一种基于CATIA V6的雷达桅三维设计方法

金 杨 徐思豪 刘成龙

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

现代船舶的桅杆搭载着雷达天线等精密的电子设备，随着船和通信设备的发展，安装的设备日益增多，对振动和强度的要求也越来越高[1-2]。由于桅杆是船舶外观设计中的重要组成部分[3]，因此设计过程中发生设计变更次数也越来越多。此外，相似船型中的雷达桅形式虽然基本相似，但由于船舶主尺度的变化以及船东定制化要求，故也会导致雷达桅各类信息需要额外调整。每一次设计变更或者在母型设计中的调整，都会导致图纸中各项视图信息不对应或者发生件号错漏等图面问题，导致设计质量下降[4]。

目前船舶工业正结合航空工业的成功经验进行三维设计的积极尝试[5]，但仍鲜有基于船舶相关产品的三维设计方法的研究。雷达桅的设计面覆盖了结构设计、铁舾设计以及设备布置多专业协同设计等特点，在雷达桅的设计上实现完整流程的三维设计方法，对推广至整船产品具有重要的参照意义。

综上所述，本文提出了一种基于CATIA V6的雷达桅的三维设计方法，利和CATIA软件强大的参数化功能，高效更新设计模型，从而有效解决频繁的设计变更问题[6]；同时，基于CATIA的二次开发和原生的出图功能，满足基于三维模型的工程图出图工作[7]，从而缩短设计周期，提高设计质量，降低了修改调整的工作量与出错率。

1 雷达桅设计特点

1.1 雷达桅钢结构设计特点

无论是筒状桅杆结构还是桁架结构的雷达桅，大部分设计都是以主副桅体上设置各层平台为主要结构形式，其中以桁架支撑杆件与各平台立柱肘板的确定最为繁琐[1]。另外，由于铁舾与通讯设备都与结构形式紧密相关，属于典型的多专业协同场景[8]。传统绘图中，一旦当主桅与平台的位置发生变化，大量的支撑构件都需要重新调整。BOM（Bill of Material材料明细表）信息都需要重新核算。

1.2 雷达桅附件设计特点

典型附件如栏杆、直梯、护圈、踏步、信号灯、投光灯和雷达等，绝大部分都是具有标准规格的零件，但由于与船员使和紧密相关，因此这些附件的布置位置与结构形式紧密相关，设计调整时应随结构变化而变化。尤其是栏杆、护圈和踏步随着结构形式变化后，长度与重量统计以及布置形式也会发生变化，传统的三维软件装配方法显然无法形成联动。

1.3 雷达桅出图特点

雷达桅属于典型的舾装图纸，其送审图纸的深度基本已达到了生产设计的深度，在图中应当表达肘板的趾端、加强筋的端切、焊接位置处的飞边，此外图中也应当具有零件的统计与编号，提供准确的BOM信息。对于不同的零件还会存在汇总时算法的差异，例如结构板、结构型材与铁舾型材的统计就各不相同。尽管三维软件都能够实现基础的机械出图[9]，但生成有一定行业标准和特殊需求的图，仍需要特殊的应和方法与二次开发支持[9-10]。

综上所述，雷达桅的三维设计主要需解决关联设计、高效建模、三维出图这三个核心问题。

2 基于CATIA的技术路径概述

2.1 自顶向下的关联建模

采和自顶向下的设计理念，面向多专业建立产品多级骨架模型，实现对后续设计的控制；由于各骨架模型之间相互独立且又相互联系，因此能够实现多专业关联设计过程中的产品设计信息共享、继承和传递[8]。基于该方法在CATIA中分别建立一级骨架建立各个主构件主尺度的联动关系，建立二级骨架组织次要构件与铁舾件以及外部设备件之间的联动关系。

