基于CATIA V6的船舶管路系統三維設計優化

趙 恒，周志杰，彭文波

（中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

0 引言

船舶管路系統三維設計，是指采用數字化手段構建虛擬三維管路系統模型，模型能夠完整反映管路系統的設計特點、布置情況及幾何外形特征，能夠用于數字化分析及指導生產施工。由于船舶管路系統多且復雜，布置遍及全船，管路及附件數量大、規格繁多、材質多樣，管路系統的三維設計完成情況是決定船舶產品三維設計深度及設計質量的重要因素。CATIA是CAD/CAM/CAE一體化的通用軟件平臺，CATIA V5在船舶設計領域的應用已取得一定成效，CATIA V6是法國達索公司近年來推出的產品，與CATIA V5有較大的差異，該軟件延續了CATIA V5在通用平臺上搭建船舶專業模塊、模型仿真度高、屬性值豐富等優點，并且提供了優秀的產品生命周期管理、協同設計解決方案等技術，逐漸成為一些船舶設計建造單位使用的主流三維設計平臺[1,2]。

在目前的管路三維設計中，軟件的基本設計模塊可以實現系統模型的建模及布置，但所建立的模型主要體現幾何外形特征，只包含少量設計信息，不利于設計信息在三維模型中的集中體現，不利于設計人員對產品信息的管理，不利于系統模型的更新維護。因此，需針對三維管路系統的資源配置、模型定制、模型關聯關系管理等方面展開進一步研究，使三維設計能夠適應國內船舶設計的需求。在目前的研究中，盧永進、宗丹等人概括性的介紹了CATIA V6管路系統三維設計的基礎資源庫配置、輪機建庫關鍵技術等內容[3,4]；許諾、李祥等人基于CATIA V5研究了管路及管路類模型標準庫的設計與實現[5,6]。本文針對基于CATIA V6的船舶管路系統三維設計，進一步研究基礎資源庫配置、模型標準庫創建及模型間的關聯關系在管路系統三維設計中的應用。

1 基礎資源集配置

船舶管路系統可分為輪機工程管路系統及暖通空調工程管路系統兩個大類，CATIA V6中分別由Piping&Tubing模塊及HVAC模塊完成創建，兩類管路系統的基礎資源集配制方法類似，條目內容根據系統專業的要求存在差異，以輪機工程管路系統基礎資源集配置展開研究。

管路系統基礎資源集，如圖1所示，主要以工程規格表的形式存在，由表1中各表組成。其中，管材規格尺寸表（表2）中的Standard、Material、Nominal Size、Rating等構成管路模型的主要屬性內容，并與工程規格表中其他表的內容對應，構成管路規格過濾器內容；部件子類表存儲模型類別；彎管彎模倍數表等構成管路彎曲規則過濾器；管材自動匹配表等構成管路創建自動匹配規則過濾器；管路規格過濾器、管路彎曲規則過濾器及管路創建自動匹配規則過濾器共同實現從模型標準庫中調用選取管路模型。

圖1 基礎資源集配置

表1 工程規格表

表2 管材規格尺寸表

2 模型標準庫建立

模型標準庫可以有效管理各類模型的建模、維護、升版、調用等工作，提高三維設計效率及質量。管路系統模型標準庫主要包括設備模型標準庫、管附件模型標準庫、安裝件模型標準庫、緊固件模型標準庫，其中，設備模型按照統一的模型模板建模并入庫，與管路或管附件連接的設備模型須創建管路連接點；管附件、安裝件、緊固件模型按照相應國家標準、行業標準或企業標準，是成系列、不同規格的同型式模型，采用參數化建模手段進行建模入庫。基于CATIA V6的管附件模型參數化建模的主要流程如圖2所示。

1）按照部件子類表的類型分類，創建相應類型的零件模型；

2）構建三維模型，零件模型中的所有尺寸均須定義及約束；

3）根據管路附件標準規范中的參數信息及系列化尺寸要求，創建零件的設計表；

4）通過用戶自定義參數，將模型中對應的尺寸約束與設計表參數進行關聯；

5）檢驗設計表驅動模型相關參數進行系列化變更的情況；

6）創建管路連接點；

7）將帶參數的零件模型解析形成與設計表各行數據對應的多個零件模型，并添加進產品目錄。

管路附件模型的的主要屬性通過設計表的變量參數化驅動實現，設計表字段屬性命名約定如表3所示，其中Standard、Material、Nominal Size、Rating等屬性構成管附件的主要屬性，與管路的工程規格表關聯，共同構成管附件過濾器內容；Parameters表示長度、角度等值，與模型的尺寸約束等進行關聯，實現模型的設計表參數化驅動。

