CN112149229B - 一种船舶设计中模型一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶设计中模型一体化方法，本发明的方法结合顺序存储和关系存储的特点，建立了统一的面向对象的数据管理核心；为模型添加刷新时间与修改时间，建立了基于时间的刷新机制；采用基于宏命令创建模型间的相关性，建立了复合定义数据。在建立统一的底层数据结构和刷新机制的基础上，针对总体专业的设计、计算分析流程，建立了面向船舶初步设计的数据结构，数据包括定义数据、几何模型、计算分析模型、图纸和报告四大类。这种复合建模方法将数据管理技术与CAD/CAE技术充分融合，能较好地满足船舶初步设计的自顶向下，反复修改等的需求，为自主知识产权的船舶初步设计系统的研制提供了坚实的基础。

Description

一种船舶设计中模型一体化方法

技术领域

本发明涉及一种船舶设计中模型一体化方法，属于船舶设计技术领域。

背景技术

船舶设计一般划分为方案设计、深化方案设计(初步设计)、技术设计、施工设计和生产设计四个阶段。船舶的深化方案设计(初步设计)阶段，设计师从初始的任务目标和简单的方案规划出发，通过总布置设计、型线设计、基本性能计算与分析、基本结构设计、主要系统布置与分析等工作，大致上勾画出船舶的整体形状，明确船舶的总体布置和主要性能，因此初步设计阶段是设计所船舶设计的最重要工作。

船舶的初步设计工作不仅是设计所最重要的设计工作，同时也是最复杂的工作。初步设计的复杂性主要体现在：(1)初步设计是一个从无到有、自顶向下的过程，初步设计结束时，这些功能要求、性能指标和原理就必须与具体的结构、形状和设备建立起关系；(2)初步设计是一个设计与计算分析紧密结合的过程，需要设计师反复设计、反复计算分析；(3)初步设计是一个不断往复、不断深化的过程，设计师会根据经验和参考资料反复调整设计，分析计算，最终得到功能、性能都满足设计要求的设计方案；(4)初步设计是一个综合设计的过程，各专业会不断产生矛盾，不断妥协，总师根据经验和对产品的理解在其中发挥重要的决策作用，而决策的依据就是各种性能指标的平衡。

要实现设计所数字化设计手段，其核心在初步设计的数字化设计。船舶的数字化初步设计系统必须满足以下几个方面：

(1)必须满足自顶向下的设计流程的要求。数字化设计首要问题是建立数字化模型，而面向船舶的数字化模型必须既满足船舶的整体表达，又满足船舶零部件独立表达，要满足初步设计由粗到细，由整体功能、性能设计到局部细化设计的设计流程。

(2)必须满足设计与分析计算一体化的要求。船舶的初步设计，乃至技术设计，设计师不断调整设计方案，不断进行性能分析计算，分裂的以描述设计信息为主的CAD技术和性能分析计算手段CAE技术已不能满足设计要求，必须采用CAD/CAE相互关联的技术，实现CAD/CAE一体化。然而，CAD建立的模型，主要是尺寸、型号、位置等离散的信息，而CAE分析的模型，则涉及模型所起的作用，特性等，如结构分析中的板、梁等，存在一个设计模型到计算模型的转换，这个转换体现船舶设计专业的经验和规则。

(3)必须满足全舰拓扑关联的要求。船舶初步设计是一个反复设计，反复计算分析的过程，如果仅实现CAD模型的拓扑关联，只能保证设计方案的协调，而分析计算结果不能随设计模型的改变而自动重新计算。目前，大多数CAD系统和CAE系统是分离的，设计师需要在设计方案修改后，人工调整计算分析模型，重新计算。这就大大地增加了设计的工作量，也带来了设计质量问题。

(4)必须满足全专业系统的要求。船舶初步设计是各专业协调的过程，如果数字化设计系统按专业分离，各专业就无法及时获取其他专业的设计信息，造成信息的隔离。

发明内容

本发明要解决的技术问题是目前船舶设计具体设计模型通常包括CAD模型与CAE模型，而CAD模型的分析系统与CAE模型的分析系统分离，某一具体设计模型的设计方案变更后，各个具体设计模型之间的数据无法及时更新信息，造成了信息的隔离。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种船舶设计中模型一体化方法，具体步骤如下：

