盧永進(jìn)，吳波，李濤濤

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064

基于CATIA V6的船舶風(fēng)管數(shù)據(jù)分析

盧永進(jìn)，吳波，李濤濤

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064

［目的］為深入探索CATIA V6船舶風(fēng)管設(shè)計和相關(guān)數(shù)據(jù)組成，［方法］結(jié)合實際工程背景，建立CATIA V6通風(fēng)系統(tǒng)三維設(shè)計方法，分析管附件資源庫結(jié)構(gòu)組成和風(fēng)管放樣流程；圍繞系統(tǒng)設(shè)計各模塊組成，指出各模塊處理對象和數(shù)據(jù)儲存位置，以明確研究對象。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)闡述基礎(chǔ)技術(shù)表定義和具體內(nèi)容，重點介紹其內(nèi)容擴(kuò)展性，并針對通風(fēng)管路三維模型，深入研究底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。［結(jié)果］經(jīng)分析研究，得到了主要技術(shù)表之間的關(guān)聯(lián)性。［結(jié)論］研究結(jié)果有利于設(shè)計者深入掌握通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計，對定制開發(fā)可提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

通風(fēng)管路；三維設(shè)計；CATIA V6；技術(shù)表；數(shù)據(jù)分析

0 引 言

良好的通風(fēng)設(shè)計和合理的氣流組織可為船舶艙室提供高品質(zhì)空氣和舒適環(huán)境，現(xiàn)已成為船舶研制的關(guān)注重點。而當(dāng)前的一個重要方向即利用日趨完善的數(shù)字化技術(shù)開展通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計以實現(xiàn)氣流的合理組織［1-3］。

在船舶設(shè)計領(lǐng)域，三維設(shè)計技術(shù)已成為提高船舶研制效率和改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的重要途徑，也為虛擬現(xiàn)實和仿真分析提供技術(shù)基礎(chǔ)。由于船舶系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性和模型數(shù)據(jù)量巨大，且總體設(shè)計難以達(dá)到生產(chǎn)建造工藝所要求的設(shè)計深度，使得數(shù)字化技術(shù)在一體化設(shè)計建造中的應(yīng)用滯后。目前，國內(nèi)船舶領(lǐng)域已先后引入CADDS5，F(xiàn)ORAN，TRIBON，CATIA V5等軟件，并獲得了初步成效［4-9］。結(jié)合應(yīng)用現(xiàn)狀，船舶三維設(shè)計軟件性能的對比如表1所示，可見CATIA平臺作為通用軟件，盡管模型數(shù)據(jù)量大，但關(guān)聯(lián)性設(shè)計強(qiáng)，CAD/CAE集成度高，具備版本管理和權(quán)限控制，在船舶設(shè)計領(lǐng)域具有較強(qiáng)優(yōu)勢。其中，CATIA V6相比CATIA V5而言，在協(xié)同設(shè)計、協(xié)作創(chuàng)新及虛擬驗證方面提出了新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并針對船舶結(jié)構(gòu)、輪機(jī)、電氣等專業(yè)設(shè)計進(jìn)行了系統(tǒng)功能增強(qiáng)，為用戶提供了全新的解決方案。

近年來，法國達(dá)索公司推出的CATIA V6產(chǎn)品正在國內(nèi)船舶行業(yè)得到穩(wěn)步推廣。但作為通用設(shè)計平臺，CATIA V6缺乏與國內(nèi)船舶研制的有效融合，尚待進(jìn)行設(shè)計加速、質(zhì)量檢查、二維出圖等定制開發(fā)，而CATIA V6底層數(shù)據(jù)是開展定制開發(fā)的前提和基礎(chǔ)。船舶通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計是船舶設(shè)計的一項重要內(nèi)容，有必要結(jié)合船舶通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析研究。

1 CATIA V6通風(fēng)系統(tǒng)三維設(shè)計方法

CATIA V6是由法國達(dá)索公司與IBM公司基于類C語言程序CNEXT開發(fā)的CAD/CAM/CAE通用軟件平臺。軟件平臺能滿足船舶從方案設(shè)計到生產(chǎn)設(shè)計中各專業(yè)的基本需求，具體涵蓋總體型線、船體結(jié)構(gòu)、管路系統(tǒng)、暖通、舾裝、電氣等專業(yè)。

