一種基于CATIA V6 的軸系三維設(shè)計(jì)方法

高啟GAO Qi；王帥皓WANG Shuai-hao；楊敬豪YANG Jing-hao；徐思豪XU Si-hao；鄭超ZHENG Chao；王賀遠(yuǎn)WANG He-yuan

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引言

船舶推進(jìn)軸系將主機(jī)產(chǎn)生的功率傳遞到推進(jìn)器，并將推進(jìn)器的推力傳遞到船體從而使船舶運(yùn)動(dòng)，由傳動(dòng)軸、聯(lián)軸節(jié)、支撐軸承、減速齒輪箱、艉軸密封裝置等組成。針對(duì)軸系的設(shè)計(jì)，依據(jù)船舶總體設(shè)計(jì)需求，確定推進(jìn)軸系的布置和各部件的尺寸及材料，設(shè)計(jì)出能安全、平穩(wěn)完成各種工況下的推進(jìn)任務(wù)[1]。船舶推進(jìn)軸系的重要性使其在船舶設(shè)計(jì)的各個(gè)階段都需要做出頻繁調(diào)整，在傳統(tǒng)CAD 圖紙?jiān)O(shè)繪過程中，每次方案的調(diào)整，都會(huì)導(dǎo)致各視圖出現(xiàn)信息互不對(duì)應(yīng)，件號(hào)錯(cuò)亂的情況，需花費(fèi)設(shè)計(jì)者更多的時(shí)間校對(duì)圖面信息[2]。船舶行業(yè)目前正在積極開展三維設(shè)計(jì)推進(jìn)工作[3]，船舶軸系作為船舶設(shè)計(jì)重要組成部分，針對(duì)船舶軸系三維建模的研究具有一定參照意義。分級(jí)骨架，創(chuàng)建關(guān)聯(lián)的建模方式，將船舶軸系模型建模過程模塊化，各模塊之間通過建立參數(shù)聯(lián)系，可實(shí)現(xiàn)從上至下的建模流程，簡(jiǎn)化計(jì)算工作量。并且在后續(xù)軸系方案發(fā)生變更時(shí)，可在判斷變更模塊后，針對(duì)性修改骨架及模型，結(jié)合出圖二次開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)更改某一參數(shù)，其余模塊自動(dòng)更新的建模方式，大大降低了軸系三維建模的工作量，也提高了模型質(zhì)量。

1 軸系設(shè)計(jì)特點(diǎn)

船舶軸系的設(shè)計(jì)貫穿船舶設(shè)計(jì)始終，故而應(yīng)探究軸系零部件設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)合船舶軸系特點(diǎn)，應(yīng)用CATIA 三維設(shè)計(jì)軟件有針對(duì)性解決其高效建模問題。

船舶軸系零部件在結(jié)構(gòu)上有以下特點(diǎn)：

①主要零部件多為中心旋轉(zhuǎn)體，具有軸線或?qū)ΨQ面，可提供很好的主尺度定位依據(jù)。

②其余零件大多在依附軸段裝配，可由軸段軸線確定其安裝位置。

船舶軸系零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為船舶軸系三維設(shè)計(jì)提供有利條件[4]。

軸系設(shè)計(jì)輸入條件，包括依據(jù)船體型線、主機(jī)參數(shù)、螺旋槳參數(shù)、船體結(jié)構(gòu)、主機(jī)位置、螺旋槳位置、尾管、軸支架位置等來(lái)確定軸系布置草圖。在軸系設(shè)計(jì)過程中，包括了軸徑、軸法蘭、連接螺栓、軸套、螺旋槳軸尾錐部尺寸的計(jì)算。其中軸徑的計(jì)算依據(jù)為推進(jìn)型式、軸傳遞額定功率及此時(shí)軸的額定轉(zhuǎn)速、軸材料抗拉強(qiáng)度以及設(shè)計(jì)特性系數(shù)等；軸系的長(zhǎng)度與軸的布置有關(guān)，而軸法蘭、連接螺栓、軸套、螺旋槳軸尾錐部等部件的設(shè)計(jì)則需要以軸徑作為設(shè)計(jì)輸入，軸承距離則需要軸徑與軸長(zhǎng)度同時(shí)作為設(shè)計(jì)輸入。各零部件之間存在設(shè)計(jì)參數(shù)輸入的聯(lián)系。

