CATIA二維邏輯原理圖驅(qū)動三維建模在輪機詳細設計中的應用

高林洋 王 晨 羌 燕

（上海中船船舶設計技術國家工程研究中心有限公司 上海200011）

引 言

輪機設計主要包括設備選型、系統(tǒng)計算、詳細設計階段的設備布置及系統(tǒng)布置，本文主要講述輪機詳細設計階段采用CATIA 三維體驗平臺中二維邏輯原理圖驅(qū)動三維建模方法進行系統(tǒng)布置?，F(xiàn)階段輪機詳細設計系統(tǒng)布置設計工作多數(shù)以AutoCAD軟件為平臺，采用二維設計方式。由于船舶管路構成復雜及相互空間遮擋，空間尺寸不易精確估算，二維圖紙不易讀懂，設計中的錯誤很難發(fā)現(xiàn)，由此給船舶施工造成嚴重后果，同時也給船舶改建及擴建帶來不便。與二維設計相比，三維設計能清楚反映系統(tǒng)的空間關聯(lián)關系，可以使船舶管路布局更合理，更經(jīng)濟。當前大部分二維設計與三維設計是獨立進行的兩個設計階段，采用CATIA三維體驗平臺可以實現(xiàn)二維與三維設計同步進行，并且通過二維邏輯符號驅(qū)動三維建模，一個符號對應一個模型，實現(xiàn)了從平面符號到立體模型數(shù)據(jù)的唯一性和可查性。

1 CATIA二維邏輯原理圖驅(qū)動三維建模概述

通過對CATIA二維邏輯原理圖驅(qū)動三維建模測試分析可知：實現(xiàn)二維邏輯原理圖驅(qū)動三維建模的基礎首先需要完成一套標準的二維邏輯符號及三維標準小樣集；其次通過EKL的編程確定設備的驅(qū)動規(guī)則，管路規(guī)格書的編寫實現(xiàn)管路的快速建模及確定閥附件及管路的驅(qū)動規(guī)則；最后通過CATIA軟件中Piping And Tubing Sys.Design模塊創(chuàng)建二維邏輯原理圖并采用Piping And Tubing 3D Design模塊中Logical to physical功能實現(xiàn)邏輯符號的驅(qū)動，并對創(chuàng)建的原理圖中流體流向、系統(tǒng)通徑及驅(qū)動建模的準確性進行檢查。

1.1 邏輯符號與三維標準件創(chuàng)建

邏輯符號是二維邏輯原理圖的重要組成部分，創(chuàng)建過程中要對其符號類別（類別定義是在管系規(guī)格書中創(chuàng)建），屬性中的名稱、描述、符號的大小及線性比例、端部邏輯點等進行定義。

圖1 邏輯符號創(chuàng)建

管系閥件及附件大多數(shù)為參數(shù)化部件，其為標準件，與模板模型幾何外形一致，它的尺寸參數(shù)、部件屬性對設計人員開放。其基本操作方法，首先創(chuàng)建標準模板模型的幾何外形，其次創(chuàng)建參數(shù)化Excel表格并填寫標準件的屬性及幾何參數(shù)表中的相關數(shù)據(jù)，并與標準模板模型幾何外形尺寸相關聯(lián)，最后通過Component Family來實現(xiàn)以包含幾何信息和物理屬性的設計表對模型進行驅(qū)動，并完成模型批量生產(chǎn)和解析入庫［1-2］，如表1所示。

表1 小樣參數(shù)化表格

1.2 EKL語言規(guī)則驅(qū)動設備布置

由于機艙的管系系統(tǒng)中存在著大量與其相連的設備模型，采用常規(guī)操作需要對其一一布置到指定區(qū)域或點位。如若采用EKL語言編寫，有利于在平日將建模、設計、檢查過程中大批量的機械操作、繁瑣的操作進行梳理和提煉，可以將知識經(jīng)驗融入設計模型，降低設計主體的錯誤并提高其自動化程度。使用EKL語言驅(qū)動設備的前提是必須完成對船舶艙室的劃分及坐標的定義，圖2和下頁圖3為EKL編寫內(nèi)容，一種是通過賦值艙室背景為變量實現(xiàn)設備驅(qū)動到指定艙室背景下，一種是賦值三維點坐標為變量，通過前端定義XYZ三點坐標信息實現(xiàn)驅(qū)動到指定三維空間點位。