結(jié)合工程研制背景，CATIA V6船舶通風(fēng)系統(tǒng)三維設(shè)計主要包括管附件建庫和風(fēng)管放樣兩部分。管附件建庫時，進(jìn)入HVAC 3D Part Design模塊完成參數(shù)化建模（HVAC代表供暖、通風(fēng)與空調(diào)，簡稱暖通），與設(shè)計表關(guān)聯(lián)后進(jìn)行解析，批量生成標(biāo)準(zhǔn)件，然后按種類分別存入基礎(chǔ)模型管理文件Catalog中。而風(fēng)管放樣則進(jìn)入Piping&Tubing Systems Design模塊，創(chuàng)建系統(tǒng)管線號，選擇已引用濾器的規(guī)格書，然后在特征樹中實現(xiàn)Logical與Physical節(jié)點相關(guān)聯(lián)。再切換至HVAC 3D Design模塊，調(diào)入相關(guān)設(shè)備，創(chuàng)建三維管材，插入管附件。在設(shè)計過程中應(yīng)有效開展干涉檢查，并對風(fēng)管布置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。風(fēng)管三維設(shè)計流程如圖1所示。

風(fēng)管建庫時，附件參數(shù)化建模應(yīng)以YZ平面為對稱面，確保與管材相匹配。管材和附件標(biāo)準(zhǔn)件庫用于分類存放、管理和檢索空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)件，下分多級Chapter，類似文件夾。根據(jù)工程研制經(jīng)驗，一級Chapter按部件種類分，具體為風(fēng)管、調(diào)風(fēng)門、肘管、法蘭、墊片、變徑、三通、通艙管件等；二級Chapter可按具體標(biāo)準(zhǔn)分類，以調(diào)風(fēng)門為例，分為調(diào)風(fēng)門_CB/T 3726-1995、調(diào)風(fēng)蝶閥_CB 1285-1996等；底層即為解析后的標(biāo)準(zhǔn)件，具體如圖2所示。

在風(fēng)管放樣過程中，伴隨管材布放和管附件添加，需實時開展干涉檢查，以判斷風(fēng)管與船體、電纜及其他管路是否產(chǎn)生碰撞，從而減少或避免并行設(shè)計過程中的干涉問題，有效控制設(shè)計質(zhì)量和技術(shù)狀態(tài)。獲取干涉檢查結(jié)果后，各專業(yè)設(shè)計人員需圍繞具體問題開展布置協(xié)調(diào)，并以協(xié)調(diào)結(jié)果為依據(jù)，對風(fēng)管設(shè)計進(jìn)行修改完善。由于設(shè)計處于不斷平衡和反復(fù)迭代的過程中，干涉檢查將伴隨整個風(fēng)管施工設(shè)計，直至出圖才能結(jié)束。

2 CATIA V6設(shè)計數(shù)據(jù)存儲

由通風(fēng)系統(tǒng)三維設(shè)計方法分析可知，CATIA V6通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計主要由Data Setup，HVAC 3D Part Design，Piping& Tubing Systems Design，HVAC 3D Design等模塊組成，其關(guān)系如圖3所示。從圖3來看，CATIA V6配置了Database Server和File Server兩大服務(wù)器。Database Server用于存儲屬性、表格和裝配關(guān)系，而File Server則存儲幾何模型和文檔類文件。各模塊產(chǎn)生的相關(guān)信息對應(yīng)存儲至服務(wù)器中，作為其他模塊的數(shù)據(jù)來源。其中，Data Setup和Piping&Tubing Systems Design模塊創(chuàng)建的數(shù)據(jù)和引用全部存入Database Server中；HVAC 3D Part Design和HVAC 3D Design模塊產(chǎn)生的三維模型和設(shè)計表存入File Server，而其屬性信息與在標(biāo)準(zhǔn)件庫中的位置關(guān)系儲存在Data?base Server服務(wù)器；運(yùn)用Drafting模塊出圖則從兩大服務(wù)器讀取模型和屬性等具體信息。

3 基礎(chǔ)資源庫數(shù)據(jù)

風(fēng)管基礎(chǔ)資源庫配置旨在建立完整詳實的基礎(chǔ)技術(shù)表、規(guī)格書、資源集，是風(fēng)管三維設(shè)計的基礎(chǔ)，而基礎(chǔ)技術(shù)表內(nèi)容則作為重要的底層數(shù)據(jù)，是基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)的核心。

