基于CATIA知識工程的桅檣信號設備三維設計方法

佟 寅 孔小兵 王文麗 鄔旭東

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011 ；2.中船國際貿易有限公司 上海200082）

0 引 言

為了避免碰撞，所有的海上船舶都配備各種信號設備，顯示船舶所處狀態，提醒附近航行的船舶注意。船舶桅檣信號設備是安裝航行、通訊及信號的裝置，主要有雷達桅、信號桅（前桅和后桅）、燈架、各種燈桿及首尾旗桿等。由于桅檣信號設備涉及部件較多，平臺構型復雜、設計繁瑣，且空間構型多，傳統二維圖紙表達不便，構件的精確尺寸也經常需要進行放樣才能確定。因此，像雷達桅這類空間構型復雜的設備適宜采用三維設計，這樣不但可提高設計效率及準確度，且設計審核也更加直觀。

CATIA作為三維設計平臺，在船舶領域已廣泛應用，既有在船體、結構或海洋平臺上的應用，也有子系統（如錨系統、舵系統）的應用。但目前尚無以知識工程為基礎構建產品零件庫，進行桅檣信號設備三維設計的實際應用。因此，有必要針對桅檣信號設備的設計問題，提出一種快速、便捷、高效的桅檣信號設備三維設計方法。

1 桅檣信號設備的設計組織框架

由于船舶是定制性很強的產品，幾乎很少有完全相同的桅檣信號系統，設備布置和形式各有不同。但單就桅檣信號設備的形式而言，各個桅檣信號設備可簡化為有限的幾種形式。因此，可以根據桅檣信號設備的結構特點，將其按功能及結構拆分為若干零部件，進而將整個桅檣信號設備設計過程轉化為從零件庫中調用參數化零部件及裝配設計，裝配設計與零件庫為兩個相互依存的核心。

桅檣信號設備的設計工作自上而下逐層進行，利用層級式設計結構，零部件在裝配關系的約束下有序構成一個設備整體。在后續設計調整時，層級式設計結構可對裝配關系進行自動維護調整，進而保證設備整體一致性。

在本設計方法中，桅檣信號設備的設計組織框架如圖1所示。

圖1 桅檣信號設備設計組織框架

2 基于CATIA知識工程的零件庫

由于在設計中大量使用了標準件及專用定制件，因此，在設計之初需要建立包含標準件及專用定制件的零件庫，以便在設計時進行調用。

2.1 零件庫構成

零件庫分為標準件庫及專用定制件庫兩類。標準件庫主要以標準產品零件為主，即信號燈、雷達、通訊導航設備、聲響設備和號型設備等，專用定制件庫主要以設計布置的環境條件為輸入的定制件為主，即欄桿、基座、踏步、直梯、非結構平臺和加強肘板等，此類零件設計上需遵循設計要求和規范，不同的桅檣信號設備中裝配的零件規格各有差別，屬于高度定制化零件。基于CATIA平臺的零件庫主要利用知識工程重用模型的能力，通過EKL進行二次開發，將設計規范、設計要求和產品工藝信息等知識融入零件庫，設計人員在設計過程中可直接調用零件庫，零件庫根據設計環境及要求直接生成符合要求的零部件。

具體的標準庫及專用定制件庫明細見下頁表1。

表1 零件庫示例

2.2 專用定制件庫設計

基于知識工程的零件庫主要體現在專用定制件庫設計上，設計人員將設計知識，如行業標準、設計經驗、裝配關系和材料屬性等進行表達，并通過參數、關系和公式等對模型進行控制，并封裝集成，形成模版零件。現以雷達基座為例，說明零件庫設計及實例化原理。

首先，構建參數化雷達基座，主要參數有雷達基座高度、基座管規格和肘板規格。根據計算及已有設計經驗，設計不同高度的典型雷達基座形式。圖2為3種不同高度的雷達基座設計，分別采用不同的基座管規格和肘板規格，以此規則構建參數化零件模型。設計時，只要給定雷達基座的裝配位置及基座高度，就可以利用知識工程直接進行零部件實例化，生成滿足設計要求的參數化零部件，完成一個典型的雷達基座設計。相應的零件庫設計流程如圖3所示。

