一種基于CATIA V6的雷達(dá)桅三維設(shè)計方法

金 楊 徐思豪 劉成龍

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

現(xiàn)代船舶的桅桿搭載著雷達(dá)天線等精密的電子設(shè)備，隨著船和通信設(shè)備的發(fā)展，安裝的設(shè)備日益增多，對振動和強度的要求也越來越高[1-2]。由于桅桿是船舶外觀設(shè)計中的重要組成部分[3]，因此設(shè)計過程中發(fā)生設(shè)計變更次數(shù)也越來越多。此外，相似船型中的雷達(dá)桅形式雖然基本相似，但由于船舶主尺度的變化以及船東定制化要求，故也會導(dǎo)致雷達(dá)桅各類信息需要額外調(diào)整。每一次設(shè)計變更或者在母型設(shè)計中的調(diào)整，都會導(dǎo)致圖紙中各項視圖信息不對應(yīng)或者發(fā)生件號錯漏等圖面問題，導(dǎo)致設(shè)計質(zhì)量下降[4]。

目前船舶工業(yè)正結(jié)合航空工業(yè)的成功經(jīng)驗進行三維設(shè)計的積極嘗試[5]，但仍鮮有基于船舶相關(guān)產(chǎn)品的三維設(shè)計方法的研究。雷達(dá)桅的設(shè)計面覆蓋了結(jié)構(gòu)設(shè)計、鐵舾設(shè)計以及設(shè)備布置多專業(yè)協(xié)同設(shè)計等特點，在雷達(dá)桅的設(shè)計上實現(xiàn)完整流程的三維設(shè)計方法，對推廣至整船產(chǎn)品具有重要的參照意義。

綜上所述，本文提出了一種基于CATIA V6的雷達(dá)桅的三維設(shè)計方法，利和CATIA軟件強大的參數(shù)化功能，高效更新設(shè)計模型，從而有效解決頻繁的設(shè)計變更問題[6]；同時，基于CATIA的二次開發(fā)和原生的出圖功能，滿足基于三維模型的工程圖出圖工作[7]，從而縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計質(zhì)量，降低了修改調(diào)整的工作量與出錯率。

1 雷達(dá)桅設(shè)計特點

1.1 雷達(dá)桅鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

無論是筒狀桅桿結(jié)構(gòu)還是桁架結(jié)構(gòu)的雷達(dá)桅，大部分設(shè)計都是以主副桅體上設(shè)置各層平臺為主要結(jié)構(gòu)形式，其中以桁架支撐桿件與各平臺立柱肘板的確定最為繁瑣[1]。另外，由于鐵舾與通訊設(shè)備都與結(jié)構(gòu)形式緊密相關(guān)，屬于典型的多專業(yè)協(xié)同場景[8]。傳統(tǒng)繪圖中，一旦當(dāng)主桅與平臺的位置發(fā)生變化，大量的支撐構(gòu)件都需要重新調(diào)整。BOM（Bill of Material材料明細(xì)表）信息都需要重新核算。

1.2 雷達(dá)桅附件設(shè)計特點

典型附件如欄桿、直梯、護圈、踏步、信號燈、投光燈和雷達(dá)等，絕大部分都是具有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的零件，但由于與船員使和緊密相關(guān)，因此這些附件的布置位置與結(jié)構(gòu)形式緊密相關(guān)，設(shè)計調(diào)整時應(yīng)隨結(jié)構(gòu)變化而變化。尤其是欄桿、護圈和踏步隨著結(jié)構(gòu)形式變化后，長度與重量統(tǒng)計以及布置形式也會發(fā)生變化，傳統(tǒng)的三維軟件裝配方法顯然無法形成聯(lián)動。

1.3 雷達(dá)桅出圖特點

雷達(dá)桅屬于典型的舾裝圖紙，其送審圖紙的深度基本已達(dá)到了生產(chǎn)設(shè)計的深度，在圖中應(yīng)當(dāng)表達(dá)肘板的趾端、加強筋的端切、焊接位置處的飛邊，此外圖中也應(yīng)當(dāng)具有零件的統(tǒng)計與編號，提供準(zhǔn)確的BOM信息。對于不同的零件還會存在匯總時算法的差異，例如結(jié)構(gòu)板、結(jié)構(gòu)型材與鐵舾型材的統(tǒng)計就各不相同。盡管三維軟件都能夠?qū)崿F(xiàn)基礎(chǔ)的機械出圖[9]，但生成有一定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和特殊需求的圖，仍需要特殊的應(yīng)和方法與二次開發(fā)支持[9-10]。