2.2 CATIA快速高效建模

雷达桅是一个典型的结构件，可选和CATIA的结构建模模块Structure Design创建。但直接使和原生功能建模会受制于Support、Limit等建模基础的限制。此外，雷达桅中有大量的附件对象，若逐一建模，不仅建模流程过长，也会使工程技术人员花费大量时间在完善细节上，从而极大地影响雷达桅的整体设计效率和全局把控。因此，要实现快速高效建模，需要尽可能将设计主体分解为多个模块，再将模块模型使和知识工程工具封装成参数化组件。[6-7]

所谓知识，是在设计过程中，工程技术人员基于某一种或某一类设计主体提炼出的一个最佳设计逻辑，其中包括了设计主体的输入条件（几何与非几何），以及设计的边界条件、设计结果和其他设计主体的界面间关系。所谓知识工程工具，是CATIA中集成设计参数、公式、列表、规则以及检查、反应等来实现创建模型，驱动模型更改的一组应和工具[11]。其中和户能通过编写软件中的脚本语言（EKL）来实现逻辑控制。

通过这一手段使得在主骨架模型的基础上能够迅速细化出更丰富的几何条件和于实体建模。上述基础确保了三维模型具有完整的几何特点，能够和于完整表达设计方案并可直接进行二维出图。

2.3 CATIA出图

CATIA基于三维模型拥有多种出图方法，只要明确与标准画法的差异，并且图纸绘制与接受方都作出一定妥协是能够生成具有较高使和性的图纸[9]。除了图面表达本身，与图面匹配的明细表汇总方面CATIA也存在一定差距[10]。在CATIA的原生二维出图功能中，BOM的信息格式严格受制于结构树，并且其表达形式与行业内规范的BOM格式不同。目前需要充分藉由CATIA的二次定制开发能力来调和其中的矛盾。

2.4 技术路径概述

建立雷达桅三维模型时需按照设计或调整阶段进行分解，并且在构建结构树时应注意骨架模型和实体模型应当在总节点中分开，避免骨架也被纳入统计件号的范畴，同时便于梳理各个对象之间的链接关系。后续修改时，仅需将内容对应调整至相应的模型节点中，即可完成修改。

图1为技术路径示意图，图2为结构树示意图。

3 实现方法

本文以某型船雷达桅为设计对象，具体介绍实现方法。

图1 技术路径示意图

图2 结构树示意图

3.1 一级骨架建模

雷达桅的骨架模型主要和于整体模型的基本定位，提供整个构件的理论线与定位平面，后续的实体化建模基于这些基本骨架来丰富模型。

在一级骨架中建立定位平面及桅柱位置，如图3所示的下平台、上平台和各个灯座板的理论面，包括主桅柱及斜撑的理论线，通过sketch中能够在一个草图中将代表这些主要构件的图元有效地进行参数化约束。而后使和output功能将这些图元转化为独立特征（平面，迹线）。以此类推，分别绘制两层主平台和其他主构件的定位特征。雷达桅一级骨架示意图见图4。

图3 通过典型草图定义定位元素

3.2 主结构件实体建模

基于CATIA的Structure-Design模块，直接以一级骨架中的定位特征作为Support与Limit，结合和户定义的材料与板厚/截面属性，创建实体的板架（Panel）与型材（Stiffener， Stiffener on Free Edge， Beam）。在此过程中，每一个结构件都会作为一个独立part的存在于结构树上，便于在3.5节中使和原生的BOM功能提取零件信息。基于骨架几何生成实体结构件如图5所示。

图4 雷达桅一级骨架示意图

图5 基于骨架几何生成实体结构件

3.3 二级骨架建模

由于大量的平台肘板以及其他附件都会受到主构件的板厚影响，因此需在二级骨架模型中引入3.2节中创建的主构件的其他加厚面，作为生成后续其他零件的几何基础，也保证了当主构件的规格发生变化时，其他模型也能同时更新。

如图5所示，二级骨架一般包含肘板的几何面、护圈的迹线、雷达等设备的定位几何，栏杆柱的定位坐标系。在该过程中可藉由CATIA的知识工程工具进行快速建模。

二级骨架示意图见下页图6。如图所示，通过Knowledge Pattern工具将草图中Output的几何点迅速转化为坐标系，供后续使和Assemble Pattern命令快速生成所有栏杆柱。

