盧永進(jìn)，朱進(jìn)，李濤濤

1中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

2海軍裝備部，北京100841

基于CATIA V6的船舶結(jié)構(gòu)建庫方法

盧永進(jìn)1，朱進(jìn)2，李濤濤1

1中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

2海軍裝備部，北京100841

為提高船舶的研制效率，將知識工程應(yīng)用于船舶節(jié)點(diǎn)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中是當(dāng)前工程應(yīng)用的熱點(diǎn)?；贑ATIA V6軟件平臺，探討三維設(shè)計中船舶結(jié)構(gòu)建庫流程和建庫對結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性，系統(tǒng)分析結(jié)構(gòu)資源數(shù)據(jù)配置內(nèi)容和組成，重點(diǎn)說明資源表的具體功能。結(jié)合參數(shù)化建模和知識工程技術(shù)，詳細(xì)分析結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件創(chuàng)建步驟和設(shè)計要點(diǎn)。以典型船舶產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立完整的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件和結(jié)構(gòu)件模板，并實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用，為船舶結(jié)構(gòu)建庫提供了技術(shù)支撐和決策支持。

船舶結(jié)構(gòu)；三維設(shè)計；CATIA V6；建庫；知識工程

0 引 言

三維設(shè)計正成為船舶行業(yè)的技術(shù)發(fā)展方向，CADDS5，F(xiàn)ORAN等專業(yè)軟件在船舶工程設(shè)計中得到了充分應(yīng)用［1-5］。作為法國達(dá)索公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM一體化軟件，CATIA系統(tǒng)已成功

應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域［6］。近年來，該公司推出的CATIA V6軟件為用戶提供了較為完整的船舶設(shè)計模塊，可用于船舶結(jié)構(gòu)三維設(shè)計，但國內(nèi)科研設(shè)計單位正處于CATIA V6三維設(shè)計的探索階段，且鮮見相關(guān)報道。

結(jié)構(gòu)建庫作為船舶設(shè)計的重要組成部分，有必要充分利用知識工程技術(shù)，建立大量供設(shè)計重復(fù)調(diào)用的板材、型材等標(biāo)準(zhǔn)件，從而達(dá)到提高設(shè)計效率的目的［7-8］。然而，作為通用軟件平臺，CATIA V6缺乏與國內(nèi)船舶設(shè)計流程的融合，軟件自帶模板少且不包含任何行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。為此，本文將基于CATIA V6對結(jié)構(gòu)資源數(shù)據(jù)配置、標(biāo)準(zhǔn)件創(chuàng)建流程及工程應(yīng)用展開深入探討，旨在為三維結(jié)構(gòu)建庫提供有效途徑。

1 結(jié)構(gòu)建庫概述

結(jié)構(gòu)建庫工作涉及資源數(shù)據(jù)配置和結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件創(chuàng)建兩大方面。在CATIA V6中，資源數(shù)據(jù)配置將通用幾何資源（Common geometry resource）和結(jié)構(gòu)資源（Structure resource）這2大資源集創(chuàng)建完成后綁定到具體項(xiàng)目，其中，通用幾何資源集用于定義總體專業(yè)資源，主要包括船殼曲面和全船坐標(biāo)系；結(jié)構(gòu)資源集用于定義船體專業(yè)資源，主要以數(shù)據(jù)表結(jié)合后臺模型關(guān)聯(lián)的形式存在，包括開口表、開孔表、端切表和材料表等。同時，對應(yīng)數(shù)據(jù)表解析生成的一系列結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件存入數(shù)據(jù)庫后，在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計時，可有效提取到結(jié)構(gòu)資源數(shù)據(jù)，完成三維建模。

CATIA V6要求用戶預(yù)先將設(shè)計所需的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行創(chuàng)建并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，通過包含尺寸驅(qū)動和特征驅(qū)動的參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，有效實(shí)現(xiàn)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和知識的重用及積累，使該方法具備了如下優(yōu)勢［9-10］：

1）方便設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計時快速調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件，從而大大減少了重復(fù)創(chuàng)建工作；

2）提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，減少設(shè)計過程中人為出錯的概率；

3）當(dāng)通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件生成的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化時，只需修改數(shù)據(jù)庫中標(biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)即可，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計過程中的快速修改；

4）當(dāng)船體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范發(fā)生變化時，可通過CATIA V6準(zhǔn)確更改結(jié)構(gòu)參數(shù)，使結(jié)構(gòu)庫得到快速升級，提高重用率，且新標(biāo)準(zhǔn)件的存儲不會影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

