1 引言
机舱是船舶的心脏，是船舶动力设备及辅助设备、舱柜、管路、电缆集中地，其设计的好坏对整条船舶的推进性能有决定性作用。机舱布置设计因平台舱室形状差异性大、设备众多且设备之间关系复杂、管系纵横交错的特点，还要考虑船舶建造及建造完成后各设备的维护和使用等问题，因此机舱布置设计十分复杂。
传统的二维设计表达的是平面信息，缺乏三维空间相关的概念，三维设计已经大量应用于造船行业中。本文应用CATIA对26000DWT成品油船进行三维设计，突破传统船舶二维设计在机舱布置设计中的局限性，使机舱布置三维可视化，更加清晰、直观地表达船体机舱的内容，提高设计的效率和质量。通过三维模型空间信息的采集与检验，能够及时调整，使设计方案更加合理，达到缩短建造周期、节省大量的材料和人力、大大提高船舶经济效益的目的。
船舶设计主要有3个阶段：初步设计、详细设计及生产设计。机舱布置主要是指在初步设计阶段过程中机舱的位置和大小的确定、平台和舱柜的划分、设备布置的初步确定。详细设计阶段主要是对设备位置及管系进行微调。
机舱布置设计大概分为以下步骤：（1）机舱位置的初步确定；（2）机舱大小的初步确定；（3）平台和舱室的划分；（4）大型设备的位置确定；（5）其他辅助设备位置的确定；（6）校核机舱容积。
总之，机舱布置设计是一个复杂的综合性设计过程。机舱布置对船舶的建造、后期的维修、安全等方面有重大影响。如何在有限的机舱空间中，在满足各种要求规范的基础上合理布置舱室、平台、设备和管路，是机舱布置设计的基本问题。
2 机舱布置的三维设计方法
三维设计的第一步是建立三维模型，详细准确的数据信息是三维设计的基础。对于船体机舱来说，其复杂的曲面和形状各异的平台、舱室往往会对设备的布置和管系的铺设造成一定影响。为了使设备的布置和管系的铺设更加合理，减少后期设计的工作量，在机舱布置设计中采用三维设计可以更加容易实现上述目标，其主要特点有以下3个方面：
（1）三维设计能清晰、直观的表现设备与船体之间、设备之间以及管系等在三维空间上的位置信息和相对位置关系。通过不断调整各个设备的位置，一方面，修改设计中不合理内容，使其满足各种要求规范；另一方面，能进一步使设计更加合理。
（2）准确的三维模型能体现出设备接口在三维空间上的具体位置，合理的布置设计可以降低放样难度。对于大型设备，在其位置无法改变的情况下，可在购买设备之前提出适当的修改其接口位置等要求，以避免造成设计不合理。
（3）合理的三维模型可以使机舱布置更贴近于实际，这样在建造的时候考虑地更加全面，减少生产放样的修改次数，达到节约原材料和人力、缩短建造周期的目的。
以往二维设计中的机舱布置图，对设备周围空间的预留存在一些不合理现象。造成这种现象的主要原因是在二维机舱布置设计中暂时未考虑设备的接口。有些设备，例如主机滑油冷却器，一般应该放在距离主机滑油进出口较近的位置，因此此段管路在安装后需要拆下，重新进行灌油清洗，较短的管路利于船厂施工。在冷却系统中，对有隔离阀的设计，最好能把隔离阀后面的设备放在同一个平台，不但能节省管路布置，而且便于操作。对于一些独立布置的设备，如副机缸套水冷却器、预加热器等，在二维设计中通常会在布置时忽略或只预留少量的空间，然而实际生产放样时会发现空间不足。
3 机舱设计内容
26000DWT成品油船为单桨柴油机推进，用于装载和运输成品油。主要尺度参数包括：总长172.00m；垂线间长164.00m；型宽27.40m；型深14.50 m；设计吃水9.50m；结构吃水10.10m；水线长167.80m；梁拱0.50m；舭部半径1.70m。
机舱主要舱室包括：在FR13到FR42之间的舱室，主机滑油循环舱、舱底水舱和主副机污油滑油舱；油渣舱、计程仪舱和测深仪舱。重柴油舱、NO.2燃料油舱、轻柴油舱、右重柴油舱、燃料油溢油舱。汽缸油日用柜、汽缸油柜、副机滑油沉淀舱、副机滑油存储舱、主机滑油沉淀舱、主机滑油存储舱、电工间、机修间、集控室。轻柴油日用舱；重柴油日用舱；重柴油日用舱；重柴油沉淀舱；分油机室；燃料油日用舱；燃料油沉淀舱。
在FR13后面和在FR42前面的舱室，尾压载水舱；淡水舱及饮水舱；应急消防泵舱；货油泵舱；NO.1燃料油舱。
机舱分段三维模型是指机舱区域的结构模型，包括外型曲面、主要舱壁和平台等。设备三维模型是指机舱中各设备的三维模型。机舱分段模型和设备模型的建立是进行机舱三维布置的基础，准确的、包含零件信息的三维模型将有利于三维布置的实现。
船体机舱段的主要平台和舱壁主要有14.50m甲板平台，10.00m上平台，7.10m下平台，3.90m花钢板平台和FR13、FR42的横舱壁。主要平台和舱壁对整个船体机舱进行初步的划分。本文研究的是通过船体机舱的三维模型，采集各设备和管系的空间信息，进而对二维的机舱设计方案提出评价和改进。因此，在这一阶段，建立主要平台和舱壁的三维模型是先建立理论面，主要用于对机舱进行划分，后期会根据实际情况进行更正。因此，在这一阶段，主要平台和舱壁的建立由创成式曲面设计的相交、投影、填充功能实现三维模型的建立。