步骤一、为具体设计模型建立统一的面向对象的数据管理核心：

所述的数据管理核心包括核心模型、代理模型和代理模型组；所述核心模型对应于某一具体设计模型，包括刷新时间、修改时间和关联模型，所述刷新时间代表该具体设计模型的建立或完成计算分析的时间，所述修改时间代表该具体设计模型的数据被修改的时间，所述关联模型代表该具体设计模型在计算或建模中所关联的其他具体设计模型，模型间的关联关系可以由用户自行定义，也可以由设计系统自动赋予；所述代理模型与所述核心模型一一对应，代理模型继承来自核心模型的刷新时间和关联模型，除此之外代理模型还包含父模型、子模型、关联的核心模型；

步骤二、建立基于时间的刷新机制：

步骤一中为具体设计模型建立了统一的数据管理核心，除此之外，另一项重要工作就是建立模型的刷新机制；船舶初步设计的是一个“设计——计算分析——修改设计—再计算分析”的迭代过程，已经建立的某一具体设计模型和与之有依赖关系的其他具体设计模型，需要在相关模型修改后重新计算和修改相应的数据，而有些计算需要消耗相当的时间或资源，如果每修改一个具体设计模型，就马上刷新与之有依赖关系的其他具体设计模型，则系统开销太大，且容易陷入无限循环；

因此，本发明建立以时间作为模型刷新的控制机制，整个系统选取有且仅有一个不可逆的时钟，当某一具体设计模型建立或完成计算分析后，为该模型对应的核心模型的刷新时间赋值，当该模型的数据被修改后，就为该模型对应的核心模型的修改时间赋值，当核心模型的修改时间大于刷新时间时，该核心模型对应的具体设计模型就被判定为需要重新刷新(IsDirty)，即需重新计算分析或重新生成，若本模型存在关联模型时，则当关联模型的修改时间大于本模型的刷新时间，则本模型也被判定为需要刷新。这样整个模型树就由每个模型自身来决定是否需要刷新，而这种刷新机制被设计在底层数据结构中，相关应用的开发则把研究重心放在本模型的数据结构设计、相关性分析和具体计算分析方法上。整个拓扑关联刷新机制流程如图3；

步骤三、建立基于复合定义数据的刷新机制：

如何实现模型的相关性，是保证模型有序刷新的基础，本发明的模型相关性有两种：

一种是计算分析或定义中暗含的相关性，如静水力计算模型，是船体模型的基本性能，当船体模型变化时，静水力模型应该随之刷新。这种相关性，就在设计数据的刷新时，通过标的相关模型，在模型对应的核心模型中直接添加关联信息(Refs)；

另一种相关性则体现在复合定义数据中，以甲板横梁依附在A甲板上，甲板横梁的端部终止在B节点，则甲板横梁这一具体设计模型与A甲板的具体设计模型都具有关于B节点的定义数据，当A甲板或B节点数据发生变化时，该甲板横梁的具体设计模型也应随之改变，这种情况下，允许用户根据模型名称来定义相关关联信息，如定位、端点等；本发明选用复合定义数据作为B节点的定位数据，该复合定义数据可以是实数、也可以是字符串数据，定义时不对数据类型作任何检查，但当该复合定义数据被使用时，如由定义数据生成三维模型或二维图纸时，即刷新与之关联的甲板横梁和A甲板时，再根据刷新的需要，将该复合定义数据转换为所需的数据类型，并建立甲板横梁和A甲板之间的相关性。由此可见，相关性是建立在刷新机制上的，通过对复合定义数据的解析，找出其中隐藏的相关模型，建立相关性，这种解析可以基于宏命令实现，用户利用这一特性，可以实现知识驱动的数据定义，并实现统一的刷新。

如图4所示的甲板采用了复合定义数据，部分边界直接采用了其它模型的名称，部分边界采用了肋位号。通过这种方式，甲板对应的核心模型自动与边界模型以及肋位表建立了关联，如图5所示。

