基于CATIA的船舶机舱三维设计方法研究

    摘要：本文通过对CATIA软件在船舶机舱实船三维设计中的测试，指出，其自身强大的设计功能，可以涵盖船舶设计的各方面。同时，随着IBM公司对其功能的不断完善，该软件一定能在船舶制造行业取得出色的业绩。

    关键词： CATIA   船舶机舱   三维设计

    1 引言

    众所周知，CATIA[1]软件在航天航空、汽车等一些高端技术的制造行业得到非常广泛的应用和取得非常成功的效果。而将CATIA引入造船行业则是直接引用或间接借鉴了CATIA在航天、航空、汽车等制造行业内的先进成熟技术。这些技术对常规船舶、特别对航母、军舰、豪华游轮、钻井平台等特殊海洋工程平台的设计上有着非常独特的借鉴[1,2]。

    CATIA可实现船舶的可视化三维设计。其基本功能可涵盖船舶设计的各个方面，贯穿分析、设计、建造、维护整个船舶产品生命周期。CATIA软件各项模块功能强大、工作模式转换灵活，设计手段丰富简捷，其在船舶机舱三维设计中运用的

基本功能可概括为以下6个方面：

    1． 船体结构模型的设计与导入；

    2． “制造” 各类真正的三维设备、部件系列实体建模；

    3． 舱室三维实体布置；

    4． 二维原理图设计及设备、管路三维布置与部件定位；

    5． 各类统计汇总报表、加工表单、布置图、安装图的输出；

    6． 电子样船。

    2 利用CATIA进行船舶的三维设计

    CATIA软件的各个模块的运行平台，无缝地集成了基本的通用机械CAD功能与专用的船舶设计CAD功能。在实际进行船舶设计时，用户可根据其具体的设计项目，分门别类地实时切换工作模式（ 即船体结构、曲面造型、管系设计、电气电缆设计、风管设计、知识工程、人机工程、零件及装配设计、机械制图、机构仿真、模具设计、钣金设计、物理量计算、干涉检查、强度分析等工作模式 ），灵活机动地采用该工作模式环境中的各种设计手段、方法，因而，用户可最大限度地调用CATIA 软件的各种知识工程资源，同时，亦可构筑自己“个性化”工作模式，在其平台上设置各类工具条，选择合适的图标，补充相应的指令，从而来创造性地完成自己的设计工作。

    2． 1船体结构模型的设计与导入

    船体结构是进行船舶舱室设计的基础，CATIA软件针对目前船舶制造行业的各种CAD/CAM/CAE软件的实际应用情况，提供了与这些软件（如：TRIBON / NAPA / Maxsurf / Fastship / AUTOCAD等）的专用或标准接口。这些专用或标准接口，为船舶制造业已有的CAD/CAM/CAE应用软件向其方便灵活地导入数据提供了非常便捷的工具。本文直接读取TRIBON造船集成软件中的*.dxf格式的结构数据，转化、生成在CATIA软件中的船体结构模型，如图一所示。

    2．2 “制造” 各类真正的三维设备、部件系列实体建模

    运用CATIA软件先进的三维实体、曲面、线框造型建模技术和强大的二维、三维（前、后）参数化功能，从点、线、面做起，构造三维实体， 可“制造” 系列的各类船舶设备（ 见图二： 字典文件中的主机、副锅炉、燃油泵、集油筒、箱柜、发电机、燃油供油单元等 ）、基座、箱柜（日用柜、沉淀柜等）、部件、阀件（截止阀、快关阀、安全阀等）、附件（各类法兰、垫片、接头系列等）、仪表（液位计、流量表等）、管子支架、舱室用具（办公桌椅、文件箱柜、生活洁具、日常家电等）、舾装门窗、走廊栏杆等。

    这些三维实体建模工作完成后，为分门别类，构成包罗万千的字典文件（即库文件）。为在建船舶舱室三维布置中实时调用这些“备品”文件提供了便利，同时，在CATIA软件中，其参数化的建库为同型设备的体积大小、接口位置等的变更提供了方便。

    2．3 舱室三维实体布置

    CATIA软件可以根据船型特征、船体结构、舱室定义、设备卸装工艺路径等因素来快速地建立用户自己的坐标系，如图三。基于这一坐标系，用户可以构筑自己的区域（分段）设计模型。这个设计模型的最大特点是：当进行某一专业的设计任务时，可以参考、关联、共享其他专业的设计成果（即实体、数据、信息、关系、规则等），从而各专业可以在统一的设计模型中，分门别类地并行进行。

    此外，结合结构树的特性，用户可以滚动浏览结构树，对设计模型中任意指定的对象和其属性进行显示、隐含、删除、增加等处理；利用CATIA软件的三维实体生成二维视图和任意转向的轴测图的功能，生成各类布置图、安装图。更为重要的是，用户可在一体化的设计模型中，对各专业进行实时干涉检查和综合系统平衡，为精确造船提供了可视化的设计模式和操作工具。本论文以机舱（肋位从11至37）中的管系燃油供油系统为实测对象，检验其船体结构、设备、布管等功能。

