基于CATIA平臺的三維集裝箱導軌設計

鄔旭東 佟 寅

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

為避免集裝箱在集裝箱船航行過程中出現相互碰撞或撞擊船體結構的問題，集裝箱船載貨艙都配設專門的導軌用以固定集裝箱。對于大型集裝箱船，貨艙內的集裝箱層數一般達到9層以上［1］，因此導軌涉及不同形式的連接肘板數量龐大；同時需要布置導軌的結構艙壁較多，因此導軌布置隨結構變化而形式復雜。

在傳統的二維導軌設計中，會有因構件種類繁多而導致設計繁瑣、重量統計困難以及后期修改工作量大等問題。本文提出一種基于CATIA平臺的三維集裝箱導軌設計方法，利用CATIA中的知識工程、參數化設計、統一裝配等功能，不僅使整體設計更直觀，也有效提升設計人員的工作效率以及設計的精準度。

1 三維導軌設計的框架

集裝箱船中的每個貨艙艙壁上橫向分布著等間距的多條集裝箱導軌。導軌主體采用統一材質的角鋼，導軌與船體之間一般通過與甲板齊平的支撐構件進行連接，在此支撐構件間設置加強構件進行導軌結構加強。集裝箱導軌上的構件可用幾種類型的構件進行分類，這樣就為構件的模塊化，零件的統一裝配提供了三維設計框架。

將導軌上的所有構件通過功能特性進行劃分，劃分完的構件形成不同的模塊。模塊再根據構件的幾何約束劃分為不同參數化的零件。于是，集裝箱導軌的設計過程進而轉化為不同參數化零件的統一裝配。這種參數化零件的裝配過程實質上是一種自頂向下的設計理念，如圖1所示。在這種設計理念中，零件的設計將遵循設計框架的主線，零件將自動繼承上一層的裝配關系［2］。由于零件模型之間相互獨立且互相聯系，因此能夠實現關聯設計過程中的產品設計信息共享、繼承和傳遞。［3］在后期零件的調整與再裝配過程中，系統能夠自動對裝配關系進行維護，從而確保系統的完整性。

圖1 自頂向下的裝配流程

在集裝箱導軌的設計中以一道橫艙壁上的導軌為總體裝配對象，首先根據結構特征分為導軌主體角鋼以及導軌構件。以導軌主體為基礎骨架，在上面構造導軌構件的定位方案，將以參數為驅動的不同功能特征的導軌零件統一裝配。導軌主體角鋼與參數化零件通過這種裝配關系形成一個總體，在后期修改單個零件的參數時，整個總體裝配對象可以進行自動更新，保證系統完整性。

根據導軌構件在導軌主體上不同功能特性與空間約束，將導軌構件主要分為導軌頂部構件，導軌底部構件以及導軌中部構件。

導軌頂部構件為導軌主體最頂部與船體結構連接的構件，功能為保證集裝箱正確進入貨艙內，根據集裝箱進入貨艙的形式進行參數化劃分。

導軌底部構件為導軌主體最底部與船體結構連接的構件，其功能為避免集裝箱在貨艙底滑箱，根據船體結構在船底的不同形式進行參數化劃分。

除去導軌頂部構件和導軌底部構件，剩下的構件稱為導軌中部構件，功能為保證導軌主體的強度與剛度，根據導軌主體的加強方式進行參數化劃分。

導軌頂部構件、導軌底部構件與導軌中部構件各個構件模塊再使用知識工程統一裝配到導軌主體上，保證了導軌的功能性得以滿足，設計框架如圖2所示。

圖2 集裝箱導軌三維設計框架

2 基于CATIA平臺的導軌設計

2.1 CATIA導軌設計實例

CATIA是法國達索公司開發的三維數字化設計軟件，具有建模、裝配和工程出圖等基本功能，還可以對建立的模型進行運動學、動力學仿真和有限元分析等操作［4］。使用CATIA對集裝箱導軌進行三維設計能夠加快產品的設計效率，節約設計成本。本文以某型14 000 TEU集裝箱船的導軌設計為例，介紹基于CATIA平臺導軌三維設計方法。

2.2 知識驅動導軌設計

借助已有的二維導軌設計經驗和知識，如幾何約束、表達關系式和圖面表達方法等內容，在CATIA中構造一個導軌三維設計的知識工程庫，其核心內容是將設計標準、規范經驗等特征信息建成知識庫嵌入到設計系統中，核心在于知識的推理與重用［5］。集裝箱導軌形式復雜，涉及零件繁多，因此，設計一個全新的導軌系統費時費力，使用三維導軌知識工程庫讓設計人員能夠重用之前的設計經驗與知識，通過對參數的選擇、主體框架的局部修改等，達到加快設計效率的目的。

導軌三維設計首先創建包含了由設計經驗、設計規范和尺寸信息等組成的知識工程，如導軌加強構件與導軌主體間需要預留的焊接余量，零件幾何中心的定位選取，零件與船體結構連接時的焊接形式，在2根角鋼間布置連接構件以增強導軌本體的強度和剛度［1］等內容。通過構建內嵌知識工程的零件庫，以及符合知識工程的零件裝配關系，實現零件幾何的自動更新與空間約束關系的自動生效。

采用知識工程的導軌三維設計可以總結為建立知識導向的參數化零件庫，并通過知識工程保證零件裝配的關聯性。通過參數約束零件的幾何特性來將導軌零件模型與設計知識相結合，將需要表達的知識工程內容通過基于CATIA平臺的編程語言來實現零件模型與裝配方案的關聯性。

