基于知識工程和二次開發(fā)的船舶螺栓聯(lián)接設(shè)計

摘要：為解決船舶設(shè)備安裝和管法蘭螺栓聯(lián)接設(shè)計效率低、出錯率高和難定義等問題，根據(jù)船舶研制特點，系統(tǒng)梳理了螺栓聯(lián)接設(shè)計常規(guī)流程，從建庫和設(shè)計兩方面提出了基于知識工程的具體方法，確保設(shè)計相關(guān)數(shù)據(jù)、知識和經(jīng)驗與工程研制有機融合，同時針對不同應(yīng)用場景定義了簡化和實體表達兩種螺栓聯(lián)接形式。依托3DE平臺的EKL開發(fā)工具，基于基礎(chǔ)資源配置，進行了設(shè)備安裝和管法蘭螺栓聯(lián)接設(shè)計開發(fā)，詳細介紹了具體設(shè)計操作流程。通過工程應(yīng)用分析，開發(fā)工具可顯著提升螺栓聯(lián)接設(shè)計效率。研究表明，開發(fā)工具不僅極大提高了螺栓聯(lián)接設(shè)計質(zhì)量和效率，并為類似設(shè)計提供了重要參考與指導(dǎo)價值。

關(guān)鍵詞：知識工程；二次開發(fā)；螺栓聯(lián)接；3DE平臺

中圖分類號：U662.9 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.09.002

文章編號：1006-0316 （2024） 09-0008-06

Abstract：To solve the problems such as low efficiency， high error rate and difficult definition in the bolt connection design of ship equipment installation and pipe flanges， according to the characteristics of ship development， the conventional construction strategies of bolt connection design were systematically sorted out，"and specific methods based on knowledge engineering were proposed from two aspects of database construction and design， so as to ensure the organic integration of design"data， knowledge and experience with engineering development. At the same time，"two kinds of bolt connection forms such as simplification and entity expression"were systematically definednbsp;for different application scenarios. Then thedevelopment of bolt connection design for"equipment installation and pipe flanges"was carried out according to EKL development tool and basic resource allocation"for 3DE platform. Moreover， the specific design operation process was introduced in detail. Through engineering application analysis， the development tool can significantly improve the design efficiency of bolt joint. Research shows that the developed tool not only greatly improves the quality and efficiency of bolt connection design， but also provides important reference and guidance value for similar design schemes.

Key words：knowledge engineering；secondary development；bolt connection；3DE platform

螺栓聯(lián)接因其結(jié)構(gòu)簡單、裝拆便捷等優(yōu)點，在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在船舶研制過程中，螺栓聯(lián)接大量用于設(shè)備安裝和管法蘭聯(lián)接。以往船舶產(chǎn)品設(shè)計時，因螺栓聯(lián)接涉及的緊固件具有數(shù)量多、體積小、重量輕等特點，通常不構(gòu)建三維幾何模型，在設(shè)備安裝二維圖中以機腳比例視圖和明細表達緊固件選型與物料統(tǒng)計，同時管路系統(tǒng)原理圖中尚未表達螺栓聯(lián)接信息。針對二維圖中的設(shè)備安裝螺栓聯(lián)接設(shè)計，目前已具備方法和工具快速完成機腳比例視圖繪制和明細表創(chuàng)建[2-3]，但二維表達存在一定局限性，如難以滿足數(shù)臺套設(shè)備的安裝信息統(tǒng)計，無法支撐后續(xù)工藝仿真等。

伴隨船舶數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用普及，船舶設(shè)備、基座、管路及附件均已實現(xiàn)基于模型的表達，設(shè)備安裝和管法蘭螺栓聯(lián)接設(shè)計作為精細化建模的重要組成部分，需要進行設(shè)計信息的有效表達和定義。由于船舶螺栓聯(lián)接涉及零件多、數(shù)量巨大，設(shè)計人員需頻繁查閱標準規(guī)范且受限于工程經(jīng)驗，耗時費力，同時設(shè)計過程中缺、錯、漏等現(xiàn)象時有發(fā)生。針對相關(guān)數(shù)據(jù)、資源和知識分散在不同設(shè)計人員頭腦和文本中，難以有效共享、重用和傳承的問題，有必要將設(shè)計相關(guān)知識有機融入研制流程中，改善當前面臨的設(shè)計窘境。

