船舶電氣系統三維協同設計方法

萬江龍，潘瓊文，徐紀偉，鄭恒持，朱 忠

船舶電氣系統三維協同設計方法

萬江龍1 2，潘瓊文1 2，徐紀偉1 2，鄭恒持1 2，朱 忠1 2

（1. 中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082；2. 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇無錫 214082）

分析了傳統電氣系統三維設計與CATIA 3DE三維協同設計的區別，介紹了采用CATIA 3DE平臺進行電氣系統建模的工作流程，提出了電纜托架、水密接插件等電氣舾裝件的結構化命名方式，研究了大型工程項目電氣系統三維協同設計方法，并通過實例建模的方式驗證了該方法的快速性及高效性。

CATIA 3DE 電氣庫 電纜通道 電氣系統 三維協同

0 引言

為適應工業信息化技術的發展，提高船舶及潛水器項目設計效率，我國船舶行業引入法國達索公司的3D EXPERIENCE三維協同設計平臺，以期實現未來船舶設計工作數字化、協同化、信息化，從而進一步高效、高品質的完成設計工作[1]。對于傳統的依托于Catia V5平臺的電氣系統三維設計工作，當進行新產品開發時，由于沒有母型參考，系統方案需要不斷進行修改、更新，完成一型產品電氣系統的三維設計需要耗時數月以上，同時很多設計經驗無法分享、積累。總結起來，當前電氣系統三維設計工作主要存在以下不足：1）設計周期較長，電氣系統必須等到總體、結構以及各系統完成設計工作后，才能開始設計；2）重復工作量大且效率較低，很多標準的水密接插件、電纜貫穿件被不同的設計工作者重復建模，難以做到型式上的統一且耗時耗力[2]；3）缺乏統一配置，配置電氣設備間電纜時，由于人為操作的不可控性會導致參數輸入錯誤，從而導致系統設計缺陷；4）相關耗材估算誤差較大。傳統的三維建模并不敷設電纜，電纜型號及長度等參數需要估算，但估算精度較低，從而造成耗材的浪費；5）系統間干涉檢查效率低。

為解決上述電氣系統設計方面存在的問題，規范設計過程，提高設計效率，可采用CATIA 3DE搭建三維協同設計平臺，通過建立統一的電氣設備庫、水密接插件庫、電纜庫等，提高電氣系統的建模效率，同時為以后的設計工作積累經驗，通過電氣報表可以精確地統計各種耗材的使用量，便于工廠的下料加工。同時能夠形成一個通用的規范性文件，為在該平臺進行其它設計工作提供借鑒。CATIA 3DE平臺電氣系統建模流程見圖1。

1 電氣設備及電氣庫的創建

圖1 CATIA 3DE平臺電氣系統建模流程

據統計，一條大型船舶或是潛水器具有大量的標準件，其中電氣標準件又占了較大的一部分。隨著船舶及潛水器的大型化、智能化，結構件及設備的規格增大，但是數量增加不多，而電氣元件的數量卻大大增加[3]。如此大量的電氣元件，不但在設計上存在困難，在管理上也十分困難，這就需要建立零件庫來方便調用，不需設計者費時地去逐個設計，從而提高設計者工作效率[4]。

1.1 電氣設備的命名及創建

電氣設備及電氣設備庫的命名依據CB/T 13-2007 《船舶產品通用圖樣和技術文件編號》進行編號，對于部分標準中沒有涉及的設備可根據需要編制相同規則的編號。創建的電氣設備應體現安裝點、安裝面、安裝坐標系、重心、電氣接口、管路接口及維修空間等信息，其中電氣元件的電氣連接點定義原則如圖2所示。

圖2 電氣元件電氣連接點定義原則

1.2 電氣庫的命名及創建

為便于對電氣舾裝件庫中模型的識別管理、搜索調用及布置使用，對電氣舾裝件庫的總節點Catalog及下屬各級Chapter的編碼準則進行約定：

1）電氣舾裝件庫總節點（Catalog）

第一級為Catalog，命名要求統一約定為：“Electrical outfitting_電氣舾裝件庫”。

2）二級大功能分類

第二級為Chapter，命名要求統一約定為：“分類英文_大分類中文名稱”。例如Cable Trays_電纜托架、Cable Transits_電纜貫穿件、Cable Connector_水密接插件、conductor_電纜等。