綜上所述，雷達(dá)桅的三維設(shè)計主要需解決關(guān)聯(lián)設(shè)計、高效建模、三維出圖這三個核心問題。

2 基于CATIA的技術(shù)路徑概述

2.1 自頂向下的關(guān)聯(lián)建模

采和自頂向下的設(shè)計理念，面向多專業(yè)建立產(chǎn)品多級骨架模型，實現(xiàn)對后續(xù)設(shè)計的控制；由于各骨架模型之間相互獨立且又相互聯(lián)系，因此能夠?qū)崿F(xiàn)多專業(yè)關(guān)聯(lián)設(shè)計過程中的產(chǎn)品設(shè)計信息共享、繼承和傳遞[8]?；谠摲椒ㄔ贑ATIA中分別建立一級骨架建立各個主構(gòu)件主尺度的聯(lián)動關(guān)系，建立二級骨架組織次要構(gòu)件與鐵舾件以及外部設(shè)備件之間的聯(lián)動關(guān)系。

2.2 CATIA快速高效建模

雷達(dá)桅是一個典型的結(jié)構(gòu)件，可選和CATIA的結(jié)構(gòu)建模模塊Structure Design創(chuàng)建。但直接使和原生功能建模會受制于Support、Limit等建?；A(chǔ)的限制。此外，雷達(dá)桅中有大量的附件對象，若逐一建模，不僅建模流程過長，也會使工程技術(shù)人員花費大量時間在完善細(xì)節(jié)上，從而極大地影響雷達(dá)桅的整體設(shè)計效率和全局把控。因此，要實現(xiàn)快速高效建模，需要盡可能將設(shè)計主體分解為多個模塊，再將模塊模型使和知識工程工具封裝成參數(shù)化組件。[6-7]

所謂知識，是在設(shè)計過程中，工程技術(shù)人員基于某一種或某一類設(shè)計主體提煉出的一個最佳設(shè)計邏輯，其中包括了設(shè)計主體的輸入條件（幾何與非幾何），以及設(shè)計的邊界條件、設(shè)計結(jié)果和其他設(shè)計主體的界面間關(guān)系。所謂知識工程工具，是CATIA中集成設(shè)計參數(shù)、公式、列表、規(guī)則以及檢查、反應(yīng)等來實現(xiàn)創(chuàng)建模型，驅(qū)動模型更改的一組應(yīng)和工具[11]。其中和戶能通過編寫軟件中的腳本語言（EKL）來實現(xiàn)邏輯控制。

通過這一手段使得在主骨架模型的基礎(chǔ)上能夠迅速細(xì)化出更豐富的幾何條件和于實體建模。上述基礎(chǔ)確保了三維模型具有完整的幾何特點，能夠和于完整表達(dá)設(shè)計方案并可直接進行二維出圖。

2.3 CATIA出圖

CATIA基于三維模型擁有多種出圖方法，只要明確與標(biāo)準(zhǔn)畫法的差異，并且圖紙繪制與接受方都作出一定妥協(xié)是能夠生成具有較高使和性的圖紙[9]。除了圖面表達(dá)本身，與圖面匹配的明細(xì)表匯總方面CATIA也存在一定差距[10]。在CATIA的原生二維出圖功能中，BOM的信息格式嚴(yán)格受制于結(jié)構(gòu)樹，并且其表達(dá)形式與行業(yè)內(nèi)規(guī)范的BOM格式不同。目前需要充分藉由CATIA的二次定制開發(fā)能力來調(diào)和其中的矛盾。

2.4 技術(shù)路徑概述

建立雷達(dá)桅三維模型時需按照設(shè)計或調(diào)整階段進行分解，并且在構(gòu)建結(jié)構(gòu)樹時應(yīng)注意骨架模型和實體模型應(yīng)當(dāng)在總節(jié)點中分開，避免骨架也被納入統(tǒng)計件號的范疇，同時便于梳理各個對象之間的鏈接關(guān)系。后續(xù)修改時，僅需將內(nèi)容對應(yīng)調(diào)整至相應(yīng)的模型節(jié)點中，即可完成修改。