當前信息技術(shù)迅猛發(fā)展，船舶研制對自動化、智能化設(shè)計需求越來越迫切?；谥R工程的設(shè)計正作為一種先進設(shè)計手段逐漸受到關(guān)注，知識工程已應(yīng)用于船型方案論證、船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、船舶關(guān)鍵部件設(shè)計等領(lǐng)域，并取得了初步成效，有利于提高設(shè)計效率和縮短產(chǎn)品研制周期[4-6]。針對船舶螺栓聯(lián)接設(shè)計，如何將研制過程中的標準規(guī)范、工程經(jīng)驗進行有效萃取和充分顯性化，并與設(shè)計流程有機融合，以提高船舶螺栓聯(lián)接設(shè)計效率和準確率同時有效控制模型數(shù)據(jù)量，是迫切需要解決的問題。

1 螺栓聯(lián)接常規(guī)設(shè)計流程

相比管法蘭螺栓聯(lián)接而言，設(shè)備裝船機腳形式各異且需考慮接地處理和減震降噪等因素，其螺栓聯(lián)接設(shè)計更為復(fù)雜，管法蘭螺栓聯(lián)接可當作設(shè)備安裝中的一種類型來處理。基于三維設(shè)計平臺開展聯(lián)接設(shè)計時，設(shè)備安裝和管路系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)已經(jīng)固化，常規(guī)設(shè)計包含明確聯(lián)接形式、計算螺栓公稱直徑、計算螺栓理論長度、篩選螺栓規(guī)格等，具體流程如圖1所示。

（1）結(jié)合設(shè)備安裝和管路系統(tǒng)狀態(tài)，明確螺栓聯(lián)接形式。管法蘭螺栓聯(lián)接多以由螺栓、墊圈、螺母組成的剛性聯(lián)接形式為主，而設(shè)備安裝含剛性U型接地、剛性Z型接地和自帶斜方墊片的剛性接地等聯(lián)接形式。

（2）根據(jù)設(shè)備機腳或管法蘭孔徑計算聯(lián)接螺栓公稱直徑。在三維模型中，孔徑通常以幾何開孔或?qū)傩孕畔⑦M行表達，結(jié)合孔徑計算出螺栓理論直徑，若孔徑小于或等于20.5 mm，理論直徑按孔徑減去1.5 mm計算；若孔徑大于20.5 mm，理論直徑按孔徑減去2 mm計算。結(jié)合相應(yīng)標準選取最接近且小于等于理論直徑的規(guī)格，滿足聯(lián)接強度要求，確保螺栓與通孔間隙配合且縫隙盡量小。

（3）面向具體聯(lián)接形式，結(jié)合夾持對象并獲取模型幾何參數(shù)，對夾持長度、螺母厚度、墊圈厚度、三倍螺栓螺距等求和計算出螺栓理論長度，在標準中選取長度大于等于理論長度的螺栓規(guī)格。

（4）根據(jù)螺栓公稱直徑和標準規(guī)范，篩選螺母、墊圈等緊固件標準規(guī)格。

（5）按照螺栓聯(lián)接組成的緊固件規(guī)格和參數(shù)，開展校核分析，以滿足拆裝和強度等要求。

（6）基于三維設(shè)計平臺，開展螺栓聯(lián)接幾何建模和屬性定義，通常采用線段進行幾何表達。

2 設(shè)計中的知識工程技術(shù)

面對量大面廣的船舶螺栓聯(lián)接設(shè)計，傳統(tǒng)方法難以滿足工程研制需求。綜合常規(guī)設(shè)計流程，圍繞聯(lián)接設(shè)計相關(guān)的標準規(guī)范、工程經(jīng)驗和計算流程，充分運用計算機技術(shù)對其進行獲取和表示，在設(shè)計中以提升知識應(yīng)用價值，促進技術(shù)創(chuàng)新。設(shè)計中的知識工程技術(shù)主要包含構(gòu)建知識工程庫、螺栓聯(lián)接設(shè)計和明細統(tǒng)計兩方面。