船舶設(shè)計(jì)分為幾個(gè)階段，軸系的設(shè)計(jì)在不同設(shè)計(jì)階段通過對(duì)軸系進(jìn)行扭振、縱振、回旋振動(dòng)計(jì)算以及軸系強(qiáng)度、較中計(jì)算，當(dāng)軸系存在振動(dòng)或較中問題時(shí)，需不斷的調(diào)整軸段的形式、軸徑大小以及軸承的位置及支承長(zhǎng)度等。傳統(tǒng)CAD 制圖每當(dāng)設(shè)計(jì)尺寸發(fā)生改變時(shí)，需要對(duì)以上涉及的零部件依次進(jìn)行重新繪制?；贑ATIA 實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，在進(jìn)行軸系設(shè)計(jì)時(shí)，可對(duì)軸長(zhǎng)、軸徑進(jìn)行公式設(shè)置，并且將軸徑、軸長(zhǎng)作為軸法蘭、連接螺栓、軸套、螺旋槳軸尾錐部等部件，軸承距離的尺寸設(shè)計(jì)的輸入依據(jù)，那么當(dāng)軸徑、長(zhǎng)度發(fā)生改變時(shí)，軸系其它零部件可關(guān)聯(lián)更新尺寸以及布置位置。

2 基于CATIA 的技術(shù)路徑概述

2.1 技術(shù)路徑概述

本文采用分級(jí)建模、逐一調(diào)整的思想，首先構(gòu)建軸系一級(jí)骨架確定軸系主尺度，由一級(jí)骨架創(chuàng)建主要零部件并確定二級(jí)骨架定位尺寸，由二級(jí)骨架創(chuàng)建次要零部件，并在二級(jí)骨架之上創(chuàng)建其它零部件。由此得到完整的軸系三維模型，結(jié)構(gòu)樹及邏輯關(guān)系如圖1。

圖1 軸系三維模型邏輯結(jié)構(gòu)圖

針對(duì)軸系模型零部件的BOM 統(tǒng)計(jì)，注意僅需統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)樹中實(shí)體模型部分，再結(jié)合CATIA 二次開發(fā)功能繪制符合船舶制圖要求的圖紙[5]。

2.2 結(jié)合軸系設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)建模

采用分級(jí)骨架建模的方式，主要由軸系設(shè)計(jì)特點(diǎn)決定，多級(jí)骨架間的聯(lián)系性、獨(dú)立性使得產(chǎn)品模型可逐級(jí)聯(lián)動(dòng)。主要零部件的一級(jí)骨架即能確定軸系主尺寸又可為次要零部件二級(jí)骨架提供定位信息等。采用多級(jí)骨架關(guān)聯(lián)建模的方式還可為軸系布置安裝提供與其它設(shè)計(jì)專業(yè)的交互信息，促進(jìn)專業(yè)之間開展協(xié)同合作[6]。

2.3 CATIA 出圖

CATIA 原生二維出圖功能在使用時(shí)，結(jié)構(gòu)樹的形式將決定繪制圖紙的明細(xì)表信息，且明細(xì)表的表達(dá)形式與行業(yè)內(nèi)規(guī)范格式不同。與此同時(shí)，CATIA 原生功能繪制圖紙遵循規(guī)范也與船舶設(shè)計(jì)圖紙規(guī)范有一定差別。針對(duì)上述問題，需使用CATIA 二次開發(fā)功能，對(duì)明細(xì)表信息進(jìn)行規(guī)范調(diào)整，同時(shí)對(duì)圖面信息進(jìn)行適當(dāng)修正，以最大限度滿足船舶設(shè)計(jì)圖紙需求[7-8]。

3 實(shí)現(xiàn)方法

本文以艉軸艉管為例，具體介紹其三維建模實(shí)現(xiàn)方法。

3.1 一級(jí)骨架識(shí)別及構(gòu)建

根據(jù)軸系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，軸段，艏艉密封裝置，導(dǎo)流帽等零部件均為中心旋轉(zhuǎn)體，并且此類零部件的定位直接決定其余零部件的裝配位置信息，所以將此類零部件選取為主要零部件，作為一級(jí)骨架構(gòu)建其定位信息，與此同時(shí)，可構(gòu)建二級(jí)骨架在軸向長(zhǎng)度上所需的定位信息。使用sketch繪制草圖，可將主要零部件骨架信息之間進(jìn)行參數(shù)化約束。骨架信息繪制完成后，將對(duì)應(yīng)圖元信息output 為空間內(nèi)獨(dú)立特征，以供后續(xù)建模使用。

