基于FORAN的船舶管路三維設(shè)計研究

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(中國艦船研究設(shè)計中心,武漢 430064)

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，三維設(shè)計技術(shù)已在航天、航空、汽車等領(lǐng)域的研發(fā)、設(shè)計與制造過程中得到廣泛應(yīng)用。由于船舶系統(tǒng)的復雜性，其三維設(shè)計應(yīng)用相對滯后。目前，盡管國內(nèi)多家設(shè)計院所和船廠運用CADDS5、TRIBON、CATIA等軟件在船舶設(shè)計上取得了初步成效，但與全面數(shù)字化造船尚有一定距離[1]。

作為用于船舶工程設(shè)計和建造的集成化軟件系統(tǒng)，F(xiàn)ORAN軟件為用戶提供了總體型線、船體結(jié)構(gòu)、管路系統(tǒng)、空調(diào)通風、舾裝、電氣等相關(guān)專業(yè)的三維設(shè)計，可謂覆蓋面廣，功能強大。三維管路設(shè)計作為三維設(shè)計的重要組成部分，涉及多個專業(yè)，而且操作復雜。

1 管路建庫

與大多三維設(shè)計軟件相同，F(xiàn)ORAN自身不設(shè)置任何專業(yè)的附件庫，要進行管路設(shè)計，用戶必須根據(jù)實際需求自行建庫。管路建庫需要完成基礎(chǔ)信息庫、管子庫和附件庫的建立，它們均是服務(wù)于船舶管路設(shè)計的大型數(shù)據(jù)庫，缺一不可，同時必須保證其準確性，否則會帶來不必要的麻煩。建數(shù)據(jù)庫時，設(shè)計者應(yīng)在熟悉船舶管路系統(tǒng)和相關(guān)標準的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計需求在Fdefin模塊中進行系統(tǒng)規(guī)范的建庫工作。FORAN軟件管路設(shè)計各庫表之間的關(guān)系見圖1。

圖1 FORAN三維管路設(shè)計流程

在圖1中，建立基礎(chǔ)信息庫是整個管路建庫的基礎(chǔ)性工作，必須涵蓋通徑表、材料屬性表、管端類型表、壁厚等級表、連接類型表等信息，相關(guān)數(shù)據(jù)將為定義Standard norms表和CLASS服務(wù)，一般不需設(shè)計者創(chuàng)建[2-4]。管子建庫需要建立Standard norms表、CLASS及其所屬Components，而管路附件庫的創(chuàng)建只需定義CLASS及相關(guān)Components。二者的區(qū)別在于管路附件庫不用創(chuàng)建Standard norms表，究其原因是管路設(shè)計以管線為主導，在對管線賦予相關(guān)屬性后，再插入配套附件，如閥件、三通、異徑、彎頭等，使得附件與管件相匹配。在建庫過程中，應(yīng)查找相關(guān)標準做好建庫工作，確保輸入數(shù)據(jù)準確無誤。否則，在后續(xù)三維設(shè)計時，將因管子與附件或附件與附件之間不匹配而無法關(guān)聯(lián)。

2 管路設(shè)計

相對管路建庫而言，F(xiàn)ORAN三維管路設(shè)計比較簡單，依次在Fdefin和Fpipe兩個模塊中完成。在Fdefin模塊下，基于管子庫和附件庫的數(shù)據(jù)信息，分別建立管子材料規(guī)格表和附件材料規(guī)格表。然后進入Fpipe模塊進行三維設(shè)計，首先通過多義線創(chuàng)建相應(yīng)管線，再沿多義線生成管段，并在彈出的PipeLine Segment Attributes對話框中賦予管段具體屬性，備選屬性信息均是在Fdefin模塊中建庫創(chuàng)建的。隨后便可在管段具體位置插入管路附件，圖2為典型管路系統(tǒng)的FORAN三維設(shè)計模型，該系統(tǒng)涉及三種不同通徑管子，并含有三通、彎頭、異徑、蝶閥和閘閥等附件。在整個設(shè)計過程中，當管件屬性變化時，與之關(guān)聯(lián)的附件也需作出相應(yīng)調(diào)整，并首先在Fdefin模塊進行建庫修改，每次修改完后，在Fpipe模塊中保持實時更新。

