盧永進(jìn)

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064

基于IDEF0的設(shè)備裝艦緊固件設(shè)計開發(fā)

盧永進(jìn)

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064

［目的］為提高設(shè)備裝艦過程中的緊固件設(shè)計效率和質(zhì)量，［方法］緊密結(jié)合艦船施工設(shè)計任務(wù)，系統(tǒng)描述設(shè)備裝艦用緊固件設(shè)計流程。運用IDEF0分析方法建立設(shè)備裝艦緊固件設(shè)計功能模型，并從輸入、輸出、控制和機(jī)制等方面梳理出設(shè)計過程中的信息傳遞和關(guān)聯(lián)關(guān)系，以準(zhǔn)確反映緊固件設(shè)計過程中的數(shù)據(jù)流、信息傳遞和關(guān)聯(lián)關(guān)系。［結(jié)果］結(jié)合滿足于設(shè)計者和開發(fā)者的設(shè)計功能模型，并基于AutoCAD軟件VBA二次開發(fā)工具構(gòu)建出了設(shè)計軟件技術(shù)框架。［結(jié)論］研究結(jié)果可為緊固件設(shè)計工程應(yīng)用和軟件開發(fā)提供解決方案與理論支持。

設(shè)備裝艦；緊固件；功能模型；設(shè)計流程；IDEF0

Abstract：［Objectives］In order to improve the efficiency and quality of fastener design during equipment installation，in combination with the construction design of warships，［Methods］the design flow of fasteners for warship equipment installation is described.The design function model of fastener design for warship equipment installation was established using the IDEF0 analysis method，and the information transmission and association relation in the design process were analyzed in such aspects as input，output，control and mechanism，accurately reflecting the fastener design process of data flow，information transmission and correlation.［Results］Finally，based on a design function model acknowledged by both engineers and programmers，a design technology framework was constructed using the VBA language of AutoCAD software.［Conclusions］The results show that the design function model and technology framework can provide solutions and theoretical support for design engineering application and software development.

Key words：warship equipment installation；fastener；functional model；design development；IDEF0

0 引 言

在艦船施工設(shè)計階段需要編制數(shù)量巨大的設(shè)備安裝圖。設(shè)備安裝圖主要包含設(shè)備定位信息和緊固件設(shè)計2個部分的內(nèi)容，其中緊固件設(shè)計又包括機(jī)腳示意圖繪制、明細(xì)表創(chuàng)建和技術(shù)要求生成三大內(nèi)容。在緊固件設(shè)計過程中，需要對與包括設(shè)備專業(yè)和結(jié)構(gòu)專業(yè)有關(guān)的基座信息進(jìn)行多輪協(xié)調(diào)，同時，設(shè)計者還需頻繁查詢標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，進(jìn)行手工繪圖并統(tǒng)計緊固件信息，故整個過程復(fù)雜繁瑣，易于出錯。目前，針對緊固件的研究工作主要是通過力學(xué)分析手段對特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考與指導(dǎo)作用，缺乏考慮安裝工況和工程化設(shè)計應(yīng)用，尤其是在標(biāo)準(zhǔn)緊固件大批量裝艦設(shè)計方面研究還不夠深入。鑒于IDEF0作為基于功能分解的建模技術(shù)，被較廣泛地用于復(fù)雜系統(tǒng)的功能分析，張曉東等［1］利用IDEF0方法理清了艦載機(jī)出動回收作業(yè)流程中各組件系統(tǒng)間的信息交互和互操作關(guān)系，形成了面向工程研制的仿真模型。本文將采用IDEF0的圖形化方法系統(tǒng)描述緊固件設(shè)計過程，梳理出設(shè)計流程中的相互作用與制約關(guān)系，為基于AutoCAD的設(shè)備裝艦緊固件設(shè)計提供開發(fā)需求，從而有效保證緊固件的設(shè)計質(zhì)量。

1 IDEF0概述

IDEF（Integrated computer aided manufacturing definition）基本概念是從上世紀(jì)70年代產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)化分析方法發(fā)展而來，該方法為美國空軍1981年公布的集成計算機(jī)輔助制造工程中的方法，用于復(fù)雜系統(tǒng)的建模分析和設(shè)計［2-6］。發(fā)展至今，IDEF已日臻完善，包含從IDEF0到IDEF14共計16套方法，每套方法均通過建模程序獲取某個特定類型的信息。其中，IDEF0結(jié)合結(jié)構(gòu)化分析和設(shè)計技術(shù)，運用規(guī)定的圖形符號和自然語言，嚴(yán)格按照自頂向下、逐層分解的結(jié)構(gòu)化方法描述和建立系統(tǒng)功能模型，以確保系統(tǒng)順利實施。