設備模型的產品目錄按照專業進行分類創建，管附件的產品目錄參照部件子類表進行創建，并根據實際需求在子類下新建節進行擴展。標準庫模型的建模、修改、維護及升版均在模型標準庫合作區中完成，項目合作區的作者進行三維設計時，只能對模型進行調用，不能對模型特征進行修改。

3 模型關聯關系

三維管路系統中模型間的關聯關系，主要分為兩類：參考引用以及裝配約束。參考引用是子級模型對母級模型中參考元素的引用，通過自動或手動將參考的幾何元素帶鏈接地復制到子級模型中，并加以引用；裝配約束是通過兩個模型之間的約束關系實現的工程連接。

圖2 管附件參數化建庫流程

表3 管附件設計表

（表3）續

管路系統中各模型間的連接關系，如圖3所示，可以劃分為：

1）設備模型的裝配約束：設備模型與總體要素或船體結構幾何要素間的裝配約束關系，存在相對位置關系的設備模型間的裝配約束關系，用于定位設備在三維空間中的位置；

2）相連的管路附件之間、設備模型與管路附件間的裝配約束：兩個管附件模型、或設備模型與管路附件模型通過管路連接點連接的裝配約束關系，用于定位管路附件在三維空間的連接關系；

3）設備模型與管路間的關聯關系：設備模型與管路模型通過管路連接點連接的關聯關系，用于定位管路在三維空間中與設備模型的連接關系；

4）管路附件與管路間的關聯關系：管路附件模型與管路模型通過管路連接點連接的關聯關系，用于定位管路在三維空間中與管路附件模型的連接關系；

5）管路與管路間的關聯關系（通過管路連接點連接）：管路模型與管路模型通過管路連接點連接的關聯關系，用于定位管路與管路在三維空間中的連接關系。子級管路模型參考引用母級管路模型中的管路連接點；

圖3 模型關聯關系

6）管路與管路間的關聯關系（以支管形式連接）：管路模型與管路模型通過支管形式連接的關聯關系，用于定位管路與管路在三維空間中的連接關系。子級管路模型參考引用母級管路模型中的管路節點曲線及支管處管段的管路節點。

模型間的關聯關系保存在子級模型中，總是由子級指向母級，母級模型不存儲關聯關系，子級模型不對母級模型有任何修改，通過更新操作，可以實現母級模型更改后子級模型的自動更改。

通過模型間的關聯關系，可以有效掌控船體、設備、管附件等各級模型之間的關系，表達系統的設計情況，促進產品的全生命周期管理。

圖4 管路系統三維設計流程

表4 管子規格屬性示例

4 三維設計優化

通過對基礎資源配置、模型標準庫的應用，可以對管路系統三維設計進行優化，形成如圖4所示的管路系統三維設計流程，依次完成系統設備、管路、管路附件、安裝件、緊固件的設計布放，從而完成三維設計。各類模型均從模型標準庫中調用，通過模型產品目錄或模型過濾器進行選取；管路模型可根據通徑、材料等形成自動匹配，或根據規格過濾器等進行選取；模型間通過參考應用和工程連接，完成布置、定位。

管路系統三維設計過程中，通過產品目錄等對模型進行調用，有效提高了系統設計效率。構建完成的管路系統中，各類模型型式統一，模型間的關聯關系分類明確，管路系統三維設計的標準化、規范化水平得到顯著提升，并且模型屬性值豐富，如表4所示，包含多種設計信息，可為三維管路系統出圖提供有力支撐。

5 結束語

本文以基于CATIA V6的船舶管路系統三維設計為對象，研究了基礎資源配置策略、模型標準庫構建流程、模型關聯關系種類，并針對三個方面在管路系統三維設計中的應用，對管路系統三維設計流程進行優化，優化后的管路系統三維模型標準化程度高、設計信息豐富。研究結果有利于提高管路系統三維設計效率，提高管路系統三維設計的標準化和規范化水平，在工程實踐中取得良好的應用效果。