基于NAPA Designer的鉆臺結構參數化設計

唐旭東 周書敏 張鵬飛

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引 言

NAPA Designer是由芬蘭NAPA公司開發的全新一代船舶三維設計軟件，主要用于船舶和海洋工程總體和結構設計，與船級社專用軟件和其他通用軟件之間有較多接口，并逐漸融入其他功能且日臻完善。早期NAPA軟件的結構模塊（NAPA Steel）基于Linux系統開發，用戶通過宏命令進行二次開發[1-2]，界面和交互功能都相對較弱。新一代的NAPA Designer軟件基于Windows系統平臺開發，提供了基于C#語言的二次開發接口。盡管目前公開的二次開發實例較少，但基于NAPA Designer軟件提供的大量二次開發接口以及C#語言簡單、類型安全和面向對象等諸多優點[3]，更具開發應用前景。

鉆臺結構是鉆井船或鉆井平臺中核心模塊（即鉆井模塊）的載體，是井架和眾多鉆井設備的支撐結構[4]。鉆臺通常由鉆臺面和支腿結構組成，鉆臺面布置井架、鉆機、轉盤、絞車、立根盒和司鉆房等鉆井設施，鉆臺面通過支腿與鉆井船或鉆井平臺的主體結構連接。鉆臺結構設計既要滿足作業功能的需求，又受到船體/平臺尺度和重量控制等因素的制約，在初步設計階段可能存在較多不確定因素，需要根據實際空間布置需求及結構強度要求等作多種方案的對比優化。

本文以某鉆井船的鉆臺結構為研究對象，基于NAPA Designer軟件開發了鉆臺結構的參數化設計模塊，可快速獲取多個鉆臺結構方案，用于可視化展示、提取質量重心以及三維有限元分析等工作。

1 參數化設計流程

參數化設計是將工程本身編寫為函數與過程，通過修改初始條件并經計算機計算得到工程結果的設計過程。本文鉆臺參數化設計以鉆臺布置需求為基礎，提取鉆臺面高度、主桁結構位置和鉆臺支腿尺寸等為設計參數，通過二次開發的界面進行數據交互，輸出得到鉆臺結構模型，并以質量重心控制、規范強度要求等作為約束，形成設計方案供優化選擇。

鉆臺參數化設計過程中，首先需對鉆臺的結構特征進行分析，提取出關鍵控制參數。鉆臺結構通常由鉆臺面和支腿兩部分組成。鉆臺面以井架支撐底座、轉盤、鉆井絞車和其他重型設備底座為基礎布置主桁框架，再選擇合適的位置通過鉆臺支腿與主船體或平臺的主體結構相連接[5]。鉆臺結構的關鍵參數主要包含鉆臺面高度、邊界范圍、主桁結構位置、支腿和支撐肘板尺寸，以及各構件的板厚、材質等，圖1是某鉆井船鉆臺結構示意圖。

圖1 鉆臺結構示意圖

其次，根據特征參數建立參考面和板元。在NAPA Designer軟件中，參考面一般是指沒有厚度的幾何面，基于參考面生成的可賦板厚、材質等屬性的對象為面對象（或稱板元）。參考面是建立結構板架的基礎，既可作為板架的基礎面，也可作為板架的邊界，通過指定參考面和邊界對象生成板元。板元與參考面及邊界之間存在拓撲關系，通過修改后者的控制參數即可實現關聯板架的動態更新。

隨后，將生成的板元添加到結構樹中，即可對板元指定結構類型、板厚、材質、加強筋、開孔等特性，構成一個完整的結構板架。通過該步驟的重復，將鉆臺面甲板、周界圍壁板、主桁結構、支腿圍壁板和支腿支撐肘板等分別建立板元并添加到結構樹中賦予屬性，完成整個鉆臺結構初步模型。

最后，通過鉆臺模型提取質量重心數據并判斷其是否滿足設計要求，且通過鉆臺與周圍設備干涉檢查，判斷布置空間是否滿足設計需求。此外，根據計算需求生成有限元網格模型，導入通用有限元軟件進行強度分析，根據計算結果判斷強度是否滿足設計需求；根據設計要求對模型方案進行反饋、修改與優化，最終完善后的模型可用于材料明細統計、輔助出圖和進一步細化分析計算等。

在NAPA Designer軟件中，從提取控制參數建立參考面，到由參考面建立板元并添加到結構樹，再到添加屬性形成結構板架，最后由各板架組成完整的鉆臺結構模型。在這一系列過程中，各控制參數零散地分布在各類不同層次的構件定義中，不便于識別和修改。因此，通過二次開發自定義交互界面，將各控制參數集中在一個界面，不僅顯示直觀，也便于管理和批量化操作。參數化設計流程見下頁圖2。

圖2 參數化設計流程

2 參數化設計實現過程

參數化設計實現過程主要包含開發自定義界面進行數據交互，根據特征參數建立參考面，由參考面建立板元并添加到結構樹，添加筋和開孔等特性后形成結構板架，再由多個板架形成三維模型，最后進行布置干涉檢查、質量重心統計和有限元分析等。

