基于VB.NET的CATIA三維參數化船舶設備庫的開發

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(大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116024)

在三維參數化總布置設計中，需要引入大量的設備模型單元，進行艙室及甲板的布置工作。在以往的二維總布置設計中，是將設備單元制成圖塊，然后以塊為單位插入對設備圖元的引用。這種設備圖元模型不僅不能根據不同的參數而得到相應的定制性設備，而且欠缺有序的管理和維護機制?；诙S圖塊的設備模型單元，通常存儲在圖文件中，不同圖文件間，乃至不同建模工作站之間，都無法便捷地調用同一個設備模型庫，往往需要每次重新繪制，導致設備模型單元使用效率低、一致性差、更新困難。為了提高設計建模的效率與質量，本文提出一種針對船舶三維總布置設計特點的三維參數化設備模型庫技術，并開發了實現該技術的原型系統。

1 船舶三維參數化設備庫的特點

在通用的機械產品設計建模中，為提高建模效率，減少重復建模，引入了標準件庫的技術，而船舶三維參數化設備模型庫的基本思想與此標準件庫類似，但將標準件概念拓展成普遍意義下的船載設備單元。船載設備單元模型自身的特殊性導致僅限于標準件庫的思想將無法滿足船舶設計建模的具體要求，因此船舶設備模型庫還需具備以下特點。

1)設備模型庫應能直觀地描述設備模型的形狀參數。由于設備模型比標準件模型要復雜得多，故其描述參數要比標準件多，且尺寸命名沒有統一的規則，這就要求設備庫能直觀地描述出設備模型中各幾何元素由哪些參數控制，便于用戶定制使用。故需在設備模型庫中引用工程圖示標明各幾何元素的控制參數，使用戶準確了解此設備模型各定義參數的意義。

2)設備模型應具有良好的可擴展性及更新性。同一類設備的型號較多，且不像標準件那樣型號尺寸有系列標準，甚至在船舶的布置當中經常會遇到根據實際需求訂做的設備。故在使用設備庫添加設備的時候，遇到在設備庫中沒有所需設備型號的情況要遠多于標準件庫。所以設備模型庫應具有更好的可擴展性及更新性，即設計者能夠在設計中方便地向設備庫中添加新型號的設備模型，也可添加新設備類型。且添加完就可立即引用該型號的設備模型。而CATIA自帶的標準庫不能根據設計需求方便地添加新的設備，并實時使用。

3)設備庫應存儲管理設備模型的被引用記錄。設計完成后根據設備的引用記錄，可以方便地統計出該船的設備列表。此外更重要的是通過此方法，可以以組為單位更改設備模型的尺寸大小，即若要更改多個同型號的設備模型的參數，只要在引用的時候將其放到一個組中，更改其中任何一個模型的參數，其它模型也會自動更改，而通過CATIA標準件庫插入的構件之間是相互獨立的，無法實現聯動修改。

4)設備模型單元附屬信息的管理和使用。參數化設備庫可存儲船載設備的物理屬性、重量、重心、材料、供貨方、制作廠家等相關信息，方便用戶在使用設備模型時查看。

2 三維船舶設備庫總體方案設計

CATIA V5具有強大的知識工程和參數化建模的功能，其雖允許用戶建立和使用標準件庫，但是其更新性差，模型數據容易產生冗余，操作較為復雜，而且標準件庫格式為CATIA自定義的專用格式，通用性較差。除此以外也不能針對設備庫特點而創建更適合設備模型存儲及引用的設備模型庫。

目前常用的數據庫有Access、SQL Server、Oracle等，本文采用SQL Server數據庫。該數據庫在處理海量數據的效率，后臺開發的靈活性，可擴展性等方面比較強大。SQL Server還有更多的擴展，可以用存儲過程，數據庫大小無極限限制，可存儲大量的數據，使得模型數據庫資源得到很好地共享，且可對模型數據庫進行不斷擴充。

采用VB.NET對CAITA進行二次開發，利用SQL Server數據庫來存儲參數化模型、設計參數表、尺寸示意圖等相關文件。應用VB.NET開發了三維參數化設備模型庫原型系統，實現對設備模型的查看、添加及修改并最終可將設備模型按用戶設定的設備參數插入到用戶所選定的產品目錄(product)下。CATIA的參數化設備庫系統流程見圖 1。

圖1 設備庫系統流程

3 參數化建模

在建立構件庫之前，首先需要創建設備的三維參數化模型，CATIA提供了參數化建模的功能。所謂參數化建模，即利用參數控制模型的幾何尺寸，從而達到控制幾何模型的目的。在進行實體建模的過程中要根據實體的外形尺寸(長度、寬度、高度等)選擇適當的參數變量[1]。

同時，CATIA中的設計參數表提供了一種創建和管理部件族模型的方法和工具，部件族一般是指結構相似而參數值不同的一系列部件。而同一類設備的不同型號間的區別可能僅僅在于它們的結構參數值不同。通過建立匹配關系，由用戶指定CATIA文檔參數與設計表的欄目之間的關系，應用設計表可以通過外部變量驅動CATIA中設備模型的參數。設計表中，可以針對該設備模型有盡可能多的參數配置行。設計表中相關參數組的一組值稱為一個配置(configuration)，以行的形式存儲[2]。