（1）構(gòu)建螺栓聯(lián)接知識工程庫

分析前序船舶產(chǎn)品圖紙，系統(tǒng)收集通用螺栓聯(lián)接形式與構(gòu)成，有效挖掘其緊固件選取要求和設(shè)計關(guān)聯(lián)規(guī)則，歸納螺栓、螺母等緊固件標準規(guī)范，含GB/T"5780－2016、GB/T 5781－2016、GB/T"6170－2015、GB/T"848－2002等[7-8]。同時，歸納設(shè)計必須表達的內(nèi)容，如緊固件標準號、規(guī)格名稱、材料、數(shù)量、重量等信息。

在船舶設(shè)計過程中，螺栓聯(lián)接通常按照不同安裝形式成組布置，為便于實施自動化設(shè)計，有必要運用知識工程技術(shù)建立螺栓聯(lián)接設(shè)計模板，供用戶調(diào)用模板快速實現(xiàn)緊固件選型布置。設(shè)計模板中應(yīng)包含各緊固件的幾何信息和裝配位置關(guān)系，在實際布置時，螺栓長度、螺母和墊圈位置等參數(shù)將根據(jù)規(guī)則驅(qū)動作出相應(yīng)調(diào)整。

結(jié)合3DE設(shè)計平臺，構(gòu)建螺栓聯(lián)接知識工程庫，需完成螺栓聯(lián)接實體和簡化模型建庫，如圖2所示。

對于實體模型建庫，按照標準規(guī)范，運用三維零件節(jié)點或由其拓展的專有節(jié)點完成實體建模。其中，由于基礎(chǔ)庫中的螺栓標準件長度為某一范圍值，于是基于參數(shù)化建模方式定義其長度，與之匹配相關(guān)設(shè)計規(guī)則，并明確螺栓長度值的取值要求，包含只能取整、限制范圍區(qū)間等。簡化模型建庫則簡單一些，不用實施緊固件零件建模，使用產(chǎn)品節(jié)點或由其拓展的專有節(jié)點建立螺栓聯(lián)接設(shè)計模板，并插入相應(yīng)聯(lián)接類型的安裝詳圖以及定位點和線。設(shè)計模板實體模型節(jié)點與簡化模型節(jié)點原點相對應(yīng)。簡化模型中嵌入了知識工程規(guī)則，包含了重心位置點，寫入了螺栓套件重量、重心隨螺栓長度及螺母相對螺栓位置變化規(guī)則。其屬性中記錄螺栓聯(lián)接各緊固件明細，包含標準號、規(guī)格名稱、材料、單重、數(shù)量、備注等。

（2）基于知識工程的螺栓聯(lián)接設(shè)計和明細統(tǒng)計

螺栓聯(lián)接設(shè)計是以標準規(guī)范約束、尺寸約束和拓撲約束驅(qū)動為基礎(chǔ)，通過對聯(lián)接裝配模板賦予規(guī)則、參數(shù)并加以控制來實現(xiàn)緊固件的快速設(shè)計和信息獲取的過程。運用知識工程技術(shù)和二次開發(fā)手段，將螺栓公稱直徑選取、螺栓長度計算和螺栓選取合理性判定等規(guī)則嵌入設(shè)計流程，實現(xiàn)螺栓聯(lián)接自動設(shè)計。具體實施時，由設(shè)計人員選擇實體模型或簡化模型表達形式，系統(tǒng)自動識別設(shè)備機腳或管法蘭孔徑，通過知識工程庫、內(nèi)嵌規(guī)則選取聯(lián)接形式和緊固件規(guī)格，快速實現(xiàn)模型和信息創(chuàng)建。

