基于CATIA平臺的三維集裝箱導(dǎo)軌設(shè)計

鄔旭東 佟 寅

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

為避免集裝箱在集裝箱船航行過程中出現(xiàn)相互碰撞或撞擊船體結(jié)構(gòu)的問題，集裝箱船載貨艙都配設(shè)專門的導(dǎo)軌用以固定集裝箱。對于大型集裝箱船，貨艙內(nèi)的集裝箱層數(shù)一般達(dá)到9層以上［1］，因此導(dǎo)軌涉及不同形式的連接肘板數(shù)量龐大；同時需要布置導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)艙壁較多，因此導(dǎo)軌布置隨結(jié)構(gòu)變化而形式復(fù)雜。

在傳統(tǒng)的二維導(dǎo)軌設(shè)計中，會有因構(gòu)件種類繁多而導(dǎo)致設(shè)計繁瑣、重量統(tǒng)計困難以及后期修改工作量大等問題。本文提出一種基于CATIA平臺的三維集裝箱導(dǎo)軌設(shè)計方法，利用CATIA中的知識工程、參數(shù)化設(shè)計、統(tǒng)一裝配等功能，不僅使整體設(shè)計更直觀，也有效提升設(shè)計人員的工作效率以及設(shè)計的精準(zhǔn)度。

1 三維導(dǎo)軌設(shè)計的框架

集裝箱船中的每個貨艙艙壁上橫向分布著等間距的多條集裝箱導(dǎo)軌。導(dǎo)軌主體采用統(tǒng)一材質(zhì)的角鋼，導(dǎo)軌與船體之間一般通過與甲板齊平的支撐構(gòu)件進(jìn)行連接，在此支撐構(gòu)件間設(shè)置加強構(gòu)件進(jìn)行導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)加強。集裝箱導(dǎo)軌上的構(gòu)件可用幾種類型的構(gòu)件進(jìn)行分類，這樣就為構(gòu)件的模塊化，零件的統(tǒng)一裝配提供了三維設(shè)計框架。

將導(dǎo)軌上的所有構(gòu)件通過功能特性進(jìn)行劃分，劃分完的構(gòu)件形成不同的模塊。模塊再根據(jù)構(gòu)件的幾何約束劃分為不同參數(shù)化的零件。于是，集裝箱導(dǎo)軌的設(shè)計過程進(jìn)而轉(zhuǎn)化為不同參數(shù)化零件的統(tǒng)一裝配。這種參數(shù)化零件的裝配過程實質(zhì)上是一種自頂向下的設(shè)計理念，如圖1所示。在這種設(shè)計理念中，零件的設(shè)計將遵循設(shè)計框架的主線，零件將自動繼承上一層的裝配關(guān)系［2］。由于零件模型之間相互獨立且互相聯(lián)系，因此能夠?qū)崿F(xiàn)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。［3］在后期零件的調(diào)整與再裝配過程中，系統(tǒng)能夠自動對裝配關(guān)系進(jìn)行維護(hù)，從而確保系統(tǒng)的完整性。

圖1 自頂向下的裝配流程

在集裝箱導(dǎo)軌的設(shè)計中以一道橫艙壁上的導(dǎo)軌為總體裝配對象，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)特征分為導(dǎo)軌主體角鋼以及導(dǎo)軌構(gòu)件。以導(dǎo)軌主體為基礎(chǔ)骨架，在上面構(gòu)造導(dǎo)軌構(gòu)件的定位方案，將以參數(shù)為驅(qū)動的不同功能特征的導(dǎo)軌零件統(tǒng)一裝配。導(dǎo)軌主體角鋼與參數(shù)化零件通過這種裝配關(guān)系形成一個總體，在后期修改單個零件的參數(shù)時，整個總體裝配對象可以進(jìn)行自動更新，保證系統(tǒng)完整性。

根據(jù)導(dǎo)軌構(gòu)件在導(dǎo)軌主體上不同功能特性與空間約束，將導(dǎo)軌構(gòu)件主要分為導(dǎo)軌頂部構(gòu)件，導(dǎo)軌底部構(gòu)件以及導(dǎo)軌中部構(gòu)件。

導(dǎo)軌頂部構(gòu)件為導(dǎo)軌主體最頂部與船體結(jié)構(gòu)連接的構(gòu)件，功能為保證集裝箱正確進(jìn)入貨艙內(nèi)，根據(jù)集裝箱進(jìn)入貨艙的形式進(jìn)行參數(shù)化劃分。