構(gòu)建骨架模型過程中，若選取的主要零部件數(shù)量較多，則可以繼續(xù)按照某一原則對(duì)主要零部件進(jìn)行分類，將零部件分別繪制骨架信息草圖，由此可避免一張草圖中信息過多而帶來(lái)的后期不易修改的問題，本文按照在船長(zhǎng)方向上零部件的位置對(duì)零部件進(jìn)行劃分。如圖2 所示。

圖2 主要零部件分類繪制骨架跡線

繪制零部件骨架信息過程中，要注意對(duì)結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行整理，并將輸出信息按照統(tǒng)一規(guī)則命名，以供快速找尋信息。如圖3 所示。

圖3 一級(jí)骨架輸出跡線命名

將一級(jí)骨架信息繪制、輸出、命名后，骨架模型如圖4所示。

圖4 艉軸艉管一級(jí)骨架示意圖

3.2 主要零部件建模

基于軸系中主要零部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)用CATIA 中part design 功能模塊，采用shaft 旋轉(zhuǎn)添材功能、pad 拉伸添材功能，結(jié)合一級(jí)骨架信息作為功能輸入，旋轉(zhuǎn)、拉伸后得到主要零部件，對(duì)于part design 功能模塊無(wú)法構(gòu)建的零部件，可以利用其對(duì)應(yīng)骨架信息，在3dp 中繼續(xù)使用GSD 模塊進(jìn)行sketch 繪制，發(fā)布相關(guān)線、面作為SD 功能模塊的輸入生成實(shí)體模型。需要注意的是，本章第5、6 部分主要針對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行操作，且件號(hào)表會(huì)按順序讀取實(shí)體模型結(jié)構(gòu)樹上每一個(gè)獨(dú)立的part 信息。主要零部件實(shí)體模型如圖5 所示。

圖5 應(yīng)用一級(jí)骨架模型建立主要零部件

3.3 二級(jí)骨架構(gòu)建

借用一級(jí)骨架中已發(fā)布的二級(jí)骨架軸向定位信息，遵循一級(jí)骨架構(gòu)建注意事項(xiàng)，在sketch 中草繪、添加相應(yīng)約束，構(gòu)建其骨架信息。在后續(xù)次要零部件裝配位置發(fā)生變化時(shí)，只需更改一級(jí)骨架中其對(duì)應(yīng)的位置信息即可更新整個(gè)模型。

次要零件中螺栓、法蘭等型號(hào)相同、數(shù)量較多的可裝配零部件（第四部分說(shuō)明），可應(yīng)用CATIA 的知識(shí)工程工具進(jìn)行快速建模。即在二級(jí)骨架中繪制、發(fā)布其定位點(diǎn)，通過knowledge pattern 工具將草圖中output 的幾何點(diǎn)迅速轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)系，并將同一件號(hào)零件的定位坐標(biāo)系存放于同一geo.set 中，供后續(xù)使用assemble pattern 命令快速在定位點(diǎn)上裝配對(duì)應(yīng)零件。對(duì)于管路而言，借助二級(jí)骨架定位信息，繪制管路定位點(diǎn)，作為piping&tubing 3D design 功能模塊的位置輸入，設(shè)定管路通經(jīng)及走向。本模型二級(jí)骨架多為裝配定位信息，如圖6 所示。

圖6 艉軸艉管二級(jí)骨架示意圖

3.4 次要零部件實(shí)體建模

螺栓、螺釘一類的零件進(jìn)行件號(hào)統(tǒng)計(jì)時(shí)需統(tǒng)計(jì)數(shù)量，在建模時(shí)可在小樣庫(kù)中搜索模型，也可單獨(dú)建立零件三維模型，而后采用assembly design 模塊下的assembly pattern功能進(jìn)行批量操作，以小樣模型和3.3 節(jié)中建立的相應(yīng)裝配坐標(biāo)系集合作為輸入，快速裝配。如圖7 所示。