圖2 典型管路的FORAN三維設(shè)計模型

在三維設(shè)計過程中，需要實時干涉檢查，目的在于檢查設(shè)計管路與船體、設(shè)備、電纜以及其它管路是否發(fā)生碰撞，這樣能有效減少或避免多專業(yè)并行設(shè)計時的干涉情況，以便對質(zhì)量和技術(shù)狀態(tài)進行有效控制。干涉檢查時，還可根據(jù)設(shè)計需要隱藏忽略項，尤其對于包敷絕緣的管路，F(xiàn)ORAN可以通過消隱直接顯示管路及絕緣，絕緣呈半透明狀。干涉檢查之后，專業(yè)內(nèi)部或?qū)I(yè)之間往往要進行技術(shù)布置協(xié)調(diào)，在協(xié)調(diào)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對相關(guān)設(shè)計進行相應(yīng)修改和完善。如此檢查、調(diào)整反復進行，直至獲得合理的管路設(shè)計為止。

3 管路出圖

出圖是三維管路設(shè)計工作流程的最后環(huán)節(jié)，當完成布置、干涉檢查、修改等一系列工作完成后，就需將三維管路布置轉(zhuǎn)換為二維圖形打印輸出，便于制造單位按圖進行施工建造，圖3給出了FORAN管路出圖流程。

圖3 FORAN三維管路出圖流程

FDesign是FORAN用于實現(xiàn)三維轉(zhuǎn)二維出圖的模塊。在Fpipe模塊或Fcable模塊中調(diào)出船體結(jié)構(gòu)以及背景設(shè)備，制作成REM格式文件。隨后在FDesign模塊中調(diào)入REM文件和需出圖的設(shè)備，根據(jù)需要生成所需視圖，并進行標題等相關(guān)信息修改。生成標注和明細表的方法有兩種，一種方法是運用組庫自動形成明細表和標注ELEMENT名稱，但必須在英文環(huán)境下才能實現(xiàn)組庫出圖。另一種是利用Thinkdesign的功能自動標注序號，然后根據(jù)自動標注的序號修改明細表的內(nèi)容。對于設(shè)備、管路以及材料統(tǒng)計所需的零件編號、規(guī)格、數(shù)量、材料、管路絕緣、重量、重心等信息，F(xiàn)ORAN軟件均能從三維模型中自動提取并統(tǒng)計。

4 幾何宏運用

對于管路設(shè)計者而言，F(xiàn)ORAN軟件提供的管路附件并非一應(yīng)俱全，對于某些特殊附件，需要用戶基于TCL語言編寫幾何宏文件來定義相應(yīng)實體。FORAN軟件的宏文件以參數(shù)化編程為基礎(chǔ)，不受軟件版本和系統(tǒng)平臺的限制，特別適用于創(chuàng)建形狀復雜的幾何模型[5]。在FORAN軟件中，不同系列的宏放在不同文件夾中，管附件宏文件的后綴為.fit，同時，MACFIT環(huán)境變量用于配置管系及其附件宏文件的目錄路徑(*.fit)。

一個幾何宏一般至少由參數(shù)函數(shù)和運行函數(shù)兩個基本函數(shù)組成，參數(shù)函數(shù)主要用于變量設(shè)置、參數(shù)描述、關(guān)聯(lián)輪廓圖和宏命名等。變量名的定義可以用字母，數(shù)字或下劃線字符作為首字符，后面繼續(xù)與一些字符(數(shù)字，字母或下劃線字符)一起組成變量名。而運行函數(shù)則由一系列TCL命令來實現(xiàn)編輯模型，見圖4。

圖4 幾何宏文件的框架結(jié)構(gòu)

TCL語言是宏文件的編寫語言，它具有條件分支、循環(huán)、數(shù)學計算等語言特征，與常用編程語言類似。同時，TCL語言包含MAC_PARM、MAC_OBJP、MAC_MODL、MAC_COLO等數(shù)十條命令，是幾何宏編寫過程中必不可少的，分別具有參數(shù)描述、對象創(chuàng)建、屬性編輯、實體變換等功能。如果幾何宏相對簡單且很短，可按圖4框架進行編輯；對于一個復雜且長的幾何宏文件來說，由于FORAN提供了27種基本模型和52種擴展模型，可考慮采用類似的宏作為參考藍本，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建出新的附件模型。

