一種基于CATIA V6 的軸系三維設計方法

高啟GAO Qi；王帥皓WANG Shuai-hao；楊敬豪YANG Jing-hao；徐思豪XU Si-hao；鄭超ZHENG Chao；王賀遠WANG He-yuan

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引言

船舶推進軸系將主機產生的功率傳遞到推進器，并將推進器的推力傳遞到船體從而使船舶運動，由傳動軸、聯軸節、支撐軸承、減速齒輪箱、艉軸密封裝置等組成。針對軸系的設計，依據船舶總體設計需求，確定推進軸系的布置和各部件的尺寸及材料，設計出能安全、平穩完成各種工況下的推進任務[1]。船舶推進軸系的重要性使其在船舶設計的各個階段都需要做出頻繁調整，在傳統CAD 圖紙設繪過程中，每次方案的調整，都會導致各視圖出現信息互不對應，件號錯亂的情況，需花費設計者更多的時間校對圖面信息[2]。船舶行業目前正在積極開展三維設計推進工作[3]，船舶軸系作為船舶設計重要組成部分，針對船舶軸系三維建模的研究具有一定參照意義。分級骨架，創建關聯的建模方式，將船舶軸系模型建模過程模塊化，各模塊之間通過建立參數聯系，可實現從上至下的建模流程，簡化計算工作量。并且在后續軸系方案發生變更時，可在判斷變更模塊后，針對性修改骨架及模型，結合出圖二次開發，能夠實現更改某一參數，其余模塊自動更新的建模方式，大大降低了軸系三維建模的工作量，也提高了模型質量。

1 軸系設計特點

船舶軸系的設計貫穿船舶設計始終，故而應探究軸系零部件設計特點，結合船舶軸系特點，應用CATIA 三維設計軟件有針對性解決其高效建模問題。

船舶軸系零部件在結構上有以下特點：

①主要零部件多為中心旋轉體，具有軸線或對稱面，可提供很好的主尺度定位依據。

②其余零件大多在依附軸段裝配，可由軸段軸線確定其安裝位置。

船舶軸系零部件的結構特點為船舶軸系三維設計提供有利條件[4]。

軸系設計輸入條件，包括依據船體型線、主機參數、螺旋槳參數、船體結構、主機位置、螺旋槳位置、尾管、軸支架位置等來確定軸系布置草圖。在軸系設計過程中，包括了軸徑、軸法蘭、連接螺栓、軸套、螺旋槳軸尾錐部尺寸的計算。其中軸徑的計算依據為推進型式、軸傳遞額定功率及此時軸的額定轉速、軸材料抗拉強度以及設計特性系數等；軸系的長度與軸的布置有關，而軸法蘭、連接螺栓、軸套、螺旋槳軸尾錐部等部件的設計則需要以軸徑作為設計輸入，軸承距離則需要軸徑與軸長度同時作為設計輸入。各零部件之間存在設計參數輸入的聯系。

船舶設計分為幾個階段，軸系的設計在不同設計階段通過對軸系進行扭振、縱振、回旋振動計算以及軸系強度、較中計算，當軸系存在振動或較中問題時，需不斷的調整軸段的形式、軸徑大小以及軸承的位置及支承長度等。傳統CAD 制圖每當設計尺寸發生改變時，需要對以上涉及的零部件依次進行重新繪制。基于CATIA 實現關聯設計，在進行軸系設計時，可對軸長、軸徑進行公式設置，并且將軸徑、軸長作為軸法蘭、連接螺栓、軸套、螺旋槳軸尾錐部等部件，軸承距離的尺寸設計的輸入依據，那么當軸徑、長度發生改變時，軸系其它零部件可關聯更新尺寸以及布置位置。

2 基于CATIA 的技術路徑概述

2.1 技術路徑概述

本文采用分級建模、逐一調整的思想，首先構建軸系一級骨架確定軸系主尺度，由一級骨架創建主要零部件并確定二級骨架定位尺寸，由二級骨架創建次要零部件，并在二級骨架之上創建其它零部件。由此得到完整的軸系三維模型，結構樹及邏輯關系如圖1。

圖1 軸系三維模型邏輯結構圖

針對軸系模型零部件的BOM 統計，注意僅需統計結構樹中實體模型部分，再結合CATIA 二次開發功能繪制符合船舶制圖要求的圖紙[5]。

2.2 結合軸系設計特點進行關聯建模

采用分級骨架建模的方式，主要由軸系設計特點決定，多級骨架間的聯系性、獨立性使得產品模型可逐級聯動。主要零部件的一級骨架即能確定軸系主尺寸又可為次要零部件二級骨架提供定位信息等。采用多級骨架關聯建模的方式還可為軸系布置安裝提供與其它設計專業的交互信息，促進專業之間開展協同合作[6]。