2 結(jié)構(gòu)資源數(shù)據(jù)配置

CATIA V6的結(jié)構(gòu)資源數(shù)據(jù)配置在Data Setup中操作完成，涉及通用幾何和結(jié)構(gòu)兩大資源集的創(chuàng)建及關(guān)聯(lián)具體項(xiàng)目。通用幾何資源集數(shù)據(jù)主要在3個模塊中應(yīng)用，即Space Referential，Structure Functional Design（SFD）和Structure Design（SDD），結(jié)構(gòu)資源集數(shù)據(jù)應(yīng)用于SFD和SDD兩大模塊。資源集通常由一系列資源表組成，資源表是指資源集中的數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)庫、設(shè)計規(guī)則以及位圖等類型文件，這些文件組成結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，服務(wù)于結(jié)構(gòu)設(shè)計。

表1和表2分別給出兩大資源集中的資源表及對應(yīng)的功能。這些資源表主要通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入方式創(chuàng)建，且必須嚴(yán)格參照船舶標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表1 通用幾何資源的主要資源表Tab.1 The main tables in common geometry resource

表2 結(jié)構(gòu)資源的主要資源表Tab.2 The main tables in structure resource

3 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件創(chuàng)建流程

CATIA V6在完成結(jié)構(gòu)資源數(shù)據(jù)配置后，針對型材和貫穿開口等標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件和幾何外形，需要有效引入知識工程進(jìn)行創(chuàng)建。運(yùn)用參數(shù)化建模實(shí)現(xiàn)CATIA V6對結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件的特征提取，在參數(shù)化建模過程中將特征量用參數(shù)表示，并將其與依賴專家經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的設(shè)計表關(guān)聯(lián)，最終解析生成幾何標(biāo)準(zhǔn)件，以便設(shè)計時利用幾何標(biāo)準(zhǔn)件提取三維建模和數(shù)據(jù)。此外，注意設(shè)計表的數(shù)據(jù)應(yīng)與表2中相應(yīng)資源表的數(shù)據(jù)保持一致。

作為船體結(jié)構(gòu)中的常用型材，軋制型鋼分為扁鋼、角鋼、球扁鋼、I型鋼和槽型鋼等，故建庫時需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范整理數(shù)據(jù)，提取截面特征，合成定義零部件名稱。結(jié)構(gòu)幾何標(biāo)準(zhǔn)件創(chuàng)建流程如圖1所示。

圖1 型材截面創(chuàng)建流程圖Fig.1 Flow chart of the profile cross-section setup

以軋制型鋼為例，對型材截面創(chuàng)建涉及的具體操作步驟詳述如下：

1）根據(jù)船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，整理型鋼幾何數(shù)據(jù)，創(chuàng)建設(shè)計表；

2）新建截面類型Structure Section，定義具體名稱；

3）繪制截面草圖，實(shí)現(xiàn)長度和定位尺寸約束；

4）根據(jù)截面特征創(chuàng)建錨點(diǎn)；

5）按照軟件幫助工具命名截面邊界，同時分析和繪制SFD對應(yīng)的簡化特征；

6）實(shí)現(xiàn)設(shè)計表參數(shù)與截面模型尺寸相關(guān)聯(lián)；

7）創(chuàng)建Component Family并關(guān)聯(lián)上述截面；

8）解析生成幾何標(biāo)準(zhǔn)件。

4 標(biāo)準(zhǔn)件工程實(shí)例創(chuàng)建

在工程實(shí)際中，船體結(jié)構(gòu)中存在大量的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件及標(biāo)準(zhǔn)外形，如板材、型材、貫穿開口、結(jié)構(gòu)開口、型材端部形式、坡口等。為更好地分析結(jié)構(gòu)建庫工作，以某型科考船的船體結(jié)構(gòu)為例，開展了實(shí)際的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件創(chuàng)建和模板定制。

科考船主要板材和型材為B級船體結(jié)構(gòu)鋼，冰區(qū)加強(qiáng)區(qū)域外板采用D級船體結(jié)構(gòu)鋼，兩者均為鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)。因全船有近萬個結(jié)構(gòu)部件，故針對數(shù)量較多的相同或相似部件，全面開展了清理工作并構(gòu)建了基礎(chǔ)庫。結(jié)構(gòu)設(shè)計包括如圖2所示的板材、型材、貫穿開口、結(jié)構(gòu)開口和端切5大類標(biāo)準(zhǔn)件，其中，板材、結(jié)構(gòu)開口和端切僅通過資源數(shù)據(jù)配置即可，其他2類標(biāo)準(zhǔn)件則需要通過資源配置后，對應(yīng)Material Table和Slot Table數(shù)據(jù)構(gòu)建特征后解析生成。

圖2 船體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件分類Fig.2 Standard parts classification of hull structure

