基于CATIA知識工程的桅檣信號設(shè)備三維設(shè)計(jì)方法

佟 寅 孔小兵 王文麗 鄔旭東

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011 ；2.中船國際貿(mào)易有限公司 上海200082）

0 引 言

為了避免碰撞，所有的海上船舶都配備各種信號設(shè)備，顯示船舶所處狀態(tài)，提醒附近航行的船舶注意。船舶桅檣信號設(shè)備是安裝航行、通訊及信號的裝置，主要有雷達(dá)桅、信號桅（前桅和后桅）、燈架、各種燈桿及首尾旗桿等。由于桅檣信號設(shè)備涉及部件較多，平臺構(gòu)型復(fù)雜、設(shè)計(jì)繁瑣，且空間構(gòu)型多，傳統(tǒng)二維圖紙表達(dá)不便，構(gòu)件的精確尺寸也經(jīng)常需要進(jìn)行放樣才能確定。因此，像雷達(dá)桅這類空間構(gòu)型復(fù)雜的設(shè)備適宜采用三維設(shè)計(jì)，這樣不但可提高設(shè)計(jì)效率及準(zhǔn)確度，且設(shè)計(jì)審核也更加直觀。

CATIA作為三維設(shè)計(jì)平臺，在船舶領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，既有在船體、結(jié)構(gòu)或海洋平臺上的應(yīng)用，也有子系統(tǒng)（如錨系統(tǒng)、舵系統(tǒng)）的應(yīng)用。但目前尚無以知識工程為基礎(chǔ)構(gòu)建產(chǎn)品零件庫，進(jìn)行桅檣信號設(shè)備三維設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用。因此，有必要針對桅檣信號設(shè)備的設(shè)計(jì)問題，提出一種快速、便捷、高效的桅檣信號設(shè)備三維設(shè)計(jì)方法。

1 桅檣信號設(shè)備的設(shè)計(jì)組織框架

由于船舶是定制性很強(qiáng)的產(chǎn)品，幾乎很少有完全相同的桅檣信號系統(tǒng)，設(shè)備布置和形式各有不同。但單就桅檣信號設(shè)備的形式而言，各個桅檣信號設(shè)備可簡化為有限的幾種形式。因此，可以根據(jù)桅檣信號設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其按功能及結(jié)構(gòu)拆分為若干零部件，進(jìn)而將整個桅檣信號設(shè)備設(shè)計(jì)過程轉(zhuǎn)化為從零件庫中調(diào)用參數(shù)化零部件及裝配設(shè)計(jì)，裝配設(shè)計(jì)與零件庫為兩個相互依存的核心。

桅檣信號設(shè)備的設(shè)計(jì)工作自上而下逐層進(jìn)行，利用層級式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，零部件在裝配關(guān)系的約束下有序構(gòu)成一個設(shè)備整體。在后續(xù)設(shè)計(jì)調(diào)整時，層級式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可對裝配關(guān)系進(jìn)行自動維護(hù)調(diào)整，進(jìn)而保證設(shè)備整體一致性。

在本設(shè)計(jì)方法中，桅檣信號設(shè)備的設(shè)計(jì)組織框架如圖1所示。

圖1 桅檣信號設(shè)備設(shè)計(jì)組織框架

2 基于CATIA知識工程的零件庫

由于在設(shè)計(jì)中大量使用了標(biāo)準(zhǔn)件及專用定制件，因此，在設(shè)計(jì)之初需要建立包含標(biāo)準(zhǔn)件及專用定制件的零件庫，以便在設(shè)計(jì)時進(jìn)行調(diào)用。