2.1 自定義界面

NAPA Designer軟件提供了基于C#語言的二次開發接口NAPA Designer Scripting，通過NAPA對象模型讀寫NAPA數據庫，并且提供可視化交互界面（包含對話框和圖形等）[6]，為NAPA Designer用戶開發定制化的功能提供便捷。Scripting代碼通過NAPA Designer提供的“Script Editor”模塊編寫和調試，代碼框架通常由引用命名空間、主程序和用戶界面等部分組成（見圖3），其中引用命名空間為包含一系列命令的集合，例如：使用結構建模相關命令需引用Napa.Core.Steel，使用對話框需引用Napa.Gui、System.ComponentModel等。

圖3 Scripting代碼一般框架

主程序是實現用戶需求的關鍵代碼，包括用戶界面顯示數據的初始化、數據讀寫處理、驅動模型生成等，可由多個子程序構成。用戶界面是基于對話框型式的可視化界面，主要用于參數化模型中關鍵控制參數的人機交互。

用戶界面基于對話框，由各類控件組成，在鉆臺參數化設計中，主要采用編輯框、選擇框等控件即可滿足常規信息的交互。定義控件的代碼主要包含類別（Category）、顯示名稱（DisplayName）、讀寫函數（get; set;）和其他附加屬性。通過Category實現控件的分組，DisplayName為控件顯示在界面的名稱，在讀寫函數中定義參數名稱和數據類型，參數名稱為代碼中引用的名稱，具有唯一性；數據類型可包含整型、雙精度型、字符串型和布爾型等，指定類型后，控件只能輸入相應類型的數據。數據類型與功能見表1。

表1 數據類型與功能

以生成型材庫的選擇控件為例，可通過自定義函數（GetProfileAlternative）讀取模型中型材庫名稱并轉換為數組，動態選擇（DynamicAlternatives）屬性使控件以列表框呈現，列表內容即為型材庫名稱數組中的內容。主要代碼和實現效果如圖4所示。

圖4 控件實現示例

針對鉆臺參數化設計過程中不同類型的參數制定相應的控件，將控件按區域進行分組并形成用戶自定義界面，如圖5所示。

圖5 用戶自定義界面

2.2 建立參考面

建立參考面之前首先要創建NAPA坐標系。坐標系是參數化建模的基準，NAPA Designer軟件采用船舶坐標系，即縱向軸（X）向艏、橫向軸（Y）向左、垂向軸（Z）向上為正，長度單位為m。通過分段式定義肋骨間距、縱骨間距、強框間距和垂向骨材間距。在NAPA Designer軟件中，通常X向坐標以#10、#10.5、#10+0.3等形式表達，Y向坐標以#L10、#L-10等形式表達，Z向坐標以#V10、#V10+0.1等形式表達，各向坐標也可通過絕對值進行定義，具體根據用戶使用習慣確定。

NAPA Designer軟件中的參考面主要有平面、折角面和曲面等類型，其中平面主要用于甲板、艙壁等結構的參考面，折角面主要用于階梯型平臺、有折角的內殼艙壁等結構的參考面，曲面主要用于外板、圓柱體和流線形上建外圍壁等結構的參考面。在鉆臺參數化設計中，參考面主要是平面，由位置和法線方向2個參數確定，實際涉及的參考面較多，但定義方法一致，本文僅列出其中一部分，見表2。

表2 參考面輸入參數

以鉆臺甲板1為例，參考面名稱為 S.DFDK1，法線方向為Z方向，位置為28.0 m，定義參考面的語句為：

參考面的法線方向一般確定后無需變化，因此只需關注具體位置。程序首先判斷模型數據庫中是否存在名稱為“S.DFDK1”的參考面，若存在則提取其定義語句并解析出數值28.0，否則就采用預設值顯示在用戶界面對應的控件中。用戶修改該值后，生成新的定義語句（strDefString），調用Geometry.RunDefinition(strDefString)，即可完成相應參考面的創建或更新。其主要代碼見下頁圖6。

圖6 創建或更新參考面的主要代碼

2.3 建立板元

作為結構板架的最小組成單元，板元基于參考面，并以其他參考面、坐標值或參數化曲線為邊界而創建（見圖7）：甲板、艙壁大平面板等具有封閉邊界的板元以參考面為邊界；大肘板、桁材等存在自由邊的板元通過參考面+參數化曲線創建。NAPA Designer軟件的參數化曲線（parametric curve,PCUR），可用于構建板元的自由邊邊界、面內開孔等。

圖7 典型板元

通過代碼創建和修改板元的實現過程與更新參考面的過程類似，不同的是需將板元加入結構樹中。結構樹是組織和管理整個結構模型的集合，只有加入結構樹中的對象，才能賦予其板厚、材質、加強筋等特性。結構樹中添加和刪除對象的操作主要通過IHierarchicalArrangement接口實現，見圖8。修改自定義界面中的控制參數，即可控制加入結構模型中的板元對象，實現參數化控制的目的。