導(dǎo)軌底部構(gòu)件為導(dǎo)軌主體最底部與船體結(jié)構(gòu)連接的構(gòu)件，其功能為避免集裝箱在貨艙底滑箱，根據(jù)船體結(jié)構(gòu)在船底的不同形式進(jìn)行參數(shù)化劃分。

除去導(dǎo)軌頂部構(gòu)件和導(dǎo)軌底部構(gòu)件，剩下的構(gòu)件稱為導(dǎo)軌中部構(gòu)件，功能為保證導(dǎo)軌主體的強度與剛度，根據(jù)導(dǎo)軌主體的加強方式進(jìn)行參數(shù)化劃分。

導(dǎo)軌頂部構(gòu)件、導(dǎo)軌底部構(gòu)件與導(dǎo)軌中部構(gòu)件各個構(gòu)件模塊再使用知識工程統(tǒng)一裝配到導(dǎo)軌主體上，保證了導(dǎo)軌的功能性得以滿足，設(shè)計框架如圖2所示。

圖2 集裝箱導(dǎo)軌三維設(shè)計框架

2 基于CATIA平臺的導(dǎo)軌設(shè)計

2.1 CATIA導(dǎo)軌設(shè)計實例

CATIA是法國達(dá)索公司開發(fā)的三維數(shù)字化設(shè)計軟件，具有建模、裝配和工程出圖等基本功能，還可以對建立的模型進(jìn)行運動學(xué)、動力學(xué)仿真和有限元分析等操作［4］。使用CATIA對集裝箱導(dǎo)軌進(jìn)行三維設(shè)計能夠加快產(chǎn)品的設(shè)計效率，節(jié)約設(shè)計成本。本文以某型14 000 TEU集裝箱船的導(dǎo)軌設(shè)計為例，介紹基于CATIA平臺導(dǎo)軌三維設(shè)計方法。

2.2 知識驅(qū)動導(dǎo)軌設(shè)計

借助已有的二維導(dǎo)軌設(shè)計經(jīng)驗和知識，如幾何約束、表達(dá)關(guān)系式和圖面表達(dá)方法等內(nèi)容，在CATIA中構(gòu)造一個導(dǎo)軌三維設(shè)計的知識工程庫，其核心內(nèi)容是將設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范經(jīng)驗等特征信息建成知識庫嵌入到設(shè)計系統(tǒng)中，核心在于知識的推理與重用［5］。集裝箱導(dǎo)軌形式復(fù)雜，涉及零件繁多，因此，設(shè)計一個全新的導(dǎo)軌系統(tǒng)費時費力，使用三維導(dǎo)軌知識工程庫讓設(shè)計人員能夠重用之前的設(shè)計經(jīng)驗與知識，通過對參數(shù)的選擇、主體框架的局部修改等，達(dá)到加快設(shè)計效率的目的。

導(dǎo)軌三維設(shè)計首先創(chuàng)建包含了由設(shè)計經(jīng)驗、設(shè)計規(guī)范和尺寸信息等組成的知識工程，如導(dǎo)軌加強構(gòu)件與導(dǎo)軌主體間需要預(yù)留的焊接余量，零件幾何中心的定位選取，零件與船體結(jié)構(gòu)連接時的焊接形式，在2根角鋼間布置連接構(gòu)件以增強導(dǎo)軌本體的強度和剛度［1］等內(nèi)容。通過構(gòu)建內(nèi)嵌知識工程的零件庫，以及符合知識工程的零件裝配關(guān)系，實現(xiàn)零件幾何的自動更新與空間約束關(guān)系的自動生效。

采用知識工程的導(dǎo)軌三維設(shè)計可以總結(jié)為建立知識導(dǎo)向的參數(shù)化零件庫，并通過知識工程保證零件裝配的關(guān)聯(lián)性。通過參數(shù)約束零件的幾何特性來將導(dǎo)軌零件模型與設(shè)計知識相結(jié)合，將需要表達(dá)的知識工程內(nèi)容通過基于CATIA平臺的編程語言來實現(xiàn)零件模型與裝配方案的關(guān)聯(lián)性。