如圖1所示，IDEF0模型采用盒子和箭頭2種基本組件構(gòu)成［7-9］。圖中，盒子表示設(shè)計過程中的一系列活動，箭頭則表示輸入、輸出、控制與機(jī)制。其中：輸入為完成某項活動所需的條件；輸出表示執(zhí)行活動產(chǎn)生的結(jié)果；控制是進(jìn)行活動與變化的約束；機(jī)制是完成活動的工具或方法，通常為執(zhí)行人或設(shè)備等。

IDEF0采用圖形化及結(jié)構(gòu)化的形式來表達(dá)系統(tǒng)功能及相互關(guān)系，在各個行業(yè)的系統(tǒng)功能建模中得到了廣泛應(yīng)用［10］。該方法在降低開發(fā)費用、減少系統(tǒng)錯誤、促進(jìn)開發(fā)需求信息一致性等方面均具有較好的效益。

圖1 IDEF0功能模型圖Fig.1 IDEF0 functional model

2 緊固件設(shè)計過程描述

設(shè)備裝艦設(shè)計中，緊固件設(shè)計在于確保設(shè)備能夠可靠而持續(xù)地運行，使其功能和性能在各種工況下均滿足系統(tǒng)使用要求。繪制的機(jī)腳安裝示意圖和明細(xì)表，能夠準(zhǔn)確反映緊固件組成、相應(yīng)規(guī)格與屬性等信息。此外，對于帶電運行、振動噪聲顯著的設(shè)備，還需要考慮相應(yīng)的接地處理和減振降噪等措施。

緊固件設(shè)計之前，設(shè)計者需獲取設(shè)備對應(yīng)的布置圖和小樣圖，掌握設(shè)備接口與屬性信息。同時，明確設(shè)備的安裝要素、減振及接地要求。設(shè)計流程如下：

1）了解設(shè)備布置位置，合理規(guī)劃視圖組成。

2）向結(jié)構(gòu)專業(yè)發(fā)送技術(shù)聯(lián)系單，獲取設(shè)備安裝基座對應(yīng)面板的厚度。

3）根據(jù)螺栓直徑選取規(guī)則，結(jié)合機(jī)腳孔徑查閱標(biāo)準(zhǔn)確定緊固件公稱直徑，選取的公稱直徑應(yīng)比機(jī)腳孔徑小1.5～2 mm。

4）綜合考慮設(shè)備安裝情況，確定機(jī)腳安裝形式和緊固件組成，計算安裝螺栓理論長度（螺栓長度應(yīng)滿足設(shè)備裝艦后伸出螺母2～3個螺紋牙），根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范選取螺栓規(guī)格。

5）繪制機(jī)腳安裝示意圖，反映出緊固件組成內(nèi)容。

6）結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，統(tǒng)計安裝設(shè)備和所用緊固件信息，形成明細(xì)表，確保部件序號與示意圖一一對應(yīng)。同時，計算出安裝圖總重量。

7）編輯技術(shù)要求內(nèi)容，涵蓋基座圖號、安裝工藝等。

由此可見，緊固件設(shè)計形成了機(jī)腳示意圖、明細(xì)表、技術(shù)要求和圖紙總重量信息。從設(shè)計過程來看，涉及專業(yè)協(xié)調(diào)、標(biāo)準(zhǔn)查詢、規(guī)則推算等內(nèi)容，較為繁雜。有必要利用IDEF0方法對緊固件設(shè)計相關(guān)數(shù)據(jù)流程和功能需求進(jìn)行有效分析，從而開發(fā)面向工程研制的緊固件設(shè)計軟件。

3 緊固件設(shè)計開發(fā)功能模型

在建模之初，確定模型的立足點尤為重要。設(shè)備裝艦用緊固件模塊旨在通過設(shè)計參數(shù)輸入和鼠標(biāo)操作自動生成設(shè)備機(jī)腳示意圖、明細(xì)表等，并滿足設(shè)計出圖和質(zhì)量檢驗的要求。圖2是設(shè)備裝艦用緊固件設(shè)計的A0圖，通過總體把握緊固件設(shè)計的主要功能，重點定義軟件與外部的聯(lián)系。圖3所示為根據(jù)緊固件設(shè)計軟件的功能要求，逐層向下細(xì)分為參數(shù)設(shè)置與規(guī)格選取、機(jī)腳示意圖自動繪制、明細(xì)表創(chuàng)建、技術(shù)要求編寫4個模塊。設(shè)計者結(jié)合施工設(shè)計要求、設(shè)備小樣圖等信息，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、設(shè)計規(guī)則和畫法規(guī)定，清理出設(shè)計輸入信息和緊固件明細(xì)，并以緊固件明細(xì)、視圖比例和機(jī)腳示意類型作為輸入信息，結(jié)合基本圖元和畫法規(guī)定，實現(xiàn)機(jī)腳示意圖自動繪制，然后根據(jù)設(shè)備接口信息輸入緊固件數(shù)量和材料名稱，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫和畫法規(guī)定，對應(yīng)機(jī)腳示意圖中的序號，生成明細(xì)表。此外，再結(jié)合基座圖號信息，按照工藝要求模板生成技術(shù)要求。該模型不僅明確描述了緊固件軟件系統(tǒng)功能，而且還指出了所包含各模塊之間的關(guān)系及其控制約束和機(jī)制。