為有效控制幾何模型數(shù)據(jù)量，針對不同螺栓聯(lián)接形式，采用不同形式建模。對于安裝和維修保障要求高的重要設(shè)備，其安裝緊固件采用三維實體建模；對于其他普通設(shè)備安裝和管法蘭聯(lián)接，通常采用簡化表達，即以緊固件選項參數(shù)和幾何線段組成，利用線段的兩個端點名稱判別螺栓聯(lián)接朝向，具備通過參數(shù)信息匹配緊固件實體模型。其物料信息以屬性形式表達，裝配方式以示意圖形式表達。不同表達形式下的螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)樹如圖3所示。

考慮到設(shè)計平臺承載能力與后續(xù)工藝仿真需求，工程研制需要螺栓聯(lián)接簡化模型可快速轉(zhuǎn)換為實體模型。三維模型創(chuàng)建后，簡化模型與實體模型裝配節(jié)點處于一一對應(yīng)關(guān)系，通過點選命名標識即可實施轉(zhuǎn)換。由于簡化模型屬性中賦予了螺栓長度和螺母裝配位置信息，當生成實體模型時，相關(guān)數(shù)據(jù)信息驅(qū)動螺栓聯(lián)接實體裝配模板中的對應(yīng)參數(shù)，實現(xiàn)緊固件三維模型快速創(chuàng)建。

物料統(tǒng)計是螺栓聯(lián)接設(shè)計的最后一環(huán)，對于實體建模的螺栓聯(lián)接，三維模型自身帶有物料信息，可快速計算緊固件重量重心。而簡化螺栓聯(lián)接的屬性中則記錄所有物料信息，包含緊固件標準號、規(guī)格名稱、材料、數(shù)量、重量等，重心采用定位點元素記錄。在重量重心計算與緊固件物料統(tǒng)計過程中，自動識別緊固件當前狀態(tài)，按照相應(yīng)表達形式完成螺栓聯(lián)接重量重心計算與物料統(tǒng)計。

3 螺栓聯(lián)接設(shè)計開發(fā)

3DE平臺作為船舶設(shè)計平臺，提供了CAA（Component Application Architecture）、AutomationAPI、UDF、EKL（Enterprise Knowledge"Language）等多種開發(fā)工具[9-10]。其中，EKL作為3DE平臺自身用于相關(guān)集成和用戶定制開發(fā)的工具，具有面向?qū)ο蟮某绦蛩枷?，可幫助用戶定義、重用以及分享知識。

根據(jù)船舶產(chǎn)品工程研制需求，開展螺栓聯(lián)接設(shè)計基礎(chǔ)庫配置，包含標準數(shù)據(jù)表和螺栓聯(lián)接設(shè)計模板庫，按類別進行存儲，由專人根據(jù)標準發(fā)布和模板負責定時維護更新。螺栓聯(lián)接設(shè)計基礎(chǔ)資源配置，在知識工程資源下定義KnowledgeResources-Bolt資源集，包含緊固件標準數(shù)據(jù)和設(shè)計模板庫，如圖4所示。運用EKL創(chuàng)建可視化界面，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)樹節(jié)點、安裝面和表達形式選取，并將螺栓聯(lián)接設(shè)計和明細統(tǒng)計等規(guī)則嵌入設(shè)計流程。由于設(shè)計人員使用需求不同，按不同流程實現(xiàn)設(shè)備安裝和管法蘭螺栓聯(lián)接設(shè)計開發(fā)。

3.1 設(shè)備安裝螺栓聯(lián)接

設(shè)備安裝螺栓聯(lián)接設(shè)計時，設(shè)計者依次選擇螺栓聯(lián)接模板和設(shè)備安裝面，由于三維設(shè)備模型已完成螺栓孔創(chuàng)建和屬性定義，故通過安裝面識別螺栓孔個數(shù)與孔徑，基于設(shè)計規(guī)則運用孔徑計算螺栓公稱直徑；結(jié)合設(shè)備機腳與基座面板夾持面，利用設(shè)計規(guī)則推算出螺栓長度及螺母裝配位置。至此，緊固件標準號、規(guī)格名稱、數(shù)量、重量、定位信息均已獲取，調(diào)用知識工程庫中對應(yīng)的設(shè)計模板，根據(jù)定位信息完成螺栓聯(lián)接設(shè)計，具體設(shè)計操作流程見圖5。

