基于CATIA V6的船舶管路系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)優(yōu)化

趙 恒，周志杰，彭文波

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

0 引言

船舶管路系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)，是指采用數(shù)字化手段構(gòu)建虛擬三維管路系統(tǒng)模型，模型能夠完整反映管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、布置情況及幾何外形特征，能夠用于數(shù)字化分析及指導(dǎo)生產(chǎn)施工。由于船舶管路系統(tǒng)多且復(fù)雜，布置遍及全船，管路及附件數(shù)量大、規(guī)格繁多、材質(zhì)多樣，管路系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)完成情況是決定船舶產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)深度及設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要因素。CATIA是CAD/CAM/CAE一體化的通用軟件平臺(tái)，CATIA V5在船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用已取得一定成效，CATIA V6是法國(guó)達(dá)索公司近年來推出的產(chǎn)品，與CATIA V5有較大的差異，該軟件延續(xù)了CATIA V5在通用平臺(tái)上搭建船舶專業(yè)模塊、模型仿真度高、屬性值豐富等優(yōu)點(diǎn)，并且提供了優(yōu)秀的產(chǎn)品生命周期管理、協(xié)同設(shè)計(jì)解決方案等技術(shù)，逐漸成為一些船舶設(shè)計(jì)建造單位使用的主流三維設(shè)計(jì)平臺(tái)[1,2]。

在目前的管路三維設(shè)計(jì)中，軟件的基本設(shè)計(jì)模塊可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型的建模及布置，但所建立的模型主要體現(xiàn)幾何外形特征，只包含少量設(shè)計(jì)信息，不利于設(shè)計(jì)信息在三維模型中的集中體現(xiàn)，不利于設(shè)計(jì)人員對(duì)產(chǎn)品信息的管理，不利于系統(tǒng)模型的更新維護(hù)。因此，需針對(duì)三維管路系統(tǒng)的資源配置、模型定制、模型關(guān)聯(lián)關(guān)系管理等方面展開進(jìn)一步研究，使三維設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)國(guó)內(nèi)船舶設(shè)計(jì)的需求。在目前的研究中，盧永進(jìn)、宗丹等人概括性的介紹了CATIA V6管路系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資源庫(kù)配置、輪機(jī)建庫(kù)關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容[3,4]；許諾、李祥等人基于CATIA V5研究了管路及管路類模型標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[5,6]。本文針對(duì)基于CATIA V6的船舶管路系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)，進(jìn)一步研究基礎(chǔ)資源庫(kù)配置、模型標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)創(chuàng)建及模型間的關(guān)聯(lián)關(guān)系在管路系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 基礎(chǔ)資源集配置

船舶管路系統(tǒng)可分為輪機(jī)工程管路系統(tǒng)及暖通空調(diào)工程管路系統(tǒng)兩個(gè)大類，CATIA V6中分別由Piping&Tubing模塊及HVAC模塊完成創(chuàng)建，兩類管路系統(tǒng)的基礎(chǔ)資源集配制方法類似，條目?jī)?nèi)容根據(jù)系統(tǒng)專業(yè)的要求存在差異，以輪機(jī)工程管路系統(tǒng)基礎(chǔ)資源集配置展開研究。

管路系統(tǒng)基礎(chǔ)資源集，如圖1所示，主要以工程規(guī)格表的形式存在，由表1中各表組成。其中，管材規(guī)格尺寸表（表2）中的Standard、Material、Nominal Size、Rating等構(gòu)成管路模型的主要屬性內(nèi)容，并與工程規(guī)格表中其他表的內(nèi)容對(duì)應(yīng)，構(gòu)成管路規(guī)格過濾器內(nèi)容；部件子類表存儲(chǔ)模型類別；彎管彎模倍數(shù)表等構(gòu)成管路彎曲規(guī)則過濾器；管材自動(dòng)匹配表等構(gòu)成管路創(chuàng)建自動(dòng)匹配規(guī)則過濾器；管路規(guī)格過濾器、管路彎曲規(guī)則過濾器及管路創(chuàng)建自動(dòng)匹配規(guī)則過濾器共同實(shí)現(xiàn)從模型標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中調(diào)用選取管路模型。

