鐵道車輛規范驅動三維布管技術研究*

曹楚君，黃樂艷

（湖南高速鐵路職業技術學院，湖南衡陽 421002）

0 引言

利用三維設計軟件進行管道的三維設計的方法越來越令人青睞。在產品設計過程中，三維管道設計能十分形象地布置管道，能布置出合理的管道固定位置，能對管道與其他零件之間的干涉進行檢查，能輸出完整的鋼管折彎參數與物料信息。

對于管道的三維設計方面研究文獻也有許多，文獻[1-2]提出在Pro/E軟件環境下的液壓管道三維布管的方法。其中文獻[1]較為系統地提出三維布管設計的流程，對主要的流程節點進行詳細的闡述，并且給出液壓膠管設計實例。文獻[2]提出在Pro/E軟件環境中的非規范驅動三維布管技術[2]。

文獻[3-4]提出在SolidWorks軟件下進行三維管路布置設計的思路與方法[3-4]。

文獻[5-6]以AutoCAD或CATIA軟件作為程序開發平臺，利用VBA技術開發程序，實現三維管道的自動布置。重點研究開發三維管道自動布置程序。

文獻[7]提出利用三維配管建模軟件——PDS軟件，設計站內通信設備及線纜敷設的方法。

文獻[8]提出利用二次開發后的PDMS軟件Spooler模塊在三維環境下進行斷管，并直接抽取管線生產設計圖紙的配管加工設計新方法。

本文作者研究利用CREO軟件的Piping管道設計模塊，重點研究規范驅動管道設計方法。并以70 T鐵道貨車制動系統為例，進行三維布管。

1 CREO/Piping管道設計模塊簡介

CREO軟件的Piping管道設計模塊是專業的三維管路設計模塊。該模塊提供規范驅動和非規范驅動兩種管道設計方式。

規范驅動設計方式包含管道設計規范和參數化建模，該方法可以定制適合于企業的管道設計規范，有利于提高公司標準化、系列化與模塊化水平。該方法可用于通常設備管道設計，也特別適合于工廠、化工、造船和航空等大型管道系統的管路設計。

圖1 規范驅動三維布管典型流程

非規范驅動設計方式主要采用手工的方式創建管路系統，通常用于工業機床、工程機械等設備的液壓與氣壓系統的管路設計。

2 規范驅動三維布管典型流程

通常管道有鋼管與膠管兩種布管方式。因鋼管具有系統布置美觀、流道阻力小、耐疲勞、耐高溫及價格便宜等優點，被大多數管道系統所采用。規范驅動也正適合于鋼管管道設計。本文作者只研究規范驅動方式下鋼管三維布管，其典型流程如圖1所示雙點劃線框部分。

圖1中，創建骨架模型、產品庫、創建管道組件、組裝骨架模型、創建布管組件和復制幾何等步驟，文獻[1]中已經詳細敘述[1]，這里不再重復。

2.1 2D示意圖設計

2D示意圖中通常包括管道管徑、長度與走向信息，包括各種管接頭與閥門布置狀態、型號明細等信息，可為三維布管提供參考。2D示意圖可以采用CREO的Schema-tics模塊繪制，然后導出XML文件。通過此文件導入到CREO的Piping管道設計模塊，可以實現自動驅動三維布管[9]，這種方式稱為自動布管。2D示意圖設計也可以采用AutoCAD軟件來繪制，但它不能自動驅動三維布管，這種方式稱為半自動布管。

2.2 管道規范數據庫

管道規范數據庫中存放用于創建規范驅動管道系統的所有管道庫和類別文件，以及所有工程數據文件。數據庫中只有兩種類型的文件，一種是Pro/TABLE格式的表文件，擴展名為.ptd，這些文件定義管道設計中所有規范。另一種文件為CREO模型文件，擴展名為.prt和.asm，體現所有管接頭的幾何形狀。第一種管道規范數據庫文件又包含主目錄文件、管接頭庫文件和工程數據文件3個文件組。

