薛曉寧

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引言

由于舾裝設(shè)計(jì)的工作量占船舶設(shè)計(jì)工作量比重大，容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)變更，相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，變更后的修改工作量大，時(shí)間緊，導(dǎo)致圖紙出現(xiàn)質(zhì)量問題。此外，還要考慮桅桿更改后，振動(dòng)和強(qiáng)度是否符合要求。三維設(shè)計(jì)可以快速提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，三維設(shè)計(jì)可以為船舶提供一整套完整的三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，三維設(shè)計(jì)覆蓋了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通信設(shè)計(jì)、輪機(jī)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)等多個(gè)專業(yè)的共同設(shè)計(jì)，使得牽連工程的反應(yīng)更加迅速，并且增加了設(shè)計(jì)的可視化，保證了圖紙的質(zhì)量。

本文提出一種基于CATIA平臺(tái)的舾裝三維設(shè)計(jì)，利用CATIA軟件中的參數(shù)化功能、裝配功能，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)等功能，優(yōu)化解決重復(fù)設(shè)計(jì)所帶來的問題，提高設(shè)計(jì)工作人員的效率以及繪圖質(zhì)量。

1 研究背景

1.1 CATIA軟件介紹

CATIA是法國(guó)Dassault System達(dá)索公司針對(duì)船舶和航空航天所開發(fā)的一款軟件，涉及到船舶裝備的零件設(shè)計(jì)、船體制造、設(shè)備裝配等。該軟件給各個(gè)專業(yè)設(shè) 計(jì)人員提供一個(gè)共同工作的三維環(huán)境，使得設(shè)計(jì)內(nèi)容更加直觀，減少設(shè)計(jì)人員返工。

1.2 軟件優(yōu)勢(shì)

在船舶舾裝設(shè)計(jì)中，CATIA可以直觀看到構(gòu)件與設(shè)備是否存在干涉的情況，并可以針對(duì)舵設(shè)備、錨設(shè)備、救生設(shè)備、艙口蓋設(shè)備、滾裝設(shè)備、系泊設(shè)備進(jìn)行布置，CATIA還配有知識(shí)工程，EKL語(yǔ)言開發(fā)等模塊，提高了設(shè)計(jì)精度和質(zhì)量[1]。

2 舾裝三維建模

CAD軟件廣泛用于傳統(tǒng)船舶設(shè)計(jì)過程中，CAD的使用代替了過去手工繪制的圖紙，提高了圖紙繪制的精度，減少了繪制的難度，提高了工作效率。但是在日常的使用中也會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題。目前通過船舶三維設(shè)計(jì)的不斷嘗試，發(fā)現(xiàn)通過基于CATIA V6的三維設(shè)計(jì)可以解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的各種問題。

傳統(tǒng)船舶舾裝設(shè)計(jì)一般選用CAD出圖的模式，但是在CAD設(shè)計(jì)過程中，由于二維圖紙只能顯示正視圖，側(cè)視圖和俯視圖，對(duì)于三維平面的斜線或者傾斜的構(gòu)件表現(xiàn)得并不精確，比如在計(jì)算雷達(dá)桅的主桿時(shí)，CAD并不能顯示出傾斜的主桿的長(zhǎng)度，從而難以計(jì)算出主桿的精確重量，在表示復(fù)雜構(gòu)件時(shí)，會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件的正視圖、俯視圖，側(cè)視圖難以繪制。而三維設(shè)計(jì)則直接在三維環(huán)境中設(shè)計(jì)，避免了傾斜的線表現(xiàn)不精確、各個(gè)視圖反復(fù)修改等問題[2]。

2.1 基于CATIA的桅桿設(shè)計(jì)

1）桁架桅設(shè)計(jì)特點(diǎn)

