高林洋 王 晨 羌 燕

（上海中船船舶設(shè)計(jì)技術(shù)國家工程研究中心有限公司 上海200011）

引 言

輪機(jī)設(shè)計(jì)主要包括設(shè)備選型、系統(tǒng)計(jì)算、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的設(shè)備布置及系統(tǒng)布置，本文主要講述輪機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段采用CATIA 三維體驗(yàn)平臺(tái)中二維邏輯原理圖驅(qū)動(dòng)三維建模方法進(jìn)行系統(tǒng)布置?，F(xiàn)階段輪機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)工作多數(shù)以AutoCAD軟件為平臺(tái)，采用二維設(shè)計(jì)方式。由于船舶管路構(gòu)成復(fù)雜及相互空間遮擋，空間尺寸不易精確估算，二維圖紙不易讀懂，設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤很難發(fā)現(xiàn)，由此給船舶施工造成嚴(yán)重后果，同時(shí)也給船舶改建及擴(kuò)建帶來不便。與二維設(shè)計(jì)相比，三維設(shè)計(jì)能清楚反映系統(tǒng)的空間關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以使船舶管路布局更合理，更經(jīng)濟(jì)。當(dāng)前大部分二維設(shè)計(jì)與三維設(shè)計(jì)是獨(dú)立進(jìn)行的兩個(gè)設(shè)計(jì)階段，采用CATIA三維體驗(yàn)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)二維與三維設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，并且通過二維邏輯符號(hào)驅(qū)動(dòng)三維建模，一個(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)模型，實(shí)現(xiàn)了從平面符號(hào)到立體模型數(shù)據(jù)的唯一性和可查性。

1 CATIA二維邏輯原理圖驅(qū)動(dòng)三維建模概述

通過對(duì)CATIA二維邏輯原理圖驅(qū)動(dòng)三維建模測試分析可知：實(shí)現(xiàn)二維邏輯原理圖驅(qū)動(dòng)三維建模的基礎(chǔ)首先需要完成一套標(biāo)準(zhǔn)的二維邏輯符號(hào)及三維標(biāo)準(zhǔn)小樣集；其次通過EKL的編程確定設(shè)備的驅(qū)動(dòng)規(guī)則，管路規(guī)格書的編寫實(shí)現(xiàn)管路的快速建模及確定閥附件及管路的驅(qū)動(dòng)規(guī)則；最后通過CATIA軟件中Piping And Tubing Sys.Design模塊創(chuàng)建二維邏輯原理圖并采用Piping And Tubing 3D Design模塊中Logical to physical功能實(shí)現(xiàn)邏輯符號(hào)的驅(qū)動(dòng)，并對(duì)創(chuàng)建的原理圖中流體流向、系統(tǒng)通徑及驅(qū)動(dòng)建模的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢查。

1.1 邏輯符號(hào)與三維標(biāo)準(zhǔn)件創(chuàng)建

邏輯符號(hào)是二維邏輯原理圖的重要組成部分，創(chuàng)建過程中要對(duì)其符號(hào)類別（類別定義是在管系規(guī)格書中創(chuàng)建），屬性中的名稱、描述、符號(hào)的大小及線性比例、端部邏輯點(diǎn)等進(jìn)行定義。

圖1 邏輯符號(hào)創(chuàng)建

管系閥件及附件大多數(shù)為參數(shù)化部件，其為標(biāo)準(zhǔn)件，與模板模型幾何外形一致，它的尺寸參數(shù)、部件屬性對(duì)設(shè)計(jì)人員開放。其基本操作方法，首先創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)模板模型的幾何外形，其次創(chuàng)建參數(shù)化Excel表格并填寫標(biāo)準(zhǔn)件的屬性及幾何參數(shù)表中的相關(guān)數(shù)據(jù)，并與標(biāo)準(zhǔn)模板模型幾何外形尺寸相關(guān)聯(lián)，最后通過Component Family來實(shí)現(xiàn)以包含幾何信息和物理屬性的設(shè)計(jì)表對(duì)模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并完成模型批量生產(chǎn)和解析入庫［1-2］，如表1所示。

