CATIA V6下的船舶管路系統三維設計

吳玨斐

(中國艦船研究設計中心,湖北武漢 430064)

0 引言

隨著船舶設計理念及計算機技術的不斷發展創新,三維設計在船舶行業中得到不斷推廣,并廣泛應用于船體、系統、設備的研發、設計及制造等環節。船舶管路系統作為船舶設計的重要組成部分,在歷經手繪制圖、計算機二維制圖到三維設計的逐步創新后,三維設計在建模、計算等環節占據的比重不斷提升,成為船舶行業發展的一大趨勢。船舶管路系統三維設計,主要指的是借助數字化方式建立虛擬三維管路系統模型,模型可實現對管路系統設計特征、布置情況等的全面呈現,并為生產施工提供有力依據。因為船舶管路系統十分繁雜,布置普及船舶整體,加之管路及附件不論是其規格還是數量都十分繁多,這使得船舶產品三維設計質量、深度受管路系統三維設計完成情況很大程度影響[1]。現階段,船舶行業在三維設計方面應用的軟件包括有FORAN、TRIBON、CATIA等軟件。歷經多年的探索實踐,由法國達索公司研發推出的CATIA V6儼然成為現階段我國船舶行業的三維設計核心工具。作為CAD/CAM/CAE通用軟件平臺,CATIA V6融合了面向受眾的設計思想及一系列先進計算機技術、軟件工程技術及相關規范標準。基于組件的開放式體系架構建立,使CATIA V6結構合理、分明,不同專業模塊之間相互配合,可實現可靠的應用擴展能力,相關人員可結合自身實際需求科學定制設計方案。因而,本文將對CATIA V6下的船舶管路系統三維設計進行研究分析。

1 計算機技術在我國船舶管路系統設計中應用的發展歷程

計算機技術在船舶管路系統設計中的應用,早在1976年廣州造船廠便已展開了DJS-21計算機的研發應用,并推出了船舶管路系統設計GCS系統。隨著我國改革開放事業的不斷深入,我國船舶制造行業實現了飛速發展,如今我國已然成為全球第一造船大國。隨著我國生產力及船舶配套工業的不斷發展,各式各樣新技術、新材料得到不斷推廣,船舶生產效率不斷提升,其中計算機技術已成為現代造船必不可少的一大手段。二十世紀70年代末到90年代初,計算機技術在船舶管路系統設計中的應用,主要以上海船舶工研究所開發的PCPS管路設計系統及廣州造船開發的GCS管路設計系統為主,基于DOS環境,這些軟件盡管可實現較為突出的系統功能,但運行效率偏低,加之是單用戶操作,使得那一時期的生產設計主要的綜合布置方式仍停留在手工薄膜放樣或者基于AutoCAD環境的放樣[2]。自20世紀90年代中期以來,隨著計算機軟硬件技術的不斷發展,加之造船發展的日益迫切,使得對功能更為強大的計算機軟件提出了更為強烈的需求。在該階段,我國在研發、設計、制造等方面計算機技術的應用水平相較于造船業發達的國家均存在不小的差距。針對這一情況,我國一些規模較大的造船企業不斷引進先進的計算機設計軟件,諸如英國劍維軟件公司的TRIBON系統、美國參數技術公司的CADDS5系統、法國達索公司的CATIA系統等,在船舶設計中發揮了至關重要的作用。這些設計軟件具備突出的圖形處理功能,但因為它們是由歐美國家研發,使得其設計、生產管理模式并不完全適用于我國實際,同時在出圖、資源配置等方面也與造船需求存在不相符情況。因而,各大造船企業不斷對引進的設計軟件開展二次開發,并結合自身軟件推進綜合應用。近年來,我國一些大型造船企業為打破引進設計軟件不足及壟斷的局面,基于CIMS系統研發推出了掌握有自主版權的造船CAD/CAM軟件,并在船舶設計生產實踐中得到不斷推廣,由此很大程度上提升了企業的食材競爭力。

2 船舶管路系統設計原則

鑒于船舶管路系統在船舶運行中所扮演著的重要角色,因而在船舶管路系統設計中,應秉承以下幾方面原則：(1)性能要求。因為船舶工作環境十分特殊,加之船舶屬于立體交叉運行,內外部因素對船舶管路性能提出了十分嚴格的要求。管路系統中管子的質量、機械強度、耐腐蝕性、耐熱性等性能應切實符合使用要求。與此同時,管路系統中管子的大小、尺寸等要滿足船舶運行需要。另外,管路系統還應具備應對因外部環境造成的振動與撞擊的能力。(2)工藝要求。船舶管路系統的管子在滿足各項性能要求的基礎上,還應滿足彎曲、焊接、維護等工藝要求。管子應豎直橫平,固定可靠,管子之間、管子與其他結構之間應設置間隙,要求隔熱的管子所設置的距離要妥當,以滿足溫度要求。管子焊接要符合工藝要求,保證美觀、標準化,切忌出現焊疤、氣孔等問題。支架材料應符合工藝要求,盡可能少用單聯支架,支架不可焊接于電纜托架上。因為管內冷熱介質、外部溫度等因素會影響管子運行,所以管路設計時要考慮熱脹冷縮,在布置管路過程中應設置可便于管路自由伸縮的結構。最后,管路系統設計要注重為后期維修養護提供便利。