附图说明

图1船舶初步设计模型树

图2船舶初步设计模型数据结构

图3刷新机制流程

图4甲板复合定义示例

图5模型关联性示例

图6面向船舶初步设计的数据结构

图7定义数据示例：型线设计

图8几何模型示例：大表面设计

图9几何模型示例：结构设计

图10计算分析模型示例：静水力计算

图11图纸或报告示例：型线图

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例

本实例为一种船舶设计中模型一体化方法，具体步骤如下：

步骤一、为具体设计模型建立统一的面向具体设计模型的数据管理核心：

所述的数据管理核心包括核心模型、代理模型和代理模型组；所述核心模型对应于某一具体设计模型，包括刷新时间、修改时间和关联模型，所述刷新时间代表该具体设计模型的建立或完成计算分析的时间，所述修改时间代表该具体设计模型的数据被修改的时间，所述关联模型代表该具体设计模型在计算或建模中所关联的其他具体设计模型，模型间的关联关系可以由用户自行定义，也可以由设计系统自动赋予；所述代理模型与所述核心模型一一对应，代理模型继承来自核心模型的刷新时间和关联模型，除此之外代理模型还包含父模型、子模型、关联的核心模型；

以船舶设计的业务流程为例，自顶向下进行梳理，建立船舶的设计数据、分析计算数据、图纸为一体的模型树，用面向对象的方法进行存储，图1是模型树的局部，其中既包含设计信息，如主要要素、肋位表等，也包含设计布置，如舱壁、甲板、骨材等，还包含各种性能数据，如静水力计算、稳性计算等，因此，是一种复合的模型树；

模型树的存储是本数据核心的关键技术。数据存储一般有两种形式：其一是顺序存储法，即所有的数据按链表结构顺序存储，这种存储方式比较适合数据结构不定长，一次装入全部数据的应用；其二是基于关系型数据库的存储，这种技术一般适合数据结构定长，每次存储是其中的一条或几条离散的记录。从实践来看，基于关系型数据库如果需要一次装入所有模型，存在速度慢的问题，而且用关系型数据库的数据结构描述工程类不定长数据结构存在设计复杂的问题；

建立基于面向对象的数据库存储技术，以关系型数据库的定长表为主数据源，同时为每个模型建立基于顺序存储的复合存储技术。当某个数据库被打开时，首先装入系统的是所有数据模型的通用表，包括模型的名称、路径、类型、数据结构的长度等属性。对其中一个模型执行读或写的操作时，再从指定的路径装入真实模型。这样既实现了整个模型树的快速装入和检索等需求，又避免了模型数据结构的复杂性带来的数据表设计复杂的问题，也避免了在装入整个数据库时内存消耗的问题；

为了实现两种存储方式的统一，本发明采用基于代理的核心模型，即一个具体设计模型被描述为核心模型和代理模型两个层次，核心模型对应被存放在相应的顺序文件数据库中的该具体设计模型数据，而代理模型则采用统一的数据结构，存放在关系型数据库中，而关系型数据库的数据源与顺序文件一起打包存放在统一的文件中；

如图2是核心模型(Obj)、代理模型(Module)和代理模型组(Modules)的数据结构。核心模型包含刷新时间(UpdateTick)、修改时间(ModifyTick)和关联模型(Refs)。刷新时间是模型建立或完成计算分析的时间，修改时间是模型的数据被修改的时间。关联模型是模型在计算或建模中所需的其他模型，模型间的关联关系可以由用户自行定义，也可以由系统自动赋予。代理模型继承自核心模型，同样也有刷新时间(Tick)和关联模型(Refs)，除此之外代理模型还包含父模型(Pa)、子模型(Subs)、关联的核心模型(Obj)；