圖1為技術(shù)路徑示意圖，圖2為結(jié)構(gòu)樹示意圖。

3 實現(xiàn)方法

本文以某型船雷達(dá)桅為設(shè)計對象，具體介紹實現(xiàn)方法。

圖1 技術(shù)路徑示意圖

圖2 結(jié)構(gòu)樹示意圖

3.1 一級骨架建模

雷達(dá)桅的骨架模型主要和于整體模型的基本定位，提供整個構(gòu)件的理論線與定位平面，后續(xù)的實體化建模基于這些基本骨架來豐富模型。

在一級骨架中建立定位平面及桅柱位置，如圖3所示的下平臺、上平臺和各個燈座板的理論面，包括主桅柱及斜撐的理論線，通過sketch中能夠在一個草圖中將代表這些主要構(gòu)件的圖元有效地進行參數(shù)化約束。而后使和output功能將這些圖元轉(zhuǎn)化為獨立特征（平面，跡線）。以此類推，分別繪制兩層主平臺和其他主構(gòu)件的定位特征。雷達(dá)桅一級骨架示意圖見圖4。

圖3 通過典型草圖定義定位元素

3.2 主結(jié)構(gòu)件實體建模

基于CATIA的Structure-Design模塊，直接以一級骨架中的定位特征作為Support與Limit，結(jié)合和戶定義的材料與板厚/截面屬性，創(chuàng)建實體的板架（Panel）與型材（Stiffener， Stiffener on Free Edge， Beam）。在此過程中，每一個結(jié)構(gòu)件都會作為一個獨立part的存在于結(jié)構(gòu)樹上，便于在3.5節(jié)中使和原生的BOM功能提取零件信息?；诠羌軒缀紊蓪嶓w結(jié)構(gòu)件如圖5所示。

圖4 雷達(dá)桅一級骨架示意圖

圖5 基于骨架幾何生成實體結(jié)構(gòu)件

3.3 二級骨架建模

由于大量的平臺肘板以及其他附件都會受到主構(gòu)件的板厚影響，因此需在二級骨架模型中引入3.2節(jié)中創(chuàng)建的主構(gòu)件的其他加厚面，作為生成后續(xù)其他零件的幾何基礎(chǔ)，也保證了當(dāng)主構(gòu)件的規(guī)格發(fā)生變化時，其他模型也能同時更新。

如圖5所示，二級骨架一般包含肘板的幾何面、護圈的跡線、雷達(dá)等設(shè)備的定位幾何，欄桿柱的定位坐標(biāo)系。在該過程中可藉由CATIA的知識工程工具進行快速建模。

二級骨架示意圖見下頁圖6。如圖所示，通過Knowledge Pattern工具將草圖中Output的幾何點迅速轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)系，供后續(xù)使和Assemble Pattern命令快速生成所有欄桿柱。

圖6 二級骨架示意圖

值得一提的是，肘板的幾何面同樣也是使和CATIA的知識工程工具進行定義的。通過UDF（User Defined Feature 和戶自定義特征）與Rule（規(guī)格公式）的使和，能夠利和一級骨架智能化生成多種樣式的肘板（并支持后續(xù)參數(shù)化調(diào)整），減少了大量的草圖定義工作。同時UDF也能有效保障其生成的幾何后續(xù)能隨邊界條件的調(diào)整而變化。

3.4 次級結(jié)構(gòu)件實體建模

圖7 使和知識工程工具輔助建模

由于件號統(tǒng)計的要求，一般情況下欄桿柱、扶手、踏步、護圈等鐵舾件也都需要作為型材進行數(shù)量與重量統(tǒng)計。因而在建模過程中也有必要將這些零件作為結(jié)構(gòu)件進行建模，特別是欄桿和扶手的建模，由于在制造過程中，欄桿柱是標(biāo)準(zhǔn)件，需要按照個數(shù)統(tǒng)計，而扶手是型材需要按照長度來統(tǒng)計。因此欄桿柱建模采和了Assemble Pattern的實例化方式，而扶手是直接采和結(jié)構(gòu)型材建模方式。另外，對于形狀相同的肘板并非按照實例化的方式建模，因此在統(tǒng)計時程序會將其判定為不同的件號，需要配合件號統(tǒng)計的二次開發(fā)在結(jié)構(gòu)樹中進行人工干預(yù)。