圖7 艉軸艉管次要零部件建模

針對(duì)管路，在統(tǒng)計(jì)時(shí)只需統(tǒng)計(jì)通徑、型號(hào)、長(zhǎng)度及重量。可以采用piping&tubing 3D design 中的rigid pipe or tube 功能。設(shè)置管路基本信息，以二級(jí)骨架信息中的管路定位點(diǎn)作為輸入，生成對(duì)應(yīng)管路。

其它結(jié)構(gòu)類次要零件可應(yīng)用骨架信息單獨(dú)建模。最終艉軸艉管三維模型如圖8 所示。

圖8 艉軸艉管三維模型

3.5 創(chuàng)建Drawing

應(yīng)用CATIA 的drafting 模塊創(chuàng)建僅針對(duì)裝配模型的drawing 節(jié)點(diǎn)，drawing 節(jié)點(diǎn)中可以創(chuàng)建多個(gè)sheet，每一個(gè)sheet 相當(dāng)于一份圖紙文件，sheet 節(jié)點(diǎn)的圖面設(shè)置作用于其下所有view，view 圖面信息后續(xù)可調(diào)節(jié)Generation 屬性自行調(diào)整。在生成主、次視圖操作中，有以下5 條注意事項(xiàng)：

①生成主視圖時(shí)點(diǎn)選裝配模型總結(jié)點(diǎn)與點(diǎn)選所有零件存在區(qū)別，體現(xiàn)在后續(xù)采用modify link 功能添加、刪除出圖對(duì)象操作中，本文建議點(diǎn)選所有零件以便添加、刪除出圖對(duì)象。

②采用overload properties 功能，繼續(xù)修改主視圖中某零件圖元的表達(dá)形式。

③可以利用3D Clipping、clip 以及call-out 功能人為控制出圖范圍，以避免視圖中圖面信息冗雜。

④針對(duì)圖面中未按照機(jī)械制圖原理繪制的構(gòu)件，可采用示意性出圖，即創(chuàng)建輔助3dp，創(chuàng)建空間示意線，采用modify link，overload properties 功能精確調(diào)整圖元表達(dá)。

⑤圖面標(biāo)注信息由Annotation 功能實(shí)現(xiàn)，標(biāo)注箭頭與表達(dá)形式由Standard 文件統(tǒng)一控制。（圖9）

圖9 艉軸艉管部分視圖

3.6 創(chuàng)建BOM 表

使用CATIA 原生功能生成BOM 表是定義件號(hào)的必要條件，BOM 表格式由standard 控制，存在BOM 表格式不規(guī)范，無(wú)法自定義件號(hào)順序，無(wú)法統(tǒng)計(jì)同類零部件數(shù)量等問題，故而二次開發(fā)軟件解決以上問題。

對(duì)CATIA 進(jìn)行軟件配置后，通過二次開發(fā)軟件打開CATIA。應(yīng)用material browser 功能對(duì)模型賦予材料屬性，應(yīng)用B.I.Essentials 功能計(jì)算模型質(zhì)量，對(duì)于特殊模型，也可直接聲明質(zhì)量。重新計(jì)算模型質(zhì)量后，零件質(zhì)量信息將出現(xiàn)在BOM 表中。如圖10 所示。

圖10 模型重量計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用collaborative lifecycle 模塊下customer extensions功能/catalog browser 功能來(lái)為單個(gè)/批量零件定義拓展屬性。應(yīng)用import attribute 功能錄入零件屬性。如圖11所示。

圖11 模型屬性錄入

更新BOM 表，表格中description 即為更新后的件號(hào)。最后，可使用balloon/automatic balloon 功能手動(dòng)/自動(dòng)生成件號(hào)。

4 模型復(fù)用性分析

由上述建模技術(shù)路徑可知，在實(shí)行多級(jí)骨架建模的過程之中，已經(jīng)形成了多級(jí)骨架之間，骨架與主、次零部件之間的先后邏輯關(guān)系。當(dāng)處于邏輯鏈頂端的某一對(duì)象發(fā)生變化后，那么處于此對(duì)象后端的無(wú)論是骨架還是實(shí)體結(jié)構(gòu)都將發(fā)生滿足相應(yīng)邏輯關(guān)系的變化。因此，采用分級(jí)骨架建模的方式在使模型組成結(jié)構(gòu)更為清晰的同時(shí)，也大大降低了后續(xù)修改三維模型的難度。

