从二维到三维--从Drawing到Design

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欢迎访问e展厅 展厅 1 CAD/CAM软件展厅 CAD软件, CAD/CAM, CAM, 钣金CAD/CAM, CAI, ... 一、海油工程：设计思"变" 海洋石油工程安装公司（下简称"海油工程"）隶属于海洋石油工程股份有限公司，是中国少数几家能够进行海上施工作业的工程公司。主要从事海上石油平台安装、单点系泊安装及各种海底管道和海底电缆的铺设。海油工程拥有一批具有国际领先水平的专业工程设计软件和大型钢结构物制造设施。以亚洲最大的起重铺管船"蓝疆号"为首的专业船队，构筑了海油工程海上作业的强大实力。 2005年全年海油工程共有20余个大中型工程项目在建，其中计划年内完工的11个项目均按期或提前完成，并刷新了多项国内海上油田建设记录。业务的迅速拓展对海油工程的设计能力提出了更高的要求，升级设计平台、提高设计水平成为了技术中心的当务之急。 在2004年前，海油工程的技术中心绘图室一直使用Autodesk公司的AutoCAD软件，但是随着工程项目复杂度的提高，二维软件的弊端就显现出来。由于我们的施工环境主要在海上，而且都是超大型钢结构，所以安装方案、选配机具以及设备调试等各个方面都不能出现任何疏漏，否则将造成严重的后果，不光是财产损失，严重时甚至威胁施工操作人员的生命安全。 为避免不必要的损失，公司希望通过先进的计算机辅助设计技术，对所有海上安装进行有效模拟，力求降低海上施工风险，减少海上施工成本。基于这一原因，海油工程开始酝酿设计平台从二维软件向三维软件的升级，并着手进行软件的选型工作。 在选型初期，我们了解并试用了很多的三维软件，包括目前应用范围很广的Pro/ENGINEER、Inventor、UG以及3DStudioMAX等。通过对软件的操作性、设计性、应力分析功能以及与其他软件的兼容性等方面的考察，公司最终选择了Inventor软件。 由于Inventor和AutoCAD均由Autodesk公司开发，两者的操作界面、数据接口有一定的延续性，这让用惯了AutoCAD的绘图人员更容易学习、操作Inventor。Inventor的应力分析功能、计算能力、自适应功能以及设计能力也符合公司目前的需要。另外，我们一直使用ANSYS软件进行仿真分析，Inventor与ANSYS兼容性强的特点，更为工程师们节省了不少时间。 购买初期，因为专门负责三维设计的技术人员较少，公司只购买了两套单机版。随着对Inventor软件了解的加深以及工程发展的需要，各个项目都需要进行三维模拟，为了更有效地提高工作效率，最终升级为5套网络版，而我室其他工程师则使用ANSYS进行分析。目前，海油工程技术中心绘图室主要将Inventor软件用于海上结构吊装模拟、安装工程过程全范围三维模拟。 观点： Inventor和AutoCAD的"亲戚关系"使Inventor成为AutoCAD二维设计平台向三维圆滑迁移的最佳选择。 Inventor出色的三维建模能力，以及在此基础上的工程计算、运动学/动力学仿真分析功能是海油工程从drawing向design转变的动力和基础。 二、海油工程：特色三维平台解开设计"死结" 从AutoCAD到Inventor的迁移，使以往设计工作中很多令人头疼的问题迎刃而解，也使我们对Inventor一些特色功能的理解逐步加深。 2.1 上手快 在购买Inventor软件前，Autodesk公司对我们进行了为期一周的售前培训，主要学习软件基本模块的操作。由于时间紧、任务重，大家手里都有大量的设计任务，此后就没有很长的时间用于集中学习。令人比较高兴的是，绘图室里24、25岁左右的年轻工程师仅仅经过2、3个月的自主学习、摸索， 已经达到了熟练操作软件完成设计任务的程度。Inventor操作简便、易学、易用的特点，确实让我们受益良多。 2.2 二维、三维自如转换 在我们的设计工作中，机械干涉较多，而用二维软件进行设计，不方便检查干涉情况。结合了二维和三维功能，Autodesk Inventor Series不仅提供了我们一直依赖的二维工具，同时也使我们可以无风险地将自己的进度转换到三维设计中，不会导致业务中断。 