基于CATIA知识工程的桅樯信号设备三维设计方法

佟 寅 孔小兵 王文丽 邬旭东

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011 ；2.中船国际贸易有限公司 上海200082）

0 引 言

为了避免碰撞，所有的海上船舶都配备各种信号设备，显示船舶所处状态，提醒附近航行的船舶注意。船舶桅樯信号设备是安装航行、通讯及信号的装置，主要有雷达桅、信号桅（前桅和后桅）、灯架、各种灯杆及首尾旗杆等。由于桅樯信号设备涉及部件较多，平台构型复杂、设计繁琐，且空间构型多，传统二维图纸表达不便，构件的精确尺寸也经常需要进行放样才能确定。因此，像雷达桅这类空间构型复杂的设备适宜采用三维设计，这样不但可提高设计效率及准确度，且设计审核也更加直观。

CATIA作为三维设计平台，在船舶领域已广泛应用，既有在船体、结构或海洋平台上的应用，也有子系统（如锚系统、舵系统）的应用。但目前尚无以知识工程为基础构建产品零件库，进行桅樯信号设备三维设计的实际应用。因此，有必要针对桅樯信号设备的设计问题，提出一种快速、便捷、高效的桅樯信号设备三维设计方法。

1 桅樯信号设备的设计组织框架

由于船舶是定制性很强的产品，几乎很少有完全相同的桅樯信号系统，设备布置和形式各有不同。但单就桅樯信号设备的形式而言，各个桅樯信号设备可简化为有限的几种形式。因此，可以根据桅樯信号设备的结构特点，将其按功能及结构拆分为若干零部件，进而将整个桅樯信号设备设计过程转化为从零件库中调用参数化零部件及装配设计，装配设计与零件库为两个相互依存的核心。

桅樯信号设备的设计工作自上而下逐层进行，利用层级式设计结构，零部件在装配关系的约束下有序构成一个设备整体。在后续设计调整时，层级式设计结构可对装配关系进行自动维护调整，进而保证设备整体一致性。

在本设计方法中，桅樯信号设备的设计组织框架如图1所示。

图1 桅樯信号设备设计组织框架

2 基于CATIA知识工程的零件库

由于在设计中大量使用了标准件及专用定制件，因此，在设计之初需要建立包含标准件及专用定制件的零件库，以便在设计时进行调用。

2.1 零件库构成

零件库分为标准件库及专用定制件库两类。标准件库主要以标准产品零件为主，即信号灯、雷达、通讯导航设备、声响设备和号型设备等，专用定制件库主要以设计布置的环境条件为输入的定制件为主，即栏杆、基座、踏步、直梯、非结构平台和加强肘板等，此类零件设计上需遵循设计要求和规范，不同的桅樯信号设备中装配的零件规格各有差别，属于高度定制化零件。基于CATIA平台的零件库主要利用知识工程重用模型的能力，通过EKL进行二次开发，将设计规范、设计要求和产品工艺信息等知识融入零件库，设计人员在设计过程中可直接调用零件库，零件库根据设计环境及要求直接生成符合要求的零部件。

具体的标准库及专用定制件库明细见下页表1。

表1 零件库示例

2.2 专用定制件库设计

基于知识工程的零件库主要体现在专用定制件库设计上，设计人员将设计知识，如行业标准、设计经验、装配关系和材料属性等进行表达，并通过参数、关系和公式等对模型进行控制，并封装集成，形成模版零件。现以雷达基座为例，说明零件库设计及实例化原理。

首先，构建参数化雷达基座，主要参数有雷达基座高度、基座管规格和肘板规格。根据计算及已有设计经验，设计不同高度的典型雷达基座形式。图2为3种不同高度的雷达基座设计，分别采用不同的基座管规格和肘板规格，以此规则构建参数化零件模型。设计时，只要给定雷达基座的装配位置及基座高度，就可以利用知识工程直接进行零部件实例化，生成满足设计要求的参数化零部件，完成一个典型的雷达基座设计。相应的零件库设计流程如图3所示。

图2 不同高度的雷达基座设计

图3 基于知识工程的雷达基座零件库设计流程

2.3 标准件库设计

标准件库的设计要求涵盖主流厂家的标准品零件，标准件种类齐全，设计接口清晰完整，空间尺寸准确即可，不必要求与产品完全一致。

3 桅樯信号设备设计流程

根据桅樯信号设备的设计组织框架，参考常规桅樯信号设备的设计流程，重新设计了桅樯信号设备设计流程，如下页图4所示。

图4 桅樯信号设备设计流程图

首先，根据船型特征及系统要求选择设备基本形式，如单层平台D型桅、双层平台D型桅、单层门字桅、3层平台桁架桅或无平台桁架桅等基本形式，使用工程模板生成基本骨架结构，并根据系统设计要求，调整主尺寸，以此作为整个设计的基本框架。

其次，根据设计要求，通过零件库调用相应的零件、将各个零件依次添加至主框架上，如添加雷达零件、信号灯零件等部件，并根据具体布置情况添加结构零件，从而完成整个桅樯信号设备设计。

在后续设计调整中，仅需通过调整零部件的装配关系，修改零件参数等方法修改设计，从而快速完成设计方案修改，无需进行全部零件的设计修改。

4 设计实例

以某型船的双层D型雷达桅设计为例，介绍基于CATIA知识工程的桅樯信号设备模三维设计方法。

根据桅樯信号设备的设计需求，首先选择雷达桅基本骨架形式，从零件库中调用参数化的骨架模型，根据设计的需求调整参数，如桅体平台高度、平台主要尺寸和桅体基平面尺寸等信息，生成骨架模型（见图5）。

图5 参数化的骨架模型

其次，根据骨架模型进行装配设计，对标准件及专用定制件进行定位，并进行根据布置环境调用零件库，进行零件实例化，进而完成整个设计。以平台栏杆为例对零件库的整个调用过程进行说明。

根据设计意图，确定栏杆甲板及轮廓线（见图6）；选择栏杆零件环境变量及设计参数，完成零件实例化，生成符合要求的栏杆（见下页图7）。当设计需要修改时，如修改平台轮廓，栏杆将根据平台修改情况自动更新栏杆设计（见图8）。这样，在设计中仅需修改骨架参数及装配关系，其余零件就可以根据装配关系自动进行更新，可有效减小设计修改的工作量。

图6 栏杆甲板及轮廓线

图7 甲板栏杆

图8 修改平台轮廓后自动更新的栏杆

随后，反复调用零件库，完成整个雷达桅的设计（见图9），整个雷达桅的设计即从单一雷达桅整体设计转化为雷达桅装配设计及零部件模块选型设计。从同一个零件库调用工程模板生成的零部件，零部件满足设计规范和需求，提高了设计标准化程度及零部件重用效率。由于整个雷达桅中骨架模型与功能模型是通过装配关系组织在一起的，后期设计修改时调整装配定位关系即可同步调整雷达桅整体设计，提高了设计响应速度。

图9 雷达桅设计过程

5 结 语

针对桅樯信号设备的设计问题，提出一种基于CATIA知识工程的桅樯信号设备三维设计方法，此方法利用参数化建模技术，构建基于知识工程的零件库，设计中调用专用零件，实现了桅樯信号设备便捷高效的设计。设计中采用基于知识工程的零件库，可提高设计标准化程度、提升设计知识利用率、有利于设计经验的传承及维护更新，可为相关设计人员重构设计流程和设备组织框架提供可借鉴的应用实例。