2.2.1 主目錄文件

主目錄文件儲存管道建模所需的全部基礎設計信息，其數據源由工業標準、慣例及制造商目錄確定。這些文件存放在CREO安裝目錄 extpiping_datamaster_catalog文件夾中，數據庫中提供13類主目錄文件，如表1所示。每類主目錄文件又有多個文件，用戶可以根據需要新建。

需要修改和新建主目錄文件時，可以用CREO自帶的Pro/TABLE軟件打開，修改或新增數據記錄。或復制現有文件，參照現有文件的數據格式進行修改。

2.2.2 管接頭庫文件

CREO管道設計中的管接頭泛指安裝到管道上的三通、法蘭、接頭、閥門、墊片和彎頭等所有附件。管接頭庫文件實際上是關聯參數的管接頭幾何模型文件。創建管接頭庫文件時，除了創建管接頭幾何模型外，還需要創建和修改與之相關聯的主目錄文件，其步驟如下。

表1 主目錄文件類型

第一步，創建管接頭幾何體。利用CREO軟件進行零件建模，與普通模型創建方法相同。例如，這里創建了一個法蘭模型，文件名為tbt1250_dn.prt，存放在CREO安裝目錄 extpiping_datafittinglibflange文件夾中。

第二步，創建管接頭端口。端口用于管接頭與管道相連接或法蘭面間相連。在管接頭與其他元件的所有接合面中心位置創建坐標系。并且，坐標系Z軸的都垂直于各接合面，正方向指向管接頭外側，如圖2所示。在法蘭模型兩端分別創建了名為PROT0、PROT1的坐標系。若所創建的管接頭有多個端口，坐標系的命名依次類推。

第三步，指定入口端。在坐標系中添加相應的參數來指定入口端。在入口端坐標系中定義SIZE與END_TYPE參數，在出口端坐標系中定義NEW_SIZE與END_TYPE參數。對于等徑接頭，出口端參數可以省略；對于變徑接頭，則必須定義。若管接頭為三通接頭，則還需在分支出口端坐標系添加BRANCH_SIZE與END_TYPE參數。這些參數中，SIZE、NEW_SIZE、BRANCH_SIZE均表示管接頭端口處的公稱直徑；END_TYPE表示端面連接類型。圖2中，在法蘭模型的PROT0坐標系上定義SIZE與END_TYPE參數，參數值分別為SIZE=10A，END_TYPE=BW。

圖2 管道幾何模型文件

第四步，定義管接頭類型。管接頭類型參數是與庫文件關聯的管接頭代碼，管道設計的管接頭類型由FITTING_CODE參數定義，其參數值如表2所示。法蘭模型中，定義FITTING_CODE=FLANGE。

表2 管接頭類型

第五步，創建族表，族表能生成系列化零件，減少管接頭幾何模型文件的數量。在族表中加入定義入口端和管接頭類型的參數，驅動幾何模型的尺寸參數，以及質量參數MP_DENSITY、PRO_MP_ALT_MASS。并創建若干個基于參數與尺寸驅動的實例文件。例如，法蘭模型創建5個實例文件，族表中也加入上述參數。如圖3所示。

圖3 族表

第六步，創建和修改主目錄文件。創建一個新的管接頭庫文件，需要創建一個對應的管接頭主目錄文件；并且要修改與管接頭相關的管道主目錄文件Piping_mcat_dir.ptd，管道材料主目錄文件Piping_material.ptd，以便這些文件能檢索到新建的管接頭庫文件。

對于法蘭模型，創建的管接頭主目錄文件名為tbt1250_dn.ptd。文件內容如圖4所示。從圖4中可以看出，管接頭主目錄文件內容與圖3族表的內容相似，實際上是族表的Pro/TABLE表文件形式。

圖4 管接頭主目錄文件

管接頭主目錄文件中的參數含義如表3所示。

表3 管接頭主目錄文件參數

對于法蘭模型，在管道主目錄文件piping_mcat_dir.ptd文件中新增內容如表4所示，文件中其余項目不用修改。

表4 管道主目錄文件新增內容

其中，FLANGE表示管接頭類型；TBT1250表示管接頭名稱，在三維布管時，插入管接頭操作時，該名稱出現在對話框的選擇欄中，供選擇使用。fitting/TBT1250_DN表示管接頭主目錄文件存放位置及名稱；pipeod/od_steel表示所要與管接頭配對的管道的外部直徑庫文件；combined_size_code表示管接頭入口端、出口端及分支端公稱直徑的組合形式庫文件代碼。CFA表示管接頭安裝螺栓與螺母型號代碼。