三角桁架桅需要搭載雷達(dá)、天線、溫濕度傳感器、揚(yáng)聲器、信號(hào)燈等設(shè)備，對(duì)三角桅桿的振動(dòng)和強(qiáng)度的要求很高，因此設(shè)計(jì)桅桿時(shí)需要嚴(yán)格參照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)保證強(qiáng)度，按照規(guī)定增加肘板和桁架。傳統(tǒng)繪圖中，當(dāng)雷達(dá)和天線的尺寸發(fā)生變化時(shí)，平臺(tái)尺寸就會(huì)發(fā)生變動(dòng)，而一旦平臺(tái)尺寸變化，平臺(tái)的加強(qiáng)構(gòu)件就會(huì)發(fā)生變化，工程量就會(huì)變大，而在CATIA中一旦更改平臺(tái)尺寸，下方的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)也會(huì)相應(yīng)改變[3]。

2）桁架桅設(shè)計(jì)

基于CATIA的桁架桅建模的大致流程為在草圖編輯器中畫出輪廓，然后使用填充、掃掠等命令產(chǎn)生實(shí)體，然后使用工程模板增加加強(qiáng)構(gòu)件、梯子等，最后用裝配功能添加需要搭載的雷達(dá)、天線、信號(hào)燈等設(shè)備。

雷達(dá)桅的建模結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，基于CATIA三維設(shè)計(jì)后的雷達(dá)桅，如圖3所示。

圖1 雷達(dá)桅結(jié)構(gòu)

圖2 CATIA建模結(jié)構(gòu)

圖3 雷達(dá)桅三維設(shè)計(jì)圖

2.2 參數(shù)化建模

為了保證舾裝件的強(qiáng)度和使用，像眼板、艙口蓋、直梯、斜梯等舾裝件都會(huì)采用標(biāo)準(zhǔn)件，因?yàn)楫?dāng)選用舾裝件時(shí)首先需要考慮它的安全性和可靠性，一般要針對(duì)它的強(qiáng)度進(jìn)行校核，然而標(biāo)準(zhǔn)件的外形和強(qiáng)度已經(jīng)過校核，通用性高，并且配有相應(yīng)的重量，具有資質(zhì)的制作廠家較多，因此進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)舾裝設(shè)計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)件都會(huì)得到較廣泛的使用。

三角桅中所涉及舾裝件包括直梯、信號(hào)燈、欄桿等設(shè)備，其中直梯參照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不同的梯長(zhǎng)，設(shè)繪人員需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)空間位置選擇對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的直梯，不同的空間位置對(duì)應(yīng)了不同長(zhǎng)度的直梯，梯子兩端配有眼板，為了配合直梯裝配，還可以對(duì)眼板進(jìn)行切割等操作來適應(yīng)不同的區(qū)域要求[4]。

為了方便設(shè)計(jì)修改，直梯可以采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，參數(shù)需要控制梯子長(zhǎng)度、梯子寬度、踏步形式（圓鋼、方鋼和鋼管）、第一節(jié)踏步距離頂面的距離。通過確定梯子的頂面和底面，經(jīng)過參數(shù)化過程就可以控制梯子的長(zhǎng)短，而不用重新建梯子，這樣減少設(shè)繪的工作量，提高了繪圖效率。

設(shè)計(jì)步驟如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)流程圖

CATIA的參數(shù)化設(shè)計(jì)所使用到的模塊包括草圖編輯器、工程模板等模塊。基于CATIA的直梯建模的大致流程為：在草圖編輯器中繪制梯子外觀和邊界條件，使用填充、掃掠等命令構(gòu)件梯子外觀，將梯子外觀變量進(jìn)行整理，輸入標(biāo)準(zhǔn)要求并使用知識(shí)工程模塊下的Formula功能將有標(biāo)準(zhǔn)要求的參數(shù)進(jìn)行編寫控制。其中參數(shù)根據(jù)梯子空間頂面和底面來控制梯子的長(zhǎng)度，當(dāng)梯子空間頂面到底面距離大于標(biāo)準(zhǔn)梯長(zhǎng)（L1），小于標(biāo)準(zhǔn)梯長(zhǎng)（L2）時(shí)，選擇L2梯長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)作為輸入量。