3.1 基礎(chǔ)技術(shù)表

基礎(chǔ)技術(shù)表是資源庫配置的基礎(chǔ)，CATIA V6提供了十多張風(fēng)管技術(shù)表，這些技術(shù)表分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表和設(shè)計規(guī)則表兩大類，具體如表2所示。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表包含標(biāo)準(zhǔn)體系表（Standard Table）、材料種類表（Material Category Table）、材料表（Material Table）、部件子類表（Part Subtype Table）、等效通徑表（HVAC Equivalent Diameter Table）等，分別定義設(shè)計采用的標(biāo)準(zhǔn)體系、材料種類、材料名稱、附件子類、風(fēng)管尺寸規(guī)格等。而設(shè)計規(guī)則表用于建立風(fēng)管彎管規(guī)則和管件自動匹配規(guī)則，具體為風(fēng)管彎管半徑表（HVAC Turn Rule Table）、最短直管段長度表（HVAC Minimum Straight Length Table）和風(fēng)管管件自動匹配表（HVAC Automatic Part Rule Table）等5張表。不僅技術(shù)表之間存在數(shù)據(jù)引用關(guān)系，而且向管材標(biāo)準(zhǔn)件創(chuàng)建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，還為管附件賦予相應(yīng)屬性。

3.2 技術(shù)表內(nèi)容分析

基礎(chǔ)技術(shù)表類似于Excel表，包含一系列涉及管附件屬性和幾何參數(shù)的離散值，如Equivalent Diameter，Material，End Style，Height等，其內(nèi)容默認(rèn)定義為String，Length，Mass，Angle等字段類型。對于等效通徑表而言，其默認(rèn)為自帶的Equivalent Diameter，Shape 2個屬性和 Height，Width及Corner Radius 3個參數(shù)值，如表3所示。其中，Shape表示風(fēng)管截面類型，可定義為矩形截面、跑道截面、橢圓截面和圓截面4種，具體尺寸由V_Height，V_Width和V_Corner Radius 3個參數(shù)決定，風(fēng)管不同截面形狀參數(shù)取值如表4所示。對圓形截面風(fēng)管而言，僅需定義V_Height，表示圓形截面直徑，而系統(tǒng)自動默認(rèn)V_Width與V_Height等值，V_Corner Radius為0；矩形截面風(fēng)管則根據(jù)工程實際定義3個參數(shù)值，若無需折角，則V_Corner Radius設(shè)置為0，否則按具體折角半徑取值。

技術(shù)表內(nèi)容可根據(jù)工程需要自行添加。管材規(guī)格表是重要的基礎(chǔ)技術(shù)表之一，默認(rèn)自帶Equivalent Diameter，Shape等10個離散值。該表可作為設(shè)計表與參數(shù)化管材相關(guān)聯(lián)，賦予管材相關(guān)屬性和幾何參數(shù)。為此，需要對每一種管材進(jìn)行命名，有必要增加Title項，并設(shè)置為字符類型。同時，從出圖滿足重量重心統(tǒng)計角度考慮，添加Linear Weight項定義管材線密度，字段類型設(shè)置為Linear Mass，對應(yīng)CATIA V6中的單位kg_m（即國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)計量單位kg/m），從而擴(kuò)充基礎(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)容，具體如表5所示。

3.3 技術(shù)表的關(guān)聯(lián)關(guān)系

由于不同項目對數(shù)據(jù)配置存在多樣性，一兩張基礎(chǔ)技術(shù)表涉及的內(nèi)容根本無法滿足項目研制需求，往往需結(jié)合多張技術(shù)表才能實現(xiàn)基礎(chǔ)資源配置。因此，技術(shù)表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系為開展CATIA V6定制開發(fā)提供了橋梁，主要風(fēng)管技術(shù)表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖4所示。

從圖4可以看出，所有技術(shù)表都是通過各種離散值密切聯(lián)系在一起。首先，材料表引用了材料種類表中的種類屬性，然后，管材規(guī)格表關(guān)聯(lián)材料表、等效通徑表、端部類型表等技術(shù)表的對應(yīng)信息。風(fēng)管彎管半徑表引用了彎管彎模倍數(shù)表中的彎模半徑、倍數(shù)，風(fēng)管彎模直徑表中的彎模直徑，以及部件子類表中的部件子類。同時，該表中的等效通徑、截面形狀、材料名稱、材料種類和幾何參數(shù)被管材規(guī)模表所引用。因此，技術(shù)表的關(guān)聯(lián)關(guān)系，不僅便于數(shù)據(jù)的存儲和讀取，而且可確保數(shù)據(jù)一致性和減少數(shù)據(jù)輸入工作量。

