基于CATIA V6的船舶管路系统三维设计优化

赵 恒，周志杰，彭文波

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

0 引言

船舶管路系统三维设计，是指采用数字化手段构建虚拟三维管路系统模型，模型能够完整反映管路系统的设计特点、布置情况及几何外形特征，能够用于数字化分析及指导生产施工。由于船舶管路系统多且复杂，布置遍及全船，管路及附件数量大、规格繁多、材质多样，管路系统的三维设计完成情况是决定船舶产品三维设计深度及设计质量的重要因素。CATIA是CAD/CAM/CAE一体化的通用软件平台，CATIA V5在船舶设计领域的应用已取得一定成效，CATIA V6是法国达索公司近年来推出的产品，与CATIA V5有较大的差异，该软件延续了CATIA V5在通用平台上搭建船舶专业模块、模型仿真度高、属性值丰富等优点，并且提供了优秀的产品生命周期管理、协同设计解决方案等技术，逐渐成为一些船舶设计建造单位使用的主流三维设计平台[1,2]。

在目前的管路三维设计中，软件的基本设计模块可以实现系统模型的建模及布置，但所建立的模型主要体现几何外形特征，只包含少量设计信息，不利于设计信息在三维模型中的集中体现，不利于设计人员对产品信息的管理，不利于系统模型的更新维护。因此，需针对三维管路系统的资源配置、模型定制、模型关联关系管理等方面展开进一步研究，使三维设计能够适应国内船舶设计的需求。在目前的研究中，卢永进、宗丹等人概括性的介绍了CATIA V6管路系统三维设计的基础资源库配置、轮机建库关键技术等内容[3,4]；许诺、李祥等人基于CATIA V5研究了管路及管路类模型标准库的设计与实现[5,6]。本文针对基于CATIA V6的船舶管路系统三维设计，进一步研究基础资源库配置、模型标准库创建及模型间的关联关系在管路系统三维设计中的应用。

1 基础资源集配置

船舶管路系统可分为轮机工程管路系统及暖通空调工程管路系统两个大类，CATIA V6中分别由Piping&Tubing模块及HVAC模块完成创建，两类管路系统的基础资源集配制方法类似，条目内容根据系统专业的要求存在差异，以轮机工程管路系统基础资源集配置展开研究。

管路系统基础资源集，如图1所示，主要以工程规格表的形式存在，由表1中各表组成。其中，管材规格尺寸表（表2）中的Standard、Material、Nominal Size、Rating等构成管路模型的主要属性内容，并与工程规格表中其他表的内容对应，构成管路规格过滤器内容；部件子类表存储模型类别；弯管弯模倍数表等构成管路弯曲规则过滤器；管材自动匹配表等构成管路创建自动匹配规则过滤器；管路规格过滤器、管路弯曲规则过滤器及管路创建自动匹配规则过滤器共同实现从模型标准库中调用选取管路模型。

图1 基础资源集配置

表1 工程规格表

表2 管材规格尺寸表

2 模型标准库建立

模型标准库可以有效管理各类模型的建模、维护、升版、调用等工作，提高三维设计效率及质量。管路系统模型标准库主要包括设备模型标准库、管附件模型标准库、安装件模型标准库、紧固件模型标准库，其中，设备模型按照统一的模型模板建模并入库，与管路或管附件连接的设备模型须创建管路连接点；管附件、安装件、紧固件模型按照相应国家标准、行业标准或企业标准，是成系列、不同规格的同型式模型，采用参数化建模手段进行建模入库。基于CATIA V6的管附件模型参数化建模的主要流程如图2所示。

1）按照部件子类表的类型分类，创建相应类型的零件模型；

2）构建三维模型，零件模型中的所有尺寸均须定义及约束；

3）根据管路附件标准规范中的参数信息及系列化尺寸要求，创建零件的设计表；

4）通过用户自定义参数，将模型中对应的尺寸约束与设计表参数进行关联；

5）检验设计表驱动模型相关参数进行系列化变更的情况；

6）创建管路连接点；

7）将带参数的零件模型解析形成与设计表各行数据对应的多个零件模型，并添加进产品目录。

管路附件模型的的主要属性通过设计表的变量参数化驱动实现，设计表字段属性命名约定如表3所示，其中Standard、Material、Nominal Size、Rating等属性构成管附件的主要属性，与管路的工程规格表关联，共同构成管附件过滤器内容；Parameters表示长度、角度等值，与模型的尺寸约束等进行关联，实现模型的设计表参数化驱动。