5 幾何宏編寫

由于閥件的型式多樣且較復雜，因此在其二次開發(fā)程序中需兼顧快速建模和主要外形相似的原則，根據(jù)標準以及設(shè)計習慣，以通徑、閥件尺寸及法蘭厚度為主要設(shè)計參數(shù)，從而確定其它結(jié)構(gòu)尺寸與主要參數(shù)之間的關(guān)系，使得編寫的幾何宏能夠按照規(guī)范的要求，通過主要參數(shù)的變化唯一確定閥件模型。宏文件按圖4所示框架結(jié)構(gòu)來編寫。現(xiàn)以GB/T 593-93三通L型旋塞為例進行編寫演示。

通過查閱標準GB/T 593-93，三通L型旋塞可由法蘭直徑D、旋塞長度L、旋塞高度H、法蘭厚度b和法蘭中心點高度H1五個主要參數(shù)來確定。用TCL語言編寫其宏模型的思路見圖5。

圖5 三通旋塞幾何宏編寫流程

首先運用MAC_OBJP命令插入基本幾何宏ANIL、CILI、TRCN形成左側(cè)法蘭及結(jié)構(gòu)，并賦予法蘭屬性和顏色。然后復制生成右側(cè)法蘭及結(jié)構(gòu)，同時旋轉(zhuǎn)整個對象，再運用MAC_OBJP、MAC_SELE、MAC_ROTA等命令依次生成后側(cè)法蘭及結(jié)構(gòu)、中間腔體和手柄。為了布置時旋塞的定位，最后定義旋塞的輸入點、輸出點。

為了方便對創(chuàng)建的宏模型進行編寫和測試，須對FORAN軟件做相應(yīng)的配置，在軟件FORAN初始界面中，鼠標左鍵點擊【setup】，選擇【Add/Edit project... 】一欄，彈出【project】對話框。在【Dir. list】一欄中輸入宏文件存放路徑，如C: emp；在【Env variables】后的空白欄處輸入各閥件宏文件包括路徑：

MACFIT=C: empcfgfilmacrosfittp;C: empcfgfilmacrosincludes

圖6 三通旋塞參數(shù)化建模對話框

結(jié)合標準GB/T 593-93，在對話框右側(cè)輸入對應(yīng)數(shù)據(jù)，即可根據(jù)設(shè)計需求創(chuàng)建不同通徑的旋塞。

6 結(jié)論

FORAN軟件具有面向船舶設(shè)計師、貫穿整個設(shè)計過程、數(shù)據(jù)模型統(tǒng)一、二次開發(fā)環(huán)境優(yōu)越等優(yōu)點，這正符合船舶管路三維設(shè)計追求的目標。同時， FORAN中的幾何宏編寫可對管路特殊附件、設(shè)備進行參數(shù)化建模，為設(shè)計人員提供便捷的設(shè)計手段。由于目前國內(nèi)的船舶設(shè)計理念和思路與國外有所不同，在并行設(shè)計方面還有待提高。在FORAN船舶管路三維設(shè)計過程中，需結(jié)合輪機專業(yè)實際情況，對現(xiàn)行的設(shè)計流程和管理進行相應(yīng)完善，才能充分發(fā)揮軟件的強大管路設(shè)計功能，從而減少開發(fā)過程中的管路放樣次數(shù)，提高設(shè)計質(zhì)量和縮短開發(fā)周期。

[1] 邵開文，馬運義.艦船技術(shù)與設(shè)計概論[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.

[2] 林 銳，曾榮輝，盧永進，等.FORAN三維設(shè)計實用教材[M].北京:國防工業(yè)出版社，2011.

[3] 林 銳，盧永進，房玉吉，等.Foran軟件在輪機設(shè)計中的應(yīng)用[J].機械，2011,38(8):33-35.

[4] 張 凱，謝承福，涂躍紅，等.FORAN軟件在船舶總體設(shè)計中的應(yīng)用[J].中國艦船研究，2009(4): 80-84.

[5] OUSTERHOUT J K, JONES K.Tcl/Tk入門經(jīng)典[M].2版.張元章,譯.北京:清華大學出版社,2010.