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基于CATIA的船舶机舱三维设计方法研究 |
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作者：江苏科技大学CAD中心 陈宁 高霆 王军 |
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本文应用CATIA软件尝试设计机舱，展示了CATIA强大的设计功能。随着IBM/DASSAULT公司对其功能的不断完善，该软件一定能在船舶制造行业得到更广泛的应用。
一、引言
众所周知，CATIA软件在航天、航空、汽车等一些高端技术制造领域中得到了广泛的应用并获得了卓有成效的成果。而将CATIA软件引入造船行业，则是直接或间接借鉴了CATIA软件在航天、航空、汽车等制造领域中的先进成熟技术。这些技术在常规船舶，特别是对于象航母、军舰、豪华游轮、钻井平台等特殊海洋工程的设计方面有非常广泛的应用。
CATIA可实现船舶可视化三维设计。其基本功能可涵盖船舶设计的各个方面，贯穿分析、设计、建造、维护整个船舶产品生命周期。
CATIA软件各项模块功能强大，工作模式转换灵活，设计手段丰富简捷，其在船舶机舱三维设计中运用的基本功能可概括为以下6个方面：
(1)船体结构模型的设计与导入；
(2)“制造”各类三维设备、部件，实现系列实体建模；
(3)利用软件的装配功能对三维舱室进行布置；
(4)二维原理图设计及设备、管路三维布置与部件定位；
(5)各类统计汇总报表、加工单、布置图、安装图的输出；
(6)利用虚拟的数字化样船对设计进行评估。
二、利用CATIA进行船舶三维设计
CATIA软件无缝集成了基本的通用机械CAD模块与专用的船舶设计CAD模块。在实际进行船舶设计时，用户可根据具体的设计项目，分门别类地实时切换各种CAD模块（即船体结构、曲面造型、管系设计、电气电缆设计、风管设计、知识工程、人机工程、零件及装配设计、机械制图、机构仿真、模具设计、钣金设计、物理量计算、干涉检查、强度分析等模块），灵活机动地采用该工作模块环境中的各种设计手段和方法。因而，用户可最大限度地调用CATIA软件中各种知识工程资源。同时，亦可构筑自己“个性化”工作模式，在其平台上设置各类工具条，选择合适的图标，补充相应的指令，从而创造性地完成自己的设计工作。
1．船体结构模型的设计与导入
船体结构模型的设计是进行船舶舱室设计的基础，CATIA软件针对目前船舶制造行业的各种CAD/CAM/CAE软件的实际应用情况，提供了与这些软件（如：TRIBON / NAPA / MAXSURF/ Mastership / AUTOCAD等）的专用或标准接口。这些专用或标准接口为船舶制造业已有的CAD/CAM/CAE应用软件向其方便灵活地传输数据提供了条件。本文就直接读取TRIBON造船集成软件中的*.atx格式的结构数据，并转化成在CATIA软件中的船体结构模型。如图1所示。
图1 从TRIBON软件中导入的船体数据
2．“制造”各类三维设备、部件，实现系列实体建模
运用CATIA软件先进的三维实体、曲面、线框造型建模功能和强大的二维、三维（前、后）参数化功能，从点、线、面做起，构造三维实体，可“制造”各类船舶设备（见图2，主机、副锅炉、燃油泵、集油筒、箱柜、发电机、燃油供油单元等）、基座、箱柜（日用柜、沉淀柜等）、部件、阀件（截止阀、快关阀、安全阀等）、附件（各类法兰、垫片、接头系列等）、仪表（液位计、流量表等）、管子支架、舱室用具（办公桌椅、文件箱柜、生活洁具、日常家电等）、舾装门窗、走廊栏杆等。
图2 三维实体设备库
这些三维实体建模工作完成后，在CATIA软件中可分门别类地构成包罗万千的字典文件（即库文件），为船舶舱室三维布置时，实时调用这些“备品”文件提供了便利。同时，在CATIA软件中，其参数化的建库为同型设备的体积大小、接口位置的变更提供了方便。
3．舱室三维实体布置
在CATIA软件中，用户可以根据船型特征、船体结构、舱室定义、设备卸装工艺路径等因素来快速地建立自己的坐标系，如船舶的肋位线标尺、平台高度标尺、横剖线标尺等，如图3所示。基于这一坐标系，用户可以构筑自己的区域（分段）设计模型。这个设计模型的最大特点是：当进行某一专业的设计任务时，可以参考、关联、共享其他专业的设计成果（即实体、数据、信息、关系、规则等），从而各专业可以在统一的设计模型中，分门别类地进行并行设计。
图3 建立船体三维坐标系
此外，结合结构树的特性，用户可以滚动浏览装配结构树，对设计模型中任意指定的对象和其属性进行显示、隐含、删除、增加等处理。而且用户还可以利用CATIA软件的三维实体生成二维视图和任意转向的等轴测图功能，以及生成各类布置图和安装图。更为重要的是，用户可在一体化的设计模型中，对每项设计工作进行实时干涉检查和综合系统平衡，为精确造船提供了可视化的设计模式和操作工具。本论文以机舱（肋位从11至37）中的管系燃油供油系统为验证对象，检验CATIA软件在船体结构、设备、布管等设计上功能。
