基于CATIA V6的船舶結構建庫方法

盧永進，朱進，李濤濤

1中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

2海軍裝備部，北京100841

基于CATIA V6的船舶結構建庫方法

盧永進1，朱進2，李濤濤1

1中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

2海軍裝備部，北京100841

為提高船舶的研制效率，將知識工程應用于船舶節(jié)點構件和結構設計過程中是當前工程應用的熱點?；贑ATIA V6軟件平臺，探討三維設計中船舶結構建庫流程和建庫對結構設計的重要性，系統(tǒng)分析結構資源數(shù)據(jù)配置內容和組成，重點說明資源表的具體功能。結合參數(shù)化建模和知識工程技術，詳細分析結構標準件創(chuàng)建步驟和設計要點。以典型船舶產(chǎn)品的幾何結構為基礎，建立完整的結構標準件和結構件模板，并實現(xiàn)了工程應用，為船舶結構建庫提供了技術支撐和決策支持。

船舶結構；三維設計；CATIA V6；建庫；知識工程

0 引 言

三維設計正成為船舶行業(yè)的技術發(fā)展方向，CADDS5，F(xiàn)ORAN等專業(yè)軟件在船舶工程設計中得到了充分應用［1-5］。作為法國達索公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM一體化軟件，CATIA系統(tǒng)已成功

應用于航空航天、汽車、船舶等領域［6］。近年來，該公司推出的CATIA V6軟件為用戶提供了較為完整的船舶設計模塊，可用于船舶結構三維設計，但國內科研設計單位正處于CATIA V6三維設計的探索階段，且鮮見相關報道。

結構建庫作為船舶設計的重要組成部分，有必要充分利用知識工程技術，建立大量供設計重復調用的板材、型材等標準件，從而達到提高設計效率的目的［7-8］。然而，作為通用軟件平臺，CATIA V6缺乏與國內船舶設計流程的融合，軟件自帶模板少且不包含任何行業(yè)標準的結構數(shù)據(jù)。為此，本文將基于CATIA V6對結構資源數(shù)據(jù)配置、標準件創(chuàng)建流程及工程應用展開深入探討，旨在為三維結構建庫提供有效途徑。

1 結構建庫概述

結構建庫工作涉及資源數(shù)據(jù)配置和結構標準件創(chuàng)建兩大方面。在CATIA V6中，資源數(shù)據(jù)配置將通用幾何資源（Common geometry resource）和結構資源（Structure resource）這2大資源集創(chuàng)建完成后綁定到具體項目，其中，通用幾何資源集用于定義總體專業(yè)資源，主要包括船殼曲面和全船坐標系；結構資源集用于定義船體專業(yè)資源，主要以數(shù)據(jù)表結合后臺模型關聯(lián)的形式存在，包括開口表、開孔表、端切表和材料表等。同時，對應數(shù)據(jù)表解析生成的一系列結構標準件存入數(shù)據(jù)庫后，在結構基礎設計和詳細設計時，可有效提取到結構資源數(shù)據(jù)，完成三維建模。

CATIA V6要求用戶預先將設計所需的標準件進行創(chuàng)建并導入數(shù)據(jù)庫，通過包含尺寸驅動和特征驅動的參數(shù)化結構設計方式，有效實現(xiàn)設計經(jīng)驗和知識的重用及積累，使該方法具備了如下優(yōu)勢［9-10］：

1）方便設計人員在結構設計時快速調用標準件，從而大大減少了重復創(chuàng)建工作；

2）提高數(shù)據(jù)準確性，減少設計過程中人為出錯的概率；

3）當通過調用標準件生成的結構參數(shù)發(fā)生變化時，只需修改數(shù)據(jù)庫中標準件的參數(shù)即可，實現(xiàn)了設計過程中的快速修改；

4）當船體標準規(guī)范發(fā)生變化時，可通過CATIA V6準確更改結構參數(shù)，使結構庫得到快速升級，提高重用率，且新標準件的存儲不會影響數(shù)據(jù)準確性。