系统中的其他模型，如舱室模型(Tank)、主要要素表(Mpn)、静水力计算

(Hyd)等都是从核心模型继承而来，并以代理模型的形式存放在关系型数据库中，以模型树的形式展示到用户界面。

步骤二、建立基于时间的刷新机制：

步骤一中为具体设计模型建立了统一的数据管理核心，除此之外，另一项重要工作就是建立模型的刷新机制；船舶初步设计的是一个“设计——计算分析——修改设计—再计算分析”的迭代过程，已经建立的某一具体设计模型和与之有依赖关系的其他具体设计模型，需要在相关模型修改后重新计算和修改相应的数据，而有些计算需要消耗相当的时间或资源，如果每修改一个具体设计模型，就马上刷新与之有依赖关系的其他具体设计模型，则系统开销太大，且容易陷入无限循环；

因此，本发明建立以时间作为模型刷新的控制机制，整个系统选取有且仅有一个不可逆的时钟，当某一具体设计模型建立或完成计算分析后，为该模型对应的核心模型的刷新时间赋值，当该模型的数据被修改后，就为该模型对应的核心模型的修改时间赋值，当核心模型的修改时间大于刷新时间时，该核心模型对应的具体设计模型就被判定为需要重新刷新，即需重新计算分析或重新生成，若本模型存在关联模型时，则当关联模型的修改时间大于本模型的刷新时间，则本模型也被判定为需要刷新。这样整个模型树就由每个模型自身来决定是否需要刷新，而这种刷新机制被设计在底层数据结构中，相关应用的开发则把研究重心放在本模型的数据结构设计、相关性分析和具体计算分析方法上。整个拓扑关联刷新机制流程如图3。

步骤三、建立基于复合定义数据的刷新机制：

如何实现模型的相关性，是保证模型有序刷新的基础，本发明的模型相关性有两种：

一种是计算分析或定义中暗含的相关性，如静水力计算模型，是船体模型的基本性能，当船体模型变化时，静水力模型应该随之刷新。这种相关性，就在设计数据的刷新时，通过标的相关模型，在模型对应的核心模型中直接添加关联信息；

另一种相关性则体现在复合定义数据中，以甲板横梁依附在A甲板上，甲板横梁的端部终止在B节点，则甲板横梁这一具体设计模型与A甲板的具体设计模型都具有关于B节点的定义数据，当A甲板或B节点数据发生变化时，该甲板横梁的具体设计模型也应随之改变，这种情况下，允许用户根据模型名称来定义相关关联信息，如定位、端点等；本发明选用复合定义数据作为B节点的定位数据，该复合定义数据可以是实数、也可以是字符串数据，定义时不对数据类型作任何检查，但当该复合定义数据被使用时，如由定义数据生成三维模型或二维图纸时，即刷新与之关联的甲板横梁和A甲板时，再根据刷新的需要，将该复合定义数据转换为所需的数据类型，并建立甲板横梁和A甲板之间的相关性。由此可见，相关性是建立在刷新机制上的，通过对复合定义数据的解析，找出其中隐藏的相关模型，建立相关性，这种解析可以基于宏命令实现，用户利用这一特性，可以实现知识驱动的数据定义，并实现统一的刷新；

如图4所示的甲板采用了复合定义数据，部分边界直接采用了其它模型的名称，部分边界采用了肋位号。通过这种方式，甲板对应的核心模型自动与边界模型以及肋位表建立了关联，如图5所示；

下面以船舶初步设计为例，关于总体的设计、计算分析流程，常见的具体设计模型包括：

1)定义数据，如主要要素，大表面模型、舱室模型等，这类数据面向船舶设计师，用他们最直观的方式设计；

2)几何模型，如大表面模型中的基础几何面，舱室模型的基础几何体等，这类模型是各种计算、出图的基础，而模型本身则由定义数据按一定的方法生成。如甲板的基础面，就是根据用户定义的脊弧线和梁拱形式拉伸得到。当然，对于特殊几何形状，用户也可以直接用几何工具生成后再来赋予船舶中的结构属性，如肘板，用户完全可以用系统提供的三维工具定义几何形状后在定义为肘板；

3)计算分析模型，如静水力模型等，这类模型根据定义数据和几何模型计算得到，当定义数据或几何模型发生变化，则需要启动某种刷新机制计算刷新；

4)图纸或报告，如总布置图、型线图、装载手册等，这类模型参照标准的模型类型，如报告模板、标准的图纸模型结构，再根据业务流程，梳理出相关的报告、图纸的生成模式，建立报告、图纸模型和生成方式模型，生成方式模型包括剖切方式、投影方式等，关联到对应的结构模型或分析计算模型，随分析计算模型的刷新而刷新，而图纸、报告模型关联到生成方式模型，随生成方式模型刷新而刷新；