1.3 管系技術規(guī)格書

技術規(guī)格書由多種規(guī)格表組成，規(guī)格表類似Excel表格，分為管系的基礎表和高級表?；A表包括（通徑、等級、材料、端切形式、物理關聯(lián)表）等，高級表包括（彎管參數(shù)、兼容性、自動匹配表）等，在一個工程下，就是通過工程規(guī)格書里的技術表內(nèi)容來約束建模、驅(qū)動建模，保證建模的準確性，驅(qū)動實現(xiàn)一些復雜繁瑣建模的自動化。CATIA三維體驗平臺提供了多種類型的管系技術規(guī)格表，不同類型的技術規(guī)格表實現(xiàn)不同建模操作，例如Mapping Part Subtype Table表是實現(xiàn)閥附件邏輯符號驅(qū)動三維建模的必要表格。這些規(guī)則驅(qū)動基本能覆蓋管系三維建模的整個過程［2-4］，如圖4所示。

圖2 EKL編寫設備驅(qū)動指定艙室

圖3 EKL編寫設備驅(qū)動指定三維空間點位

1.4 規(guī)格書驅(qū)動管部件批量布置

管系三維建模中，放置管部件是一個操作非常機械繁瑣的過程，其中法蘭，彎頭、三通、異徑是管路中非常常用的部件。一個項目中可能會達到成百上千管路部件，如果設計員一個個手動放置，會花費大量時間，同時手工操作也會導致錯誤率的提升。規(guī)格書中，規(guī)格表可以實現(xiàn)管路部件的智能驅(qū)動，減少人工干預，提高建模準確性。這里主要分析三通的自動驅(qū)動規(guī)則表。

三通中包括等徑和異徑一體形式、管座形式、鞍座形式、開支管形式。CATIA 三維體驗平臺中，根據(jù)三通形式的特點，制作了幾種支管模板，并以英文區(qū)分其具體形式。設計人員可以通過自定義支管規(guī)則表（Piping Branching Rule Table），根據(jù)設計場景的不同，選取不同的支管形式，如下頁圖5所示。

圖4 某項目規(guī)格書中技術表格

圖5 支管形式

支管規(guī)則表是通過定義主管和支管的材料、通徑、支管的形式、支管角度、支管點距、磨口端切、和支管開孔尺寸，選擇三通的Part Subtype，在部件驅(qū)動時后臺會找到與其Part Subtype一致的三通模型，并通過匹配管路中主管和支管的通徑信息，達到自動替換，如圖6所示。

圖6 支管規(guī)則表

在Piping and Tubing 3D Design模塊中，在結(jié)構樹中選擇要替換部件的主管和支管，使用Specification Driven Assistant功能命令可以批量的給管路替換三通部件，如下頁圖7所示。

1.5 規(guī)格書定義閥附件驅(qū)動規(guī)則

閥附件的驅(qū)動是通過分別定義邏輯符號與三維標準閥附件的類別，通過規(guī)格書中Mapping Part Subtype Table表格匹配不同類別的邏輯符號及三維標準件［2］，不同的類別可以根據(jù)設計人員的需求進行匹配，通過規(guī)格書中類別匹配表創(chuàng)建就能使邏輯符號和三維標準件形成關聯(lián)，設計人員使用Place Part閥附件邏輯符號驅(qū)動功能，后臺自動查找與其類別匹配的三維標準件模型，如下頁圖8所示。

1.6 二維邏輯原理圖驅(qū)動三維建模

二維邏輯原理圖設計采用CATIA三維體驗平臺中Piping and Tubing Sys.Design模塊設計。該模塊中可以創(chuàng)建邏輯原理圖節(jié)點及三維物理模型節(jié)點，并通過Implement Relations功能創(chuàng)建邏輯原理圖和三維物理節(jié)點關聯(lián)，每次驅(qū)動出的閥附件及管件都會生成一個唯一關聯(lián)式，關聯(lián)式的生成方便邏輯符號與模型一致性的查找。

圖7 三通部件自動替換

圖8 Mapping Part Subtype Table

二維邏輯原理圖的設計類是于采用CAD創(chuàng)建原理圖，首先在CATIA中選擇適宜的圖紙圖框，大型設備符號或者船體背景圖可以通過圖形導入模式創(chuàng)建并對設備符號端口處賦予其邏輯連接點；管線的創(chuàng)建區(qū)別于CAD創(chuàng)建管線，CATIA中管線需要依照系統(tǒng)圖中不同通徑創(chuàng)建不同Line ID，畫管線路徑時，都要引用所需要的通徑Line ID。閥附件符號的引用需要從其專屬Catalog庫中調(diào)用及復用，如下頁圖9所示某船燃油系統(tǒng)。

