基于FORAN的船舶管路三維設計研究

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(中國艦船研究設計中心,武漢 430064)

隨著計算機技術的發展，三維設計技術已在航天、航空、汽車等領域的研發、設計與制造過程中得到廣泛應用。由于船舶系統的復雜性，其三維設計應用相對滯后。目前，盡管國內多家設計院所和船廠運用CADDS5、TRIBON、CATIA等軟件在船舶設計上取得了初步成效，但與全面數字化造船尚有一定距離[1]。

作為用于船舶工程設計和建造的集成化軟件系統，FORAN軟件為用戶提供了總體型線、船體結構、管路系統、空調通風、舾裝、電氣等相關專業的三維設計，可謂覆蓋面廣，功能強大。三維管路設計作為三維設計的重要組成部分，涉及多個專業，而且操作復雜。

1 管路建庫

與大多三維設計軟件相同，FORAN自身不設置任何專業的附件庫，要進行管路設計，用戶必須根據實際需求自行建庫。管路建庫需要完成基礎信息庫、管子庫和附件庫的建立，它們均是服務于船舶管路設計的大型數據庫，缺一不可，同時必須保證其準確性，否則會帶來不必要的麻煩。建數據庫時，設計者應在熟悉船舶管路系統和相關標準的基礎上，根據設計需求在Fdefin模塊中進行系統規范的建庫工作。FORAN軟件管路設計各庫表之間的關系見圖1。

圖1 FORAN三維管路設計流程

在圖1中，建立基礎信息庫是整個管路建庫的基礎性工作，必須涵蓋通徑表、材料屬性表、管端類型表、壁厚等級表、連接類型表等信息，相關數據將為定義Standard norms表和CLASS服務，一般不需設計者創建[2-4]。管子建庫需要建立Standard norms表、CLASS及其所屬Components，而管路附件庫的創建只需定義CLASS及相關Components。二者的區別在于管路附件庫不用創建Standard norms表，究其原因是管路設計以管線為主導，在對管線賦予相關屬性后，再插入配套附件，如閥件、三通、異徑、彎頭等，使得附件與管件相匹配。在建庫過程中，應查找相關標準做好建庫工作，確保輸入數據準確無誤。否則，在后續三維設計時，將因管子與附件或附件與附件之間不匹配而無法關聯。

2 管路設計

相對管路建庫而言，FORAN三維管路設計比較簡單，依次在Fdefin和Fpipe兩個模塊中完成。在Fdefin模塊下，基于管子庫和附件庫的數據信息，分別建立管子材料規格表和附件材料規格表。然后進入Fpipe模塊進行三維設計，首先通過多義線創建相應管線，再沿多義線生成管段，并在彈出的PipeLine Segment Attributes對話框中賦予管段具體屬性，備選屬性信息均是在Fdefin模塊中建庫創建的。隨后便可在管段具體位置插入管路附件，圖2為典型管路系統的FORAN三維設計模型，該系統涉及三種不同通徑管子，并含有三通、彎頭、異徑、蝶閥和閘閥等附件。在整個設計過程中，當管件屬性變化時，與之關聯的附件也需作出相應調整，并首先在Fdefin模塊進行建庫修改，每次修改完后，在Fpipe模塊中保持實時更新。

圖2 典型管路的FORAN三維設計模型

在三維設計過程中，需要實時干涉檢查，目的在于檢查設計管路與船體、設備、電纜以及其它管路是否發生碰撞，這樣能有效減少或避免多專業并行設計時的干涉情況，以便對質量和技術狀態進行有效控制。干涉檢查時，還可根據設計需要隱藏忽略項，尤其對于包敷絕緣的管路，FORAN可以通過消隱直接顯示管路及絕緣，絕緣呈半透明狀。干涉檢查之后，專業內部或專業之間往往要進行技術布置協調，在協調結果的基礎上，對相關設計進行相應修改和完善。如此檢查、調整反復進行，直至獲得合理的管路設計為止。

3 管路出圖

出圖是三維管路設計工作流程的最后環節，當完成布置、干涉檢查、修改等一系列工作完成后，就需將三維管路布置轉換為二維圖形打印輸出，便于制造單位按圖進行施工建造，圖3給出了FORAN管路出圖流程。

圖3 FORAN三維管路出圖流程

FDesign是FORAN用于實現三維轉二維出圖的模塊。在Fpipe模塊或Fcable模塊中調出船體結構以及背景設備，制作成REM格式文件。隨后在FDesign模塊中調入REM文件和需出圖的設備，根據需要生成所需視圖，并進行標題等相關信息修改。生成標注和明細表的方法有兩種，一種方法是運用組庫自動形成明細表和標注ELEMENT名稱，但必須在英文環境下才能實現組庫出圖。另一種是利用Thinkdesign的功能自動標注序號，然后根據自動標注的序號修改明細表的內容。對于設備、管路以及材料統計所需的零件編號、規格、數量、材料、管路絕緣、重量、重心等信息，FORAN軟件均能從三維模型中自動提取并統計。