表1 小樣參數(shù)化表格

1.2 EKL語言規(guī)則驅(qū)動(dòng)設(shè)備布置

由于機(jī)艙的管系系統(tǒng)中存在著大量與其相連的設(shè)備模型，采用常規(guī)操作需要對(duì)其一一布置到指定區(qū)域或點(diǎn)位。如若采用EKL語言編寫，有利于在平日將建模、設(shè)計(jì)、檢查過程中大批量的機(jī)械操作、繁瑣的操作進(jìn)行梳理和提煉，可以將知識(shí)經(jīng)驗(yàn)融入設(shè)計(jì)模型，降低設(shè)計(jì)主體的錯(cuò)誤并提高其自動(dòng)化程度。使用EKL語言驅(qū)動(dòng)設(shè)備的前提是必須完成對(duì)船舶艙室的劃分及坐標(biāo)的定義，圖2和下頁圖3為EKL編寫內(nèi)容，一種是通過賦值艙室背景為變量實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)到指定艙室背景下，一種是賦值三維點(diǎn)坐標(biāo)為變量，通過前端定義XYZ三點(diǎn)坐標(biāo)信息實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)到指定三維空間點(diǎn)位。

1.3 管系技術(shù)規(guī)格書

技術(shù)規(guī)格書由多種規(guī)格表組成，規(guī)格表類似Excel表格，分為管系的基礎(chǔ)表和高級(jí)表。基礎(chǔ)表包括（通徑、等級(jí)、材料、端切形式、物理關(guān)聯(lián)表）等，高級(jí)表包括（彎管參數(shù)、兼容性、自動(dòng)匹配表）等，在一個(gè)工程下，就是通過工程規(guī)格書里的技術(shù)表內(nèi)容來約束建模、驅(qū)動(dòng)建模，保證建模的準(zhǔn)確性，驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜繁瑣建模的自動(dòng)化。CATIA三維體驗(yàn)平臺(tái)提供了多種類型的管系技術(shù)規(guī)格表，不同類型的技術(shù)規(guī)格表實(shí)現(xiàn)不同建模操作，例如Mapping Part Subtype Table表是實(shí)現(xiàn)閥附件邏輯符號(hào)驅(qū)動(dòng)三維建模的必要表格。這些規(guī)則驅(qū)動(dòng)基本能覆蓋管系三維建模的整個(gè)過程［2-4］，如圖4所示。

圖2 EKL編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)指定艙室

圖3 EKL編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)指定三維空間點(diǎn)位

1.4 規(guī)格書驅(qū)動(dòng)管部件批量布置

管系三維建模中，放置管部件是一個(gè)操作非常機(jī)械繁瑣的過程，其中法蘭，彎頭、三通、異徑是管路中非常常用的部件。一個(gè)項(xiàng)目中可能會(huì)達(dá)到成百上千管路部件，如果設(shè)計(jì)員一個(gè)個(gè)手動(dòng)放置，會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間，同時(shí)手工操作也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤率的提升。規(guī)格書中，規(guī)格表可以實(shí)現(xiàn)管路部件的智能驅(qū)動(dòng)，減少人工干預(yù)，提高建模準(zhǔn)確性。這里主要分析三通的自動(dòng)驅(qū)動(dòng)規(guī)則表。

三通中包括等徑和異徑一體形式、管座形式、鞍座形式、開支管形式。CATIA 三維體驗(yàn)平臺(tái)中，根據(jù)三通形式的特點(diǎn)，制作了幾種支管模板，并以英文區(qū)分其具體形式。設(shè)計(jì)人員可以通過自定義支管規(guī)則表（Piping Branching Rule Table），根據(jù)設(shè)計(jì)場景的不同，選取不同的支管形式，如下頁圖5所示。

圖4 某項(xiàng)目規(guī)格書中技術(shù)表格

圖5 支管形式

支管規(guī)則表是通過定義主管和支管的材料、通徑、支管的形式、支管角度、支管點(diǎn)距、磨口端切、和支管開孔尺寸，選擇三通的Part Subtype，在部件驅(qū)動(dòng)時(shí)后臺(tái)會(huì)找到與其Part Subtype一致的三通模型，并通過匹配管路中主管和支管的通徑信息，達(dá)到自動(dòng)替換，如圖6所示。