2 結構資源數(shù)據(jù)配置

CATIA V6的結構資源數(shù)據(jù)配置在Data Setup中操作完成，涉及通用幾何和結構兩大資源集的創(chuàng)建及關聯(lián)具體項目。通用幾何資源集數(shù)據(jù)主要在3個模塊中應用，即Space Referential，Structure Functional Design（SFD）和Structure Design（SDD），結構資源集數(shù)據(jù)應用于SFD和SDD兩大模塊。資源集通常由一系列資源表組成，資源表是指資源集中的數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)庫、設計規(guī)則以及位圖等類型文件，這些文件組成結構基礎數(shù)據(jù)源，服務于結構設計。

表1和表2分別給出兩大資源集中的資源表及對應的功能。這些資源表主要通過數(shù)據(jù)導入方式創(chuàng)建，且必須嚴格參照船舶標準規(guī)范以確保數(shù)據(jù)的準確性。

表1 通用幾何資源的主要資源表Tab.1 The main tables in common geometry resource

表2 結構資源的主要資源表Tab.2 The main tables in structure resource

3 結構標準件創(chuàng)建流程

CATIA V6在完成結構資源數(shù)據(jù)配置后，針對型材和貫穿開口等標準構件和幾何外形，需要有效引入知識工程進行創(chuàng)建。運用參數(shù)化建模實現(xiàn)CATIA V6對結構標準件的特征提取，在參數(shù)化建模過程中將特征量用參數(shù)表示，并將其與依賴專家經(jīng)驗和標準規(guī)范的設計表關聯(lián)，最終解析生成幾何標準件，以便設計時利用幾何標準件提取三維建模和數(shù)據(jù)。此外，注意設計表的數(shù)據(jù)應與表2中相應資源表的數(shù)據(jù)保持一致。

作為船體結構中的常用型材，軋制型鋼分為扁鋼、角鋼、球扁鋼、I型鋼和槽型鋼等，故建庫時需根據(jù)標準規(guī)范整理數(shù)據(jù)，提取截面特征，合成定義零部件名稱。結構幾何標準件創(chuàng)建流程如圖1所示。

圖1 型材截面創(chuàng)建流程圖Fig.1 Flow chart of the profile cross-section setup

以軋制型鋼為例，對型材截面創(chuàng)建涉及的具體操作步驟詳述如下：

1）根據(jù)船舶行業(yè)標準規(guī)范，整理型鋼幾何數(shù)據(jù)，創(chuàng)建設計表；

2）新建截面類型Structure Section，定義具體名稱；

3）繪制截面草圖，實現(xiàn)長度和定位尺寸約束；

4）根據(jù)截面特征創(chuàng)建錨點；

5）按照軟件幫助工具命名截面邊界，同時分析和繪制SFD對應的簡化特征；

6）實現(xiàn)設計表參數(shù)與截面模型尺寸相關聯(lián)；

7）創(chuàng)建Component Family并關聯(lián)上述截面；

8）解析生成幾何標準件。

4 標準件工程實例創(chuàng)建

在工程實際中，船體結構中存在大量的標準構件及標準外形，如板材、型材、貫穿開口、結構開口、型材端部形式、坡口等。為更好地分析結構建庫工作，以某型科考船的船體結構為例，開展了實際的結構標準件創(chuàng)建和模板定制。

科考船主要板材和型材為B級船體結構鋼，冰區(qū)加強區(qū)域外板采用D級船體結構鋼，兩者均為鋼質全焊接結構。因全船有近萬個結構部件，故針對數(shù)量較多的相同或相似部件，全面開展了清理工作并構建了基礎庫。結構設計包括如圖2所示的板材、型材、貫穿開口、結構開口和端切5大類標準件，其中，板材、結構開口和端切僅通過資源數(shù)據(jù)配置即可，其他2類標準件則需要通過資源配置后，對應Material Table和Slot Table數(shù)據(jù)構建特征后解析生成。

