設(shè)定圖形文件符號庫系統(tǒng)其它圖性文件(關(guān)聯(lián)文件)圖5-125.6平面繪圖雖然CAD系統(tǒng)分成平面繪圖和三維建模兩部分,但是大部分商業(yè)CAD軟件都包含了平面繪圖及其特性,此二者在CAD實際工作中均要用到。這里,我們用二元繪圖建模理論來闡明正確的CAD工作方法,同時也拓寬了對CAD系統(tǒng)性質(zhì)的理解。6.1平面圖實體典型的CAD圖基本元素有:線和多線圓,或者由圓衍生出來的如:圓弧,橢圓等文字實體,包含可編輯文字的文字框投影和柵格化區(qū)域單位和尺度符號和屬性多線也是一個基本元素,由一些線元素組成。在一些軟件中多線也可以包含一些除了直線以外的元素,如圓弧等。如圖5-13是CAD系統(tǒng)中一些典型的平面元素實體。點X線/多線曲線扇O橢圓O弧0文字標注符號Q屬性O(shè)-vc圖5-13如圖5T4所示是線和多線,除了直線外,CAD系統(tǒng)中多線也會包含一些其它的元素,
如圓弧等。圖右列出的是CAD繪圖中定義線屬性時經(jīng)常能用到的一些線型,線寬,顏色等。圖5-146.2繪圖過程繪制一張CAD圖可以從已經(jīng)存在的CAD文件開始,也可以用繪圖板從頭開始,繪圖板就是包含所需的圖層,線形,顏色甚至可以是根據(jù)需要而劃分好柵格的文件。當開始用CAD繪圖的時候,首先是要建立基本的圖底,往往是從基線和標準柵格開始。CAD模板應該包含圖形邊界線和基本文字信息,標準柵格線和基本的圖形輔助線應該在一開始就建立。如圖5T5所示。繪圖模板繪圖模板A4圖紙對現(xiàn)有的實體進行修改是CAD繪圖當中最基本的操作,實體元素很容易就被創(chuàng)建,應用并修改。CAD系統(tǒng)中典型的修改操作主要有:移動(拖動)旋轉(zhuǎn)縮放如圖5-16所示是對一個“門”符號進行移動和旋轉(zhuǎn)。
圖5-16由于在CAD繪圖中刪除操作非常方便,因此在繪圖過程中會經(jīng)常建立一些輔助線和輔助點,圖紙完成的時候再把這些輔助線和輔助點刪除,或者可以把這些不需要的線和點設(shè)置在不可視圖層,這樣對最后的結(jié)果不會有影響。在繪圖前,做基本的輔助線和點是必需的工作。如圖5-17所示。圖5-17圖5-17在繪圖過程中,復制基本元素也是非常便捷的,因此,在繪圖過程中經(jīng)常使用復制功能能使CAD繪圖高效的進行。在實際操作中,我們不僅僅復制一些基本元素,還可以在其他已有的文件中復制較大的圖形。另外一種常用的CAD操作方法就是對符號的有效運用,用簡單的操作實現(xiàn)大量符號的修改,能使CAD繪圖更快捷。6.3平面圖層以船舶設(shè)計中的產(chǎn)品繪圖為例,應包含以下幾種圖層:圖框和文字標準柵格船體外形圖總布置圖管道布置圖纜線布置圖對于完整的CAD設(shè)計過程,負責不同工作的設(shè)計者(如海軍建筑師,結(jié)構(gòu)工程師和HVAC專家)建立不同的圖層,每個設(shè)計者只在一個圖層繪圖。CAD系統(tǒng)的圖層是用顏色來區(qū)分的,不同的顏色代表不同的圖層,如圖5-18所示
圖5-186.4圖形比例,測量和尺寸,坐標軸CAD繪圖是以1/1的比例進行的,然而傳統(tǒng)的繪圖或設(shè)計工作往往會有確定的繪圖比例(1/20,1/50,1/100,1/200等)。CAD環(huán)境當中比例只有在將文件打印出來的時候會被用到,相當于用一定比例將實際大小的CAD圖打印在紙上。在CAD繪圖中定義精確的尺寸來準確繪圖有很多方法:關(guān)聯(lián)柵格可以代替鼠標的移動,這樣柵格點就是最容易靠近的點(如輸入50則移動50mm,輸入1則移動1mm)追蹤現(xiàn)有元素的交點或終點從鍵盤直接輸入準確數(shù)據(jù)CAD系統(tǒng)中的追蹤特性使CAD能夠精確制圖,當光標足夠接近一個間斷點時,光標就會精確的指到這個點上。如線的端點或終點是常用的間斷點。如圖5-19所示。textelementtextelement圖5-19實踐當中熟練運用絕對坐標和
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