圖6 支管規(guī)則表

在Piping and Tubing 3D Design模塊中，在結(jié)構(gòu)樹中選擇要替換部件的主管和支管，使用Specification Driven Assistant功能命令可以批量的給管路替換三通部件，如下頁圖7所示。

1.5 規(guī)格書定義閥附件驅(qū)動(dòng)規(guī)則

閥附件的驅(qū)動(dòng)是通過分別定義邏輯符號(hào)與三維標(biāo)準(zhǔn)閥附件的類別，通過規(guī)格書中Mapping Part Subtype Table表格匹配不同類別的邏輯符號(hào)及三維標(biāo)準(zhǔn)件［2］，不同的類別可以根據(jù)設(shè)計(jì)人員的需求進(jìn)行匹配，通過規(guī)格書中類別匹配表創(chuàng)建就能使邏輯符號(hào)和三維標(biāo)準(zhǔn)件形成關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)人員使用Place Part閥附件邏輯符號(hào)驅(qū)動(dòng)功能，后臺(tái)自動(dòng)查找與其類別匹配的三維標(biāo)準(zhǔn)件模型，如下頁圖8所示。

1.6 二維邏輯原理圖驅(qū)動(dòng)三維建模

二維邏輯原理圖設(shè)計(jì)采用CATIA三維體驗(yàn)平臺(tái)中Piping and Tubing Sys.Design模塊設(shè)計(jì)。該模塊中可以創(chuàng)建邏輯原理圖節(jié)點(diǎn)及三維物理模型節(jié)點(diǎn)，并通過Implement Relations功能創(chuàng)建邏輯原理圖和三維物理節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，每次驅(qū)動(dòng)出的閥附件及管件都會(huì)生成一個(gè)唯一關(guān)聯(lián)式，關(guān)聯(lián)式的生成方便邏輯符號(hào)與模型一致性的查找。

圖7 三通部件自動(dòng)替換

圖8 Mapping Part Subtype Table

二維邏輯原理圖的設(shè)計(jì)類是于采用CAD創(chuàng)建原理圖，首先在CATIA中選擇適宜的圖紙圖框，大型設(shè)備符號(hào)或者船體背景圖可以通過圖形導(dǎo)入模式創(chuàng)建并對(duì)設(shè)備符號(hào)端口處賦予其邏輯連接點(diǎn)；管線的創(chuàng)建區(qū)別于CAD創(chuàng)建管線，CATIA中管線需要依照系統(tǒng)圖中不同通徑創(chuàng)建不同Line ID，畫管線路徑時(shí)，都要引用所需要的通徑Line ID。閥附件符號(hào)的引用需要從其專屬Catalog庫中調(diào)用及復(fù)用，如下頁圖9所示某船燃油系統(tǒng)。

圖9 CATIA中二維邏輯原理圖

二維邏輯原理圖驅(qū)動(dòng)三維建模采用采用CATIA三維體驗(yàn)平臺(tái)中Piping and Tubing 3D Design模塊中Logical to Physical功能。對(duì)于驅(qū)動(dòng)到指定區(qū)域的設(shè)備，我們首先要對(duì)邏輯設(shè)備符號(hào)進(jìn)行定義包括其屬性中名稱、Reference中Predefined Part Number填寫需要驅(qū)動(dòng)的設(shè)備名稱，通過先前EKL編寫，采用Create Space Link功能對(duì)其設(shè)備符號(hào)定義Space References確定其驅(qū)動(dòng)區(qū)域。設(shè)備符號(hào)屬性定義好后，通過Logical to Physical功能后臺(tái)同步進(jìn)行模型查找，并自動(dòng)布置到指定區(qū)域，如圖10所示。