在創(chuàng)建型材結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件時，需要清理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范創(chuàng)立設(shè)計表，并繪制截面特征草圖。草圖必須基于x-y坐標(biāo)平面繪制，高度方向H與V軸保持一致，且確保截面中心對稱。圖3給出了扁鋼、球扁鋼、T型材、角鋼、空心圓鋼和方鋼截面的幾何特征，圖中粗點(diǎn)劃線為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計時的使用特征，細(xì)實(shí)線輪廓為結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計時的使用特征。同時，截面錨點(diǎn)和邊界命名需結(jié)合工程設(shè)計與軟件說明進(jìn)行定義，完成后，對錨點(diǎn)進(jìn)行非構(gòu)造元素化操作，隱藏不必要的工作平面和線條，以避免設(shè)計調(diào)用時產(chǎn)生歧義。圖4所示為典型貫穿水密開口，圖中粗點(diǎn)劃線輪廓表示型材，細(xì)實(shí)線表示開口外輪廓。

結(jié)合科考船結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)詳圖，針對連接、補(bǔ)板、墊板等型式，在明確設(shè)計參考輸入對象和尺寸驅(qū)動參數(shù)的條件下，對應(yīng)創(chuàng)建參數(shù)化模型，并完成參

數(shù)借用，實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)模板的創(chuàng)建。共完成了20多種模板，圖5所示為其中3種結(jié)構(gòu)設(shè)計模板。同時，在Catalog環(huán)境下建立結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)庫目錄，將不同的模板存入庫中對應(yīng)的目錄。當(dāng)用戶開展結(jié)構(gòu)設(shè)計時，僅需調(diào)用相應(yīng)的模板、選取參考對象、輸入數(shù)據(jù)即可快速生成結(jié)構(gòu)部件，以滿足提高設(shè)計效率、確保研制質(zhì)量的需要。

圖3 典型型材截面Fig.3 Typical profile cross-section

圖4 典型貫穿水密開口Fig.4 Typical watertight notch

圖5 典型結(jié)構(gòu)設(shè)計模板Fig.5 Typical structure design templates

5 結(jié) 語

針對CATIA V6結(jié)構(gòu)建庫缺乏模板和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的問題，闡述了船舶三維結(jié)構(gòu)建庫的重要性，分析了CATIA V6結(jié)構(gòu)資源數(shù)據(jù)配置策略，詳細(xì)說明了一系列資源表的具體功能?；趯⒅R工程引入三維結(jié)構(gòu)建庫中，對CATIA V6結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件創(chuàng)建展開分析，為設(shè)計人員提供了全新的建庫思路。同時，結(jié)合科考船工程實(shí)例，介紹了船體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件的系統(tǒng)分類和創(chuàng)建。在此工程應(yīng)用中，充分運(yùn)用知識工程技術(shù)，有效創(chuàng)建了結(jié)構(gòu)件模板，存入標(biāo)準(zhǔn)件庫供結(jié)構(gòu)設(shè)計時調(diào)用，從而達(dá)到了提高工作效率、確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的目的。

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Database construction method of hull structure based on CATIA V6

LU Yongjin1，ZHU Jin2，LI Taotao1

1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

2 Naval Armament Department of PLAN，Beijing 100841，China

Finding a method of knowledge-based engineering for ship node structure design and hull structure design to improve working efficiency is a hot research issue.Based on the CATIA V6 software platform，this paper systematically describes how to build a structure database for three-dimensional design，and explains the importance of database construction to structure design.Moreover，the data allocation and composition of structure resources are analyzed，and the specific functions of the resource tables specially explained.Combined with the technology of parameterized modeling and knowledge engineering，the creation procedure of standard parts for structure design is introduced in detail.Finally，taking the typical hull structure as an example，the establishment of a large number of standard parts and structure templates are implemented in engineering application.It is concluded that the solution provides technical support and decision support for ship database construction.

ship hull structure；three-dimensional design；CATIA V6；database construction；knowledge-based engineering

U662.9；TP391.7

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.06.006

2016-04-05

時間：2016-11-18 15:19

國家部委基金資助項(xiàng)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李濤濤，男，1988年生，碩士，助理工程師。研究方向：船舶設(shè)計信息化。E-mail：taotaoliwhut@163.com

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20161118.1519.012.html 期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

盧永進(jìn)，朱進(jìn)，李濤濤.基于CATIA V6的船舶結(jié)構(gòu)建庫方法［J］.中國艦船研究，2016，11（6）：35-39. LU Yongjin，ZHU Jin，LI Taotao.Database construction method of hull structure based on CATIA V6［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（6）：35-39.