如图1所示，由二维机泵舱布置图中可以得到各个主要平台和舱壁的位置信息和尺寸信息，再结合相对的局部视图获取数据建立模型。
图1 机泵舱布置图
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根据机泵舱布置图，可以获得主机的形状数据和位置数据。因此，在建立三维模型时对其进行简化，由主机轮廓线进行拉伸得到主机。
图2 主机三维模型
4 26000DWT成品油船机舱三维设计
通过机舱段三维模型，能够清楚地看出机舱内舱室与船体、舱室与设备的空间关系。对比二维模型能发现三维模型有以下优点。
4.1 三维设计能更全面的体现机舱段设计情况
在三维设计中，通过三维模型能够获取详细的位置信息和大概的形状信息，如图3所示。通过CATIA平台中测量间距能够得到副机海水冷却泵中心的定位数据及副机海水冷却泵与船体、舱室、其他设备之间的几何关系。
图3 测量副机海水冷却泵中心与船体表面横向距离
4.2 三维设计能避免船体、设备、舱室之间的空间冲突
二维设计只能提供截面的信息，有时候可能导致在二维设计图中船体、舱室、设备之间空间关系良好，但实际情况下，由于船体曲面的复杂性、曲率多变性，船体、舱室、设备之间的冲突无法体现出来。例如，（124）设备海水淡化装置冷却泵与船体之间，在二维图纸中，（124）设备海水淡化装置冷却泵与船体曲线还有一定的距离，空间关系良好，但在三维设计中能清晰地发现（124）设备海水淡化装置冷却泵与船体曲线有交叉部分，即实际情况是两者之间空间冲突。
4.3 在三维设计中能方便快捷地调整设备的形状、位置
在三维模型中，模型的建立是以草图为基础，而草图是建立在平面上，通过调整平面的位置、改变草图的形状能方便快捷地实现对设计的调整。船体机舱中，许多设备是联系、组合在一起的，在建立模型过程中能够将设备联系在一起，当其中某一设备调整时，相应的设备会跟着变化。例如，连接高位海水门和低位海水门的海水总管。建立海水总管时，以高位海水门和低位海水门的三维模型为基础建立草图平面，再完成海水总管三维模型。当高位海水门和低位海水门改变时，海水总管草图依据的平面也会随着改变，因而海水总管也会随着变化。如图4所示。
图4 海水总管与海水门
5 应用三维模型进行校核
通过CATIA平台，在二维设计的基础上实现了机舱布置的三维再现，并对二维设计中的不合理处进行修改，完成机舱布置三维模型的初步设计。在这个基础上，通过CATIA平台，能够进一步通过校核完善船体机舱布置设计。
5.1 评价初步设计并给出意见
完成机舱布置三维模型后，能对机舱内船体与舱室、设备之间的空间关系和船体、设备、舱室的几何特性进行测量，根据测量所得对给出该设计的意见、评价。如图5所示，测量主机与舱壁之间的距离。
图5 测量主机与舱壁之间的距离
图6为测量海水总管截面的半径。通过测量发现，该设计方案舱室、设备、管系的布置合理。设备与舱室、设备与设备之间的空间关系良好，留有一定的空间范围。关于其他校核要点可根据船舶各项要求进行测量、对比，在此不做叙述。
图6 测量海水总管截面的半径
5.2 调整机泵舱的布置设计方案
根据母型船设计出新的船舶是船舶设计中常用的方法，把三维模型当成母型船，面对不同的要求对设计方案进行调整，能够得到新的设计方案。
通过三维模型，能够对机舱布置设计有一个直观的了解，结合新的要求调整设计方案。例如，新的船舶要求有更长的航行距离，通过调整燃料油舱、柴油舱的容积，得到满足要求的舱室，在三维模型中对舱室、设备之间的空间关系进行测量，检验布置是否满足规范，是否合理，进而调整设计布置，从而得到满足要求的设计方案。
6 结论
本文以CATIA平台为基础，建立26000DWT成品油船机舱段的三维模型，通过二维设计与三维设计的对比表明，三维设计突破了二维设计的局限性，能详细、完整地表现出机舱布置设计的位置、形状信息。而且，在三维模型中能直接清晰地了解机舱布置设计的情况，发现不足时也能快速地进行调整。三维模型信息完整、错误少、能快速调整、贴近船舶实际的优点，在船舶生产的过程中，能缩短建造周期，减少放样次数，节约人力与材料，从而实现提高船舶生产效率和经济效益。今后，将进一步深入了解机舱布置的专业知识与CATIA软件的功能，使用更合理的方式建立更贴近实际模型，研究管系与设备的连接、管系的布置优化问题。
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收稿日期：2018-04-18
作者简介：肖肯（1989-），辽宁东港人，海军驻大连某军事代表室助理工程师，研究方向：船舶及海洋结构物生产设计。