2.3 设计难题轻松解决 我们现在的项目大都是跨国合作项目，尽快与国际接轨、提高自身技术水平、增强核心竞争力，是企业生存发展之本。在海上运输过程中首先要考虑把组块或导管架如何固定在运输驳船上，通常采用的方法是用钢管焊接固定，俗称绑扎（Sea Fastening）。虽然只是简单的几根杆件，但却是令设计人员最头疼的问题之一。 在设计过程中，难点主要集中在如下三个方面： (1)采用二维平面设计绑扎杆件，经常会发生原始设计的拉筋杆件与组块或导管架上某根支撑梁空间相碰，或绑扎杆件所在位置与组块上的管线干涉，以及与驳船甲板上系缆桩间的位置干涉。 (2)复杂的绑扎图，整张图纸上除了各根绑扎杆件走向外，就是剖切和局部标示，让人眼花缭乱，不易看懂。而一旦出现设计变更，各个相关图纸就要进行手动修改，浪费时间又极易出错。 (3)原有二维设计对于几何体的空间描述很不方便，描述空间相贯线、相贯后截面积、长度以及不规则几何体的体积更是难上加难，所有料单精确提取便成为一件极困难的事情。设计人员只能凭经验进行预估，很可能出现建造完成以后还有大量料材没有使用，无形中造成经济损失。 利用Inventor，我们解决问题的方法是： (1)通过Inventor强大的三维图形引擎真实再现设计者的设计意图，检查设计中出现的错误，进行海上的模拟安装。同时，我们可以精确得到一座平台的惯性距、重心，还可以自动生成二维工程图，大大减少因设计变更而浪费的时间，而真实模型还可以导入力学软件中进行分析。 (2)根据驳船、组块（或导管架）的详细设计资料，用Inventor精确建出三维模型，依据驳船和组块（或导管架）间的位置关系进行参数化的在位设计，使杆件间自行调整位置关系，从而解决空间中的几何干涉问题。 (3)利用Inventor强大的工程图功能，直接生成精美的建造图纸，用立体的轴侧图加以辅助说明。如果需要进行设计变更，我们只需直接修改三维模型上的几个尺寸，所有的二维工程图都会快速进行自动更新，不必再花大量时间去考虑某一个视角的投影视图，以及大型装配的遮挡消隐关系。所有的重复劳动都由计算机帮人们解决，在提高效率的同时，大大降低了人为因素造成的图纸描述的错误、混淆。 (4)在做整体结构有限元分析时，过去计算人员需要花时间建力学模型，现在我们可以利用Inventor与CAE软件优良的接口，把已建好的三维模型导入CAE软件中直接进行受力分析。当出现应力集中等问题的时候，计算人员可以直接在力学模型上进行修改，然后再导回Inventor中，供设计人员对详设图纸进行修改，这样做不仅使模型永远处在设计链的最前端，而且还提高了团队协作的效率。 (5)所有设计部分都是1：1的真实建模，Inventor能够准确描述出每一根型材的质量、体积和大小等物理属性，设计人员根据需要生成料单，确保快速无误外，企业也真正做到建造原材料的节流。 2.4 自适应性使设计智能化 以自适应技术作为核心，保持模型的自适应性、创建自适应零件，是Inventor区别于其他三维建模软件的功能之一。这些智能零件保持着一种物理关系，如果修改基本零件的几何图形，自适应几何图形也会随之更新。就像创建一个适应杆尺寸的孔一样简单，当改变杆的尺寸时，孔会变大或变小以适应杆的新直径。 2.5 出色大型件处理性能 出色的大型装配性能使Inventor处理大型装配比其他系统更为简便。我们可以完整地建立特大型机械模型，在制造原型前在三维环境中校验设计方案--这对有兴趣转换到三维设计的机械工程师具有巨大价值。 三、Inventor三维设计：惠州21-1B项目建功 为了更为形象地说明Inventor三维平台对我们设计水平的提升作用，我以惠州21-1B项目为例，谈谈三维设计的好处。 (1) 解决干扰碰撞问题 对HZ组块在吊装过程中结构杆件与吊扣相互干扰进行模拟，从三维图中我们可以清楚并快速地确定哪些结构杆件是需要切除的，切除的面积有多大。对应导出的二维图更明确、直观地说明了这一问题，使场地工人在审阅、理解图纸上节省了很多时间。 在导管架和组块的绑扎过程中，由于HZ项目全程使用三维软件进行模拟，所以有些相互干扰的地方在模拟过程中已经提前解决，这避免了现场出现碰撞的情况。 