以創建系纜樁參數化設備模型為例，首先創建出系纜樁的幾何模型，再用Formula功能創建參數[3],如系纜樁直徑D,系纜樁兩柱間距A,系纜樁高度H1等。然后通過公式把這些參數與系纜樁幾何模型中相應的特征創建對應關系。

圖2為參數化的系纜樁模型， 圖中公式即為參數和幾何特征的對應關系。此時，若要對模型進行修改，只需修改參數的數值，模型的對應尺寸就會做相應的更改。因此在參數化設備模型的基礎上，用戶可以通過修改參數的方法得到該設備各種型號的模型。為有序管理設備的型號，可將系纜樁不同型號的參數存儲在設計參數表中，如圖 3為程序中系纜樁設備的設計表界面。表中第一行為參數變量的定義。其每一行的一組參數代表該設備的一個型號。

設計表共有三種工作模式：加載時自動同步；加載時交互同步；手動同步。本文應用第一種工作模式，加載時自動同步，即當加載一個包含用戶創建的設計表的模型時，若設計表文件被修改，并且模型中包含外部文件的數據，設計表將自動同步，模型的相關參數也會隨之修改。因此，可以通過對設計參數表參數的修改實現對CATIA中相應設備模型參數的修改。

4 CATIA嵌入模塊及應用實例

CATIA可以作為一個OLE自動化服務器，外部程序通過COM接口即可訪問CATIA內部對象。用VB.NET引用CATIA的類庫對象即可通過程序對CATIA進行相關操作[4]。以插入系纜樁設備模型為例簡要介紹三維設備庫的使用流程。

用戶通打開 “三維參數化船舶設備庫”程序界面，程序將自動連接到SQL數據庫讀取數據庫中所存儲的設備模型并顯示在程序界面中。

圖2 參數化系纜樁模型

圖3 系纜樁設備的設計表界面

若“設備列表”中有符合要求的設備型號，可通過程序右上角的“插入設備”功能導入新的設備模型，此處需選擇所要上傳的CATIA模型文件、該模型對應的設計參數表以及模型尺寸示意圖。單擊“文件導入”即可將該設備模型導入SQL數據庫中。此時我們通過單擊“設備列表”中的該設備名稱，可查看其詳細信息，同時程序將對應設備的CATIA模型文件、設計參數表、幾何參數示意圖從數據庫中讀取至本地計算機工作目錄中。

若“設備詳細尺寸參數”中沒有所需插入的系纜樁的型號，用戶可單擊“添加”銨鈕為系纜樁添加一個新的設備型號。單擊“提交更改至數據庫”銨鈕，可將已經修改的系纜樁模型的設計參數表存儲到數據庫中。

用戶點擊“插入設備”銨鈕，程序將自動跳轉到當前正在編輯的CATIA文檔中，讓用戶選擇插入該設備的位置(通常將設備插入到Product下)，選擇“完成”后，程序將按照數據表中所選的參數插入設備，例如若選擇第二行配置，則插入配置為configuration=2的系纜樁設備模型。

該模塊還提供了按組插入設備模型的功能，插入設備模型時可將多個同樣的模型納入一個分組，修改模型時則可以組為單位進行修改，不必一一對設備模型的尺寸進行修改，大大提高了修改的效率。因為在應用CATIA裝配功能的時候，“插入現有組件”是對現有Part文件的引用，可多次插入同一個組件，其都是對一個Part文件的引用，是對該Part文件的多次實例化[5]。例如船舶甲板上有4個系纜樁的尺寸相同，若在插入這4個系纜樁的時候選擇了“成組引用”，則這4個系纜樁則引用同一個Part文件，因此若要修改這4個系纜樁尺寸的時候，只需要修改其中的一個即可，其它3個也會自動做相應的修改。若按默認選項“單獨引用”則4個系纜樁分別引用4個Part文件，修改其中的任意一個系纜樁的參數，不會對其他3個系纜樁的尺寸產生影響。

5 結論

三維參數化設備庫的開發研究解決了船舶三維總布置設計中大量設備的快速、準確查詢與使用，克服了傳統二維總布置設計中，設備模型通用性差，數據冗余，無法共享等問題，并可通過網絡使設備庫資源得到最大限度的共享，大大提高了三維船舶總布置設計的效率。

[1] 胡國強，賈 輝.基于CATIA V5的三維標準件庫的創建與使用[J].輕型汽車技術,2010(10):34-37.

[2] 王智明，楊 旭，平海濤.知識工程及專家系統[M].北京：化學工業出版社，2006.

[3] 劉 冰，魯墨武.基于CATIA的三維標準件庫開發[J].沈陽航空工業學院學報,2005(10):30-32.

[4] 胡 挺，吳立軍.CATIA二次開發技術基礎[M].北京：電子工業出版社，2006.

[5] 上海江達科技發展有限公司，CATIA V5基礎教程[M].北京：機械工業出版社，2008.