设备模型的产品目录按照专业进行分类创建，管附件的产品目录参照部件子类表进行创建，并根据实际需求在子类下新建节进行扩展。标准库模型的建模、修改、维护及升版均在模型标准库合作区中完成，项目合作区的作者进行三维设计时，只能对模型进行调用，不能对模型特征进行修改。

3 模型关联关系

三维管路系统中模型间的关联关系，主要分为两类：参考引用以及装配约束。参考引用是子级模型对母级模型中参考元素的引用，通过自动或手动将参考的几何元素带链接地复制到子级模型中，并加以引用；装配约束是通过两个模型之间的约束关系实现的工程连接。

图2 管附件参数化建库流程

表3 管附件设计表

（表3）续

管路系统中各模型间的连接关系，如图3所示，可以划分为：

1）设备模型的装配约束：设备模型与总体要素或船体结构几何要素间的装配约束关系，存在相对位置关系的设备模型间的装配约束关系，用于定位设备在三维空间中的位置；

2）相连的管路附件之间、设备模型与管路附件间的装配约束：两个管附件模型、或设备模型与管路附件模型通过管路连接点连接的装配约束关系，用于定位管路附件在三维空间的连接关系；

3）设备模型与管路间的关联关系：设备模型与管路模型通过管路连接点连接的关联关系，用于定位管路在三维空间中与设备模型的连接关系；

4）管路附件与管路间的关联关系：管路附件模型与管路模型通过管路连接点连接的关联关系，用于定位管路在三维空间中与管路附件模型的连接关系；

5）管路与管路间的关联关系（通过管路连接点连接）：管路模型与管路模型通过管路连接点连接的关联关系，用于定位管路与管路在三维空间中的连接关系。子级管路模型参考引用母级管路模型中的管路连接点；

图3 模型关联关系

6）管路与管路间的关联关系（以支管形式连接）：管路模型与管路模型通过支管形式连接的关联关系，用于定位管路与管路在三维空间中的连接关系。子级管路模型参考引用母级管路模型中的管路节点曲线及支管处管段的管路节点。

模型间的关联关系保存在子级模型中，总是由子级指向母级，母级模型不存储关联关系，子级模型不对母级模型有任何修改，通过更新操作，可以实现母级模型更改后子级模型的自动更改。

通过模型间的关联关系，可以有效掌控船体、设备、管附件等各级模型之间的关系，表达系统的设计情况，促进产品的全生命周期管理。

图4 管路系统三维设计流程

表4 管子规格属性示例

4 三维设计优化

通过对基础资源配置、模型标准库的应用，可以对管路系统三维设计进行优化，形成如图4所示的管路系统三维设计流程，依次完成系统设备、管路、管路附件、安装件、紧固件的设计布放，从而完成三维设计。各类模型均从模型标准库中调用，通过模型产品目录或模型过滤器进行选取；管路模型可根据通径、材料等形成自动匹配，或根据规格过滤器等进行选取；模型间通过参考应用和工程连接，完成布置、定位。

管路系统三维设计过程中，通过产品目录等对模型进行调用，有效提高了系统设计效率。构建完成的管路系统中，各类模型型式统一，模型间的关联关系分类明确，管路系统三维设计的标准化、规范化水平得到显著提升，并且模型属性值丰富，如表4所示，包含多种设计信息，可为三维管路系统出图提供有力支撑。

5 结束语

本文以基于CATIA V6的船舶管路系统三维设计为对象，研究了基础资源配置策略、模型标准库构建流程、模型关联关系种类，并针对三个方面在管路系统三维设计中的应用，对管路系统三维设计流程进行优化，优化后的管路系统三维模型标准化程度高、设计信息丰富。研究结果有利于提高管路系统三维设计效率，提高管路系统三维设计的标准化和规范化水平，在工程实践中取得良好的应用效果。