圖9 CATIA中二維邏輯原理圖

二維邏輯原理圖驅(qū)動三維建模采用采用CATIA三維體驗平臺中Piping and Tubing 3D Design模塊中Logical to Physical功能。對于驅(qū)動到指定區(qū)域的設備，我們首先要對邏輯設備符號進行定義包括其屬性中名稱、Reference中Predefined Part Number填寫需要驅(qū)動的設備名稱，通過先前EKL編寫，采用Create Space Link功能對其設備符號定義Space References確定其驅(qū)動區(qū)域。設備符號屬性定義好后，通過Logical to Physical功能后臺同步進行模型查找，并自動布置到指定區(qū)域，如圖10所示。

圖10 邏輯設備符號驅(qū)動建模

對于邏輯管線的驅(qū)動，有兩種驅(qū)動方式：

（1）直接驅(qū)動；

（2）通過Line ID進行手動布置（推薦）。其驅(qū)動的原理是根據(jù)EKL中Spec business logic（BL）的編寫，該程序可以按照設計人員的需求進行編寫，其主要的思路是對邏輯管線Line ID進行三維管路信息賦值。直接驅(qū)動只有在同步出最少兩個及以上管件基礎上，相鄰管件間管段可以驅(qū)動生成。由于其驅(qū)動方式特別，故該布管方式適用于簡單業(yè)務場景。通過Line ID手動布置，進入管路三維建模模塊，選擇管路所在的Line ID。選擇管路規(guī)格，找到其原理圖驅(qū)動出的設備模型并進行手動布管，該布管方式可以根據(jù)設計人員的建模思維進行大規(guī)模綜合區(qū)域放樣，如圖11所示。

圖11 邏輯管線Line ID驅(qū)動建模

管附件的驅(qū)動類似于管路的兩種驅(qū)動方式：

（1）通過原理圖驅(qū)動（推薦）；

（2）直接驅(qū)動。原理圖驅(qū)動進入管路三維建模模塊，選擇原理圖驅(qū)動圖標，選擇合適的管件及放置位置（前提是邏輯符號與三維管件的Subtype必須匹配）。直接驅(qū)動類似設備驅(qū)動，修改Predefined Part Number，通過同步命令自動找到相應的三維模型，其缺點是需要調(diào)整模型位置，如圖12所示。

圖12 邏輯閥附件符號驅(qū)動建模

1.7 B.I Essentials檢查功能

B.I Essentials檢查功能對于邏輯系統(tǒng)的檢查主要從其系統(tǒng)原理圖的通徑、流向及連通性著手。對于三維模型的檢查主要從其一致性方向著手，并用顏色以示區(qū)分。下頁圖13為某船海水系統(tǒng)檢查功能展示。

圖13 B.I Essentials功能檢查模型一致性

2 CATIA二維邏輯原理圖驅(qū)動三維建模優(yōu)缺點

傳統(tǒng)三維建模軟件的模型數(shù)據(jù)間并無關聯(lián)信息，部件布置需人工逐一放置，模型檢查需在二維圖紙和三維模型中來回切換，給設計造成不便。CATIA二維邏輯原理圖驅(qū)動三維建模可以同時滿足從船舶的詳細設計到生產(chǎn)設計的需求，可以實現(xiàn)部件的智能化驅(qū)動；通過二維邏輯原理圖驅(qū)動三維建模，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)源從上到下的唯一性，給軍船項目以后的全壽命保障提供技術支持，在此基礎上也大大提高圖紙校核人員的工作效率。每一種設計軟件有益處也有弊處，CATIA三維體驗平臺項目前期的規(guī)格書配置，需要工程師花費一定的時間和精力。

3 結(jié) 語

本文基于CATIA三維體驗平臺，分析了二維邏輯原理圖驅(qū)動三維建模方法并適用于輪機詳細設計中系統(tǒng)布置。通過將管系三維建模的特點及規(guī)律與三維體驗平臺上的規(guī)則驅(qū)動有效結(jié)合，實現(xiàn)管路智能建模，提高了設計效率。通過與傳統(tǒng)建模相比，分析了二維邏輯原理圖驅(qū)動三維建模的優(yōu)缺點，并努力推行將二維邏輯原理圖驅(qū)動三維建模成為廠所協(xié)同在系統(tǒng)布置中的有效切入點。