基于CATIA的海洋平台结构快速设计

赵广伟，程 祥

(1.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003；2.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003)

基于CATIA的海洋平台结构快速设计

赵广伟1，程 祥2

(1.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003；2.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003)

研究了参数化设计和知识工程技术，并将2种技术应用到海洋平台结构设计当中。首先，借助参数化技术，在CATIA V5系统中建立海洋平台结构的参数化模型；其次，通过CATIA V5的知识工程模块，构建平台结构设计的知识库，实现对平台结构设计结果的校验。实例表明，应用上述2种技术进行海洋平台结构设计，不仅是可行的，还能大大缩短海洋平台结构的开发时间。

海洋平台;参数化;知识工程;平台结构；CATIA

0 引言

参数化技术(又称尺寸驱动技术)的出现，使CAD系统不仅具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能，从而使设计人员从琐碎的绘图工作中解脱出来。知识工程研究知识信息处理，其核心是将某领域的相关设计经验和设计标准、规范等知识嵌入软件中，通过知识推理实现逻辑判断和推理，为智能系统的开发提供技术，进一步实现产品的智能化设计[1]。本文探讨将上述2种技术应用到海洋平台结构设计中，以缩短海洋平台结构的开发时间。

1 参数化设计

1.1参数及参数化

参数是用来描述产品几何模型的形状、位置、属性等的特征值，每个CAD系统都有自己自定义的参数，用户自己也可以定义参数。参数化是指将设计要求、设计原则、设计方法和设计结果用参数来表示，以便在人机交互的过程中根据实际情况随时进行更改。

1.2约束

约束是指构成几何模型的各个元素之间的特殊关系，如平行、垂直、水平、竖直、相切、共线、同心、固定等。约束保证了图形元素在尺寸改变后图形能大致保持原来的形状。对工程设计来讲，约束具有更明确的意义，增加或者取消一个约束都可能意味着设计思想的变更。约束包括结构约束(也称拓扑约束)、尺寸约束和参数约束。结构约束是指构成图形各几何元素间的相对位置和连接方式，其属性值在参数化设计过程中保持不变。在工程图中，此类约束往往是隐含的，并不明确给出。尺寸约束是指图中标注的尺寸，如距离、角度等度量信息，它控制了图元的坐标、长度或半径以及图元之间的位置与方向等。参数约束是指尺寸参数之间的关系，用表达式表示。

1.3参数化设计

参数化设计是一种全新的设计方法，它用约束来表达产品几何模型的形状特征，定义一组参数以控制设计结果，从而能够通过调整参数来修改几何模型，并能方便地创建一系列在形状或功能上相似的设计方案。设计人员在更新或修改图形时，无需再为保持约束条件而操心，可以按照自己的意愿动态地、创造性地进行新产品设计。

2 CATIAV5知识工程

2.1知识工程

知识获取、知识表示和推理、知识库的建立等是知识工程的关键。知识获取技术主要用于工程设计知识的获得，反映了知识工程系统获取知识的能力。知识的表示和推理，体现了系统的智能化水平。知识库建立是指将手册、文档、工程计算公式、设计人员的经验、设计标准等知识收集、整理，构成知识库并在产品开发的过程中作为辅助工具使用。

在CATIA V5知识工程模块中，采用参数、公式、规则、检查、报告、设计表、应变、创成式脚本等表示知识。

CATIA V5的知识功能体现在知识工程顾问、知识工程专家、产品工程优化、产品知识模板和业务流程知识模板等模块中。通过这些模块，可以将相关规范、设计经验、设计标准等产品知识嵌入整个设计过程，将用户成熟的经验做成模板重复使用；还可以通过运用CATIA的知识顾问模块，以产品知识为基础，指导产品的设计和加工，实时检查设计，提出设计建议。