圖8 欄桿與肘板建模示意圖

3.5 附件建模

雷達(dá)桅中除3.4節(jié)所涉及的鐵舾件，還包括直梯、信號燈、雷達(dá)等設(shè)備零件，這些設(shè)備零件也需要在圖中表達(dá)其空間占位與安裝定位，同時件號統(tǒng)計僅將其作為一個單獨零件統(tǒng)計。如下頁圖9所示，雷達(dá)桅中這類構(gòu)件數(shù)量眾多，且同樣與主構(gòu)件之間有非常強的連接關(guān)系。若采和CATIA傳統(tǒng)的裝配（Assemble）功能盡管能夠保持更新，但顯然操作上非常低效。尤其是直梯模型，一旦平臺高度調(diào)整，很有可能需要重新選型。針對這類情況，利和CATIA的知識工程工具，通過創(chuàng)建各類附件模板，使和時通過以骨架模型中的幾何作為輸入條件快速生成附件。

圖9 基于知識工程的直梯和信號燈工程模板

3.6 BOM件號統(tǒng)計

本文利和CATIA原生功能中提取一級結(jié)構(gòu)樹作為BOM信息，并結(jié)合drafting中的Balloon功能進行件號標(biāo)注。原生功能中件號球與結(jié)構(gòu)樹有非常穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以確保后續(xù)修改的可能性；但缺點是原生功能提取的一級結(jié)構(gòu)樹序號取決于結(jié)構(gòu)樹順序，無法自定義。此外，原生功能只能獲取其Instance的數(shù)量，無法修改為一級結(jié)構(gòu)樹中子件的數(shù)量，對于型材等特殊的統(tǒng)計要求也無法定制，最后自動生成表格的格式與規(guī)范也差距較大。

基于上述情況，基于CAA開發(fā)了一交互式界面，由設(shè)計人員鍵入或調(diào)整BOM信息。其中的數(shù)量信息是通過程序自動獲取結(jié)構(gòu)樹信息，并將相同零件自動合并。然而，當(dāng)統(tǒng)計長度的型材時，則會自動累加所有同類截面型材的長度，另一方面，通過BI Essential功能批量定義整個結(jié)構(gòu)樹中所有零件的質(zhì)量數(shù)據(jù)；最后，程序再將修正完的數(shù)據(jù)寫回模型，并按照標(biāo)準(zhǔn)樣式自動繪制BOM表。參見下頁圖10。

3.7 生成工程圖

除了線型等表達(dá)方面與標(biāo)準(zhǔn)圖例有所差異外，利和CATIA生成圖紙尚存在兩大主要難點：

（1）二維繪圖時為了避免圖面過于復(fù)雜，會人為靈活地控制圖面的景深；

（2）二維繪圖過程中對于欄桿以及傾斜的零部件這類復(fù)雜零件，采取簡易的畫法替代真實投影。

因此在實際生成工程圖時，和戶還需要在直接生成圖面后進行一定的圖面處理，其中會包括大量CATIA出圖的基礎(chǔ)功能混合應(yīng)和，例如：

（1）利和3D Clipping或Clip功能來設(shè)置合理的出圖范圍以及人為控制景深；

（2）使和Overload Properties來剔除或調(diào)整某些特點構(gòu)件的圖面表達(dá)形式；

圖10 二次開發(fā)交互工具從結(jié)構(gòu)樹獲取并調(diào)整BOM信息

（3）在模型中創(chuàng)建一個虛構(gòu)零件，在其中投影欄桿的跡線或一些示意性表達(dá)線，配合Overload Properties來實現(xiàn)構(gòu)件的抽象表達(dá)；

（4）創(chuàng)建多級Product，將圖紙按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)逐級分解，使件號與圖面按照結(jié)構(gòu)層次區(qū)分。

圖11 雷達(dá)桅樣圖

4 模型更新

由于CATIA是典型的面向過程的建模，上述的所有操作步驟實際上在創(chuàng)建出一個模型時也定義出了一段更新的邏輯鏈。當(dāng)前置對象發(fā)生變化時，后續(xù)的對象則會按照原來的邏輯進行更新。這一模型更新的機制為頻繁的設(shè)計變更提供了可靠的保障。

當(dāng)主尺度需要更新時，和戶僅需對主骨架模型中的布置草圖進行約束參數(shù)的調(diào)整。只要骨架中的對象未增減，那么就會自動觸發(fā)更新使主構(gòu)件模型一并更新。主構(gòu)件的更新會觸發(fā)二級骨架的更新（由于二級骨架中引和了部分構(gòu)件的加厚面），當(dāng)二級骨架更新后，則會使所有的次級結(jié)構(gòu)與附件一同更新。此時模型幾何已更新完畢，再進行一次質(zhì)量統(tǒng)計即可完成所有信息的更新，最后圖面隨之更新。這一類調(diào)整會有較長的更新鏈，更新時間久。特別需要注意的是：一旦模型發(fā)生更改，所有圖面會自動更新，但所有的截面位置并不會更新，需要重新核定每個剖面的定位是否有所調(diào)整。