4 風(fēng)管模型底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在設(shè)計過程中，大量的模型數(shù)據(jù)關(guān)乎系統(tǒng)穩(wěn)定性，所以對軟件提出了更高的要求。為此，CATIA V6采用基于VPM的設(shè)計/制造并行工程理念，具備上下文管理、成熟度管理、關(guān)聯(lián)設(shè)計管理等功能，能夠很好地實現(xiàn)對三維設(shè)計模型的管理［10］。

通風(fēng)管路三維模型在CATIA V6中由屬性信息和幾何信息共同表達(dá)，按樹狀結(jié)構(gòu)組織，其屬性信息囊括等效通徑、材料、端部類型等所有信息，而幾何信息則由坐標(biāo)點和基本圖元等組成。整個樹狀結(jié)構(gòu)不僅集中表達(dá)了產(chǎn)品、管材和附件之間的從屬關(guān)系，而且有利于用戶訪問相關(guān)對象讀取數(shù)據(jù)信息。圖5所示為CATIA V6通風(fēng)系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，風(fēng)管三維模型由VPM Reference和VPM Port兩部分組成，前者表達(dá)屬性和方法，包含風(fēng)管實體和管線信息，具體涵蓋管材和調(diào)風(fēng)門、墊片、法蘭、彎頭、三通等附件幾何實體，并對屬性和幾何信息進(jìn)行了規(guī)范定義和表達(dá)。VPM Reference具備用戶擴(kuò)展功能，如V_PartType為字符型，字符長度不能超過40個。而VPM Port封裝了管材和附件的詳細(xì)接口信息，包含標(biāo)準(zhǔn)、壁厚、截面形狀、等效通徑以及幾何參數(shù)，便于定制開發(fā)時獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語

以通風(fēng)系統(tǒng)管路設(shè)計作為研究對象，根據(jù)工程實際，建立了合理的風(fēng)管資源庫結(jié)構(gòu)和三維設(shè)計流程，明確了通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)流向。結(jié)合CATIA V6設(shè)計相關(guān)模塊，解析出數(shù)據(jù)存儲方式和對應(yīng)服務(wù)器。通過對基礎(chǔ)資源庫數(shù)據(jù)展開分析，系統(tǒng)介紹與通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計緊密相關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)表，并說明了主要技術(shù)表內(nèi)容以及各表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，結(jié)合實例闡述了技術(shù)表的內(nèi)容添加方法，以提高系統(tǒng)的可擴(kuò)充性和集成性。同時，針對通風(fēng)管路模型數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成，為通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計加速、質(zhì)量檢查、二維出圖等專業(yè)定制開發(fā)提供極有價值的參考。

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Data analysis of ship ventilation ducts based on CATIA V6

LU Yongjin，WU Bo，LI Taotao
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

In order to research on CATIA V6 ship duct design and related data，combined with a practical engineering background，a three-dimensional design method for the CATIA V6 ventilation system is exhibited，and the catalog composition of duct fittings and duct lofting process are presented.Meanwhile，revolving around the system design modules，the module processing objects and data storage location are analyzed in order to determine the object of study.And on this basis，the definition and specific content of the engineering technological tables are illustrated in detail；specifically，the contents are extended. Moreover，in light of the three-dimensional model，further research into the underlying data structure of ventilation ducts is implemented.The relationships between the major technological tables are shown.The results of the study are not only beneficial for designers to grasp design technology，but also essential for software developers to secure theoretical guidance and technical support.

ventilation duct；three-dimensional design；CATIA V6；technological table；data analysis

U662.9；TP391

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.007

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170313.1612.026.html

盧永進(jìn)，吳波，李濤濤.基于CATIA V6的船舶風(fēng)管數(shù)據(jù)分析［J］.中國艦船研究，2017，12（2）：57-62. LU Y J，WU B，LI T T.Data analysis of ship ventilation ducts based on CATIA V6［J］.Chinese Journal of Ship Re?search，2017，12（2）：57-62.

2016-06-29 < class="emphasis_bold"> 網(wǎng)絡(luò)出版時間：

時間：2017-3-13 16:12

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

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com