圖2 設(shè)備裝艦用緊固件設(shè)計IDEF0圖Fig.2 IDEF0 model of fastener design for warship equipment installation

圖3 設(shè)備裝艦用緊固件詳細(xì)設(shè)計功能模型Fig.3 Functional model of detailed fastener design for warship equipment installation

3.1 參數(shù)設(shè)置與規(guī)格選取

根據(jù)IDEF0的分析方法和規(guī)則，將參數(shù)設(shè)置與規(guī)格選取模塊進(jìn)行分解，包含操作界面參數(shù)設(shè)置、公稱直徑確定與數(shù)據(jù)提取，以及螺栓規(guī)格選取與校核3個子模塊，如圖4所示。操作界面參數(shù)設(shè)置按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，輸出緊固件設(shè)計所需的設(shè)備信息和參數(shù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)計算、緊固件選取、示意圖繪制等提供輸入。公稱直徑確定與數(shù)據(jù)提取按照設(shè)計規(guī)則，通過機(jī)腳孔徑推算出緊固件的公稱直徑，并根據(jù)對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提取螺母、墊圈等緊固件的厚度和重量信息。結(jié)合上述數(shù)據(jù)信息和結(jié)構(gòu)專業(yè)提供的基座面板厚度，螺栓規(guī)格選取與校核在計算出理論安裝長度后，根據(jù)緊固件公稱直徑，選取合適的螺栓規(guī)格并提取明細(xì)。此外，針對半螺紋螺栓，還需核算其非螺紋部分長度是否小于機(jī)腳與基座面板厚度之和。

針對公稱直徑確定與數(shù)據(jù)提取，可拆分為緊固件公稱直徑確定和緊固件數(shù)據(jù)提取2個部分，如圖5所示。緊固件公稱直徑確定由機(jī)腳孔徑根據(jù)螺栓直徑計算規(guī)則計算出理論值，從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中選擇小于或等于理論值的緊固件公稱直徑。緊固件數(shù)據(jù)提取則以標(biāo)準(zhǔn)號、機(jī)腳示意類型為輸入，根據(jù)公稱直徑，從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中獲取螺母、墊圈等重量并計算螺栓長度用的幾何數(shù)據(jù)（含螺母、墊圈厚度等）。

圖4 參數(shù)設(shè)置與規(guī)格選取功能模型Fig.4 Functional model of parameter settings and specification selection

圖5 公稱直徑確定與數(shù)據(jù)提取功能模型Fig.5 Functional model of nominal diameter selection and data extraction

3.2 機(jī)腳示意圖自動繪制

機(jī)腳示意圖子模塊可分為二維基本圖元提取、機(jī)腳示意圖繪制和示意圖緊固件序號標(biāo)注3個子模塊，如圖6所示。設(shè)計者選取合適的機(jī)腳示意類型，軟件自動從基本圖元庫中選擇對應(yīng)的基本圖元，結(jié)合緊固件幾何信息形成參數(shù)化塊，然后根據(jù)視圖比例和參數(shù)驅(qū)動原理生成機(jī)腳示意圖。最后，對圖中設(shè)備及緊固件進(jìn)行批量標(biāo)注，并滿足標(biāo)注序號對齊要求。

3.3 明細(xì)表創(chuàng)建

明細(xì)表務(wù)必對應(yīng)示意圖中編號，列出示意圖中設(shè)備及緊固件的名稱、規(guī)格、數(shù)量、材料及重量等信息。明細(xì)表創(chuàng)建子模塊包括明細(xì)表圖框繪制和內(nèi)容編輯，如圖7所示。根據(jù)安裝圖畫法規(guī)定，結(jié)合設(shè)備及緊固件項數(shù)，從圖元庫中調(diào)用生成明細(xì)表圖框。圖框應(yīng)有序號、圖號或標(biāo)準(zhǔn)號、名稱、數(shù)量、材料、單件重量、總計重量和附注等欄目，且確保行數(shù)正確。明細(xì)表內(nèi)容編輯需輸入緊固件數(shù)量、材料名稱，對應(yīng)機(jī)腳示意圖中序號，讀取標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中的緊固件屬性信息，填寫到對應(yīng)欄目即完成明細(xì)表自動創(chuàng)建。

3.4 技術(shù)要求編寫

通常而言，安裝圖技術(shù)要求基本相同，僅對應(yīng)基座圖號不同。因此，在技術(shù)要求編寫模塊中，僅需輸入基座圖號，按模板即可生成圖紙技術(shù)要求。