整个数据模型结构如图6；

以型线设计为例，型线设计是三维建模的起点，用户可以通过导入型值表、交互和母型变换等多种方式建立型线。在模型树上，型线体现为船体曲面模型，属于船体结构——大表面结构之下，如图7所示。这里的型线就属于定义数据；

完成型线设计之后，用户可以以此为基础，在大表面设计模块中进行甲板等大表面模型的设计，并在设计中使用船体曲面作为边界，如图8所示。完成某个大表面之后，用户可以在结构模块中建立该大表面下的结构模型，如骨材、开孔等，如图9所示。这里的甲板、船体曲面和结构模型都属于几何模型；

用户完成型线设计之后，船体曲面可以直接生成主船体模型，并用于静水力的计算。完成大表面设计之后，可以在建立舱室模型时使用已有CAD模型作为边界，并计算舱容，如图10所示。这里的静水力计算就属于计算分析模型；

用户完成型线设计与性能计算后，满足设计要求的型线模型可以以型线图的形式输出，如图11所示。这里的型线图就是图纸或报告；

整个建模过程顺序不可颠倒，与初步设计流程一致，更符合设计人员的思维习惯。建立每个模型时，都会受到上层模型的约束，这也保证了上层模型发生变动时，下层模型会通过拓扑关联机制自动刷新，实现数据的一致性。用户完成设计CAD建模之后，需要利用这些模型进行CAE计算分析，避免了反复建模的过程。用户随时可以通过分析计算的结果对CAD模型进行修改，而在拓扑关联的机制下，CAE模型会随CAD模型变化而自动刷新，大大提升了设计效率。

Claims (3)

1.一种船舶设计中模型一体化方法，具体步骤如下：

步骤一、为具体设计模型建立统一的面向对象的数据管理核心：所述的数据管理核心包括核心模型、代理模型和代理模型组；所述核心模型对应于某一具体设计模型，包括刷新时间、修改时间和关联模型，所述刷新时间代表该具体设计模型的建立或完成计算分析的时间，所述修改时间代表该具体设计模型的数据被修改的时间，所述关联模型代表该具体设计模型在计算或建模中所关联的其他具体设计模型，模型间的关联关系可以由用户自行定义，也可以由设计系统自动赋予；所述代理模型与所述核心模型一一对应，代理模型继承来自核心模型的刷新时间和关联模型，除此之外代理模型还包含父模型、子模型、关联的核心模型；

步骤二、建立基于时间的刷新机制：选取有且仅有一个不可逆的时钟，当某一具体设计模型建立或完成计算分析后，为该具体设计模型对应的核心模型的刷新时间赋值，当该具体设计模型的数据被修改后，就为该具体设计模型对应的核心模型的修改时间赋值，当核心模型的修改时间大于刷新时间时，该核心模型对应的具体设计模型就被判定为需要重新刷新，即需重新计算分析或重新生成，若存在关联模型，则当关联模型的修改时间大于本模型的刷新时间，则本模型也被判定为需要刷新；

步骤三、建立基于复合定义数据的刷新机制：当一具体设计模型与其他具体设计模型都具有某一具体数据时，使用复合定义数据作为该具体数据的定位数据，该复合定义数据可以是实数、也可以是字符串数据，定义时不对数据类型作任何检查，但当该复合定义数据被使用时，根据刷新的需要，将该复合定义数据转换为所需的具体数据，并建立包含该具体数据的具体设计模型之间的相关性。

2.如权利要求1所述的一种船舶设计中模型一体化方法，其特征在于，所述步骤一中，所述具体设计模型数据存放在顺序文件数据库中与核心模型对应；代理模型采用统一的数据结构，存放在关系型数据库中。

3.如权利要求2所述的一种船舶设计中模型一体化方法，其特征在于，所述关系型数据库与顺序文件数据库一起打包存放在统一的文件中。

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