萬江龍，潘瓊文，徐紀(jì)偉，鄭恒持，朱 忠

船舶電氣系統(tǒng)三維協(xié)同設(shè)計方法

萬江龍1 2，潘瓊文1 2，徐紀(jì)偉1 2，鄭恒持1 2，朱 忠1 2

（1. 中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082；2. 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇無錫 214082）

分析了傳統(tǒng)電氣系統(tǒng)三維設(shè)計與CATIA 3DE三維協(xié)同設(shè)計的區(qū)別，介紹了采用CATIA 3DE平臺進(jìn)行電氣系統(tǒng)建模的工作流程，提出了電纜托架、水密接插件等電氣舾裝件的結(jié)構(gòu)化命名方式，研究了大型工程項目電氣系統(tǒng)三維協(xié)同設(shè)計方法，并通過實例建模的方式驗證了該方法的快速性及高效性。

CATIA 3DE 電氣庫 電纜通道 電氣系統(tǒng) 三維協(xié)同

0 引言

為適應(yīng)工業(yè)信息化技術(shù)的發(fā)展，提高船舶及潛水器項目設(shè)計效率，我國船舶行業(yè)引入法國達(dá)索公司的3D EXPERIENCE三維協(xié)同設(shè)計平臺，以期實現(xiàn)未來船舶設(shè)計工作數(shù)字化、協(xié)同化、信息化，從而進(jìn)一步高效、高品質(zhì)的完成設(shè)計工作[1]。對于傳統(tǒng)的依托于Catia V5平臺的電氣系統(tǒng)三維設(shè)計工作，當(dāng)進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)時，由于沒有母型參考，系統(tǒng)方案需要不斷進(jìn)行修改、更新，完成一型產(chǎn)品電氣系統(tǒng)的三維設(shè)計需要耗時數(shù)月以上，同時很多設(shè)計經(jīng)驗無法分享、積累?？偨Y(jié)起來，當(dāng)前電氣系統(tǒng)三維設(shè)計工作主要存在以下不足：1）設(shè)計周期較長，電氣系統(tǒng)必須等到總體、結(jié)構(gòu)以及各系統(tǒng)完成設(shè)計工作后，才能開始設(shè)計；2）重復(fù)工作量大且效率較低，很多標(biāo)準(zhǔn)的水密接插件、電纜貫穿件被不同的設(shè)計工作者重復(fù)建模，難以做到型式上的統(tǒng)一且耗時耗力[2]；3）缺乏統(tǒng)一配置，配置電氣設(shè)備間電纜時，由于人為操作的不可控性會導(dǎo)致參數(shù)輸入錯誤，從而導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計缺陷；4）相關(guān)耗材估算誤差較大。傳統(tǒng)的三維建模并不敷設(shè)電纜，電纜型號及長度等參數(shù)需要估算，但估算精度較低，從而造成耗材的浪費；5）系統(tǒng)間干涉檢查效率低。

為解決上述電氣系統(tǒng)設(shè)計方面存在的問題，規(guī)范設(shè)計過程，提高設(shè)計效率，可采用CATIA 3DE搭建三維協(xié)同設(shè)計平臺，通過建立統(tǒng)一的電氣設(shè)備庫、水密接插件庫、電纜庫等，提高電氣系統(tǒng)的建模效率，同時為以后的設(shè)計工作積累經(jīng)驗，通過電氣報表可以精確地統(tǒng)計各種耗材的使用量，便于工廠的下料加工。同時能夠形成一個通用的規(guī)范性文件，為在該平臺進(jìn)行其它設(shè)計工作提供借鑒。CATIA 3DE平臺電氣系統(tǒng)建模流程見圖1。