2.1 零件庫構(gòu)成

零件庫分為標(biāo)準(zhǔn)件庫及專用定制件庫兩類。標(biāo)準(zhǔn)件庫主要以標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品零件為主，即信號燈、雷達(dá)、通訊導(dǎo)航設(shè)備、聲響設(shè)備和號型設(shè)備等，專用定制件庫主要以設(shè)計(jì)布置的環(huán)境條件為輸入的定制件為主，即欄桿、基座、踏步、直梯、非結(jié)構(gòu)平臺和加強(qiáng)肘板等，此類零件設(shè)計(jì)上需遵循設(shè)計(jì)要求和規(guī)范，不同的桅檣信號設(shè)備中裝配的零件規(guī)格各有差別，屬于高度定制化零件。基于CATIA平臺的零件庫主要利用知識工程重用模型的能力，通過EKL進(jìn)行二次開發(fā)，將設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)要求和產(chǎn)品工藝信息等知識融入零件庫，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中可直接調(diào)用零件庫，零件庫根據(jù)設(shè)計(jì)環(huán)境及要求直接生成符合要求的零部件。

具體的標(biāo)準(zhǔn)庫及專用定制件庫明細(xì)見下頁表1。

表1 零件庫示例

2.2 專用定制件庫設(shè)計(jì)

基于知識工程的零件庫主要體現(xiàn)在專用定制件庫設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)人員將設(shè)計(jì)知識，如行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、裝配關(guān)系和材料屬性等進(jìn)行表達(dá)，并通過參數(shù)、關(guān)系和公式等對模型進(jìn)行控制，并封裝集成，形成模版零件?，F(xiàn)以雷達(dá)基座為例，說明零件庫設(shè)計(jì)及實(shí)例化原理。

首先，構(gòu)建參數(shù)化雷達(dá)基座，主要參數(shù)有雷達(dá)基座高度、基座管規(guī)格和肘板規(guī)格。根據(jù)計(jì)算及已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)不同高度的典型雷達(dá)基座形式。圖2為3種不同高度的雷達(dá)基座設(shè)計(jì)，分別采用不同的基座管規(guī)格和肘板規(guī)格，以此規(guī)則構(gòu)建參數(shù)化零件模型。設(shè)計(jì)時，只要給定雷達(dá)基座的裝配位置及基座高度，就可以利用知識工程直接進(jìn)行零部件實(shí)例化，生成滿足設(shè)計(jì)要求的參數(shù)化零部件，完成一個典型的雷達(dá)基座設(shè)計(jì)。相應(yīng)的零件庫設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖2 不同高度的雷達(dá)基座設(shè)計(jì)

圖3 基于知識工程的雷達(dá)基座零件庫設(shè)計(jì)流程

2.3 標(biāo)準(zhǔn)件庫設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)件庫的設(shè)計(jì)要求涵蓋主流廠家的標(biāo)準(zhǔn)品零件，標(biāo)準(zhǔn)件種類齊全，設(shè)計(jì)接口清晰完整，空間尺寸準(zhǔn)確即可，不必要求與產(chǎn)品完全一致。

3 桅檣信號設(shè)備設(shè)計(jì)流程

根據(jù)桅檣信號設(shè)備的設(shè)計(jì)組織框架，參考常規(guī)桅檣信號設(shè)備的設(shè)計(jì)流程，重新設(shè)計(jì)了桅檣信號設(shè)備設(shè)計(jì)流程，如下頁圖4所示。

圖4 桅檣信號設(shè)備設(shè)計(jì)流程圖

首先，根據(jù)船型特征及系統(tǒng)要求選擇設(shè)備基本形式，如單層平臺D型桅、雙層平臺D型桅、單層門字桅、3層平臺桁架桅或無平臺桁架桅等基本形式，使用工程模板生成基本骨架結(jié)構(gòu)，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，調(diào)整主尺寸，以此作為整個設(shè)計(jì)的基本框架。

其次，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過零件庫調(diào)用相應(yīng)的零件、將各個零件依次添加至主框架上，如添加雷達(dá)零件、信號燈零件等部件，并根據(jù)具體布置情況添加結(jié)構(gòu)零件，從而完成整個桅檣信號設(shè)備設(shè)計(jì)。