參考建模技術(shù)路徑，針對(duì)軸系的三維建模主要包括主尺度，零部件尺寸、定位以及批量安裝等過程。故而針對(duì)軸系模型的后續(xù)修改主要有以下幾種情況：

軸系軸段長(zhǎng)度，直徑等主尺度的變化。此時(shí)，用戶主要針對(duì)一級(jí)骨架模型中軸段的定位線進(jìn)行修改即可，當(dāng)草圖中定位線的長(zhǎng)度，約束發(fā)生變化時(shí)，則將會(huì)引起主零部件、二級(jí)骨架、次零部件、其他零件的一些列聯(lián)動(dòng)更新，從而完成整個(gè)軸系模型的更新。模型更新后，軸段等結(jié)構(gòu)質(zhì)量將會(huì)發(fā)生改變，需要再對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行質(zhì)量計(jì)算，則件號(hào)表中的質(zhì)量信息也可更新。但是針對(duì)創(chuàng)建的剖面視圖而言，創(chuàng)建的剖面與骨架模型并無(wú)任何關(guān)聯(lián)，故須注意骨架模型的變化是否會(huì)引起剖面位置模型結(jié)構(gòu)的變化，及時(shí)加以調(diào)整，從而更新剖視圖。

軸系次要零部件裝配位置改變。由軸系設(shè)計(jì)特點(diǎn)可知，次要零部件規(guī)格尺寸大多以主要零部件的尺寸作為輸入來(lái)計(jì)算選取，故次要零部件主要變化體現(xiàn)在裝配位置發(fā)生改變。此時(shí)，只需要更改二級(jí)骨架中次要零部件的定位信息即可。次要零部件位置發(fā)生改變時(shí)，也可能會(huì)對(duì)剖視圖造成一定影響，實(shí)際建模中需要用戶注意。

其他類零部件結(jié)構(gòu)改變。此類零部件不以一、二級(jí)骨架作為設(shè)計(jì)輸入，因此只需直接對(duì)零部件進(jìn)行更改，屬性更新后，圖面將自動(dòng)更新，且對(duì)剖面圖影響較小。

船舶軸系在每個(gè)設(shè)計(jì)階段都有可能因振動(dòng)、強(qiáng)度、較中計(jì)算不滿足相關(guān)要求而調(diào)整軸徑、軸段長(zhǎng)度，軸承布置位置等參數(shù)，通過建立骨架關(guān)聯(lián)模型，可以大幅簡(jiǎn)化軸系模型修改流程，且條理清晰，可高效高質(zhì)量的進(jìn)行模型更迭。

5 總結(jié)

本文根據(jù)船舶軸系設(shè)計(jì)特點(diǎn)，將CATIA V6 相關(guān)功能匹配相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，采用分級(jí)建模、逐一調(diào)整的設(shè)計(jì)思路，在出圖過程中結(jié)合軟件二次開發(fā)，完成以艉軸艉管為例的船舶軸系三維設(shè)計(jì)方法。在實(shí)際應(yīng)用中，船舶軸系三維設(shè)計(jì)的思路清晰，模型質(zhì)量高，可復(fù)用性強(qiáng)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，此三維設(shè)計(jì)方法可推廣應(yīng)用至其他類中心旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)當(dāng)中。本文針對(duì)船舶軸系建立的三維設(shè)計(jì)方法，有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①采用多級(jí)骨架的建模方式，將按某規(guī)則分解為存在邏輯聯(lián)系的多層部分，由邏輯層級(jí)由上至下建立多級(jí)骨架模型，不僅可大大提高模型的可復(fù)用性，還能夠有效解決多專業(yè)協(xié)同的迭代問題。②采用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的模式，由主到次建立三維實(shí)體模型。在各設(shè)計(jì)階段模型頻繁改動(dòng)時(shí)可大大減少人為改動(dòng)模型參數(shù)輸入的操作，節(jié)省用戶操作時(shí)間。③采用二次開發(fā)技術(shù)，將CATIA 原生功能生成的圖紙進(jìn)行優(yōu)化，使圖面形式更接近行業(yè)規(guī)范，減少生成圖面的后續(xù)修改工作。