1 電氣設(shè)備及電氣庫的創(chuàng)建

圖1 CATIA 3DE平臺電氣系統(tǒng)建模流程

據(jù)統(tǒng)計，一條大型船舶或是潛水器具有大量的標(biāo)準(zhǔn)件，其中電氣標(biāo)準(zhǔn)件又占了較大的一部分。隨著船舶及潛水器的大型化、智能化，結(jié)構(gòu)件及設(shè)備的規(guī)格增大，但是數(shù)量增加不多，而電氣元件的數(shù)量卻大大增加[3]。如此大量的電氣元件，不但在設(shè)計上存在困難，在管理上也十分困難，這就需要建立零件庫來方便調(diào)用，不需設(shè)計者費時地去逐個設(shè)計，從而提高設(shè)計者工作效率[4]。

1.1 電氣設(shè)備的命名及創(chuàng)建

電氣設(shè)備及電氣設(shè)備庫的命名依據(jù)CB/T 13-2007 《船舶產(chǎn)品通用圖樣和技術(shù)文件編號》進(jìn)行編號，對于部分標(biāo)準(zhǔn)中沒有涉及的設(shè)備可根據(jù)需要編制相同規(guī)則的編號。創(chuàng)建的電氣設(shè)備應(yīng)體現(xiàn)安裝點、安裝面、安裝坐標(biāo)系、重心、電氣接口、管路接口及維修空間等信息，其中電氣元件的電氣連接點定義原則如圖2所示。

圖2 電氣元件電氣連接點定義原則

1.2 電氣庫的命名及創(chuàng)建

為便于對電氣舾裝件庫中模型的識別管理、搜索調(diào)用及布置使用，對電氣舾裝件庫的總節(jié)點Catalog及下屬各級Chapter的編碼準(zhǔn)則進(jìn)行約定：

1）電氣舾裝件庫總節(jié)點（Catalog）

第一級為Catalog，命名要求統(tǒng)一約定為：“Electrical outfitting_電氣舾裝件庫”。

2）二級大功能分類

第二級為Chapter，命名要求統(tǒng)一約定為：“分類英文_大分類中文名稱”。例如Cable Trays_電纜托架、Cable Transits_電纜貫穿件、Cable Connector_水密接插件、conductor_電纜等。

3）三級小功能分類

第三級為Chapter，命名要求統(tǒng)一約定為：“小分類編碼_小分類中文名稱”。例如電纜托架的分類如表1所示。

表1 電纜托架小分類（章節(jié)Cable Trays）

4）四級小功能分類

第四級為Chapter，命名要求統(tǒng)一約定為：“小分類編碼_小分類中文名稱”。

具體電氣舾裝件模型存放至第四級Chapter章節(jié)下，各類電氣舾裝件命名方式定義如下：

①電纜固定件命名

電纜固定件用于船舶上安裝固定電纜，當(dāng)前船廠對電纜固定件的命名方式如圖3所示。

圖3 電纜固定件命名要求

②水密接插件命名

水密連接器被廣泛應(yīng)用于潛艇、海洋工程和水下科研領(lǐng)域，用于電力傳輸、水下攝像和照明、ROV、潛水器等，根據(jù)水密連接器的選型原則定義水密連接器的命名方式如圖4所示。

圖4 水密連接器命名要求

③電纜命名

根據(jù)傳輸信號的種類和頻率、電平、電纜線芯之間及各類電纜之間的電磁兼容性要求，選擇電纜的型號和規(guī)格。根據(jù)項目需求，本項目的電纜的命名如圖5所示。