圖1 基礎(chǔ)資源集配置

表1 工程規(guī)格表

表2 管材規(guī)格尺寸表

2 模型標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)建立

模型標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)可以有效管理各類模型的建模、維護(hù)、升版、調(diào)用等工作，提高三維設(shè)計(jì)效率及質(zhì)量。管路系統(tǒng)模型標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)主要包括設(shè)備模型標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、管附件模型標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、安裝件模型標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、緊固件模型標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，其中，設(shè)備模型按照統(tǒng)一的模型模板建模并入庫(kù)，與管路或管附件連接的設(shè)備模型須創(chuàng)建管路連接點(diǎn)；管附件、安裝件、緊固件模型按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是成系列、不同規(guī)格的同型式模型，采用參數(shù)化建模手段進(jìn)行建模入庫(kù)?；贑ATIA V6的管附件模型參數(shù)化建模的主要流程如圖2所示。

1）按照部件子類表的類型分類，創(chuàng)建相應(yīng)類型的零件模型；

2）構(gòu)建三維模型，零件模型中的所有尺寸均須定義及約束；

3）根據(jù)管路附件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的參數(shù)信息及系列化尺寸要求，創(chuàng)建零件的設(shè)計(jì)表；

4）通過用戶自定義參數(shù)，將模型中對(duì)應(yīng)的尺寸約束與設(shè)計(jì)表參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)；

5）檢驗(yàn)設(shè)計(jì)表驅(qū)動(dòng)模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行系列化變更的情況；

6）創(chuàng)建管路連接點(diǎn)；

7）將帶參數(shù)的零件模型解析形成與設(shè)計(jì)表各行數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的多個(gè)零件模型，并添加進(jìn)產(chǎn)品目錄。

管路附件模型的的主要屬性通過設(shè)計(jì)表的變量參數(shù)化驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)表字段屬性命名約定如表3所示，其中Standard、Material、Nominal Size、Rating等屬性構(gòu)成管附件的主要屬性，與管路的工程規(guī)格表關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成管附件過濾器內(nèi)容；Parameters表示長(zhǎng)度、角度等值，與模型的尺寸約束等進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)模型的設(shè)計(jì)表參數(shù)化驅(qū)動(dòng)。

設(shè)備模型的產(chǎn)品目錄按照專業(yè)進(jìn)行分類創(chuàng)建，管附件的產(chǎn)品目錄參照部件子類表進(jìn)行創(chuàng)建，并根據(jù)實(shí)際需求在子類下新建節(jié)進(jìn)行擴(kuò)展。標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)模型的建模、修改、維護(hù)及升版均在模型標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)合作區(qū)中完成，項(xiàng)目合作區(qū)的作者進(jìn)行三維設(shè)計(jì)時(shí)，只能對(duì)模型進(jìn)行調(diào)用，不能對(duì)模型特征進(jìn)行修改。

3 模型關(guān)聯(lián)關(guān)系

三維管路系統(tǒng)中模型間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，主要分為兩類：參考引用以及裝配約束。參考引用是子級(jí)模型對(duì)母級(jí)模型中參考元素的引用，通過自動(dòng)或手動(dòng)將參考的幾何元素帶鏈接地復(fù)制到子級(jí)模型中，并加以引用；裝配約束是通過兩個(gè)模型之間的約束關(guān)系實(shí)現(xiàn)的工程連接。

圖2 管附件參數(shù)化建庫(kù)流程

表3 管附件設(shè)計(jì)表

（表3）續(xù)

管路系統(tǒng)中各模型間的連接關(guān)系，如圖3所示，可以劃分為：

1）設(shè)備模型的裝配約束：設(shè)備模型與總體要素或船體結(jié)構(gòu)幾何要素間的裝配約束關(guān)系，存在相對(duì)位置關(guān)系的設(shè)備模型間的裝配約束關(guān)系，用于定位設(shè)備在三維空間中的位置；