    2．4 二维原理图设计及设备、管路三维布置与部件定位

    管系二维原理图（PID－Piping & Instrumentation Diagrams）驱动三维设备布置、管系路径布局和各类阀件、附件的定位放置与精确调整，是CATIA软件的一个独一无二的技术特点。这一特点，构成了无缝连接船舶管系的详细设计和生产设计这二个阶段的桥梁，确保了管系二维原理图（PID）的系统原理、设备连接、单元集成和理论走向在生产设计的实际过程中得到最直接、最科学的贯彻。运用这个原理图，用户可以驱动图中的三维设备放置，自动或手动排放管系路径、定位布置各类阀件、附件，定向调整、检测管系的流向，生成统计报表。本文以机舱燃油供油系统为例，绘制了二维原理图（PID），如图四所示，并以此驱动三维机舱设备放置、管系路径布局，如图五所示。管系二维原理图中①、②、③、④、⑤、⑥、⑦序号的二维符号分别表示燃油供油单元、燃油箱柜、集油筒、发电机、主机、副锅炉、燃油泵。

    此外，根据管系、风管和电气的设计原理和物理共性，CATIA软件提供了“路径（ROUT）”在同一设计模型中，由管系二维原理图（PID）、风管系统原理图和电气原理图驱动三维空间中进行布置的具有同一属性的路径管路、风道与电缆的几何空间走向。因而，管系、风管、电气设计人员在用同一属性路径进行各自的路径布局时，可以实时检测管系、风管、电气之间的路径干涉情况。在对管路、风管、电路和船体结构、船舶设备等进行干涉检查、综合协调、平衡整合的基础上，管系、风管、电气设计人员可分别在自己的“路径”上，直接定位放置和调整各类部件。例如：管系“路径”上的各类管子、阀件、附件、仪表、管子支架等；通风“路径”上的各类风管、风机、调风门、风管吊架等；电气“路径”上的各类电缆、附件、电缆托架等。以及检查在三维空间中布置的管系、风道与电缆系统是否应设计人员的疏忽而遗漏个别的阀件、附件等。

   2.5 统计汇总报表、加工表单、布置图、安装图的输出

    完成三维实体布置的舱室在CATIA中选择进入绘图工作模式，就可以自动投影生成二维舱室布置图。用户在二维舱室布置图上插入标准图框，标注尺寸（系统自动显示尺寸）、附加说明、设计签字等，就形成了安装布置图,如图六所示。这种根据三维实体实时投影生成二维图纸，保证了三维实体与二维图纸的一一对应，使船舶设计工作方式和操作手段变得非常灵活和简便。

    此外，舱室设计人员亦可采用CATIA成软件的辅助仿真功能进行效果渲染，还可进一步利用其四维浏览器功能，向船东提供全方位、多角度地展示舱室布置仿真效果。

    CATIA软件不仅对在详细设计阶段的各专业原理图、布置图、统计报表有很强的处理功能；同时，亦能生成在生产设计阶段中的各专业施工图纸、零件加工单、统计报表等。

    （1）用户可以结合宏指令的特性，用VB script语言，调用CATIA软件提供的Report工具来抽取管系、风道、电缆的BOM信息，并进一步利用VBA程序来客户化统计汇总功能[4]，如图七所示。

    （2）利用CATIA软件的机械制图功能，三维实体生成二维视图功能和任意转向的轴测图的功能，生成机舱各类布置图、安装图。

    （3）利用CATIA软件的管子专用模块，可根据实际需要生成八种不同形式的管子零件加工单，如图八所示。同时利用其软件自身的船体开孔模块，可以生成管子开孔表。

    2．6 电子样船

    在用CATIA进行船舶设计中，电子样船具有非常特殊的功能：其一，可通过漫游和通讯工具，进行协同审查；其二，利用其自身的仿真人系统和剖面分析、测量和3D几何比较等功能，可进行DMU（Digital Mock Up）验证，定义、模拟和分析各种规模的装配和拆卸过程，系统安装部件的可操作情况，如图9所示。此外，使用CATIA软件中四维浏览器，还可以对机舱的船体结构、设备箱柜、管系布局和舱室的区域划分、办公设备、文件箱柜、生活洁具、日常家电等进行“实地考察”。

    3 结束语

    通过在CATIA软件上进行实船的设计测试，表明将CATIA软件在航天航空、汽车等一些高端技术制造行业中取得的成果，引入造船行业可使造船业直接引用或间接借鉴了CATIA在上述领域内的先进成熟技术。这些技术对海洋工程平台的设计有着非常独特的借鉴。其基本功能可涵盖船舶设计的各个方面，贯穿分析、设计、建造、维护整个船舶产品生命周期。

    同时IBM公司对基于先进技术和完善功能的CATIA 软件的不断完善使得我们有理由相信，在航天航空、汽车制造行业占据主导地位的CATIA软件，也一定能在船舶制造行业取得出色的业绩。