2.3 導軌零件的參數化設計

在集裝箱導軌總體裝配的基礎是不同參數的零件，因此三維導軌設計的首要步驟是建立參數化零件庫。導軌零件的參數化設計是對零件進行結構性分析，將零件的幾何約束與尺寸約束等信息通過參數公式相互關聯［6］，通過修改零件的參數自動完成零件的建模，減少設計人員的重復勞動。

基于知識驅動導軌的零件庫建立，按不同標準對導軌零件進行分類。導軌頂部構件模塊通過修改支撐塊的高度參數保證集裝箱能正確進入貨艙（圖3），分為3種零件；導軌底部構件模塊通過修改肘板與艙壁的關聯參數保證底部零件與船體結構間的連接關系（圖4），分為5種零件；導軌中部構件模塊通過調整墊板、加強筋板等的規格參數決定零件對導軌主體的加強方式（圖5），分為7種零件。導軌零件庫參見表1。

圖3 頂部零件的輸入參數

圖4 底部零件的輸入參數

圖5 中部零件的輸入參數

表1 導軌零件庫

通過自頂向下的理念對不同模塊的零件參數化建模，將同一模塊的參數化規則輸入知識工程模板，使用CATIA中重復調用知識工程的功能，確保同一模塊下的零件采用統一的規則參數化，保證了模塊中零件建模流程的一致性，提升了建立參數化零件庫的效率，體現了知識驅動導軌零件設計的思想。

2.4 知識工程建立導軌的關聯

在零件的裝配設計過程中，使用不同裝配方式知識驅動的工程模板，構建子裝配對象與總體間的關聯。在這種統一裝配的框架下，不同工程模板裝配的零件將繼承構建工程模板的工藝設計知識，這樣零件與裝配知識相互融合，裝配知識通過三維模型更直觀地體現出來。

首先構建導軌主體角鋼的定位信息，導軌主體依據這集裝箱排列的規整性為等間距排列的L150×150角鋼，除了最靠舷側的部分只有一根角鋼，其余的部分均有兩根，長度根據結構來決定。

14 000 TEU每一道艙壁上有近700個構件，每個零件需要在整體坐標系上建立單獨的局部坐標系進行裝配，單獨對每個零件建立坐標工作量巨大。因此在設計導軌構件與導軌主體間的關聯時可以使用知識工程加入設計規則，實現構件與導軌主體的自動化關聯，以減少人為的設計失誤。

導軌頂部構件為了保證集裝箱能順利進入貨艙內，因此相鄰的2個零件的支撐塊的高度需不同，即一高一低地排列。在決定了貨艙正中間的導軌頂部構件的形式TG1型零件以及最靠舷側的導軌頂部構件TG3型零件的位置之后，便可得出所有導軌頂部構件的排列。在這條裝配知識的驅動下，構建導軌頂部構件裝配的知識工程，如圖6所示。輸入條件為最靠舷邊的頂部構件位置（綠色坐標）以及中間頂部構件的形式（最右邊橙色坐標），輸出的內容為其余的坐標。再使用CATIA的ASSEMBLY PATTERN功能對頂部構件進行統一裝配。

導軌底部構件則根據橫艙壁上導軌角鋼底部處的結構形式進行布置（圖7）。對于形式單一的貨艙底部可以等間距的方式設置知識工程布置坐標。但對于形式復雜的貨艙底部則需要手動布置坐標。

導軌中部構件根據結構橫艙壁上加強骨材的布置形式進行相對應的布置。如圖8所示，以一條主體角鋼上的導軌中部構件為例，A型零件（橙色坐標），C型零件（洋紅色坐標），B型零件（綠色坐標）依次依托橫艙壁上的加強筋進行布置。因此可以根據加強筋的排列方式得出導軌中部構件的定位，又因為加強筋為等間距的排列方式，從而在知識工程中輸入首根加強筋的定位以及間距的長度，便可以根據A型零件、C型零件、B型零件的排列順序依次生成橙色坐標，洋紅色坐標與綠色坐標并使用CATIA的ASSEMBLY PATTERN功能。對于最靠舷側的導軌角鋼上的導軌中部構件，則根據舷側的橫艙壁加強筋的定位進行坐標生成（墨綠色坐標），再裝配D型零件。

圖 6 導軌頂部構件裝配形式

圖7 導軌底部構件裝配形式

圖8 導軌中部構件裝配形式

2.5 設計流程

根據集裝箱導軌的特點，集裝箱導軌的設計流程如圖9所示。

圖9 集裝箱導軌三維設計流程圖

首先根據船體結構與集裝箱尺寸決定導軌主體角鋼的形式與布置，作為設計的基礎；其次根據設計知識驅動，構建自頂向下的設計框架；再將導軌上的零件分為3類模塊，分別進行參數化建模；然后根據不同模塊中零件的裝配規則構建不同的知識工程模板生成每個零件需要的裝配坐標；最后使用CATIA的統一裝配功能進行模型系統化的構造，并進行二維出圖。最終結果如圖10所示。

圖 10 集裝箱導軌三維建模與二維出圖

3 結 語

本文以14 000 TEU集裝箱船的集裝箱導軌設計為例，提出了一種基于CATIA平臺的三維集裝箱導軌設計方法。通過知識工程的運用、模塊化設計、參數化建模和統一裝配等方法，實現了高效的集裝箱導軌三維設計。

運用自頂向下的模塊化設計思路，將繁瑣的建模任務進行分類，以知識為導向驅動導軌系統設計；通過參數化零件庫進行裝配，以參數主導零件的形式，避免了重復建模工作，后期修改可以實現實時更新；通過知識工程模板對零件進行統一裝配，使零件的數量以及重量統計更加便捷，提高了設計效率。這種設計方法提升集裝箱導軌設計中的智能化和自動化程度，提升設計人員的工作效率，提升了企業的三維設計知識的積累。