由于HZ导管架装BH308，要偏出船舷，所以只能采用在导管架大腿的内侧加斜撑，通过三维模拟避免了很多不必要的干扰。 (2)对管插板等问题的解决 随着水深的增加和结构物重量的加大，在导管架和组块的运输中，管插板这种绑扎固定方式更多应用到大型结构物上。 通过三维模拟出来的管插板结构在视觉上更加直观，便于准确地理解其具体位置，节省了以往阅读图纸所花费的大量时间和精力。对于船舷边是圆角的结构，这种二维很难形象表示出来的，使用三维模拟就容易多了。 (3)快速精确地配扣 以往设计人员在进行配扣计算时，首先要找到导管架的重心、导管架吊点高度，并依据浮吊的吊装曲线通过变换空间坐标系，利用空间几何求解水平面吊绳的投影长度，进行吊装配扣。求解水平面吊扣的投影长度也是配扣计算中最关键的一步。 规则几何形状如长方体的导管架，比较容易计算出所需尺寸。但棱台或其他不规则几何形状的导管架，随着空间坐标系的角度变换，求解水平面吊扣的投影长度变得相当复杂，对于一个经验丰富的设计人员看似简单的尺寸甚至需要一两天才能求解得出。而且由于计算中的一些不经意间的小数忽略，很易造成数字的误差甚至不准确。 在三维中这些投影长度的求解，却变得异常简单，甚至只需一个投影，一两分钟就能得出精确的结果。可以利用已经建好的导管架或火炬臂的骨架（即用草图精确描绘的模型），在其上面用简易的草图线段勾勒出吊点的位置，然后在水平面的草图内投影出吊点孔中心，再根据重心的投影，就可以轻松的勾画并计算出吊绳的水平投影长度，那么配扣问题就变得简单而且准确了。 (4)形象直观地展现施工过程 利用Inventor全程模拟导管架、组块、栈桥及火炬臂的安装过程，通过事先模拟，能更快、更直接地预先发现现场遇到的问题，增大了施工的安全系数，保证了项目的顺利进行。 (5)导出精美图纸 通过三维软件导出的二维工程图，比设计人员直接绘制的二维图纸更加细致，提升了图纸的质量，为我们将来开展更多的国外项目奠定了良好的基础。 四、效果和展望 在使用Inventor后，我们公司在设计周期、设计效率、设计质量以及设计管理上得到了整体提高。而Inventor优秀的数据接口和开发接口，也完全能满足我们现阶段的需要。 此外，当初考虑升级到三维设计平台时，主要是为了进行三维模拟、检查干涉区域，而选择Inventor不仅达到了当初的期望值，也让我们有了一些意外的收获。在中海油海工安装公司参与的一些国际合作项目中，Inventor不仅提高了设计人员的设计效率，还提高了公司的设计形象，使我们能够更好地与世界同行业的先进水平接轨，大大提升了企业外在竞争力。这一点在科麦奇(Kerr-McGeeCorp.)--曹妃甸CFD、康菲(conocophillips)--蓬莱PL和惠州HZ等项目中得到了完美的体现。 目前，Inventor已经成为我们使用最频繁的设计平台之一，随着应用价值不断得到体现，我们考虑把Inventor软件作为主要设计平台。 事实证明，我们选择Autodesk Inventor是正确的。 五、总结 三点意见： 海油工程的项目要在Inventor中建立大型的三维模型，针对这一特点，我们专门采购了5台计算机（最快的一台是DELL Precision 670工作站--nVIDIA Quadro FX 3450/4000 SDI、双CPU、2G内存、160G硬盘）。但是由于海上石油井架的模型非常大、结构非常复杂，所以运行起来还是有些慢。特别希望，Inventor能降低对计算机配置的要求。（编者注：新近推出的Inventor 11版本中，专门针对特大型装配进行了优化处理，软件直接提升效率30%左右，使用者可以根据自身的设计需求进行配置优化，从而进一步提升20%~50%的运行效率） 三维模型的结构比较复杂，希望Inventor在创建三维模型的过程中，能自动注明结构来源等。 最近Inventor版本的升级增加了很多对我们有用的功能。为了用好这些新功能，我们在领导的支持下，要利用一些时间进行学习，希望Autodesk公司能提供更多的培训机会或学习资料给我们。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/15/2006)