2.3 CATIA 出圖

CATIA 原生二維出圖功能在使用時，結構樹的形式將決定繪制圖紙的明細表信息，且明細表的表達形式與行業內規范格式不同。與此同時，CATIA 原生功能繪制圖紙遵循規范也與船舶設計圖紙規范有一定差別。針對上述問題，需使用CATIA 二次開發功能，對明細表信息進行規范調整，同時對圖面信息進行適當修正，以最大限度滿足船舶設計圖紙需求[7-8]。

3 實現方法

本文以艉軸艉管為例，具體介紹其三維建模實現方法。

3.1 一級骨架識別及構建

根據軸系結構特點可知，軸段，艏艉密封裝置，導流帽等零部件均為中心旋轉體，并且此類零部件的定位直接決定其余零部件的裝配位置信息，所以將此類零部件選取為主要零部件，作為一級骨架構建其定位信息，與此同時，可構建二級骨架在軸向長度上所需的定位信息。使用sketch繪制草圖，可將主要零部件骨架信息之間進行參數化約束。骨架信息繪制完成后，將對應圖元信息output 為空間內獨立特征，以供后續建模使用。

構建骨架模型過程中，若選取的主要零部件數量較多，則可以繼續按照某一原則對主要零部件進行分類，將零部件分別繪制骨架信息草圖，由此可避免一張草圖中信息過多而帶來的后期不易修改的問題，本文按照在船長方向上零部件的位置對零部件進行劃分。如圖2 所示。

圖2 主要零部件分類繪制骨架跡線

繪制零部件骨架信息過程中，要注意對結構樹進行整理，并將輸出信息按照統一規則命名，以供快速找尋信息。如圖3 所示。

圖3 一級骨架輸出跡線命名

將一級骨架信息繪制、輸出、命名后，骨架模型如圖4所示。

圖4 艉軸艉管一級骨架示意圖

3.2 主要零部件建模

基于軸系中主要零部件結構特點，應用CATIA 中part design 功能模塊，采用shaft 旋轉添材功能、pad 拉伸添材功能，結合一級骨架信息作為功能輸入，旋轉、拉伸后得到主要零部件，對于part design 功能模塊無法構建的零部件，可以利用其對應骨架信息，在3dp 中繼續使用GSD 模塊進行sketch 繪制，發布相關線、面作為SD 功能模塊的輸入生成實體模型。需要注意的是，本章第5、6 部分主要針對實體模型進行操作，且件號表會按順序讀取實體模型結構樹上每一個獨立的part 信息。主要零部件實體模型如圖5 所示。

圖5 應用一級骨架模型建立主要零部件

3.3 二級骨架構建

借用一級骨架中已發布的二級骨架軸向定位信息，遵循一級骨架構建注意事項，在sketch 中草繪、添加相應約束，構建其骨架信息。在后續次要零部件裝配位置發生變化時，只需更改一級骨架中其對應的位置信息即可更新整個模型。

次要零件中螺栓、法蘭等型號相同、數量較多的可裝配零部件（第四部分說明），可應用CATIA 的知識工程工具進行快速建模。即在二級骨架中繪制、發布其定位點，通過knowledge pattern 工具將草圖中output 的幾何點迅速轉化為坐標系，并將同一件號零件的定位坐標系存放于同一geo.set 中，供后續使用assemble pattern 命令快速在定位點上裝配對應零件。對于管路而言，借助二級骨架定位信息，繪制管路定位點，作為piping&tubing 3D design 功能模塊的位置輸入，設定管路通經及走向。本模型二級骨架多為裝配定位信息，如圖6 所示。

圖6 艉軸艉管二級骨架示意圖

3.4 次要零部件實體建模

螺栓、螺釘一類的零件進行件號統計時需統計數量，在建模時可在小樣庫中搜索模型，也可單獨建立零件三維模型，而后采用assembly design 模塊下的assembly pattern功能進行批量操作，以小樣模型和3.3 節中建立的相應裝配坐標系集合作為輸入，快速裝配。如圖7 所示。

圖7 艉軸艉管次要零部件建模

針對管路，在統計時只需統計通徑、型號、長度及重量。可以采用piping&tubing 3D design 中的rigid pipe or tube 功能。設置管路基本信息，以二級骨架信息中的管路定位點作為輸入，生成對應管路。

其它結構類次要零件可應用骨架信息單獨建模。最終艉軸艉管三維模型如圖8 所示。

圖8 艉軸艉管三維模型

3.5 創建Drawing

應用CATIA 的drafting 模塊創建僅針對裝配模型的drawing 節點，drawing 節點中可以創建多個sheet，每一個sheet 相當于一份圖紙文件，sheet 節點的圖面設置作用于其下所有view，view 圖面信息后續可調節Generation 屬性自行調整。在生成主、次視圖操作中，有以下5 條注意事項：

①生成主視圖時點選裝配模型總結點與點選所有零件存在區別，體現在后續采用modify link 功能添加、刪除出圖對象操作中，本文建議點選所有零件以便添加、刪除出圖對象。

