趙廣偉，程 祥

(1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

基于CATIA的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)

趙廣偉1，程 祥2

(1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

研究了參數(shù)化設(shè)計(jì)和知識(shí)工程技術(shù)，并將2種技術(shù)應(yīng)用到海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中。首先，借助參數(shù)化技術(shù)，在CATIA V5系統(tǒng)中建立海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型；其次，通過(guò)CATIA V5的知識(shí)工程模塊，構(gòu)建平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果的校驗(yàn)。實(shí)例表明，應(yīng)用上述2種技術(shù)進(jìn)行海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅是可行的，還能大大縮短海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

海洋平臺(tái);參數(shù)化;知識(shí)工程;平臺(tái)結(jié)構(gòu)；CATIA

0 引言

參數(shù)化技術(shù)(又稱尺寸驅(qū)動(dòng)技術(shù))的出現(xiàn)，使CAD系統(tǒng)不僅具有交互式繪圖功能，還具有自動(dòng)繪圖的功能，從而使設(shè)計(jì)人員從瑣碎的繪圖工作中解脫出來(lái)。知識(shí)工程研究知識(shí)信息處理，其核心是將某領(lǐng)域的相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等知識(shí)嵌入軟件中，通過(guò)知識(shí)推理實(shí)現(xiàn)邏輯判斷和推理，為智能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供技術(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化設(shè)計(jì)[1]。本文探討將上述2種技術(shù)應(yīng)用到海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，以縮短海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

1.1參數(shù)及參數(shù)化

參數(shù)是用來(lái)描述產(chǎn)品幾何模型的形狀、位置、屬性等的特征值，每個(gè)CAD系統(tǒng)都有自己自定義的參數(shù)，用戶自己也可以定義參數(shù)。參數(shù)化是指將設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)結(jié)果用參數(shù)來(lái)表示，以便在人機(jī)交互的過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)進(jìn)行更改。

1.2約束

約束是指構(gòu)成幾何模型的各個(gè)元素之間的特殊關(guān)系，如平行、垂直、水平、豎直、相切、共線、同心、固定等。約束保證了圖形元素在尺寸改變后圖形能大致保持原來(lái)的形狀。對(duì)工程設(shè)計(jì)來(lái)講，約束具有更明確的意義，增加或者取消一個(gè)約束都可能意味著設(shè)計(jì)思想的變更。約束包括結(jié)構(gòu)約束(也稱拓?fù)浼s束)、尺寸約束和參數(shù)約束。結(jié)構(gòu)約束是指構(gòu)成圖形各幾何元素間的相對(duì)位置和連接方式，其屬性值在參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中保持不變。在工程圖中，此類約束往往是隱含的，并不明確給出。尺寸約束是指圖中標(biāo)注的尺寸，如距離、角度等度量信息，它控制了圖元的坐標(biāo)、長(zhǎng)度或半徑以及圖元之間的位置與方向等。參數(shù)約束是指尺寸參數(shù)之間的關(guān)系，用表達(dá)式表示。

1.3參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種全新的設(shè)計(jì)方法，它用約束來(lái)表達(dá)產(chǎn)品幾何模型的形狀特征，定義一組參數(shù)以控制設(shè)計(jì)結(jié)果，從而能夠通過(guò)調(diào)整參數(shù)來(lái)修改幾何模型，并能方便地創(chuàng)建一系列在形狀或功能上相似的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)人員在更新或修改圖形時(shí)，無(wú)需再為保持約束條件而操心，可以按照自己的意愿動(dòng)態(tài)地、創(chuàng)造性地進(jìn)行新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

2 CATIAV5知識(shí)工程

2.1知識(shí)工程

知識(shí)獲取、知識(shí)表示和推理、知識(shí)庫(kù)的建立等是知識(shí)工程的關(guān)鍵。知識(shí)獲取技術(shù)主要用于工程設(shè)計(jì)知識(shí)的獲得，反映了知識(shí)工程系統(tǒng)獲取知識(shí)的能力。知識(shí)的表示和推理，體現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化水平。知識(shí)庫(kù)建立是指將手冊(cè)、文檔、工程計(jì)算公式、設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等知識(shí)收集、整理，構(gòu)成知識(shí)庫(kù)并在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程中作為輔助工具使用。

在CATIA V5知識(shí)工程模塊中，采用參數(shù)、公式、規(guī)則、檢查、報(bào)告、設(shè)計(jì)表、應(yīng)變、創(chuàng)成式腳本等表示知識(shí)。

CATIA V5的知識(shí)功能體現(xiàn)在知識(shí)工程顧問(wèn)、知識(shí)工程專家、產(chǎn)品工程優(yōu)化、產(chǎn)品知識(shí)模板和業(yè)務(wù)流程知識(shí)模板等模塊中。通過(guò)這些模塊，可以將相關(guān)規(guī)范、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等產(chǎn)品知識(shí)嵌入整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，將用戶成熟的經(jīng)驗(yàn)做成模板重復(fù)使用；還可以通過(guò)運(yùn)用CATIA的知識(shí)顧問(wèn)模塊，以產(chǎn)品知識(shí)為基礎(chǔ)，指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和加工，實(shí)時(shí)檢查設(shè)計(jì)，提出設(shè)計(jì)建議。

2.2應(yīng)用CATIAV5知識(shí)工程模塊的設(shè)計(jì)流程

應(yīng)用CATIA V5 知識(shí)工程模塊的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 應(yīng)用CATIA V5知識(shí)工程模塊的設(shè)計(jì)流程