按照同樣方式修改管道材料主目錄文件piping_material.ptd。這里不再敘述。

至此，一個完整的法蘭類型的管接頭庫文件已經創建，可以在三維布管時調用。

2.2.3 工程數據文件

工程數據文件同樣是Pro/TABLE格式的表文件。它的數據來自管道與管接頭主目錄文件，是從主目錄文件中篩選出來的、用戶選定的設計規范。例如，管道主目錄文件中，有鋼、銅、不銹鋼和鋁4種不同材質的管道規范文件，用戶采用鋼質管道進行設計，系統將質管道規范檢索出來，形成一條檢索記錄；同理，用戶可以選擇需用到的管接頭、保溫材料等主目錄文件，形成記錄。這些記錄一并保存到用戶的工程數據文件中。用戶在進行管道設計時，系統從工程數據文件獲得管道相關數據，并動態地填充管道設計對話框，供設計者選用。工程數據文件中未引用的規范文件、管接頭文件不能選用。

工程數據文件可以通過Piping管道設計模塊中“定義管道規范”對話框進行定義，保存后自動生成Pro/TABLE格式的數據文件。

2.3 管道布線

在Piping管道設計中，通過“創建管道”對話框定義規范化管線。在對話框中，定義管線所遵循的規范、管線的公稱直徑等生成一個管線文件。再采用“布線管道”工具，根據管道的實際走向進行繪制出管道的軌跡。繪制軌跡時，軌跡的起點和終點選取預先定義的坐標系作為參照。并利用2D示意圖數據，通過坐標系推移，選取參考點、線、面等方式定義軌跡的走向[1]。通過規范驅動管道布線后，70 T鐵道貨車制動系統管道布線如圖5所示。

圖5 70T鐵道貨車制動系統管道布線（局部）

2.4 插入管接頭

在Piping管道設計模塊中，通過“插入管接頭”打開對話框，該對話框中可以選取管接頭的類型、定義管接頭放置位置及方位，系統會根據工程數據文件，自動檢索合適的管接頭，插入到指定位置。插入管接頭的過程同樣需要遵循2D示意圖數據。70 T鐵道貨車制動系統管接頭分布如圖6所示。

圖6 70 T鐵道貨車制動系統管接頭分布（局部）

2.5 生成管道實體

規范驅動的管道軌跡繪制好以后，可以打開“管道實體”工具，選擇所需要生成實體的管線。生成管道的實體模型。通過實體模型，可以進一步檢查管道是否與其他元件相干涉。管道實體模型形象地反映了現場裝配中管道的實際走向，可以比較形象指導現場裝配[1]。

2.6 檢查設計規范與繪圖

當管道設計完成后，通過Piping管道設計模塊中的“管道檢查規則”對話框，對生成的管道進行檢查。如檢查管接頭的缺失、最小折彎段、折彎半徑等是否符合規范等。也可以對照2D示意圖檢查管道管徑，長度，走向等。所有管道檢查正確無誤后，可以創建管道安裝工程圖與單根管線等軸測圖，以及輸出管道的折彎信息。

管道安裝工程圖就是普通的裝配工程圖紙，圖紙上有各管道、管接頭的明細，球標等。單根管線等軸測圖為ISOGEN格式的文件，擴展名為.pcf。這種文件需要另外的管道設計軟件才能打開，如alias I-Run軟件。由于篇幅有限，不對其展開敘述。

3 結論

本文作者對CREO軟件Piping管道設計模塊的研究，總結出一種規范驅動三維布管方法，對方法中的各步驟進行闡述，重點分析管道規范數據庫的結構與修改方法。規范驅動三維布管技術可推廣到鐵道車輛、工廠、船艦與航空管道的布置。