圖2 不同高度的雷達基座設計

圖3 基于知識工程的雷達基座零件庫設計流程

2.3 標準件庫設計

標準件庫的設計要求涵蓋主流廠家的標準品零件，標準件種類齊全，設計接口清晰完整，空間尺寸準確即可，不必要求與產品完全一致。

3 桅檣信號設備設計流程

根據桅檣信號設備的設計組織框架，參考常規桅檣信號設備的設計流程，重新設計了桅檣信號設備設計流程，如下頁圖4所示。

圖4 桅檣信號設備設計流程圖

首先，根據船型特征及系統要求選擇設備基本形式，如單層平臺D型桅、雙層平臺D型桅、單層門字桅、3層平臺桁架桅或無平臺桁架桅等基本形式，使用工程模板生成基本骨架結構，并根據系統設計要求，調整主尺寸，以此作為整個設計的基本框架。

其次，根據設計要求，通過零件庫調用相應的零件、將各個零件依次添加至主框架上，如添加雷達零件、信號燈零件等部件，并根據具體布置情況添加結構零件，從而完成整個桅檣信號設備設計。

在后續設計調整中，僅需通過調整零部件的裝配關系，修改零件參數等方法修改設計，從而快速完成設計方案修改，無需進行全部零件的設計修改。

4 設計實例

以某型船的雙層D型雷達桅設計為例，介紹基于CATIA知識工程的桅檣信號設備模三維設計方法。

根據桅檣信號設備的設計需求，首先選擇雷達桅基本骨架形式，從零件庫中調用參數化的骨架模型，根據設計的需求調整參數，如桅體平臺高度、平臺主要尺寸和桅體基平面尺寸等信息，生成骨架模型（見圖5）。

圖5 參數化的骨架模型

其次，根據骨架模型進行裝配設計，對標準件及專用定制件進行定位，并進行根據布置環境調用零件庫，進行零件實例化，進而完成整個設計。以平臺欄桿為例對零件庫的整個調用過程進行說明。

根據設計意圖，確定欄桿甲板及輪廓線（見圖6）；選擇欄桿零件環境變量及設計參數，完成零件實例化，生成符合要求的欄桿（見下頁圖7）。當設計需要修改時，如修改平臺輪廓，欄桿將根據平臺修改情況自動更新欄桿設計（見圖8）。這樣，在設計中僅需修改骨架參數及裝配關系，其余零件就可以根據裝配關系自動進行更新，可有效減小設計修改的工作量。

圖6 欄桿甲板及輪廓線

圖7 甲板欄桿

圖8 修改平臺輪廓后自動更新的欄桿

隨后，反復調用零件庫，完成整個雷達桅的設計（見圖9），整個雷達桅的設計即從單一雷達桅整體設計轉化為雷達桅裝配設計及零部件模塊選型設計。從同一個零件庫調用工程模板生成的零部件，零部件滿足設計規范和需求，提高了設計標準化程度及零部件重用效率。由于整個雷達桅中骨架模型與功能模型是通過裝配關系組織在一起的，后期設計修改時調整裝配定位關系即可同步調整雷達桅整體設計，提高了設計響應速度。

圖9 雷達桅設計過程

5 結 語

針對桅檣信號設備的設計問題，提出一種基于CATIA知識工程的桅檣信號設備三維設計方法，此方法利用參數化建模技術，構建基于知識工程的零件庫，設計中調用專用零件，實現了桅檣信號設備便捷高效的設計。設計中采用基于知識工程的零件庫，可提高設計標準化程度、提升設計知識利用率、有利于設計經驗的傳承及維護更新，可為相關設計人員重構設計流程和設備組織框架提供可借鑒的應用實例。