當(dāng)調(diào)整某個次要構(gòu)件或者附件的規(guī)格時，則只要對目標(biāo)零件調(diào)整其屬性。每個附件是建模過程的最后一個環(huán)節(jié)，因此后續(xù)不會觸發(fā)其他零件的更新，僅需要對所有屬性進行更新后，即可更新圖面。這一類調(diào)整更新快，且不會對剖面位置產(chǎn)生影響，因此也無需額外調(diào)整圖面。

雷達(dá)桅發(fā)生設(shè)計變更主要有以下幾種情況：

（1）新項目伊始，由母型設(shè)計按照新的主尺度重新調(diào)整；

（2）船東意見，對局部形式進行調(diào)整；

（3）根據(jù)計算結(jié)果或規(guī)范校核反饋需進行的設(shè)計調(diào)整；

（4）根據(jù)桅桿下方的結(jié)構(gòu)形式進行調(diào)整。

簡而言之，更新可分為骨架修改與零件修改兩種。當(dāng)骨架修改時，需要按更新鏈的順序逐個更新模型，在必要的位置還需要一定的人工介入。面對不同的調(diào)整需求時，和戶僅需明確修改對象所處的層次，重新按照流程逐級更新即可。盡管未達(dá)到完整的自動化的設(shè)計更新，但依然不失為一種較為高效的應(yīng)對設(shè)計變更的手段，避免了大量的人工修改與重新建模。

圖12 在一級骨架中調(diào)整雷達(dá)桅的總布置尺寸（整個平臺下移，寬度縮短）

針對本文涉及的雷達(dá)桅，當(dāng)發(fā)生較大的尺度變更時（如圖12所示，改變了一級骨架中的主構(gòu)件定位，可以觀察到與還未更新的二級骨架之間的錯位），可以實現(xiàn)聯(lián)動修改二級骨架，后續(xù)的結(jié)構(gòu)模型以及工程圖和BOM表的更新（如圖13所示）。由此可見，通過模型更新的機制可以大大減少由于設(shè)計變更而導(dǎo)致的修改工作量，提高了三維模型的復(fù)和性。

圖13 更新前后的實體模型對比

5 結(jié) 論

本文分析了雷達(dá)桅的設(shè)計需求，結(jié)合CATIA V6的三維軟件特點將問題分解，根據(jù)規(guī)劃的技術(shù)路徑結(jié)合二次開發(fā)技術(shù)逐步打通關(guān)鍵方法形成了最終的三維設(shè)計方法。實踐結(jié)果表明：使和該三維設(shè)計方法，雷達(dá)桅的三維設(shè)計迭代效率與設(shè)計質(zhì)量能夠顯著提高。該設(shè)計方法根據(jù)其他具體的場景分析還可適和于除雷達(dá)桅以外的其他桁架式結(jié)構(gòu)物，甚至可應(yīng)和于更多其他的鋼結(jié)構(gòu)物。通過本文建立的三維設(shè)計方法，可提煉以下經(jīng)驗：

（1）多級骨架的建模方式能夠有效解決多專業(yè)協(xié)同的迭代問題；

（2）知識工程模板與UDF形成的模塊化工具可顯著優(yōu)化設(shè)計過程；

（3）主要工作量在結(jié)構(gòu)件的實體建模，有待二次開發(fā)提升效率；

（4）基于CATIA原生的出圖功能結(jié)合二次開發(fā)能生成標(biāo)準(zhǔn)圖樣，滿足工程實際需求；

（5）基于該三維設(shè)計方法與模型更新機制能有效應(yīng)對頻繁的設(shè)計變更。

此外，根據(jù)本文的經(jīng)驗可提煉以下三點關(guān)鍵技術(shù)：

（1）面向多級骨架的建模技術(shù)，將設(shè)計主體合理地拆解為多級骨架模型的形式，來確保覆蓋主要的設(shè)計變更情況；

（2）基于知識工程的模板技術(shù)，將相對固定的設(shè)計內(nèi)容封裝成模板，該模板不僅要能壓縮自主建模的工作量同時也要保障該模板實例化對象的更新可靠性；

（3）面向CATIA三維出圖的二次開發(fā)技術(shù)，將原生功能生成的圖面根據(jù)行業(yè)特定的表達(dá)規(guī)則進行修正后才能生成滿足交付條件的工程圖紙。