4．二维原理图设计及设备、管路三维布置与部件定位
管系二维原理图可驱动三维设备布置、管系路径布局和各类阀件、附件的精确定位放置与调整。CATIA软件这独一无二的技术特点构成了船舶管系详细设计和生产设计两个设计阶段的桥梁。它确保了管系的二维原理图在三维管系生产设计时，对设备连接和单元布局中最直接、最科学地贯彻二维原理图所定义的管路实际走向。运用这个原理图，用户可以驱动图中的三维设备放置，自动或手动排放管系路径、定位布置各类阀件和附件，定向调整、检测管系的流向，生成管路零件加工图和统计报表。本文以机舱燃油供油系统为例，绘制了二维原理图，如图4所示，并以此驱动三维机舱设备放置，完成管系路径布局，如图5所示。管系二维原理图中①、②、③、④、⑤、⑥、⑦分别表示燃油供油单元、燃油箱柜、集油筒、发电机、主机、副锅炉、燃油泵。如图4所示。
图4 管系二维原理图（燃油部分）
此外，根据管系、风管和电气的设计原理和物理共性，CATIA软件提供的“路径（ROUT）”在同一设计模型中，由管系二维原理图、风管系统原理图和电气原理图驱动三维空间中进行布置的具有同一属性的路径管路、风管与电缆的几何空间走向。因而，管系、风管、电气设计人员在用具有同一属性路径进行各自的路径布局时，可以实时检测管系、风管、电气之间的路径干涉情况。在对管路、风管、电路和船体结构、船舶设备等进行干涉检查、综合协调、平衡整合的基础上，管系、风管、电气设计人员可分别在自己的“路径”上，直接定位放置或调整各类部件。例如：管系“路径”上的各类阀件、附件、仪表、管子支架等；通风“路径”上的各类风机、调风门、风管吊架等；电气“路径”上的各类附件、电缆托架等；以及检查在三维空间中布置的管系、风管与电缆系统是否有因设计人员的疏忽而遗漏个别阀件、附件等。
图5 三维设备及管路的布置
5．统计汇总报表、加工单、布置图、安装图的输出
在完成三维实体布置舱室后，在CATIA中选择绘图工作模式，就可以自动投影生成二维舱室布置图。用户在二维舱室布置图上插入标准图框、标注尺寸（系统自动显示尺寸）、附加说明、设计签字等，就形成了安装布置图，如图6所示。这种由三维实体实时投影生成的二维图纸，保证了三维实体与二维图纸的一一对应，使船舶设计工作变得非常灵活简便。
图6 投影生成二维舱室布置图纸
此外，舱室设计人员亦可采用CATIA软件的辅助仿真功能进行效果渲染，还可进一步利用其四维浏览器功能，向船东展示全方位、多角度的舱室布置仿真效果。
CATIA软件不仅对详细设计阶段的各专业原理图、布置图、统计报表有很强的处理功能，同时，亦能生成生产设计阶段中的各专业施工图纸、零件加工单、统计报表等。
（1）用户可以结合宏指令的特性，用VB Script语言调用CATIA软件提供的Report工具，来抽取管系、风管、电缆的BOM信息，并进一步利用VBA程序来客户化统计汇总。如图7所示。
图7 管系附件统计表
（2）利用CATIA软件的机械制图功能，三维实体生成二维视图功能和任意转向的等轴测图功能，生成机舱各类布置图和安装图。
（3）利用CATIA软件的管子专用模块，可根据实际需要生成八种不同形式的管子零件加工单，如图8所示。同时利用其软件自身的船体开孔模块，可以生成管子开孔表和船体开孔图。
图8 管子零件加工单
6．利用虚拟的数字化样船对设计进行评估
在用CATIA进行船舶设计中，数字化样船具有非常特殊的功能：其一，可通过漫游和通讯工具，进行协同审查。其二，利用其自身的仿真人系统分析测量和3D几何比较等功能，进行DMU（Digital Mock Up）验证。定义、模拟和分析各种规模的装配和拆卸过程，检验系统安装部件的可操作情况。如图9所示。
此外，使用CATIA软件中四维浏览器，可以对机舱的船体结构、设备箱柜、管系布局和舱室进行区域划分，还可对办公设备、文件箱柜、生活洁具、日常家电等进行“实地考察”。
图9 仿真人模块
三、结束语
通过应用CATIA软件对机舱三维设计进行的研究表明：将CATIA软件在航天、航空、汽车等制造领域中的先进成熟技术引用到造船业是可行的，这些技术能对海洋工程的设计有着非常独特的借鉴。
同时IBM公司对于CATIA软件功能的不断完善，使得我们有理由相信，在航天、航空、汽车制造行业占据主导地位的CATIA软件，也一定能在船舶制造行业得到广泛的应用。(end)
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(1/11/2005) |
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