4 緊固件設(shè)計VBA開發(fā)

緊固件設(shè)計開發(fā)采用AutoCAD平臺內(nèi)面向?qū)ο篌w系結(jié)構(gòu)的二次開發(fā)編程語言VBA作為工具。基于VBA開發(fā)的設(shè)備裝艦用緊固件設(shè)計包括3個部分：確定AutoCAD對象類型、建立可視化窗體界面、建立應(yīng)用程序模塊。其中應(yīng)用程序模塊包含基本模塊和特征類模塊。

在VBA開發(fā)工具中，對象表示AutoCAD程序中的元素。通過確定對象類型以便于識別，從而實現(xiàn)對程序的有效操作和控制。同時，VBA還具備較強的可視化界面創(chuàng)建功能，通過編程環(huán)境可直接建立緊固件設(shè)計軟件的對話框和操作界面。圖8為設(shè)備信息錄入典型操作界面，包含設(shè)備類型、設(shè)備重量、運行狀態(tài)、機(jī)腳厚度、是否帶電、機(jī)腳孔徑和安裝狀態(tài)等選項，以供設(shè)計者進(jìn)行選取和參數(shù)輸入，為后續(xù)軟件自動推算和生成圖形提供有效輸入。

緊固件設(shè)計涉及緊固件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、設(shè)計規(guī)則、制圖規(guī)定、圖元庫和示意圖等大量的知識信息，在開發(fā)過程中，可采用Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。所有緊固件圖元和示意圖均以AutoCAD形式存儲。利用VBA語言對設(shè)計規(guī)則、基座板厚選取表和緊固件繪制進(jìn)行編譯以形成類模塊，便于后續(xù)程序調(diào)用和讀取。圖9所示為整個緊固件設(shè)計技術(shù)框架，由設(shè)計技術(shù)、視圖繪制和技術(shù)要求表達(dá)3個部分組成。設(shè)計技術(shù)在讀取設(shè)計輸入?yún)?shù)后，進(jìn)行規(guī)則計算和數(shù)據(jù)推送，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范確定緊固件規(guī)格，并獲取相應(yīng)的重量和幾何參數(shù)。機(jī)腳示意圖繪制根據(jù)選取規(guī)格，從圖元庫中選取圖元，按照制圖規(guī)定和幾何參數(shù)進(jìn)行自動繪制，同時對應(yīng)示意圖生成明細(xì)表。技術(shù)要求在輸入基座圖號后，按照模板形成技術(shù)要求。

圖6 機(jī)腳示意圖自動繪制功能模型Fig.6 Functional model of automatic drawing for machine foot schematic

圖7 明細(xì)表創(chuàng)建功能模型Fig.7 Functional model of parts list generation

圖8 設(shè)備信息錄入操作界面Fig.8 Equipment information input interface

5 結(jié) 論

本文采用IDEF0分析方法對設(shè)備裝艦緊固件設(shè)計開發(fā)進(jìn)行了研究，得出如下主要結(jié)論：

1）結(jié)合施工設(shè)計工程實踐，以緊固件設(shè)計為分析對象，對緊固件設(shè)計流程進(jìn)行描述有助于設(shè)計者快速高效地完成設(shè)計任務(wù)，避免重復(fù)工作。

圖9 設(shè)備裝艦用緊固件設(shè)計技術(shù)框架Fig.9 Fastener development framework for warship equipment installation

2）利用IDEF0方法建立設(shè)備裝艦用緊固件設(shè)計功能模型，能準(zhǔn)確反映緊固件設(shè)計過程中的數(shù)據(jù)流、信息傳遞和關(guān)聯(lián)關(guān)系，為開發(fā)人員提供設(shè)計開發(fā)需求，可有效控制開發(fā)質(zhì)量。

3）運用VBA語言作為開發(fā)工具，從確定對象類型、界面創(chuàng)建和模塊構(gòu)建3個方面對設(shè)計開發(fā)開展分析，可構(gòu)建設(shè)備裝艦用緊固件設(shè)計操作界面和技術(shù)框架。

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Fastener design development technology for warship equipment installation based on IDEF0

LU Yongjin
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

U662.9

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.05.006

2016-11-01< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間：

時間：2017-9-26 11:15

國家部委基金資助項目

盧永進(jìn)（通信作者），男，1982年生，博士，工程師。研究方向：船舶設(shè)計信息化。E-mail：soda1998@126.com

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170926.1115.034.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

盧永進(jìn).基于IDEF0的設(shè)備裝艦緊固件設(shè)計開發(fā)［J］.中國艦船研究，2017，12（5）：46-51.

LU Y J.Fastener design development technology for warship equipment installation based on IDEF0［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（5）：46-51.