在后續(xù)設(shè)計(jì)調(diào)整中，僅需通過調(diào)整零部件的裝配關(guān)系，修改零件參數(shù)等方法修改設(shè)計(jì)，從而快速完成設(shè)計(jì)方案修改，無需進(jìn)行全部零件的設(shè)計(jì)修改。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

以某型船的雙層D型雷達(dá)桅設(shè)計(jì)為例，介紹基于CATIA知識工程的桅檣信號設(shè)備模三維設(shè)計(jì)方法。

根據(jù)桅檣信號設(shè)備的設(shè)計(jì)需求，首先選擇雷達(dá)桅基本骨架形式，從零件庫中調(diào)用參數(shù)化的骨架模型，根據(jù)設(shè)計(jì)的需求調(diào)整參數(shù)，如桅體平臺高度、平臺主要尺寸和桅體基平面尺寸等信息，生成骨架模型（見圖5）。

圖5 參數(shù)化的骨架模型

其次，根據(jù)骨架模型進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，對標(biāo)準(zhǔn)件及專用定制件進(jìn)行定位，并進(jìn)行根據(jù)布置環(huán)境調(diào)用零件庫，進(jìn)行零件實(shí)例化，進(jìn)而完成整個設(shè)計(jì)。以平臺欄桿為例對零件庫的整個調(diào)用過程進(jìn)行說明。

根據(jù)設(shè)計(jì)意圖，確定欄桿甲板及輪廓線（見圖6）；選擇欄桿零件環(huán)境變量及設(shè)計(jì)參數(shù)，完成零件實(shí)例化，生成符合要求的欄桿（見下頁圖7）。當(dāng)設(shè)計(jì)需要修改時，如修改平臺輪廓，欄桿將根據(jù)平臺修改情況自動更新欄桿設(shè)計(jì)（見圖8）。這樣，在設(shè)計(jì)中僅需修改骨架參數(shù)及裝配關(guān)系，其余零件就可以根據(jù)裝配關(guān)系自動進(jìn)行更新，可有效減小設(shè)計(jì)修改的工作量。

圖6 欄桿甲板及輪廓線

圖7 甲板欄桿

圖8 修改平臺輪廓后自動更新的欄桿

隨后，反復(fù)調(diào)用零件庫，完成整個雷達(dá)桅的設(shè)計(jì)（見圖9），整個雷達(dá)桅的設(shè)計(jì)即從單一雷達(dá)桅整體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為雷達(dá)桅裝配設(shè)計(jì)及零部件模塊選型設(shè)計(jì)。從同一個零件庫調(diào)用工程模板生成的零部件，零部件滿足設(shè)計(jì)規(guī)范和需求，提高了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化程度及零部件重用效率。由于整個雷達(dá)桅中骨架模型與功能模型是通過裝配關(guān)系組織在一起的，后期設(shè)計(jì)修改時調(diào)整裝配定位關(guān)系即可同步調(diào)整雷達(dá)桅整體設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)響應(yīng)速度。

圖9 雷達(dá)桅設(shè)計(jì)過程

5 結(jié) 語

針對桅檣信號設(shè)備的設(shè)計(jì)問題，提出一種基于CATIA知識工程的桅檣信號設(shè)備三維設(shè)計(jì)方法，此方法利用參數(shù)化建模技術(shù)，構(gòu)建基于知識工程的零件庫，設(shè)計(jì)中調(diào)用專用零件，實(shí)現(xiàn)了桅檣信號設(shè)備便捷高效的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中采用基于知識工程的零件庫，可提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化程度、提升設(shè)計(jì)知識利用率、有利于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的傳承及維護(hù)更新，可為相關(guān)設(shè)計(jì)人員重構(gòu)設(shè)計(jì)流程和設(shè)備組織框架提供可借鑒的應(yīng)用實(shí)例。