圖2 船體結構標準件分類Fig.2 Standard parts classification of hull structure

在創(chuàng)建型材結構標準件時，需要清理標準規(guī)范創(chuàng)立設計表，并繪制截面特征草圖。草圖必須基于x-y坐標平面繪制，高度方向H與V軸保持一致，且確保截面中心對稱。圖3給出了扁鋼、球扁鋼、T型材、角鋼、空心圓鋼和方鋼截面的幾何特征，圖中粗點劃線為結構基礎設計時的使用特征，細實線輪廓為結構詳細設計時的使用特征。同時，截面錨點和邊界命名需結合工程設計與軟件說明進行定義，完成后，對錨點進行非構造元素化操作，隱藏不必要的工作平面和線條，以避免設計調用時產(chǎn)生歧義。圖4所示為典型貫穿水密開口，圖中粗點劃線輪廓表示型材，細實線表示開口外輪廓。

結合科考船結構節(jié)點詳圖，針對連接、補板、墊板等型式，在明確設計參考輸入對象和尺寸驅動參數(shù)的條件下，對應創(chuàng)建參數(shù)化模型，并完成參

數(shù)借用，實現(xiàn)三維結構模板的創(chuàng)建。共完成了20多種模板，圖5所示為其中3種結構設計模板。同時，在Catalog環(huán)境下建立結構標準庫目錄，將不同的模板存入庫中對應的目錄。當用戶開展結構設計時，僅需調用相應的模板、選取參考對象、輸入數(shù)據(jù)即可快速生成結構部件，以滿足提高設計效率、確保研制質量的需要。

圖3 典型型材截面Fig.3 Typical profile cross-section

圖4 典型貫穿水密開口Fig.4 Typical watertight notch

圖5 典型結構設計模板Fig.5 Typical structure design templates

5 結 語

針對CATIA V6結構建庫缺乏模板和標準數(shù)據(jù)的問題，闡述了船舶三維結構建庫的重要性，分析了CATIA V6結構資源數(shù)據(jù)配置策略，詳細說明了一系列資源表的具體功能。基于將知識工程引入三維結構建庫中，對CATIA V6結構標準件創(chuàng)建展開分析，為設計人員提供了全新的建庫思路。同時，結合科考船工程實例，介紹了船體結構標準件的系統(tǒng)分類和創(chuàng)建。在此工程應用中，充分運用知識工程技術，有效創(chuàng)建了結構件模板，存入標準件庫供結構設計時調用，從而達到了提高工作效率、確保數(shù)據(jù)準確性的目的。

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Database construction method of hull structure based on CATIA V6

LU Yongjin1，ZHU Jin2，LI Taotao1

1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

2 Naval Armament Department of PLAN，Beijing 100841，China

Finding a method of knowledge-based engineering for ship node structure design and hull structure design to improve working efficiency is a hot research issue.Based on the CATIA V6 software platform，this paper systematically describes how to build a structure database for three-dimensional design，and explains the importance of database construction to structure design.Moreover，the data allocation and composition of structure resources are analyzed，and the specific functions of the resource tables specially explained.Combined with the technology of parameterized modeling and knowledge engineering，the creation procedure of standard parts for structure design is introduced in detail.Finally，taking the typical hull structure as an example，the establishment of a large number of standard parts and structure templates are implemented in engineering application.It is concluded that the solution provides technical support and decision support for ship database construction.

ship hull structure；three-dimensional design；CATIA V6；database construction；knowledge-based engineering

U662.9；TP391.7

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.06.006

2016-04-05

時間：2016-11-18 15:19

國家部委基金資助項目

盧永進（通信作者），男，1982年生，博士，工程師。研究方向：船舶設計信息化。E-mail：soda1998@126.com李濤濤，男，1988年生，碩士，助理工程師。研究方向：船舶設計信息化。E-mail：taotaoliwhut@163.com

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20161118.1519.012.html 期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

盧永進，朱進，李濤濤.基于CATIA V6的船舶結構建庫方法［J］.中國艦船研究，2016，11（6）：35-39. LU Yongjin，ZHU Jin，LI Taotao.Database construction method of hull structure based on CATIA V6［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（6）：35-39.