基于CATIA的海洋平臺結構快速設計

趙廣偉，程 祥

(1.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003；2.江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003)

基于CATIA的海洋平臺結構快速設計

趙廣偉1，程 祥2

(1.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003；2.江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003)

研究了參數化設計和知識工程技術，并將2種技術應用到海洋平臺結構設計當中。首先，借助參數化技術，在CATIA V5系統中建立海洋平臺結構的參數化模型；其次，通過CATIA V5的知識工程模塊，構建平臺結構設計的知識庫，實現對平臺結構設計結果的校驗。實例表明，應用上述2種技術進行海洋平臺結構設計，不僅是可行的，還能大大縮短海洋平臺結構的開發時間。

海洋平臺;參數化;知識工程;平臺結構；CATIA

0 引言

參數化技術(又稱尺寸驅動技術)的出現，使CAD系統不僅具有交互式繪圖功能，還具有自動繪圖的功能，從而使設計人員從瑣碎的繪圖工作中解脫出來。知識工程研究知識信息處理，其核心是將某領域的相關設計經驗和設計標準、規范等知識嵌入軟件中，通過知識推理實現邏輯判斷和推理，為智能系統的開發提供技術，進一步實現產品的智能化設計[1]。本文探討將上述2種技術應用到海洋平臺結構設計中，以縮短海洋平臺結構的開發時間。

1 參數化設計

1.1參數及參數化

參數是用來描述產品幾何模型的形狀、位置、屬性等的特征值，每個CAD系統都有自己自定義的參數，用戶自己也可以定義參數。參數化是指將設計要求、設計原則、設計方法和設計結果用參數來表示，以便在人機交互的過程中根據實際情況隨時進行更改。

1.2約束

約束是指構成幾何模型的各個元素之間的特殊關系，如平行、垂直、水平、豎直、相切、共線、同心、固定等。約束保證了圖形元素在尺寸改變后圖形能大致保持原來的形狀。對工程設計來講，約束具有更明確的意義，增加或者取消一個約束都可能意味著設計思想的變更。約束包括結構約束(也稱拓撲約束)、尺寸約束和參數約束。結構約束是指構成圖形各幾何元素間的相對位置和連接方式，其屬性值在參數化設計過程中保持不變。在工程圖中，此類約束往往是隱含的，并不明確給出。尺寸約束是指圖中標注的尺寸，如距離、角度等度量信息，它控制了圖元的坐標、長度或半徑以及圖元之間的位置與方向等。參數約束是指尺寸參數之間的關系，用表達式表示。

1.3參數化設計

參數化設計是一種全新的設計方法，它用約束來表達產品幾何模型的形狀特征，定義一組參數以控制設計結果，從而能夠通過調整參數來修改幾何模型，并能方便地創建一系列在形狀或功能上相似的設計方案。設計人員在更新或修改圖形時，無需再為保持約束條件而操心，可以按照自己的意愿動態地、創造性地進行新產品設計。

2 CATIAV5知識工程

2.1知識工程

知識獲取、知識表示和推理、知識庫的建立等是知識工程的關鍵。知識獲取技術主要用于工程設計知識的獲得，反映了知識工程系統獲取知識的能力。知識的表示和推理，體現了系統的智能化水平。知識庫建立是指將手冊、文檔、工程計算公式、設計人員的經驗、設計標準等知識收集、整理，構成知識庫并在產品開發的過程中作為輔助工具使用。

在CATIA V5知識工程模塊中，采用參數、公式、規則、檢查、報告、設計表、應變、創成式腳本等表示知識。

CATIA V5的知識功能體現在知識工程顧問、知識工程專家、產品工程優化、產品知識模板和業務流程知識模板等模塊中。通過這些模塊，可以將相關規范、設計經驗、設計標準等產品知識嵌入整個設計過程，將用戶成熟的經驗做成模板重復使用；還可以通過運用CATIA的知識顧問模塊，以產品知識為基礎，指導產品的設計和加工，實時檢查設計，提出設計建議。

