基于 CATIA V6 的船舶管路三維設計研究

盧永進，宋一淇，林 銳，陳捷捷

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

基于 CATIA V6 的船舶管路三維設計研究

盧永進，宋一淇，林 銳，陳捷捷

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

為有效推進 CATIA V6 軟件的船舶工程化應用，通過基礎資源庫配置、管路設計、二維出圖和應用開發(fā) 4 個方面進行管路三維設計研究。從工程技術(shù)表入手，系統(tǒng)介紹了 CATIA V6 面向二維驅(qū)動三維管路設計的資源配置和建庫策略。結(jié)合船舶研制背景，詳細分析了 CATIA V6 管路設計流程，并總結(jié)出工程設計應用經(jīng)驗。同時，為彌補通用軟件在工程設計中的不足，開展了面向二維出圖和快速建庫的定制開發(fā)，且在工程實踐中具有較好的操作性和穩(wěn)定性。

CATIA V6；管路設計；三維設計；出圖；定制開發(fā)

0 引 言

在船舶設計領域，三維設計技術(shù)正在不斷推廣應用。由于船舶管路系統(tǒng)的復雜性，且設計水平難以滿足船廠放樣工藝，使得數(shù)字化設計技術(shù)相對滯后。當前，CADDS5，F(xiàn)ORAN，TRIBON 等專用軟件和CATIA V5 通用軟件已先后引入國內(nèi)并應用于船舶設計，并取得了一定成效，但與全面三維設計還有一定距離[1–4]。

管路設計是船舶設計的一個重要組成部分。CATIA V6 作為法國達索公司近年來推出的產(chǎn)品，居世界 CAD/CAE/CAM 領域的領導地位，與 CATIA V5 存在很大差異，該軟件提供了從管路原理圖繪制到三維放樣的功能，可滿足輪機專業(yè)的建?；拘枨?。按照不同的設計階段，CATIA V6 管路系統(tǒng)設計包括資源配置、二維符號繪制、原理圖設計、管附件三維建庫、管路三維設計、生產(chǎn)信息提取等內(nèi)容。但其設計和生產(chǎn)管理模式與我國存在差異，并在資源配置、出圖等方面不符合國內(nèi)船舶研制需要，尚待嵌入設計流程并進行定制開發(fā)。為此，分析 CATIA V6 基礎資源庫配置、管路設計、管路出圖等關鍵技術(shù)，并對出圖與建庫進行定制開發(fā)以提高船舶管路設計效率和質(zhì)量。

1 基礎資源庫配置

工程技術(shù)表是基礎資源庫配置的基礎，包括標準體系表、公稱通徑表、壓力等級表、材料種類表、材料表、端部類型表、三維部件子類表、管材外徑表、管材壁厚表、管材規(guī)格尺寸表、彎管彎模倍數(shù)表、管材彎模直徑表、管材彎模半徑規(guī)格表和最短管材長度表等一系列資源表。這些資源表不僅為后續(xù)管附件建庫提供數(shù)據(jù)，還對管附件賦予相應屬性。創(chuàng)建時務必充分考慮數(shù)據(jù)的準確性和完整性。

基于技術(shù)表數(shù)據(jù)，通過參數(shù)化模型與設計表關聯(lián)，批量生成管材、閥件模型并存入標準件庫。針對具體管路系統(tǒng)，創(chuàng)建規(guī)格過濾器，篩選出設計所選管材和附件。同時，定義對應系統(tǒng)的規(guī)格書，將工程技術(shù)表和規(guī)格過濾器嵌入其中，再將所用技術(shù)表、規(guī)格書和標準件庫關聯(lián)到資源集，最后綁定到設計項目，具體操作流程如圖 1 所示。配置資源庫時，用戶應在熟悉船舶管路系統(tǒng)和標準規(guī)范的基礎上，根據(jù)設計需求進行相關設置工作。

為實現(xiàn)二維驅(qū)動三維設計，應增設二維部件子類表、部件子類映射表，而部件子類映射表由二維部件子類表和三維部件子類表派生而成，如圖 2 所示。同時，創(chuàng)建二維與三維設備和管附件并存入庫中，確保二維設備符號屬性中 Predefined Part Number 項內(nèi)容為對應三維模型名稱。否則，在管路設計過程中，會因映射失敗而無法實現(xiàn)二維驅(qū)動三維設計。

2 管路設計

在技術(shù)設計階段，根據(jù)輪機專業(yè)系統(tǒng)劃分，構(gòu)建對應的特征樹，創(chuàng)建二維符號并入庫。同時，設計人員結(jié)合不同系統(tǒng)開展原理圖繪制工作，插入設備、閥件等符號，連接管線，從而形成系統(tǒng)原理圖。進入施工設計階段，主要著手詳細的三維設備與管路附件建模、入庫，并結(jié)合實船布置和加工工藝進行管路放樣，最后實現(xiàn)三維管路轉(zhuǎn)二維出圖。在整個設計過程中，二維原理圖與三維管路設計相關聯(lián)；管線與管材、附件的屬性必須相互匹配，當管線屬性變化時，與之對應的管材、附件也需做出相應調(diào)整。