2）相連的管路附件之間、設(shè)備模型與管路附件間的裝配約束：兩個(gè)管附件模型、或設(shè)備模型與管路附件模型通過管路連接點(diǎn)連接的裝配約束關(guān)系，用于定位管路附件在三維空間的連接關(guān)系；

3）設(shè)備模型與管路間的關(guān)聯(lián)關(guān)系：設(shè)備模型與管路模型通過管路連接點(diǎn)連接的關(guān)聯(lián)關(guān)系，用于定位管路在三維空間中與設(shè)備模型的連接關(guān)系；

4）管路附件與管路間的關(guān)聯(lián)關(guān)系：管路附件模型與管路模型通過管路連接點(diǎn)連接的關(guān)聯(lián)關(guān)系，用于定位管路在三維空間中與管路附件模型的連接關(guān)系；

5）管路與管路間的關(guān)聯(lián)關(guān)系（通過管路連接點(diǎn)連接）：管路模型與管路模型通過管路連接點(diǎn)連接的關(guān)聯(lián)關(guān)系，用于定位管路與管路在三維空間中的連接關(guān)系。子級(jí)管路模型參考引用母級(jí)管路模型中的管路連接點(diǎn)；

圖3 模型關(guān)聯(lián)關(guān)系

6）管路與管路間的關(guān)聯(lián)關(guān)系（以支管形式連接）：管路模型與管路模型通過支管形式連接的關(guān)聯(lián)關(guān)系，用于定位管路與管路在三維空間中的連接關(guān)系。子級(jí)管路模型參考引用母級(jí)管路模型中的管路節(jié)點(diǎn)曲線及支管處管段的管路節(jié)點(diǎn)。

模型間的關(guān)聯(lián)關(guān)系保存在子級(jí)模型中，總是由子級(jí)指向母級(jí)，母級(jí)模型不存儲(chǔ)關(guān)聯(lián)關(guān)系，子級(jí)模型不對(duì)母級(jí)模型有任何修改，通過更新操作，可以實(shí)現(xiàn)母級(jí)模型更改后子級(jí)模型的自動(dòng)更改。

通過模型間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以有效掌控船體、設(shè)備、管附件等各級(jí)模型之間的關(guān)系，表達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況，促進(jìn)產(chǎn)品的全生命周期管理。

圖4 管路系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)流程

表4 管子規(guī)格屬性示例

4 三維設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過對(duì)基礎(chǔ)資源配置、模型標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的應(yīng)用，可以對(duì)管路系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，形成如圖4所示的管路系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)流程，依次完成系統(tǒng)設(shè)備、管路、管路附件、安裝件、緊固件的設(shè)計(jì)布放，從而完成三維設(shè)計(jì)。各類模型均從模型標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中調(diào)用，通過模型產(chǎn)品目錄或模型過濾器進(jìn)行選??；管路模型可根據(jù)通徑、材料等形成自動(dòng)匹配，或根據(jù)規(guī)格過濾器等進(jìn)行選??；模型間通過參考應(yīng)用和工程連接，完成布置、定位。

管路系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)過程中，通過產(chǎn)品目錄等對(duì)模型進(jìn)行調(diào)用，有效提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。構(gòu)建完成的管路系統(tǒng)中，各類模型型式統(tǒng)一，模型間的關(guān)聯(lián)關(guān)系分類明確，管路系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化水平得到顯著提升，并且模型屬性值豐富，如表4所示，包含多種設(shè)計(jì)信息，可為三維管路系統(tǒng)出圖提供有力支撐。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以基于CATIA V6的船舶管路系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)為對(duì)象，研究了基礎(chǔ)資源配置策略、模型標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)構(gòu)建流程、模型關(guān)聯(lián)關(guān)系種類，并針對(duì)三個(gè)方面在管路系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，對(duì)管路系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)流程進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的管路系統(tǒng)三維模型標(biāo)準(zhǔn)化程度高、設(shè)計(jì)信息豐富。研究結(jié)果有利于提高管路系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)效率，提高管路系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化水平，在工程實(shí)踐中取得良好的應(yīng)用效果。