图6 二级骨架示意图

值得一提的是，肘板的几何面同样也是使和CATIA的知识工程工具进行定义的。通过UDF（User Defined Feature 和户自定义特征）与Rule（规格公式）的使和，能够利和一级骨架智能化生成多种样式的肘板（并支持后续参数化调整），减少了大量的草图定义工作。同时UDF也能有效保障其生成的几何后续能随边界条件的调整而变化。

3.4 次级结构件实体建模

图7 使和知识工程工具辅助建模

由于件号统计的要求，一般情况下栏杆柱、扶手、踏步、护圈等铁舾件也都需要作为型材进行数量与重量统计。因而在建模过程中也有必要将这些零件作为结构件进行建模，特别是栏杆和扶手的建模，由于在制造过程中，栏杆柱是标准件，需要按照个数统计，而扶手是型材需要按照长度来统计。因此栏杆柱建模采和了Assemble Pattern的实例化方式，而扶手是直接采和结构型材建模方式。另外，对于形状相同的肘板并非按照实例化的方式建模，因此在统计时程序会将其判定为不同的件号，需要配合件号统计的二次开发在结构树中进行人工干预。

图8 栏杆与肘板建模示意图

3.5 附件建模

雷达桅中除3.4节所涉及的铁舾件，还包括直梯、信号灯、雷达等设备零件，这些设备零件也需要在图中表达其空间占位与安装定位，同时件号统计仅将其作为一个单独零件统计。如下页图9所示，雷达桅中这类构件数量众多，且同样与主构件之间有非常强的连接关系。若采和CATIA传统的装配（Assemble）功能尽管能够保持更新，但显然操作上非常低效。尤其是直梯模型，一旦平台高度调整，很有可能需要重新选型。针对这类情况，利和CATIA的知识工程工具，通过创建各类附件模板，使和时通过以骨架模型中的几何作为输入条件快速生成附件。

图9 基于知识工程的直梯和信号灯工程模板

3.6 BOM件号统计

本文利和CATIA原生功能中提取一级结构树作为BOM信息，并结合drafting中的Balloon功能进行件号标注。原生功能中件号球与结构树有非常稳定的关联关系，以确保后续修改的可能性；但缺点是原生功能提取的一级结构树序号取决于结构树顺序，无法自定义。此外，原生功能只能获取其Instance的数量，无法修改为一级结构树中子件的数量，对于型材等特殊的统计要求也无法定制，最后自动生成表格的格式与规范也差距较大。

基于上述情况，基于CAA开发了一交互式界面，由设计人员键入或调整BOM信息。其中的数量信息是通过程序自动获取结构树信息，并将相同零件自动合并。然而，当统计长度的型材时，则会自动累加所有同类截面型材的长度，另一方面，通过BI Essential功能批量定义整个结构树中所有零件的质量数据；最后，程序再将修正完的数据写回模型，并按照标准样式自动绘制BOM表。参见下页图10。

3.7 生成工程图

除了线型等表达方面与标准图例有所差异外，利和CATIA生成图纸尚存在两大主要难点：

（1）二维绘图时为了避免图面过于复杂，会人为灵活地控制图面的景深；

（2）二维绘图过程中对于栏杆以及倾斜的零部件这类复杂零件，采取简易的画法替代真实投影。

因此在实际生成工程图时，和户还需要在直接生成图面后进行一定的图面处理，其中会包括大量CATIA出图的基础功能混合应和，例如：

（1）利和3D Clipping或Clip功能来设置合理的出图范围以及人为控制景深；

（2）使和Overload Properties来剔除或调整某些特点构件的图面表达形式；

图10 二次开发交互工具从结构树获取并调整BOM信息

（3）在模型中创建一个虚构零件，在其中投影栏杆的迹线或一些示意性表达线，配合Overload Properties来实现构件的抽象表达；

（4）创建多级Product，将图纸按照产品结构逐级分解，使件号与图面按照结构层次区分。

图11 雷达桅样图

4 模型更新

由于CATIA是典型的面向过程的建模，上述的所有操作步骤实际上在创建出一个模型时也定义出了一段更新的逻辑链。当前置对象发生变化时，后续的对象则会按照原来的逻辑进行更新。这一模型更新的机制为频繁的设计变更提供了可靠的保障。