2.2应用CATIAV5知识工程模块的设计流程

应用CATIA V5 知识工程模块的设计流程如图1所示。

图1 应用CATIA V5知识工程模块的设计流程

3 海洋平台结构快速设计实例

3.1海洋平台结构模型

现以文献[2]中钻井甲板和采油甲板之间的井口槽处的支柱为例，支柱共有4根，分设在钻台4腿下，承受垂向力，见图2。图中，模型中外侧的2根支柱，为钻井甲板上的吊机支柱。为便于观察支柱，将模型中钻井甲板的甲板板隐藏。在构建产品几何模型时，要注意各构件之间的关联性，这样在模型修改时，各参数之间具有同步性。井口槽处支柱上端应与钻井甲板关联，下端与采油甲板关联协调，在两层甲板之间高度发生变化时，支柱长度自动发生改变，不需要设计人员再用手工修改。其次，建立标准件库。设计人员在设计或修改零件时，只需选择相应规格，不需要再重头开始。

图2 钻井甲板与采油甲板之间的支柱结构模型

3.2平台结构模型知识工程表达

3.2.1模型参数及关系式

根据支柱特征，为计算方便，确定如下参数：

支柱所受载荷P，支柱长度L，支柱有效长度l，支柱平均直径dp，支柱厚度t，支柱截面面积A，支柱剖面的最小惯性半径r，支柱的面积A1和壁厚t1、t2。上述参数中，支柱所受载荷P和支柱长度L为已知变量，由设计任务书提供，在建模时，当已知参数处理。在建模过程中，CATIA系统默认支柱半径为支柱零件几何体凸台.1草图.1半径.1，支柱零件几何体凸台.1草图.1半径.2。根据参数间的关系，建立下列各参数之间表达式，如图3所示。

3.2.2结构模型设计规则

3.2.2.1支柱面积设计规则

设计支柱时，需满足《钢质海船入级规范》(2006)(以下简称“规范”)中相关规定。按“规范”第2.10.1条规定，支柱所受的载荷P按下式计算：

P=7.06abh+P0

(1)

按“规范”第2.10.2条规定，支柱的剖面积A1应不小于按下式计算所得之值：

(2)

式(1)、式(2)中：a为支柱所支持的甲板面积的长度，m；b为支柱所支持的甲板面积的平均宽度，m；h为支柱所支持的甲板的计算压头，m；P0为上方支柱所传递的载荷，kN；l为支柱的有效长度，m，为支柱全长的0.8倍；r为支柱剖面的最小惯性半径，cm。

3.2.2.2支柱壁厚设计规则

“规范”第2.10.3条还规定，支柱壁厚不小于以下两式计算所得值：

(3)

(4)

式中：dp为管形支柱的平均直径，mm。

3.2.3结构模型检查

3.2.3.1设计规则检查

利用知识工程模块提供的检查工具“Check”建立检查规则，检查设计方案是否满足上述设计规则。当设计人员选择了某种型号的管子后，规则工具“Rule”便对管径、壁厚、截面面积进行检查，并将检查结果通知设计人员，设计人员根据检查结果，决定是否修改设计方案。

3.2.3.2工艺检查

受企业设备加工能力的限制，设计方案的参数取值不能超过企业设备加工能力，如支柱壁厚不能超过25 mm。这时，可用“Check”建立工艺检查规则。当支柱壁厚超过25 mm时，系统自动报错，提示选管子的壁厚超出企业设备加工能力，这样设计人员可及时修改设计，确保设计方案的可行性。

4 结语

结合参数化技术、知识工程方法对海洋平台结构中的支柱进行设计，通过实例表明，文中方法不仅可行，而且还能提高设计速度，设计人员在知识工程的帮助下，只需改变模型参数，就能设计出符合要求的产品。目前，作者正在积极构建海洋平台结构的知识库，尝试运用上述方法对海洋平台的整体结构进行建模，希冀为企业、院所提供参考。

[1]顾晓华，仲梁维.基于知识工程的参数化设计[J].机械设计与制造工程，2001，(4):17-18.

[2]唐友刚. Spar 平台上体结构设计及强度分析[D].天津：天津大学，2008.

[3]王忠，朴英花，卢金火. CATIAV5的知识工程优化功能在汽车产品开发上的应用[J]. 汽车技术，2004，(3):16-18.

[4]中国船级社.钢质海船入级规范 [M].北京：人民交通出版社，2006.

2014-03-16

赵广伟(1995-)，男，本科，从事结构力学研究；程祥(1981-)，男，工程师，从事船舶工程方面的研究。

U662.2

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