圖8 結構樹添加對象主要代碼

2.4 添加結構屬性

板元加入結構樹后，可賦予其材質、加強筋、板厚和開孔等特性，即成為1個板架結構。二次開發中創建各類屬性涉及的主要接口/方法見表3。

表3 創建屬性涉及的主要接口/方法

以創建加強筋為例，根據用戶設定的位置批量化創建板元上的加強筋，通過代碼語言判斷避開艙壁和主桁位置，以避免構件重合。首先讀取用戶界面的設定參數，通過代碼將其解析為數組，存儲需要創建筋的坐標位置；隨后根據數組內的各項數據創建加強筋的軌跡線，并設定筋的類型、尺寸、朝向、材質、端部邊界和端切形式等參數；最后通過IEditableStiffener接口創建加強筋Stiffeners，并賦予目標板元，見下頁圖9。

圖9 創建加強筋主要代碼

在NAPA Designer軟件中結構板架上的板厚、材質、加強筋和開孔等屬性也可通過共享方式賦予其他對象，見下頁圖10。將肘板A上的加強筋復制到肘板B和肘板C，若修改肘板A上加強筋，其余肘板的屬性則隨之更新。

在鉆臺結構中，有較多相似結構，通過代碼moSrc.ShareSteelDefinitions(moDesArray)，將源結構moSrc的屬性復制到一組目標結構moDesArray中，實現屬性的快速設置，并具有關聯性，主要代碼見圖11。此外，也可通過設置取消構件屬性的關聯性，對各板元結構分別單獨修改。

圖11 屬性共享主要代碼

2.5 設計驗證與方案優化選擇

生成參數化模型后，可分別對布置空間、質量重心進行驗證。若滿足設計需求，則導出有限元模型對結構強度進行評估，判斷是否符合規范[7]要求；若不滿足，則需調整參數，對模型進行修改。通過參數化設計，可快速制定多種方案進行比較，并結合設計需求進行優化。

對于布置空間的干涉檢查，NAPA Designer軟件可導入設備的三維模型，用戶可在三維空間內更直觀地判斷結構模型是否與設備存在干涉，以及設備周圍是否有足夠的安裝和維護空間。鉆臺結構與防噴器轉運設備之間的模型干涉檢查參見圖12。

圖12 模型干涉檢查

質量重心通過IHierarchicalArrangement接口遍歷鉆臺所在結構樹節點下的所有對象，分別提取板、加強筋和肘板等的質量、材質和重心位置，導出csv格式文件并利用Excel軟件進行材料明細統計，同時將匯總的質量、重心以提示框形式展示（見圖13），以便判斷方案是否滿足質量重心的控制要求。

圖13 材料明細及質量重心匯總

結構強度評估需結合其他有限元分析軟件。NAPA Designer軟件提供了有限元網格（finite element meshing, FEM）劃分模塊，通過簡單設置即可快速生成較高質量的有限元網格模型，還可根據需要對局部網格進行細化[8]，再導入有限元分析軟件進行計算。

3 應用實例

通過用戶界面對鉆臺箱體高度、鉆臺支腿高度、支腿寬度以及是否增加鉆臺支腿肘板等參數的調節，快速生成4種方案模型并提取相應的質量重心，見圖14。

圖14 各方案模型及質量重心對比

利用NAPA Designer軟件的有限元網格劃分模塊，將各設計方案模型快速轉化成三維有限元模型，進行結構強度分析，得到初步的強度計算結果供設計比較和優化。各設計方案對比見下頁圖15和圖16。

圖15 各方案變形對比

圖16 各方案應力水平對比

此外，還可根據設計需求對鉆臺面邊界范圍、骨材間距、支腿肘板尺寸等各種參數進行修改，通過更多組合方案的比較，篩選出最優方案。

4 結 語

NAPA Designer本身是基于參數化設計理念的船體結構三維設計軟件，界面簡潔、操作簡單。在此平臺上通過二次開發，定制生成更具針對性和實用性的用戶界面，并將可標準化、系列化的結構通過特征化參數進行表達，可快速進行結構設計方案的制定和設計模型的三維展示。通過對比各設計方案反饋的信息（質量、強度等），有助于建?；蚓幊探涷炤^少的設計人員快速優化并確定方案，減少設計反復性，縮短設計周期，顯著提高設計效率。

本文以鉆臺為研究對象，對NAPA Designer軟件參數化建模和二次開發進行探索，實現了通過自定義界面進行數據交互并驅動鉆臺參數化模型的創建、更新和質量重心統計等功能，同時借助其網格劃分模塊輸出有限元模型用于結構計算。

本文僅對設計結果進行了結構強度分析，在此基礎上，還可通過納入更多設計參數，完善結構細節，可進一步將該軟件功能拓展到振動分析和疲勞分析等方面。此外，基于NAPA Designer軟件的參數化設計，也可推廣應用于船舶與海洋工程中較規則但需根據不同設計輸入經常變化尺度的相關結構設計中，以提高設計效率。