3 CATIA V6下的船舶管路系統三維設計實踐

3.1 資源庫配置

在開始管路系統三維建模前,應開展資源庫配置。作為資源庫配置的重要基礎,工程技術表主要由標準體系表、材料種類表、壓力等級表、管材外徑表、公稱痛徑表、三維部件子類表、管材規格尺寸表、管材壁厚表等相關資源表組成。這一系列資源表一方面可為接下來的管附件建設提供數據支持,另一方面還對管附件配備相關屬性。因而,在創建過程中必須要切實保證數據的全面性、準確性。在工程技術表數據支持下,依托參數化模型與設計表關聯,逐步建立管材、閥件模型并傳輸進標準件庫。結合實際管路系統,建立規格過濾器,提取符合設計要求的管材、附件[3]。與此同時,設置相關系統的規格書,在其中嵌入工程技術表、規格過濾器,接著將各工程技術表、規格書以及管材和附件標準件庫與資源集建立關聯,進一步綁定至具體設計項目,基于CATIA V6的三維管路設計流程,如圖1所示。在資源庫配置過程中,相關人員應基于對船舶管路系統及相關規范要求的有效明確,進而結合設計要求開展對應的配置工作。

圖1 基于CATIA V6的三維管路設計流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of 3D pipeline design process based on CATIA V6

3.2 模型標準庫建立

模型標準庫可實現對相關模型建模、調用、維護等工作的有效管理,進而達到提升三維設計質量、效率的目的。船舶管路系統模型標準庫主要由設備模型標準庫、安裝件模型標準庫、管附件標準庫等組成,在這些模型標準庫建立過程中,設備模型標準庫依據統一的模型標準進行建立,同時與管路或者管附件相連的設備模型應設置管路連接點；安裝件、管附件等模型標準庫依據相關標準,通過參數化建模方式進行建立。首先,依據部件子類表類型開展分類,并建立不同類型的零件模型；其次,建立三維模型,并開展好零件模型中各尺寸的定義、約束工作；接著,結合管路附件規范標準中的相關要求,建立零件設計表；再次,依托用戶自定義參數,將模型中相關尺寸約束與設計表參數建立關聯；然后,檢測設計表驅動模型對應參數開展系列化變更的情況；再后,設置管路連接點；最后,將附有參數的零件模型解析成與設計表各項數據相關的一系列零件模型,并傳輸進產品目錄[4]。

3.3 模型關聯關系

對于三維管路系統中不同模型之間的關聯關系而言,主要可分為參考引用、裝配約束兩方面。其中,參考引用指的是子級模型對母級模型中元素的參考引用,依托手動或者自動的方式將參考的元素帶鏈接地復制進子級模型中,進一步進行引用。裝配約束指的是依托兩個模型相互間的約束關系以達成的工程連接。對于三維管路系統中不同模型之間的關聯關系而言,主要表現為：一是設備模型的裝配約束。設備模型與總體要素或者船舶結構結合要素相互間的裝配約束關系,具有相對位置關系的設備模型相互間的裝配約束關系,以此定位設備在三維管路系統中所處的部位。二是相連接管路附件相互間、設備模型與管路附件相互間的裝配約束。管路附件與管路附件、設備模型與管路附件依托管路連接點關聯的裝配約束關系,以此定位管路附件在三維管路系統中的關聯關系。三是設備模型與管路模型相互間的關聯關系。設備模型與管路模型依托管路連接點關聯的關系,以此定位管路模型在三維管路系統中與設備模型的關聯關系。

3.4 管路布置

基于建立的模型標準庫,可通過Catalog Browser對庫中的標準件予以全面瀏覽。在三維管路布置過程中,首先應結合項目實際調整資源管理文件確保其指向正確的庫,然后在對應模塊下明確光線三維布置,接著選取這一管路的功能類,在模型標準庫中找到與管路屬性相符的管路開展布置,如圖2所示[5]。該種依據已有模型標準庫自動布置的方式與設計人員使用習慣相符,設計人員可便捷地建立與實際需求相符的標準庫,提升設計質量、效率。

圖2 管路布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of pipeline layout

4 結語

總而言之,CATIA V6作為一款性能強大的設計軟件,在船舶管路系統三維設計中擁有其他一系列軟件所難以比擬的優勢。本次研究得出,基于CATIA V6的船舶管路系統三維設計,可有效提升船舶管路系統三維設計的規范化、標準化水平,為船舶生產制造提供有效幫助。