4 幾何宏運用

對于管路設計者而言，FORAN軟件提供的管路附件并非一應俱全，對于某些特殊附件，需要用戶基于TCL語言編寫幾何宏文件來定義相應實體。FORAN軟件的宏文件以參數化編程為基礎，不受軟件版本和系統平臺的限制，特別適用于創建形狀復雜的幾何模型[5]。在FORAN軟件中，不同系列的宏放在不同文件夾中，管附件宏文件的后綴為.fit，同時，MACFIT環境變量用于配置管系及其附件宏文件的目錄路徑(*.fit)。

一個幾何宏一般至少由參數函數和運行函數兩個基本函數組成，參數函數主要用于變量設置、參數描述、關聯輪廓圖和宏命名等。變量名的定義可以用字母，數字或下劃線字符作為首字符，后面繼續與一些字符(數字，字母或下劃線字符)一起組成變量名。而運行函數則由一系列TCL命令來實現編輯模型，見圖4。

圖4 幾何宏文件的框架結構

TCL語言是宏文件的編寫語言，它具有條件分支、循環、數學計算等語言特征，與常用編程語言類似。同時，TCL語言包含MAC_PARM、MAC_OBJP、MAC_MODL、MAC_COLO等數十條命令，是幾何宏編寫過程中必不可少的，分別具有參數描述、對象創建、屬性編輯、實體變換等功能。如果幾何宏相對簡單且很短，可按圖4框架進行編輯；對于一個復雜且長的幾何宏文件來說，由于FORAN提供了27種基本模型和52種擴展模型，可考慮采用類似的宏作為參考藍本，在此基礎上創建出新的附件模型。

5 幾何宏編寫

由于閥件的型式多樣且較復雜，因此在其二次開發程序中需兼顧快速建模和主要外形相似的原則，根據標準以及設計習慣，以通徑、閥件尺寸及法蘭厚度為主要設計參數，從而確定其它結構尺寸與主要參數之間的關系，使得編寫的幾何宏能夠按照規范的要求，通過主要參數的變化唯一確定閥件模型。宏文件按圖4所示框架結構來編寫。現以GB/T 593-93三通L型旋塞為例進行編寫演示。

通過查閱標準GB/T 593-93，三通L型旋塞可由法蘭直徑D、旋塞長度L、旋塞高度H、法蘭厚度b和法蘭中心點高度H1五個主要參數來確定。用TCL語言編寫其宏模型的思路見圖5。

圖5 三通旋塞幾何宏編寫流程

首先運用MAC_OBJP命令插入基本幾何宏ANIL、CILI、TRCN形成左側法蘭及結構，并賦予法蘭屬性和顏色。然后復制生成右側法蘭及結構，同時旋轉整個對象，再運用MAC_OBJP、MAC_SELE、MAC_ROTA等命令依次生成后側法蘭及結構、中間腔體和手柄。為了布置時旋塞的定位，最后定義旋塞的輸入點、輸出點。

為了方便對創建的宏模型進行編寫和測試，須對FORAN軟件做相應的配置，在軟件FORAN初始界面中，鼠標左鍵點擊【setup】，選擇【Add/Edit project... 】一欄，彈出【project】對話框。在【Dir. list】一欄中輸入宏文件存放路徑，如C: emp；在【Env variables】后的空白欄處輸入各閥件宏文件包括路徑：

MACFIT=C: empcfgfilmacrosfittp;C: empcfgfilmacrosincludes

圖6 三通旋塞參數化建模對話框

結合標準GB/T 593-93，在對話框右側輸入對應數據，即可根據設計需求創建不同通徑的旋塞。

6 結論

FORAN軟件具有面向船舶設計師、貫穿整個設計過程、數據模型統一、二次開發環境優越等優點，這正符合船舶管路三維設計追求的目標。同時， FORAN中的幾何宏編寫可對管路特殊附件、設備進行參數化建模，為設計人員提供便捷的設計手段。由于目前國內的船舶設計理念和思路與國外有所不同，在并行設計方面還有待提高。在FORAN船舶管路三維設計過程中，需結合輪機專業實際情況，對現行的設計流程和管理進行相應完善，才能充分發揮軟件的強大管路設計功能，從而減少開發過程中的管路放樣次數，提高設計質量和縮短開發周期。

[1] 邵開文，馬運義.艦船技術與設計概論[M].北京:國防工業出版社,2005.

[2] 林 銳，曾榮輝，盧永進，等.FORAN三維設計實用教材[M].北京:國防工業出版社，2011.

[3] 林 銳，盧永進，房玉吉，等.Foran軟件在輪機設計中的應用[J].機械，2011,38(8):33-35.

[4] 張 凱，謝承福，涂躍紅，等.FORAN軟件在船舶總體設計中的應用[J].中國艦船研究，2009(4): 80-84.

[5] OUSTERHOUT J K, JONES K.Tcl/Tk入門經典[M].2版.張元章,譯.北京:清華大學出版社,2010.