圖10 邏輯設(shè)備符號(hào)驅(qū)動(dòng)建模

對(duì)于邏輯管線的驅(qū)動(dòng)，有兩種驅(qū)動(dòng)方式：

（1）直接驅(qū)動(dòng)；

（2）通過Line ID進(jìn)行手動(dòng)布置（推薦）。其驅(qū)動(dòng)的原理是根據(jù)EKL中Spec business logic（BL）的編寫，該程序可以按照設(shè)計(jì)人員的需求進(jìn)行編寫，其主要的思路是對(duì)邏輯管線Line ID進(jìn)行三維管路信息賦值。直接驅(qū)動(dòng)只有在同步出最少兩個(gè)及以上管件基礎(chǔ)上，相鄰管件間管段可以驅(qū)動(dòng)生成。由于其驅(qū)動(dòng)方式特別，故該布管方式適用于簡單業(yè)務(wù)場景。通過Line ID手動(dòng)布置，進(jìn)入管路三維建模模塊，選擇管路所在的Line ID。選擇管路規(guī)格，找到其原理圖驅(qū)動(dòng)出的設(shè)備模型并進(jìn)行手動(dòng)布管，該布管方式可以根據(jù)設(shè)計(jì)人員的建模思維進(jìn)行大規(guī)模綜合區(qū)域放樣，如圖11所示。

圖11 邏輯管線Line ID驅(qū)動(dòng)建模

管附件的驅(qū)動(dòng)類似于管路的兩種驅(qū)動(dòng)方式：

（1）通過原理圖驅(qū)動(dòng)（推薦）；

（2）直接驅(qū)動(dòng)。原理圖驅(qū)動(dòng)進(jìn)入管路三維建模模塊，選擇原理圖驅(qū)動(dòng)圖標(biāo)，選擇合適的管件及放置位置（前提是邏輯符號(hào)與三維管件的Subtype必須匹配）。直接驅(qū)動(dòng)類似設(shè)備驅(qū)動(dòng)，修改Predefined Part Number，通過同步命令自動(dòng)找到相應(yīng)的三維模型，其缺點(diǎn)是需要調(diào)整模型位置，如圖12所示。

圖12 邏輯閥附件符號(hào)驅(qū)動(dòng)建模

1.7 B.I Essentials檢查功能

B.I Essentials檢查功能對(duì)于邏輯系統(tǒng)的檢查主要從其系統(tǒng)原理圖的通徑、流向及連通性著手。對(duì)于三維模型的檢查主要從其一致性方向著手，并用顏色以示區(qū)分。下頁圖13為某船海水系統(tǒng)檢查功能展示。

圖13 B.I Essentials功能檢查模型一致性

2 CATIA二維邏輯原理圖驅(qū)動(dòng)三維建模優(yōu)缺點(diǎn)

傳統(tǒng)三維建模軟件的模型數(shù)據(jù)間并無關(guān)聯(lián)信息，部件布置需人工逐一放置，模型檢查需在二維圖紙和三維模型中來回切換，給設(shè)計(jì)造成不便。CATIA二維邏輯原理圖驅(qū)動(dòng)三維建模可以同時(shí)滿足從船舶的詳細(xì)設(shè)計(jì)到生產(chǎn)設(shè)計(jì)的需求，可以實(shí)現(xiàn)部件的智能化驅(qū)動(dòng)；通過二維邏輯原理圖驅(qū)動(dòng)三維建模，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)源從上到下的唯一性，給軍船項(xiàng)目以后的全壽命保障提供技術(shù)支持，在此基礎(chǔ)上也大大提高圖紙校核人員的工作效率。每一種設(shè)計(jì)軟件有益處也有弊處，CATIA三維體驗(yàn)平臺(tái)項(xiàng)目前期的規(guī)格書配置，需要工程師花費(fèi)一定的時(shí)間和精力。

3 結(jié) 語

本文基于CATIA三維體驗(yàn)平臺(tái)，分析了二維邏輯原理圖驅(qū)動(dòng)三維建模方法并適用于輪機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)中系統(tǒng)布置。通過將管系三維建模的特點(diǎn)及規(guī)律與三維體驗(yàn)平臺(tái)上的規(guī)則驅(qū)動(dòng)有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)管路智能建模，提高了設(shè)計(jì)效率。通過與傳統(tǒng)建模相比，分析了二維邏輯原理圖驅(qū)動(dòng)三維建模的優(yōu)缺點(diǎn)，并努力推行將二維邏輯原理圖驅(qū)動(dòng)三維建模成為廠所協(xié)同在系統(tǒng)布置中的有效切入點(diǎn)。