提取設(shè)計結(jié)果時，對于實體表達的螺栓聯(lián)接，螺栓長度及螺母裝配位置完整反映在三維模型中，可直接獲取生成物料明細。由于緊固件一般為均質(zhì)材料，且各零件自帶材料屬性，重量重心計算直接使用3DE平臺原生功能。對于簡化表達的螺栓聯(lián)接，其屬性中賦予了螺栓長度及螺母相對螺栓位置，結(jié)合螺栓節(jié)點布置數(shù)量并讀取屬性信息即可完成物料統(tǒng)計。關(guān)于重量重心計算，簡化螺栓聯(lián)接模板中有各個緊固件重心點定義，其重量結(jié)合嵌入的知識工程庫自動賦值，將聯(lián)接模板中各個緊固件當作質(zhì)點，統(tǒng)計出總的緊固件重量重心。

3.2 管法蘭螺栓聯(lián)接

船舶管路系統(tǒng)數(shù)量眾多，涉及的管法蘭螺栓聯(lián)接更是數(shù)以萬計，基于結(jié)構(gòu)樹節(jié)點選取開展螺栓聯(lián)接設(shè)計。首先選擇需開展螺栓聯(lián)接設(shè)計的三維管路系統(tǒng)節(jié)點，選取對象可為總段管路系統(tǒng)模型節(jié)點或分段模型節(jié)點或單個管線節(jié)點。明確管法蘭緊固件繪制形式，可選包括線段和三維實體模型兩種特征形式。利用墊片識別法蘭對數(shù)，并按照節(jié)點依次進行聯(lián)接設(shè)計排序。通過墊片對象獲取相匹配安裝的法蘭副或附件參數(shù)，具體包括法蘭材質(zhì)、厚度、螺栓孔徑和孔數(shù)等。根據(jù)獲取信息和知識規(guī)則，從配置的基礎(chǔ)資源庫中選取合適的緊固件標準。通過法蘭螺栓孔公稱直徑，推算對應(yīng)螺栓螺母的規(guī)格，運用選取公式計算出螺栓的理論長度值。結(jié)合相關(guān)規(guī)則利于計算獲得的螺栓理論長度值在基礎(chǔ)庫標準數(shù)據(jù)中遍歷篩選，得到滿足設(shè)計要求的標準緊固件，然后按照繪制形式進行螺栓聯(lián)接設(shè)計。工具循環(huán)獲取法蘭對數(shù)開展設(shè)計，直至遍歷結(jié)束。最后按程序內(nèi)置規(guī)則計算，按預(yù)定義格式生成螺栓、螺母等緊固件統(tǒng)計明細內(nèi)容，具體設(shè)計操作流程見圖6。結(jié)合工具在船舶設(shè)計中的應(yīng)用情況來看，螺栓聯(lián)接設(shè)計效率提升95%以上，生成不同表達形式下的管法蘭螺栓模型如圖7所示。

4 結(jié)論

隨著數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在船舶領(lǐng)域的深入應(yīng)用，對產(chǎn)品精細化設(shè)計和研制質(zhì)量的要求越來越高。從船舶研制任務(wù)入手梳理了螺栓聯(lián)接設(shè)計常規(guī)流程，分析了不同模型表達形式下的結(jié)構(gòu)樹。從構(gòu)建知識工程庫、螺栓聯(lián)接設(shè)計和明細統(tǒng)計兩方面分析了設(shè)計中的知識工程技術(shù)。運用EKL開發(fā)工具，基于基礎(chǔ)資源配置，進行了設(shè)備安裝和管法蘭螺栓聯(lián)接設(shè)計開發(fā)，并詳細介紹了具體設(shè)計操作流程。應(yīng)用表明在工程型號中該工具有很好的應(yīng)用前景，有助于提高設(shè)備安裝和管法蘭螺栓聯(lián)接設(shè)計質(zhì)量與效率。

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