基于UG二次开发的船舶锚系优化设计与拉锚试验仿真分析

来源：作者：刘志强王明强邱小虎出处：巧巧读书 2008-02-06 进入讨论组

1 前言
锚系统亦称锚设备，是船舶在海上抛锚停泊时所用的装置和机械的总称。它是由锚、锚索、掣动和固定装置、锚链筒、锚机、锚唇等组成的一个系统。

其性能和特性是由其在船上的布置，锚得数量和重量及锚索的长度和直径，以及锚机的型式，锚链筒的结构所决定的。锚系设计的合理性对船舶航行的安全性很重要，因此整个设计和生产过程中船东和船级社都要全程监督。
现在的造船企业很大的程度上还是依靠设计人员的经验，根据不同的船型设计锚链筒及锚唇的尺寸与形状，然后根据设计方案制造木模，根据木模拉锚试验的结果对锚链筒和锚唇的位置和形状进行修正，直到达到理想的效果。每次调整设计结果后，都必须重新制造木模，整个过程浪费了大量的人力、物力和时间。究其原因，主要有以下几点：

锚唇形状特殊，整个外形以自由曲面为主，在参数化造型上具有较大的难度。
对不同的船型，有不同的锚唇设计方案。采用不同的锚，也有不同的锚唇设计方案。
即使是同一条船，也可能有多个锚唇设计方案。

如何解决整个锚系统的优化选型设计及锚唇的结构优化设计是各船舶企业面临的紧迫问题。Unigraphics（UG16、18、NX1.0）软件在提供了强大辅助设计和分析以及加工仿真等强大功能的同时，还提供了UG OPEN/Grip和UFUN(User Function)等二次开发工具。针对当前船舶生产和设计实际中存在问题，利用UG为开发平台，通过提供的二次开发工具，开发了锚系标准件参数化图库模块和锚系非标件参数化辅助设计模块，并在此基础上对拉锚试验仿真进行了深入研究开发了M-CAD/CAE系统。M－CAD／CAE系统主要研究内容如下：

完成部分拉锚模拟试验，进行实验数据的收集、整理、分析，建立试验数据库。
结合工厂常用的锚、锚链、锚机的型号，兼顾船级社和国家行业标准建立锚、锚链、锚机的参数库。
与UG系统连接完成锚、锚链的参数化三维建模。
利用UG参数化设计完成锚链筒的结构尺寸和布置设计，并完成三维造型。
开发基于UG的锚链舱的设计和造型分系统。
利用已有模拟试验数据，分析计算设计所得锚设备的仿真试验结果。
开发锚运动干涉检查模块，模拟锚的运动过程，检查锚与船体干涉情况及锚与锚唇（或锚穴）吻合情况。

M-CAD/CAE系统流程如图1：

本文就M-CAD/CAE系统研究的重点问题进行探讨，重点讨论在锚唇、锚和锚链等三维图形建立并装配好的基础上，通过锚系的拉锚过程和贴合仿真对锚唇进行优化设计。该研究在实际应用中有利于设计人员对锚系零件的设计、修改、查询和装配图的零件调用，减轻了设计人员的工作强度，提高了设计效率。

2 基于UG二次开发锚系标准件参数化图库
2.1 基于UG二次开发标准件图库的建库思想和方法
2.1.1 标准件图库的建库思想
    锚系标准件主要包括锚，锚链等。有关锚，锚链的参数信息量大，用数据库来管理和查询可以提高设计效率。现在锚制造企业很多，尽管对锚的设计及制造已制定了很多规范和标准，但在实际情况中，在国家及行业许可范围内，各个厂家制造的锚在形状、尺寸上还存在着较大的差异，甚至在拓扑结构上也有不一致的地方。因此，我们有必要根据各配套厂家提供的实际数据进行三维建模，以避免后期在运动仿真过程中发生与实际不相符的情况。随着产品标准化实施进程的进一步深入，完全有可能在不久的将来，利用全参数三维建模技术对锚进行建模。也可在逐步使用过程中，对已使用过的锚建立一个锚三维模型数据库，以便在以后的使用中方便地调用。
    结合工厂常用的锚、锚链、锚机的型号，兼顾国家行业标准建立了锚、锚链参数库，同系列标准件可以通过一个程序实现参数的调用。每个标准件建立时都要有其中心基准，调用时就依据这些基准实现零件的准确放置。利用UG中特征的定位功能或者零件的装配定位功能，实现标准件与其他零件的位置关系。对于一个由几个标准零件装配在一起而组成的标准部件，可以先在后台数据库中建立相对应的参数传递，实现尺寸链接关系，再通过定位功能实现相互位置关系。还可以用某一个主参数去驱动其他次要参数，甚至还可以建立标准件位置间的约束参数，将约束参数和尺寸参数一同存入后台数据库，实现更大程度上的参数化。
2.1.2 标准件图库的建库方法
    基于MenuScript+UIStyler二次开发工具并与VC（MFC）结合的建库方法，就能很好的满足上述要求[5-6]。其具体步骤如下：首先，通过交互界面建立标准件的模板零件(Template Part)，设定基准中心，几何参变量，给定标准件名称、标准件功能属性和分类编号，如果是标准件部件还需给出主参数和约束参数，然后将上述数据和模板零件图号(*.prt)存入数据库。接着，在调用标准件时，先调用模板零件，再通过交互界面设定零件参变量值及位置关系，最后用户就可以存为自己的零件了。
    由于UG本身可以通过动态链接库(DLL)实现UG系统内的图形界面与系统内核的通信，而且DLL方式执行速度快，故本文提出通过DLL方式嵌入的方式，实现UG、UFUN与MFC之间的通信。实现方案如图2和图3：