圖5 電纜命名要求

電纜系列代號：船用電力電纜C、船用通信電纜CH、數(shù)據(jù)電纜CAT；

絕緣代號：乙丙橡膠絕緣E、交聯(lián)聚乙烯絕緣H、聚氯乙烯絕緣V、聚乙烯絕緣Y；

護(hù)套代號：氯丁護(hù)套、氯磺化聚乙烯護(hù)套H、聚氯乙烯護(hù)套V、交聯(lián)聚烯烴護(hù)套PJ、聚烯烴護(hù)套PF；

屏蔽代號：銅絲或鍍錫銅絲編織屏蔽或鋁塑符合箔屏蔽P；

鎧裝代號：鍍錫銅絲編制鎧裝8、鍍鋅鋼絲編制鎧裝9；

燃燒特性代號：單根燃燒D、成束燃料S、耐火（單根燃燒）N、有煙有酸有毒A、低煙有鹵低毒C。

④電纜通道預(yù)定義格式

電纜通道的尺寸需預(yù)先定義，這樣在繪制電纜通道時可直接進(jìn)行尺寸的選擇。按以下表格輸入電纜通道的各項參數(shù)，見表2。

2 電氣系統(tǒng)三維物理模型的創(chuàng)建

電氣系統(tǒng)三維物理模型的創(chuàng)建方法有兩種。一種是通過電氣二維邏輯原理圖到三維設(shè)備的映射。另一種是直接進(jìn)行三維設(shè)備的布放、電纜通道的創(chuàng)建、電纜路徑的規(guī)劃等。對于第一種方法，電氣系統(tǒng)設(shè)計過程中需要進(jìn)行二維電氣原理圖的繪制，電氣設(shè)備布放到三維空間時，需要延續(xù)電氣二維邏輯原理圖中的電氣邏輯關(guān)系。因此，電氣設(shè)備二維及三維設(shè)備模型的創(chuàng)建過程中需要建立映射關(guān)系，從而便于實現(xiàn)電氣邏輯原理圖到三維物理的映射。由于當(dāng)前實際工程中電氣原理圖一般通過EPLAN等專業(yè)的電氣軟件進(jìn)行繪制，因此通常采用第二種方法進(jìn)行電氣系統(tǒng)三維物理模型的創(chuàng)建。三維模型創(chuàng)建方法又分為以下幾步：

1）創(chuàng)建電氣專業(yè)結(jié)構(gòu)樹。根據(jù)項目具體情況結(jié)構(gòu)樹可以按系統(tǒng)劃分亦可按專業(yè)劃分，本項目電纜通道裝配樹命名示例見表3；

表2 電纜通道預(yù)定義格式

表3 電氣節(jié)點結(jié)構(gòu)樹組織及命名

2）調(diào)用設(shè)備庫中電氣設(shè)備及舾裝件。根據(jù)二維圖紙中設(shè)備坐標(biāo)將相應(yīng)的電氣設(shè)備布放至三維空間中；

3）創(chuàng)建電纜通道。根據(jù)設(shè)備布放情況確定電纜通道的布放及分支電纜通道的創(chuàng)建；

4）電纜通道與設(shè)備的邏輯連接。將設(shè)備與接近的電纜端點連接便于后期進(jìn)行路徑規(guī)劃；

5）創(chuàng)建設(shè)備與設(shè)備的邏輯電纜。創(chuàng)建邏輯電纜用于連接電氣設(shè)備；

6）路徑規(guī)劃。在保證填充率及系統(tǒng)最優(yōu)的情況下規(guī)劃電纜的路徑；

7）調(diào)用庫中電纜映射邏輯電纜。將邏輯電纜與庫中的實際電纜進(jìn)行映射，從而便于電纜用量的統(tǒng)計、下料。

3 大型工程項目電氣系統(tǒng)三維協(xié)同設(shè)計

對于大型工程項目電氣系統(tǒng)三維協(xié)同設(shè)計主要需要考慮兩個問題：1）如何快速高效的完成三維協(xié)同設(shè)計；2）如何根據(jù)空間尺度要求選擇電纜建模方法。

為了快速高效的完成大型工程項目三維協(xié)同設(shè)計首先需要對三維協(xié)同設(shè)計團(tuán)隊進(jìn)行任務(wù)分工，其中電氣專業(yè)技術(shù)人員主要負(fù)責(zé)電氣專業(yè)建模及建庫約定的編寫、電氣舾裝件庫的建設(shè)及維護(hù)、主干電纜通道的創(chuàng)建、主干電纜的路徑規(guī)劃。其他各系統(tǒng)技術(shù)人員主要負(fù)責(zé)本系統(tǒng)的分支電纜通道的創(chuàng)建、分支電纜的路徑規(guī)劃。在其他系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備建模、設(shè)備布放的過程中，電氣專業(yè)可先對電氣舾裝件庫進(jìn)行建設(shè)及維護(hù)，從而提高后期的建模效率。