2.3 導(dǎo)軌零件的參數(shù)化設(shè)計

在集裝箱導(dǎo)軌總體裝配的基礎(chǔ)是不同參數(shù)的零件，因此三維導(dǎo)軌設(shè)計的首要步驟是建立參數(shù)化零件庫。導(dǎo)軌零件的參數(shù)化設(shè)計是對零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分析，將零件的幾何約束與尺寸約束等信息通過參數(shù)公式相互關(guān)聯(lián)［6］，通過修改零件的參數(shù)自動完成零件的建模，減少設(shè)計人員的重復(fù)勞動。

基于知識驅(qū)動導(dǎo)軌的零件庫建立，按不同標(biāo)準(zhǔn)對導(dǎo)軌零件進(jìn)行分類。導(dǎo)軌頂部構(gòu)件模塊通過修改支撐塊的高度參數(shù)保證集裝箱能正確進(jìn)入貨艙（圖3），分為3種零件；導(dǎo)軌底部構(gòu)件模塊通過修改肘板與艙壁的關(guān)聯(lián)參數(shù)保證底部零件與船體結(jié)構(gòu)間的連接關(guān)系（圖4），分為5種零件；導(dǎo)軌中部構(gòu)件模塊通過調(diào)整墊板、加強筋板等的規(guī)格參數(shù)決定零件對導(dǎo)軌主體的加強方式（圖5），分為7種零件。導(dǎo)軌零件庫參見表1。

圖3 頂部零件的輸入?yún)?shù)

圖4 底部零件的輸入?yún)?shù)

圖5 中部零件的輸入?yún)?shù)

表1 導(dǎo)軌零件庫

通過自頂向下的理念對不同模塊的零件參數(shù)化建模，將同一模塊的參數(shù)化規(guī)則輸入知識工程模板，使用CATIA中重復(fù)調(diào)用知識工程的功能，確保同一模塊下的零件采用統(tǒng)一的規(guī)則參數(shù)化，保證了模塊中零件建模流程的一致性，提升了建立參數(shù)化零件庫的效率，體現(xiàn)了知識驅(qū)動導(dǎo)軌零件設(shè)計的思想。

2.4 知識工程建立導(dǎo)軌的關(guān)聯(lián)

在零件的裝配設(shè)計過程中，使用不同裝配方式知識驅(qū)動的工程模板，構(gòu)建子裝配對象與總體間的關(guān)聯(lián)。在這種統(tǒng)一裝配的框架下，不同工程模板裝配的零件將繼承構(gòu)建工程模板的工藝設(shè)計知識，這樣零件與裝配知識相互融合，裝配知識通過三維模型更直觀地體現(xiàn)出來。

首先構(gòu)建導(dǎo)軌主體角鋼的定位信息，導(dǎo)軌主體依據(jù)這集裝箱排列的規(guī)整性為等間距排列的L150×150角鋼，除了最靠舷側(cè)的部分只有一根角鋼，其余的部分均有兩根，長度根據(jù)結(jié)構(gòu)來決定。

14 000 TEU每一道艙壁上有近700個構(gòu)件，每個零件需要在整體坐標(biāo)系上建立單獨的局部坐標(biāo)系進(jìn)行裝配，單獨對每個零件建立坐標(biāo)工作量巨大。因此在設(shè)計導(dǎo)軌構(gòu)件與導(dǎo)軌主體間的關(guān)聯(lián)時可以使用知識工程加入設(shè)計規(guī)則，實現(xiàn)構(gòu)件與導(dǎo)軌主體的自動化關(guān)聯(lián)，以減少人為的設(shè)計失誤。

導(dǎo)軌頂部構(gòu)件為了保證集裝箱能順利進(jìn)入貨艙內(nèi)，因此相鄰的2個零件的支撐塊的高度需不同，即一高一低地排列。在決定了貨艙正中間的導(dǎo)軌頂部構(gòu)件的形式TG1型零件以及最靠舷側(cè)的導(dǎo)軌頂部構(gòu)件TG3型零件的位置之后，便可得出所有導(dǎo)軌頂部構(gòu)件的排列。在這條裝配知識的驅(qū)動下，構(gòu)建導(dǎo)軌頂部構(gòu)件裝配的知識工程，如圖6所示。輸入條件為最靠舷邊的頂部構(gòu)件位置（綠色坐標(biāo)）以及中間頂部構(gòu)件的形式（最右邊橙色坐標(biāo)），輸出的內(nèi)容為其余的坐標(biāo)。再使用CATIA的ASSEMBLY PATTERN功能對頂部構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一裝配。