設(shè)繪人員還要考慮對(duì)梯子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)約束，船用直梯長(zhǎng)度如果超過4000 mm，為了保護(hù)攀爬人員的安全,應(yīng)該設(shè)置防護(hù)欄，因此要把該規(guī)則輸入到CATIA里，若布置空間出現(xiàn)超規(guī)定的情況，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示。等到幾何參數(shù)確定完成，即可完成最終的建模。

直梯建模圖，如圖5所示。

圖5 直梯建模

2.3 基于工程模板建模

三角桅桿中包含大量的構(gòu)件，其中包括肘板、撐桿、斜撐等，肘板作為增強(qiáng)桅桿強(qiáng)度的構(gòu)件對(duì)桅桿非常重要，尤其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)桅角鋼管的外徑小于120 mm時(shí)，斜撐和撐桿之間可以采用加肘板的形式與主桅桿相連，這就導(dǎo)致了三角桅當(dāng)中會(huì)包含大量肘板。設(shè)計(jì)肘板時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要考慮它的倒角，并且為了保證肘板的強(qiáng)度，肘板的邊要與斜撐，撐桿或主桿垂直，當(dāng)斜撐或撐桿與主桿有一定的傾角時(shí)，肘板就會(huì)成一定的不規(guī)則形狀，設(shè)繪人員要給每個(gè)不規(guī)則的肘板限定尺寸。當(dāng)肘板數(shù)量很多，不同的肘板作為節(jié)點(diǎn)圖時(shí)，設(shè)繪的工作量就會(huì)變大，若用二維軟件繪制時(shí)，立體的不規(guī)則肘板設(shè)計(jì)難度大，并且若需要對(duì)桅桿進(jìn)行修改時(shí)，修改的工作量也會(huì)變大。這些情況導(dǎo)致三角桅桿繪制較為繁瑣，因此船舶桅桿一般會(huì)使用板式桅桿。板式桅桿的加強(qiáng)方式是通過內(nèi)部的加強(qiáng)筋來保證強(qiáng)度，所以減少了繪制大量肘板的問題。肘板不僅導(dǎo)致繪制量大的問題，它作為桅桿加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的一部分會(huì)占用桅桿繪制總時(shí)長(zhǎng)很大的一部分，導(dǎo)致桅桿其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間有限，并且可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)桅桿設(shè)計(jì)時(shí)間變長(zhǎng)。而CATIA卻可以快速減少肘板繪制的時(shí)間，設(shè)繪人員可以通過工程模板將常用構(gòu)件嵌入到產(chǎn)品中，這樣減少了建模中重復(fù)的工作量并且隨著桅桿主體的修改，CATIA中的肘板也會(huì)隨之更改，使得設(shè)繪人員可以更多地關(guān)注設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，保證產(chǎn)品的安全性和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

圖6 創(chuàng)建用戶定義特征

圖7 創(chuàng)建工程模板

肘板建模流程。首先輸入條件和參數(shù)，創(chuàng)建用戶定義特征，然后打開工程模板，模塊插入剛建好的工程模板對(duì)象，最后將定義好的模塊插入到目錄中，設(shè)繪人員就可以通過目錄瀏覽器來調(diào)用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析三角桅桿的設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)，并配合CATIA軟件將技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明CATIA不僅降低了三角桅桿的設(shè)計(jì)難度，還減少了總的設(shè)繪時(shí)間，CATIA三維設(shè)計(jì)法還可適用于除桅桿外的其他舾裝專業(yè)的設(shè)計(jì)，并且可以適用于全船的設(shè)計(jì)。通過本文的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以做出如下總結(jié)：

1）通過CATIA三維建模設(shè)計(jì)可以解決重復(fù)的大量工作，產(chǎn)生的牽連工程也可以隨之更改。

2）通過進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以在滿足標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的情況下顯著提升設(shè)計(jì)效率。

3）工程模板解決了大量非標(biāo)件的重復(fù)設(shè)計(jì)，顯著優(yōu)化了設(shè)計(jì)過程。