2.2應用CATIAV5知識工程模塊的設計流程

應用CATIA V5 知識工程模塊的設計流程如圖1所示。

圖1 應用CATIA V5知識工程模塊的設計流程

3 海洋平臺結構快速設計實例

3.1海洋平臺結構模型

現以文獻[2]中鉆井甲板和采油甲板之間的井口槽處的支柱為例，支柱共有4根，分設在鉆臺4腿下，承受垂向力，見圖2。圖中，模型中外側的2根支柱，為鉆井甲板上的吊機支柱。為便于觀察支柱，將模型中鉆井甲板的甲板板隱藏。在構建產品幾何模型時，要注意各構件之間的關聯性，這樣在模型修改時，各參數之間具有同步性。井口槽處支柱上端應與鉆井甲板關聯，下端與采油甲板關聯協調，在兩層甲板之間高度發生變化時，支柱長度自動發生改變，不需要設計人員再用手工修改。其次，建立標準件庫。設計人員在設計或修改零件時，只需選擇相應規格，不需要再重頭開始。

圖2 鉆井甲板與采油甲板之間的支柱結構模型

3.2平臺結構模型知識工程表達

3.2.1模型參數及關系式

根據支柱特征，為計算方便，確定如下參數：

支柱所受載荷P，支柱長度L，支柱有效長度l，支柱平均直徑dp，支柱厚度t，支柱截面面積A，支柱剖面的最小慣性半徑r，支柱的面積A1和壁厚t1、t2。上述參數中，支柱所受載荷P和支柱長度L為已知變量，由設計任務書提供，在建模時，當已知參數處理。在建模過程中，CATIA系統默認支柱半徑為支柱零件幾何體凸臺.1草圖.1半徑.1，支柱零件幾何體凸臺.1草圖.1半徑.2。根據參數間的關系，建立下列各參數之間表達式，如圖3所示。

3.2.2結構模型設計規則

3.2.2.1支柱面積設計規則

設計支柱時，需滿足《鋼質海船入級規范》(2006)(以下簡稱“規范”)中相關規定。按“規范”第2.10.1條規定，支柱所受的載荷P按下式計算：

P=7.06abh+P0

(1)

按“規范”第2.10.2條規定，支柱的剖面積A1應不小于按下式計算所得之值：

(2)

式(1)、式(2)中：a為支柱所支持的甲板面積的長度，m；b為支柱所支持的甲板面積的平均寬度，m；h為支柱所支持的甲板的計算壓頭，m；P0為上方支柱所傳遞的載荷，kN；l為支柱的有效長度，m，為支柱全長的0.8倍；r為支柱剖面的最小慣性半徑，cm。

3.2.2.2支柱壁厚設計規則

“規范”第2.10.3條還規定，支柱壁厚不小于以下兩式計算所得值：

(3)

(4)

式中：dp為管形支柱的平均直徑，mm。

3.2.3結構模型檢查

3.2.3.1設計規則檢查

利用知識工程模塊提供的檢查工具“Check”建立檢查規則，檢查設計方案是否滿足上述設計規則。當設計人員選擇了某種型號的管子后，規則工具“Rule”便對管徑、壁厚、截面面積進行檢查，并將檢查結果通知設計人員，設計人員根據檢查結果，決定是否修改設計方案。

3.2.3.2工藝檢查

受企業設備加工能力的限制，設計方案的參數取值不能超過企業設備加工能力，如支柱壁厚不能超過25 mm。這時，可用“Check”建立工藝檢查規則。當支柱壁厚超過25 mm時，系統自動報錯，提示選管子的壁厚超出企業設備加工能力，這樣設計人員可及時修改設計，確保設計方案的可行性。

4 結語

結合參數化技術、知識工程方法對海洋平臺結構中的支柱進行設計，通過實例表明，文中方法不僅可行，而且還能提高設計速度，設計人員在知識工程的幫助下，只需改變模型參數，就能設計出符合要求的產品。目前，作者正在積極構建海洋平臺結構的知識庫，嘗試運用上述方法對海洋平臺的整體結構進行建模，希冀為企業、院所提供參考。

[1]顧曉華，仲梁維.基于知識工程的參數化設計[J].機械設計與制造工程，2001，(4):17-18.

[2]唐友剛. Spar 平臺上體結構設計及強度分析[D].天津：天津大學，2008.

[3]王忠，樸英花，盧金火. CATIAV5的知識工程優化功能在汽車產品開發上的應用[J]. 汽車技術，2004，(3):16-18.

[4]中國船級社.鋼質海船入級規范 [M].北京：人民交通出版社，2006.

2014-03-16

趙廣偉(1995-)，男，本科，從事結構力學研究；程祥(1981-)，男，工程師，從事船舶工程方面的研究。

U662.2

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