導(dǎo)軌底部構(gòu)件則根據(jù)橫艙壁上導(dǎo)軌角鋼底部處的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行布置（圖7）。對于形式單一的貨艙底部可以等間距的方式設(shè)置知識工程布置坐標(biāo)。但對于形式復(fù)雜的貨艙底部則需要手動布置坐標(biāo)。

導(dǎo)軌中部構(gòu)件根據(jù)結(jié)構(gòu)橫艙壁上加強骨材的布置形式進(jìn)行相對應(yīng)的布置。如圖8所示，以一條主體角鋼上的導(dǎo)軌中部構(gòu)件為例，A型零件（橙色坐標(biāo)），C型零件（洋紅色坐標(biāo)），B型零件（綠色坐標(biāo)）依次依托橫艙壁上的加強筋進(jìn)行布置。因此可以根據(jù)加強筋的排列方式得出導(dǎo)軌中部構(gòu)件的定位，又因為加強筋為等間距的排列方式，從而在知識工程中輸入首根加強筋的定位以及間距的長度，便可以根據(jù)A型零件、C型零件、B型零件的排列順序依次生成橙色坐標(biāo)，洋紅色坐標(biāo)與綠色坐標(biāo)并使用CATIA的ASSEMBLY PATTERN功能。對于最靠舷側(cè)的導(dǎo)軌角鋼上的導(dǎo)軌中部構(gòu)件，則根據(jù)舷側(cè)的橫艙壁加強筋的定位進(jìn)行坐標(biāo)生成（墨綠色坐標(biāo)），再裝配D型零件。

圖 6 導(dǎo)軌頂部構(gòu)件裝配形式

圖7 導(dǎo)軌底部構(gòu)件裝配形式

圖8 導(dǎo)軌中部構(gòu)件裝配形式

2.5 設(shè)計流程

根據(jù)集裝箱導(dǎo)軌的特點，集裝箱導(dǎo)軌的設(shè)計流程如圖9所示。

圖9 集裝箱導(dǎo)軌三維設(shè)計流程圖

首先根據(jù)船體結(jié)構(gòu)與集裝箱尺寸決定導(dǎo)軌主體角鋼的形式與布置，作為設(shè)計的基礎(chǔ)；其次根據(jù)設(shè)計知識驅(qū)動，構(gòu)建自頂向下的設(shè)計框架；再將導(dǎo)軌上的零件分為3類模塊，分別進(jìn)行參數(shù)化建模；然后根據(jù)不同模塊中零件的裝配規(guī)則構(gòu)建不同的知識工程模板生成每個零件需要的裝配坐標(biāo)；最后使用CATIA的統(tǒng)一裝配功能進(jìn)行模型系統(tǒng)化的構(gòu)造，并進(jìn)行二維出圖。最終結(jié)果如圖10所示。

圖 10 集裝箱導(dǎo)軌三維建模與二維出圖

3 結(jié) 語

本文以14 000 TEU集裝箱船的集裝箱導(dǎo)軌設(shè)計為例，提出了一種基于CATIA平臺的三維集裝箱導(dǎo)軌設(shè)計方法。通過知識工程的運用、模塊化設(shè)計、參數(shù)化建模和統(tǒng)一裝配等方法，實現(xiàn)了高效的集裝箱導(dǎo)軌三維設(shè)計。

運用自頂向下的模塊化設(shè)計思路，將繁瑣的建模任務(wù)進(jìn)行分類，以知識為導(dǎo)向驅(qū)動導(dǎo)軌系統(tǒng)設(shè)計；通過參數(shù)化零件庫進(jìn)行裝配，以參數(shù)主導(dǎo)零件的形式，避免了重復(fù)建模工作，后期修改可以實現(xiàn)實時更新；通過知識工程模板對零件進(jìn)行統(tǒng)一裝配，使零件的數(shù)量以及重量統(tǒng)計更加便捷，提高了設(shè)計效率。這種設(shè)計方法提升集裝箱導(dǎo)軌設(shè)計中的智能化和自動化程度，提升設(shè)計人員的工作效率，提升了企業(yè)的三維設(shè)計知識的積累。