0 引　言

近年来，基于计算机、互联网技术的CAD/CAM技术获得了迅速的发展，船舶行业中CAD/CAM软件的应用范围不断提高，对于提升船舶开发、船体结构设计、管路布局等任务的效率有重要的意义。随着船体CAD/CAM软件种类和数量的增加，用户在不同软件系统之间的模型数据交互越来越频繁。目前存在的问题包括：

1）不同船体CAD/CAM软件由于开发目标和侧重点不同，软件的内部数据格式、处理方式有一定差异。

2）CAD/CAM软件的开发语言有一定差异，因此在数据交互的接口、标准方面存在一定的难度。

TRIBON软件是一种船舶工业领域使用较广泛的CAD/CAM软件，覆盖了船舶结构设计、生产的整个过程，它采用模块化设计理念，具有很强的综合性；CATIA软件是一种专业的三维建模仿真软件，具有强大的曲面处理和装配仿真性能，在船舶领域也有广泛的应用。因此，针对TRIBON软件和CATIA软件2个系统的数据交换有较高的要求。

本文的研究重点是船舶三维模型在TRIBON和CATIA软件的数据交互技术，详细介绍了TRIBON软件的基本架构和功能模块，并基于XML数据交互标准研究了三维模型在TRIBON和CATIA软件的数据交互。

1 TRIBON软件的基本概述

TRIBON软件是由瑞典KCS公司研发的一款船舶设计软件，具有很高的集成性，目前市场份额非常大，船舶设计企业应用TRIBON软件可以进行整船布局、建模、生产等业务^[1]。

TRIBON软件的基本架构如图1所示。

由图1可知，TRIBON软件系统主要由VITESSE程序、二次开发工具、应用程序和底层技术等组成。其中，TRIBON软件系统主要包括以下应用程序模块：

1）概念设计应用程序

主要应用于船舶的概念设计阶段，比如船舶的初步外形、初步分段、分舱设计等，以及概念设计阶段所需的流体动力学计算模块。

2）部件应用程序

涵盖了船舶设计过程中的零部件、机电设备、暖通、布线等关键的零部件，能够实现多种类型部件的建模、仿真，部件数据的存储和管理等功能。

3）船体建模应用程序

船体建模应用程序作为单独的功能模块，主要负责对整船结构的设计和详细建模。通常，船体结构基于板架结构搭建而成，因此，船体建模应用程序将基本单元定义为板材、肋板等，并根据实际船体分类和焊接工艺等，将基本单元赋予材料属性^[2]。以肋板为例，基本属性包括材料的屈服强度、尺寸、厚度、泊松比等。

4）生产数据接口程序

TRIBON软件系统能够直接输出船舶设计的生产接口信息，而生产数据接口程序的功能是将应用程序中的各类生产信息进行转换，并将生产数据发送至数据库中。

5）绘图应用程序

TRIBON软件的建模功能基础是其强大的绘图应用程序功能，利用该程序可以实现设计模型的二维CAD图纸绘制，并对接生产工艺。

6）数据库管理程序

TRIBON软件系统的数据库中包含材料库、工具库、经验库等多种数据，数据库管理程序的功能是基于关键字或表进行数据的管理，提高TRIBON软件的数据使用水平。

2 TRIBON与三维设计软件CATIA的数据交换实现 2.1 CATIA软件平台和数据交换模块的整体设计

CATIA软件平台具有强大的三维建模功能，针对船体结构设计主要开发了SFD、SDD模块，基于SFD模块可以实现所有船体零部件的三维建模。

本文在搭建2个软件系统的数据交互模块时，主要针对CATIA软件中SFD模块的三维模型，模型的基本元素包括底板、纵骨、肋板等，如图2所示。

数据交互模块主要分为3个层次结构：

1）数据提取单元

主要功能是从CATIA的数据库中提取船舶三维模型的关键要素，该接口是数据交换模块的前置处理单元。由于CATIA软件定义的数据组织形式与TRIBON软件不同，因此，CATIA软件中提取的数据还需要进一步处理才能实现数据的转换。

2）数据转换单元

数据转换单元的功能是从CATIA中提取数据文件并进行格式的转换，本文使用的中间数据格式为XML格式，在数据格式的转换之前首先要为船体三维模型的结构寻找恰当的表达方法，确保数据转换的工作量最小。

3）存储和显示单元

该单元的功能是将转换完成的船舶结构数据存储在处理器中，并显示在对应的TRIBON系统中。

2.2 基于XML数据交互标准的船舶模型表达

XML标准^[3]是由Tribon公司率先提出并使用的一种数据标准，XML数据格式目前已经成为船舶CAD/CAM的通用性数据交换格式，这种数据格式具有开放、标准、语法严谨等特点，基本要素包括以下几部分：