3 海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型

現(xiàn)以文獻(xiàn)[2]中鉆井甲板和采油甲板之間的井口槽處的支柱為例，支柱共有4根，分設(shè)在鉆臺(tái)4腿下，承受垂向力，見(jiàn)圖2。圖中，模型中外側(cè)的2根支柱，為鉆井甲板上的吊機(jī)支柱。為便于觀察支柱，將模型中鉆井甲板的甲板板隱藏。在構(gòu)建產(chǎn)品幾何模型時(shí)，要注意各構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)性，這樣在模型修改時(shí)，各參數(shù)之間具有同步性。井口槽處支柱上端應(yīng)與鉆井甲板關(guān)聯(lián)，下端與采油甲板關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)，在兩層甲板之間高度發(fā)生變化時(shí)，支柱長(zhǎng)度自動(dòng)發(fā)生改變，不需要設(shè)計(jì)人員再用手工修改。其次，建立標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)或修改零件時(shí)，只需選擇相應(yīng)規(guī)格，不需要再重頭開(kāi)始。

圖2 鉆井甲板與采油甲板之間的支柱結(jié)構(gòu)模型

3.2平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型知識(shí)工程表達(dá)

3.2.1模型參數(shù)及關(guān)系式

根據(jù)支柱特征，為計(jì)算方便，確定如下參數(shù)：

支柱所受載荷P，支柱長(zhǎng)度L，支柱有效長(zhǎng)度l，支柱平均直徑dp，支柱厚度t，支柱截面面積A，支柱剖面的最小慣性半徑r，支柱的面積A1和壁厚t1、t2。上述參數(shù)中，支柱所受載荷P和支柱長(zhǎng)度L為已知變量，由設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)提供，在建模時(shí)，當(dāng)已知參數(shù)處理。在建模過(guò)程中，CATIA系統(tǒng)默認(rèn)支柱半徑為支柱零件幾何體凸臺(tái).1草圖.1半徑.1，支柱零件幾何體凸臺(tái).1草圖.1半徑.2。根據(jù)參數(shù)間的關(guān)系，建立下列各參數(shù)之間表達(dá)式，如圖3所示。

3.2.2結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)規(guī)則

3.2.2.1支柱面積設(shè)計(jì)規(guī)則

設(shè)計(jì)支柱時(shí)，需滿足《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2006)(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)中相關(guān)規(guī)定。按“規(guī)范”第2.10.1條規(guī)定，支柱所受的載荷P按下式計(jì)算：

P=7.06abh+P0

(1)

按“規(guī)范”第2.10.2條規(guī)定，支柱的剖面積A1應(yīng)不小于按下式計(jì)算所得之值：

(2)

式(1)、式(2)中：a為支柱所支持的甲板面積的長(zhǎng)度，m；b為支柱所支持的甲板面積的平均寬度，m；h為支柱所支持的甲板的計(jì)算壓頭，m；P0為上方支柱所傳遞的載荷，kN；l為支柱的有效長(zhǎng)度，m，為支柱全長(zhǎng)的0.8倍；r為支柱剖面的最小慣性半徑，cm。

3.2.2.2支柱壁厚設(shè)計(jì)規(guī)則

“規(guī)范”第2.10.3條還規(guī)定，支柱壁厚不小于以下兩式計(jì)算所得值：

(3)

(4)

式中：dp為管形支柱的平均直徑，mm。

3.2.3結(jié)構(gòu)模型檢查

3.2.3.1設(shè)計(jì)規(guī)則檢查

利用知識(shí)工程模塊提供的檢查工具“Check”建立檢查規(guī)則，檢查設(shè)計(jì)方案是否滿足上述設(shè)計(jì)規(guī)則。當(dāng)設(shè)計(jì)人員選擇了某種型號(hào)的管子后，規(guī)則工具“Rule”便對(duì)管徑、壁厚、截面面積進(jìn)行檢查，并將檢查結(jié)果通知設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)人員根據(jù)檢查結(jié)果，決定是否修改設(shè)計(jì)方案。

3.2.3.2工藝檢查

受企業(yè)設(shè)備加工能力的限制，設(shè)計(jì)方案的參數(shù)取值不能超過(guò)企業(yè)設(shè)備加工能力，如支柱壁厚不能超過(guò)25 mm。這時(shí)，可用“Check”建立工藝檢查規(guī)則。當(dāng)支柱壁厚超過(guò)25 mm時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)錯(cuò)，提示選管子的壁厚超出企業(yè)設(shè)備加工能力，這樣設(shè)計(jì)人員可及時(shí)修改設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)方案的可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合參數(shù)化技術(shù)、知識(shí)工程方法對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)中的支柱進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)例表明，文中方法不僅可行，而且還能提高設(shè)計(jì)速度，設(shè)計(jì)人員在知識(shí)工程的幫助下，只需改變模型參數(shù)，就能設(shè)計(jì)出符合要求的產(chǎn)品。目前，作者正在積極構(gòu)建海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的知識(shí)庫(kù)，嘗試運(yùn)用上述方法對(duì)海洋平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，希冀為企業(yè)、院所提供參考。

[1]顧曉華，仲梁維.基于知識(shí)工程的參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2001，(4):17-18.

[2]唐友剛. Spar 平臺(tái)上體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[3]王忠，樸英花，盧金火. CATIAV5的知識(shí)工程優(yōu)化功能在汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上的應(yīng)用[J]. 汽車技術(shù)，2004，(3):16-18.

[4]中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范 [M].北京：人民交通出版社，2006.

2014-03-16

趙廣偉(1995-)，男，本科，從事結(jié)構(gòu)力學(xué)研究；程祥(1981-)，男，工程師，從事船舶工程方面的研究。

U662.2

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