②采用overload properties 功能，繼續修改主視圖中某零件圖元的表達形式。

③可以利用3D Clipping、clip 以及call-out 功能人為控制出圖范圍，以避免視圖中圖面信息冗雜。

④針對圖面中未按照機械制圖原理繪制的構件，可采用示意性出圖，即創建輔助3dp，創建空間示意線，采用modify link，overload properties 功能精確調整圖元表達。

⑤圖面標注信息由Annotation 功能實現，標注箭頭與表達形式由Standard 文件統一控制。（圖9）

圖9 艉軸艉管部分視圖

3.6 創建BOM 表

使用CATIA 原生功能生成BOM 表是定義件號的必要條件，BOM 表格式由standard 控制，存在BOM 表格式不規范，無法自定義件號順序，無法統計同類零部件數量等問題，故而二次開發軟件解決以上問題。

對CATIA 進行軟件配置后，通過二次開發軟件打開CATIA。應用material browser 功能對模型賦予材料屬性，應用B.I.Essentials 功能計算模型質量，對于特殊模型，也可直接聲明質量。重新計算模型質量后，零件質量信息將出現在BOM 表中。如圖10 所示。

圖10 模型重量計算結果

應用collaborative lifecycle 模塊下customer extensions功能/catalog browser 功能來為單個/批量零件定義拓展屬性。應用import attribute 功能錄入零件屬性。如圖11所示。

圖11 模型屬性錄入

更新BOM 表，表格中description 即為更新后的件號。最后，可使用balloon/automatic balloon 功能手動/自動生成件號。

4 模型復用性分析

由上述建模技術路徑可知，在實行多級骨架建模的過程之中，已經形成了多級骨架之間，骨架與主、次零部件之間的先后邏輯關系。當處于邏輯鏈頂端的某一對象發生變化后，那么處于此對象后端的無論是骨架還是實體結構都將發生滿足相應邏輯關系的變化。因此，采用分級骨架建模的方式在使模型組成結構更為清晰的同時，也大大降低了后續修改三維模型的難度。

參考建模技術路徑，針對軸系的三維建模主要包括主尺度，零部件尺寸、定位以及批量安裝等過程。故而針對軸系模型的后續修改主要有以下幾種情況：

軸系軸段長度，直徑等主尺度的變化。此時，用戶主要針對一級骨架模型中軸段的定位線進行修改即可，當草圖中定位線的長度，約束發生變化時，則將會引起主零部件、二級骨架、次零部件、其他零件的一些列聯動更新，從而完成整個軸系模型的更新。模型更新后，軸段等結構質量將會發生改變，需要再對整個模型進行質量計算，則件號表中的質量信息也可更新。但是針對創建的剖面視圖而言，創建的剖面與骨架模型并無任何關聯，故須注意骨架模型的變化是否會引起剖面位置模型結構的變化，及時加以調整，從而更新剖視圖。

軸系次要零部件裝配位置改變。由軸系設計特點可知，次要零部件規格尺寸大多以主要零部件的尺寸作為輸入來計算選取，故次要零部件主要變化體現在裝配位置發生改變。此時，只需要更改二級骨架中次要零部件的定位信息即可。次要零部件位置發生改變時，也可能會對剖視圖造成一定影響，實際建模中需要用戶注意。

其他類零部件結構改變。此類零部件不以一、二級骨架作為設計輸入，因此只需直接對零部件進行更改，屬性更新后，圖面將自動更新，且對剖面圖影響較小。

船舶軸系在每個設計階段都有可能因振動、強度、較中計算不滿足相關要求而調整軸徑、軸段長度，軸承布置位置等參數，通過建立骨架關聯模型，可以大幅簡化軸系模型修改流程，且條理清晰，可高效高質量的進行模型更迭。

5 總結

本文根據船舶軸系設計特點，將CATIA V6 相關功能匹配相關設計要點，采用分級建模、逐一調整的設計思路，在出圖過程中結合軟件二次開發，完成以艉軸艉管為例的船舶軸系三維設計方法。在實際應用中，船舶軸系三維設計的思路清晰，模型質量高，可復用性強。在實際工程應用中，此三維設計方法可推廣應用至其他類中心旋轉結構物的設計當中。本文針對船舶軸系建立的三維設計方法，有以下幾點優勢：①采用多級骨架的建模方式，將按某規則分解為存在邏輯聯系的多層部分，由邏輯層級由上至下建立多級骨架模型，不僅可大大提高模型的可復用性，還能夠有效解決多專業協同的迭代問題。②采用關聯設計的模式，由主到次建立三維實體模型。在各設計階段模型頻繁改動時可大大減少人為改動模型參數輸入的操作，節省用戶操作時間。③采用二次開發技術，將CATIA 原生功能生成的圖紙進行優化，使圖面形式更接近行業規范，減少生成圖面的后續修改工作。