1) XML声明

XML数据的初始位通常是XML声明，声明中包含了数据编码、版本等内容。

2)元素

在XML数据中，元素由初始标签、内容和结束标识共同构成，每一个元素代表一个独立的数据内容，并具有独立的属性集。XML元素的命名具有一定的规则，在进行元素建立和命名时需要根据模型架构和模型数量进行命名^[4]。此外，元素内容可以根据实际模型嵌套子元素，保证软件系统数据交换时的准确性。

3）注释

注释是对XML文档数据的说明，主要包括XML文档的应用场景，版本特点等。

在使用XML数据格式进行船舶三维模型的描述时，重点关注船舶三维模型元素的层次结构和子元素类型，图3为基于XML数据格式的船舶三维模型元素分类。

船舶XML元素主要包括材料元素、型材元素、标准孔元素、块元素和拐角元素等。

1）材料元素

定义当前材料的基本属性，常用的材料包括碳钢、不锈钢、硬质合金等，每种材料对应的等级、密度、极限应力、疲劳应力等。

2）型材元素

型材元素以型材剖面的形式显示，常用的型材包括工字钢、方钢、圆钢等，每种型材剖面对应的尺寸、惯性矩等信息都在型材元素中明确。

3）标准孔元素

标准孔是指船舶三维模型中安装螺栓、螺钉等打的孔，标准孔元素定义了孔的直径、深度、螺纹长度等信息。

2.3 船体三维模型关键数据的提取

三维模型数据的提取命令是实现不同软件系统数据转换的关键，对于CATIA中的船舶三维模型，本文采用了一级关键字、二级关键字等定义方式。其中，一级关键字有草绘、设备、HULL、板架等，二级关键字包括块、PIPE、PLATE等，图4为CATIA软件中船舶数据提取关键字的示意图。

结合XML数据标准和船舶三维模型的关键字，建立船舶三维模型数据提取的程序指令。

在三维模型数据提取中，需要重点关注以下几个关键数据：

1）主平面位置变换数据

关键字组合PANEL_TRA_HULL提取三维模型的主平面位置，其返回值为四阶矩阵，如下：

$ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 0&1&0&0 \\ 0&0&1&0 \\ 1&0&0&0 \\ {93300}&0&0&1 \end{array}} \right] \text{，} $

在计算机中，通常使用变换矩阵来表示几何元素的变换，即三维向量变换，用下式表示：

$ p' = p \cdot {{\boldsymbol{T}}_{3D}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} x&y&z&l \end{array}} \right] \cdot \left[ {\begin{array}{*{20}{l}} a&b&c&p \\ d&e&f&q \\ h&i&j&r \\ l&m&n&s \end{array}} \right] \text{，} $

${{\boldsymbol{T}}_{3D}}$ 为中间变换矩阵，在CATIA和TRIBON软件数据变换过程中主要包括平移和旋转2种情况^[5]，平移变换矩阵的标准形式为：

$ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&0&0&0 \\ 0&1&0&0 \\ 0&0&1&0 \\ a&b&c&1 \end{array}} \right] 。$

其中：a，b，c分别为沿3个坐标轴方向的平移数量。

旋转变换又包括绕x轴、绕y轴和绕z轴旋转，分别如下：

$ {T_{XY}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&0&0&0 \\ 0&{\cos \theta }&{\sin \theta }&0 \\ 0&{ - \sin \theta }&{\cos \theta }&0 \\ 0&0&0&1 \end{array}} \right] \text{，} $

$ {T_{YZ}}{\text{ }} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \theta }&0&{ - \sin \theta }&0 \\ 0&1&0&0 \\ {\sin \theta }&0&{\cos \theta }&0 \\ 0&0&0&1 \end{array}} \right] \text{，} $

$ {T_{XZ}}{\text{ }} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \theta }&{\sin \theta }&0&0 \\ { - \sin \theta }&{\cos \theta }&0&0 \\ 0&0&1&0 \\ 0&0&0&1 \end{array}} \right] 。$

2）曲线边界数据

TRIBON系统采用的曲线边界提取方法为拟合线^[6]边界轮廓数据提取方法，首先获得边界轮廓的总线段数，然后获取起点坐标和中点幅值，最后获取终点坐标。

图5为TRIBON软件曲线边界提取示意图。

2.4 船体三维模型软件系统的数据转换流程

CATIA软件到TRIBON软件的数据交互需要进行关键字提取、XML数据格式转换等环节。图6为CATIA软件到TRIBON软件的数据交互流程图。

3 结　语

本文的研究方向是数字化船舶设计软件系统的数据交换，重点介绍了CATIA软件到TRIBON软件的数据交互方法和关键流程，有助于提高计算机辅助船舶设计软件的兼容性，提高船舶设计效率。