圖 1 CATIA V6 三維管路設計流程Fig. 1 Three-dimensional piping design process based on CATIA V6

圖 2 二維與三維部件子類之間的映射關系Fig. 2 Mapping relationship between logical and physical part subtype table

為確保船廠有效運用三維管路施工設計成果，在技術(shù)和工藝層面應實現(xiàn)與生產(chǎn)建造深度融合。在 CATIA V6 管路三維設計時，應對艙室設備、基座、管路及電纜進行總體規(guī)劃和三維綜合布置平衡，有效運用知識工程技術(shù)，綜合考慮工藝優(yōu)化，具體措施如下：

1）在三維管路設計過程中應引入全局規(guī)劃、綜合布置概念，盡量避開風管與主干電纜以及人孔、梯子、門和通道，以確保實船管路集中布置，且整齊、美觀；

2）考慮空間利用最大化，對于鋪板和內(nèi)底間的管路，應自下而上，管徑由大到小，分層布置；舷側(cè)管路要沿縱向結(jié)構(gòu)平行布置，而穿過甲板時改為沿垂直布放；合理采用直角閥代替直通閥；

3）管路閥件應集中布置，合理優(yōu)化，同時便于船員觀察和操作，不影響船員通行與檢修；

4）合理考慮閥件的特殊要求，如安全閥、止回閥、節(jié)流閥、減壓閥、給水調(diào)節(jié)閥、流量計盡量安裝在水平管段而非垂直管段上；

5）管路設計時盡量使用 30°、45°、60°、90° 等標準彎頭，以減小流體阻力，提高船廠管段加工效率；

6）法蘭按每 3～5 m 長度布置 1 對，相鄰管路法蘭布置平齊成品字形或階梯型。

3 二維出圖

當前，國內(nèi)總體所仍以二維形式向總裝廠實現(xiàn)圖紙交付，而 CATIA V6 作為面向三維交付的軟件，其理念超越國內(nèi)船舶設計現(xiàn)狀。因此，三維管路設計轉(zhuǎn)二維出圖非常重要。出圖開發(fā)基于達索 3D Experience平臺，利用 CATIA V6 提供的 CAA 二次開發(fā)接口[5,6]，以 C++ 為輔助工具，在 CATIA V6 原生 Drafting 模塊的基礎上輔以客戶化定制開發(fā)，研制出管路出圖輔助軟件。以最大化保證 Auto CAD 與 CATIA V6 軟件的無縫銜接及用戶體驗一致性，軟件主要由圖框及標題欄創(chuàng)建、船體型線生成、二維組件實例化、二維視圖拷貝、型線坐標系創(chuàng)建和視圖合并等 6 個工具組成。具備生成圖幅、標注、注釋、技術(shù)要求等功能，自動提取管附件統(tǒng)計所需的編號、規(guī)格、數(shù)量、材料、重量重心等信息，修改操作方便，提高設計出圖工作效率。三維管路轉(zhuǎn)二維出圖流程如圖 3 所示，具體如下：

1）進入 CATIA V6 軟件 Drafting 模塊；

2）調(diào)入已創(chuàng)建的三維管路模型及船體背景，選取相應視圖進行投影；

3）根據(jù)配置文件，創(chuàng)建二維圖的圖框及標題欄，并設置圖紙比例；

4）對視圖區(qū)所選管附件進行自動標注，并分別實現(xiàn)水平、垂直方向?qū)R，同時添加走向注釋；

5）結(jié)合軟件原生功能配置管附件屬性，生成相應的明細表，

6）輸出具體管路圖紙文件。

圖 3 CATIA V6 三維管路出圖流程Fig. 3 Three-dimensional piping drawing flow chart of CATIA V6

4 快速建庫

對于管路設計而言，基礎庫數(shù)據(jù)的合理性、正確性尤為重要，直接影響到設計質(zhì)量和效率。盡管葉鵬[7]，許諾[8]等對 CATIA V5 進行二次開發(fā)，建立了相關產(chǎn)品的零件庫，但未涉及船舶工程應用。在資源庫配置時，CATIA V6 軟件未提供任何閥附件模板，需根據(jù)標準中外形尺寸進行參數(shù)化建模，并與對應標準數(shù)據(jù)的設計表相關聯(lián)，批量生成一系列附件，再存入標準件庫供設計者選用。然而閥附件涉及標準規(guī)范眾多，必須采用有效措施進行數(shù)據(jù)輸入和管理。