根據(jù)實際工程項目經(jīng)驗，提出了兩種電氣系統(tǒng)建模方法：

1）通過電纜通道來展示電纜的走向，使用路徑規(guī)劃來表示電纜的走向，采用conductor替代conductor group。該方式的優(yōu)點是效率較高，當(dāng)設(shè)備位置發(fā)生變化時可以較快的修改規(guī)劃路徑。該方式的缺點是無法體現(xiàn)電纜的實際排布方式。

2）每一根電纜均通過一個實際的電纜通道來展示，每一跟電纜均通過conductor group來體現(xiàn)具體芯數(shù)并進(jìn)行電氣連接。該方式的優(yōu)點是較為真實的電纜的實際排布方式，但是工作較為繁瑣、修改較為復(fù)雜。

對于大型工程項目電氣系統(tǒng)三維建模又分水面產(chǎn)品和水下產(chǎn)品：1）水面產(chǎn)品空間較大、設(shè)備較大、電纜敷設(shè)量較大，因此適合采用第一種建模方法。2）水下產(chǎn)品空間緊張、設(shè)備數(shù)量相對較少、電纜敷設(shè)量相對有限，因此適合采用第二種建模方法。采用該方法完成的電氣專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計建模實例如圖6所示，比傳統(tǒng)三維設(shè)計方法速度提高一倍，建模效果更好。

圖6 電氣專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計實例

最后，可根據(jù)實際需要創(chuàng)建電氣報表模板用于生成電氣報告，電氣報表可統(tǒng)計電纜通道填充率、每種規(guī)格電纜的長度、電氣設(shè)備數(shù)量等信息，從而便于設(shè)備及材料的采購、重量重心的統(tǒng)計等[5]。

4 結(jié)論

通過上述電氣設(shè)備、電氣舾裝件庫及電氣系統(tǒng)三維建模方法，可較大提高大型工程項目電氣系統(tǒng)三維協(xié)同設(shè)計的效率、減少重復(fù)建模工作，同時當(dāng)系統(tǒng)需求發(fā)生變化時亦可快速進(jìn)行設(shè)計方案的變更。同時在建模過程中也發(fā)現(xiàn)電纜彎曲半徑容易報錯、電纜通道形狀較為單一等問題，針對這些問題下一步可進(jìn)行二次開發(fā)由系統(tǒng)計算彎曲半徑推薦范圍、自定義電纜通道形狀，這也是后續(xù)研究的一個方向。

[1] 盧永進(jìn), 吳盛, 汪敏等. 基于CATIA V6的船舶電氣設(shè)計研究[J]. 船電技術(shù), 2016, 36(9): 34-36．

[2] 杜寶江, 丁咸海, 朱晨旗等. 基于CATIA電氣元件庫的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 制造業(yè)自動化,2013,19: 131-134．

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[5] 馬凌莉. 基于CATIA的飛機電氣線路布線設(shè)計[D]. 西安: 西安交通大學(xué), 2017.

3D Collaborative Design Method for Marine Electrical System

Wan Jianglong1 2, Pan Qiongwen1 2, Xu Jiwei1 2, Zheng Hengchi1 2, Zhu Zhong1 2

(1 China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, Jiangsu, China; 2 State Key Laboratory of Deep-sea Manned Vehicles, Wuxi 214082, Jiangsu, China)

U662.9

A

1003-4862（2019）10-0018-04

2019-03-07

江蘇海洋裝備創(chuàng)新公共服務(wù)平臺（項目編號SF2015-20）

萬江龍(1990-)，男，工程師。研究方向：船舶電氣系統(tǒng)。E-mail：1182639224@qq.com