3）三級小功能分類

第三級為Chapter，命名要求統一約定為：“小分類編碼_小分類中文名稱”。例如電纜托架的分類如表1所示。

表1 電纜托架小分類（章節Cable Trays）

4）四級小功能分類

第四級為Chapter，命名要求統一約定為：“小分類編碼_小分類中文名稱”。

具體電氣舾裝件模型存放至第四級Chapter章節下，各類電氣舾裝件命名方式定義如下：

①電纜固定件命名

電纜固定件用于船舶上安裝固定電纜，當前船廠對電纜固定件的命名方式如圖3所示。

圖3 電纜固定件命名要求

②水密接插件命名

水密連接器被廣泛應用于潛艇、海洋工程和水下科研領域，用于電力傳輸、水下攝像和照明、ROV、潛水器等，根據水密連接器的選型原則定義水密連接器的命名方式如圖4所示。

圖4 水密連接器命名要求

③電纜命名

根據傳輸信號的種類和頻率、電平、電纜線芯之間及各類電纜之間的電磁兼容性要求，選擇電纜的型號和規格。根據項目需求，本項目的電纜的命名如圖5所示。

圖5 電纜命名要求

電纜系列代號：船用電力電纜C、船用通信電纜CH、數據電纜CAT；

絕緣代號：乙丙橡膠絕緣E、交聯聚乙烯絕緣H、聚氯乙烯絕緣V、聚乙烯絕緣Y；

護套代號：氯丁護套、氯磺化聚乙烯護套H、聚氯乙烯護套V、交聯聚烯烴護套PJ、聚烯烴護套PF；

屏蔽代號：銅絲或鍍錫銅絲編織屏蔽或鋁塑符合箔屏蔽P；

鎧裝代號：鍍錫銅絲編制鎧裝8、鍍鋅鋼絲編制鎧裝9；

燃燒特性代號：單根燃燒D、成束燃料S、耐火（單根燃燒）N、有煙有酸有毒A、低煙有鹵低毒C。

④電纜通道預定義格式

電纜通道的尺寸需預先定義，這樣在繪制電纜通道時可直接進行尺寸的選擇。按以下表格輸入電纜通道的各項參數，見表2。

2 電氣系統三維物理模型的創建

電氣系統三維物理模型的創建方法有兩種。一種是通過電氣二維邏輯原理圖到三維設備的映射。另一種是直接進行三維設備的布放、電纜通道的創建、電纜路徑的規劃等。對于第一種方法，電氣系統設計過程中需要進行二維電氣原理圖的繪制，電氣設備布放到三維空間時，需要延續電氣二維邏輯原理圖中的電氣邏輯關系。因此，電氣設備二維及三維設備模型的創建過程中需要建立映射關系，從而便于實現電氣邏輯原理圖到三維物理的映射。由于當前實際工程中電氣原理圖一般通過EPLAN等專業的電氣軟件進行繪制，因此通常采用第二種方法進行電氣系統三維物理模型的創建。三維模型創建方法又分為以下幾步：