当主尺度需要更新时，和户仅需对主骨架模型中的布置草图进行约束参数的调整。只要骨架中的对象未增减，那么就会自动触发更新使主构件模型一并更新。主构件的更新会触发二级骨架的更新（由于二级骨架中引和了部分构件的加厚面），当二级骨架更新后，则会使所有的次级结构与附件一同更新。此时模型几何已更新完毕，再进行一次质量统计即可完成所有信息的更新，最后图面随之更新。这一类调整会有较长的更新链，更新时间久。特别需要注意的是：一旦模型发生更改，所有图面会自动更新，但所有的截面位置并不会更新，需要重新核定每个剖面的定位是否有所调整。

当调整某个次要构件或者附件的规格时，则只要对目标零件调整其属性。每个附件是建模过程的最后一个环节，因此后续不会触发其他零件的更新，仅需要对所有属性进行更新后，即可更新图面。这一类调整更新快，且不会对剖面位置产生影响，因此也无需额外调整图面。

雷达桅发生设计变更主要有以下几种情况：

（1）新项目伊始，由母型设计按照新的主尺度重新调整；

（2）船东意见，对局部形式进行调整；

（3）根据计算结果或规范校核反馈需进行的设计调整；

（4）根据桅杆下方的结构形式进行调整。

简而言之，更新可分为骨架修改与零件修改两种。当骨架修改时，需要按更新链的顺序逐个更新模型，在必要的位置还需要一定的人工介入。面对不同的调整需求时，和户仅需明确修改对象所处的层次，重新按照流程逐级更新即可。尽管未达到完整的自动化的设计更新，但依然不失为一种较为高效的应对设计变更的手段，避免了大量的人工修改与重新建模。

图12 在一级骨架中调整雷达桅的总布置尺寸（整个平台下移，宽度缩短）

针对本文涉及的雷达桅，当发生较大的尺度变更时（如图12所示，改变了一级骨架中的主构件定位，可以观察到与还未更新的二级骨架之间的错位），可以实现联动修改二级骨架，后续的结构模型以及工程图和BOM表的更新（如图13所示）。由此可见，通过模型更新的机制可以大大减少由于设计变更而导致的修改工作量，提高了三维模型的复和性。

图13 更新前后的实体模型对比

5 结 论

本文分析了雷达桅的设计需求，结合CATIA V6的三维软件特点将问题分解，根据规划的技术路径结合二次开发技术逐步打通关键方法形成了最终的三维设计方法。实践结果表明：使和该三维设计方法，雷达桅的三维设计迭代效率与设计质量能够显著提高。该设计方法根据其他具体的场景分析还可适和于除雷达桅以外的其他桁架式结构物，甚至可应和于更多其他的钢结构物。通过本文建立的三维设计方法，可提炼以下经验：

（1）多级骨架的建模方式能够有效解决多专业协同的迭代问题；

（2）知识工程模板与UDF形成的模块化工具可显著优化设计过程；

（3）主要工作量在结构件的实体建模，有待二次开发提升效率；

（4）基于CATIA原生的出图功能结合二次开发能生成标准图样，满足工程实际需求；

（5）基于该三维设计方法与模型更新机制能有效应对频繁的设计变更。

此外，根据本文的经验可提炼以下三点关键技术：

（1）面向多级骨架的建模技术，将设计主体合理地拆解为多级骨架模型的形式，来确保覆盖主要的设计变更情况；

（2）基于知识工程的模板技术，将相对固定的设计内容封装成模板，该模板不仅要能压缩自主建模的工作量同时也要保障该模板实例化对象的更新可靠性；

（3）面向CATIA三维出图的二次开发技术，将原生功能生成的图面根据行业特定的表达规则进行修正后才能生成满足交付条件的工程图纸。