為此，突破設計項目壁壘，實現(xiàn)標準件數(shù)據(jù)統(tǒng)一。清理船用閥附件標準規(guī)范，綜合權(quán)衡模型數(shù)據(jù)量和設計美觀性，適度簡化附件外形，對外形類似附件統(tǒng)一歸類，建立參數(shù)化模型，存入附件簡化模型庫，便于批量解析閥附件時快速調(diào)用。以 GB/T 584-2008 船用法蘭鑄鋼直通型截止閥為例，根據(jù)標準所述結(jié)構(gòu)和基本尺寸，創(chuàng)建簡化幾何模型如圖 4（a）所示，可準確表達閥件的設計、接口、操作等信息，易于識別和參數(shù)化解析。通過對閥件、法蘭、螺紋接頭、三通、四通、彎頭、異徑等常用附件標準規(guī)范進行歸納整理，創(chuàng)建出一批幾何尺寸驅(qū)動的參數(shù)化附件模型（見圖 4（b）），為管附件快速建庫奠定了基礎。相比軟件原生功能而言，具有較好的操作性，并提高了設計效率。

圖 4 標準化附件庫創(chuàng)建Fig. 4 The establishment of standardized pipe fittings library

5 結(jié) 語

針對 CATIA V6 船舶管路設計國內(nèi)還沒有 1 套較為完善的解決方案。結(jié)合船舶行業(yè)設計流程，首先系統(tǒng)分析了 CATIA V6 資源配置和建庫策略，重點說明了二維驅(qū)動三維設計的映射關系，歸納出與生產(chǎn)建造相融合的施工設計經(jīng)驗。同時，為彌補軟件在二維出圖方面的不足，在 CATIA V6 原生 Drafting 模塊的基礎上輔以定制開發(fā)，研制出三維管路出圖輔助軟件，完全具備三維管路設計轉(zhuǎn)二維出圖功能。此外，以提高管附件建庫效率為目的，結(jié)合標準規(guī)范構(gòu)建附件簡化模型庫，為建庫快速調(diào)用參數(shù)化模型奠定基礎，可供不同產(chǎn)品設計項目共享。研究結(jié)果對 CATIA V6 的工程應用和設計開發(fā)具有理論和實踐指導意義。

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

[2]曾魯山, 曾凡明, 劉金林. 基于CATIA和VIRTOOLS技術(shù)的虛擬機艙漫游研究[J]. 中國艦船研究, 2008, 3(5): 62–64, 80. ZENG Lu-shan, ZENG Fan-ming, LIU Jin-lin. Development of virtual engine cab in using CATIA and VIRTOOLS[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2008, 3(5): 62–64, 80.

[3]盧永進, 華志剛. 基于FORAN的船舶管路三維設計研究[J]. 船海工程, 2012, 41(5): 77–80. LU Yong-jin, HUA Zhi-gang. Study on the 3D ship piping design based on FORAN[J]. Ship & Ocean Engineering, 2012, 41(5): 77–80.

[4]姚競爭. TRIBON模型的數(shù)據(jù)抽取及二次開發(fā)[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2006.

[5]倪海參, 汪學鋒. 從CATIA到TRIBON的板架結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法[J]. 中國艦船研究, 2012, 7(5): 66–70. NI Hai-shen, WANG Xue-feng. Data transformation from CATIA to TRIBON for naval ships[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2012, 7(5): 66–70.

[6]Dassult System. CATIA documentation[EB/OL]. 2008[2010-09-01]. http://www.maruf.ca/files/catiahelp/CATIA_P3_ default.htm.

[7]葉鵬. 基于CATIA V5的汽車制動器零件庫研究與開發(fā)[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2011.

[8]許諾, 彭文波. 基于CATIA標準管路庫的創(chuàng)建與使用[J]. 中國水運, 2012, 12(12): 93–95.

Research on three-dimensional ship piping design based on CATIA V6

LU Yong-jin, SONG Yi-qi, LIN Rui, CHEN Jie-jie
(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

For the realization of the CATIA V6 software engineering application, data setup, piping design, two-dimensional drawing and application development were investigated. With the engineering technological table as the starting point, the resource allocation and database construction policy oriented from logical to physical relying on CATIA V6 were analyzed. Combined with the background of ship development, the process and application experience of piping design were presented. To remedy the insufficiency of universal software for engineering design, the customized development of drawing and building library at high speed were carried out in detail, which demonstrates superior operability and stability.

CATIA V6；piping design；three-dimensional design；drawing；customized development

U662.9

A

1672–7619(2016)12–0083–04

10.3404/j.issn.1672–7619.2016.12.017

2016–05–30；

2016–07–25

國家部委基金資助項目

盧永進(1982–)，男，博士，工程師，主要從事船舶動力系統(tǒng)設計、船舶設計信息化等。