1）創建電氣專業結構樹。根據項目具體情況結構樹可以按系統劃分亦可按專業劃分，本項目電纜通道裝配樹命名示例見表3；

表2 電纜通道預定義格式

表3 電氣節點結構樹組織及命名

2）調用設備庫中電氣設備及舾裝件。根據二維圖紙中設備坐標將相應的電氣設備布放至三維空間中；

3）創建電纜通道。根據設備布放情況確定電纜通道的布放及分支電纜通道的創建；

4）電纜通道與設備的邏輯連接。將設備與接近的電纜端點連接便于后期進行路徑規劃；

5）創建設備與設備的邏輯電纜。創建邏輯電纜用于連接電氣設備；

6）路徑規劃。在保證填充率及系統最優的情況下規劃電纜的路徑；

7）調用庫中電纜映射邏輯電纜。將邏輯電纜與庫中的實際電纜進行映射，從而便于電纜用量的統計、下料。

3 大型工程項目電氣系統三維協同設計

對于大型工程項目電氣系統三維協同設計主要需要考慮兩個問題：1）如何快速高效的完成三維協同設計；2）如何根據空間尺度要求選擇電纜建模方法。

為了快速高效的完成大型工程項目三維協同設計首先需要對三維協同設計團隊進行任務分工，其中電氣專業技術人員主要負責電氣專業建模及建庫約定的編寫、電氣舾裝件庫的建設及維護、主干電纜通道的創建、主干電纜的路徑規劃。其他各系統技術人員主要負責本系統的分支電纜通道的創建、分支電纜的路徑規劃。在其他系統進行設備建模、設備布放的過程中，電氣專業可先對電氣舾裝件庫進行建設及維護，從而提高后期的建模效率。

根據實際工程項目經驗，提出了兩種電氣系統建模方法：

1）通過電纜通道來展示電纜的走向，使用路徑規劃來表示電纜的走向，采用conductor替代conductor group。該方式的優點是效率較高，當設備位置發生變化時可以較快的修改規劃路徑。該方式的缺點是無法體現電纜的實際排布方式。

2）每一根電纜均通過一個實際的電纜通道來展示，每一跟電纜均通過conductor group來體現具體芯數并進行電氣連接。該方式的優點是較為真實的電纜的實際排布方式，但是工作較為繁瑣、修改較為復雜。

對于大型工程項目電氣系統三維建模又分水面產品和水下產品：1）水面產品空間較大、設備較大、電纜敷設量較大，因此適合采用第一種建模方法。2）水下產品空間緊張、設備數量相對較少、電纜敷設量相對有限，因此適合采用第二種建模方法。采用該方法完成的電氣專業三維協同設計建模實例如圖6所示，比傳統三維設計方法速度提高一倍，建模效果更好。

圖6 電氣專業三維協同設計實例

最后，可根據實際需要創建電氣報表模板用于生成電氣報告，電氣報表可統計電纜通道填充率、每種規格電纜的長度、電氣設備數量等信息，從而便于設備及材料的采購、重量重心的統計等[5]。

4 結論

通過上述電氣設備、電氣舾裝件庫及電氣系統三維建模方法，可較大提高大型工程項目電氣系統三維協同設計的效率、減少重復建模工作，同時當系統需求發生變化時亦可快速進行設計方案的變更。同時在建模過程中也發現電纜彎曲半徑容易報錯、電纜通道形狀較為單一等問題，針對這些問題下一步可進行二次開發由系統計算彎曲半徑推薦范圍、自定義電纜通道形狀，這也是后續研究的一個方向。

[1] 盧永進, 吳盛, 汪敏等. 基于CATIA V6的船舶電氣設計研究[J]. 船電技術, 2016, 36(9): 34-36．

[2] 杜寶江, 丁咸海, 朱晨旗等. 基于CATIA電氣元件庫的設計與實現[J]. 制造業自動化,2013,19: 131-134．

[3] 李原, 彭培林, 邵毅等. 基于CATIA的標準件庫設計與實現[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報, 2005, 17: 1873-1877．

[4] 彭春雷, 吳雪飛. 基于CATIA零件庫的建立[J]. 機械研究與應用, 2006, 19: 118-119．

[5] 馬凌莉. 基于CATIA的飛機電氣線路布線設計[D]. 西安: 西安交通大學, 2017.

3D Collaborative Design Method for Marine Electrical System

Wan Jianglong1 2, Pan Qiongwen1 2, Xu Jiwei1 2, Zheng Hengchi1 2, Zhu Zhong1 2

(1 China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, Jiangsu, China; 2 State Key Laboratory of Deep-sea Manned Vehicles, Wuxi 214082, Jiangsu, China)

U662.9

A

1003-4862（2019）10-0018-04

2019-03-07

江蘇海洋裝備創新公共服務平臺（項目編號SF2015-20）

萬江龍(1990-)，男，工程師。研究方向：船舶電氣系統。E-mail：1182639224@qq.com