鄔旭東 佟 寅

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

為避免集裝箱在集裝箱船航行過程中出現(xiàn)相互碰撞或撞擊船體結構的問題，集裝箱船載貨艙都配設專門的導軌用以固定集裝箱。對于大型集裝箱船，貨艙內的集裝箱層數(shù)一般達到9層以上［1］，因此導軌涉及不同形式的連接肘板數(shù)量龐大；同時需要布置導軌的結構艙壁較多，因此導軌布置隨結構變化而形式復雜。

在傳統(tǒng)的二維導軌設計中，會有因構件種類繁多而導致設計繁瑣、重量統(tǒng)計困難以及后期修改工作量大等問題。本文提出一種基于CATIA平臺的三維集裝箱導軌設計方法，利用CATIA中的知識工程、參數(shù)化設計、統(tǒng)一裝配等功能，不僅使整體設計更直觀，也有效提升設計人員的工作效率以及設計的精準度。

1 三維導軌設計的框架

集裝箱船中的每個貨艙艙壁上橫向分布著等間距的多條集裝箱導軌。導軌主體采用統(tǒng)一材質的角鋼，導軌與船體之間一般通過與甲板齊平的支撐構件進行連接，在此支撐構件間設置加強構件進行導軌結構加強。集裝箱導軌上的構件可用幾種類型的構件進行分類，這樣就為構件的模塊化，零件的統(tǒng)一裝配提供了三維設計框架。

將導軌上的所有構件通過功能特性進行劃分，劃分完的構件形成不同的模塊。模塊再根據(jù)構件的幾何約束劃分為不同參數(shù)化的零件。于是，集裝箱導軌的設計過程進而轉化為不同參數(shù)化零件的統(tǒng)一裝配。這種參數(shù)化零件的裝配過程實質上是一種自頂向下的設計理念，如圖1所示。在這種設計理念中，零件的設計將遵循設計框架的主線，零件將自動繼承上一層的裝配關系［2］。由于零件模型之間相互獨立且互相聯(lián)系，因此能夠實現(xiàn)關聯(lián)設計過程中的產(chǎn)品設計信息共享、繼承和傳遞。［3］在后期零件的調整與再裝配過程中，系統(tǒng)能夠自動對裝配關系進行維護，從而確保系統(tǒng)的完整性。

圖1 自頂向下的裝配流程

在集裝箱導軌的設計中以一道橫艙壁上的導軌為總體裝配對象，首先根據(jù)結構特征分為導軌主體角鋼以及導軌構件。以導軌主體為基礎骨架，在上面構造導軌構件的定位方案，將以參數(shù)為驅動的不同功能特征的導軌零件統(tǒng)一裝配。導軌主體角鋼與參數(shù)化零件通過這種裝配關系形成一個總體，在后期修改單個零件的參數(shù)時，整個總體裝配對象可以進行自動更新，保證系統(tǒng)完整性。

根據(jù)導軌構件在導軌主體上不同功能特性與空間約束，將導軌構件主要分為導軌頂部構件，導軌底部構件以及導軌中部構件。

導軌頂部構件為導軌主體最頂部與船體結構連接的構件，功能為保證集裝箱正確進入貨艙內，根據(jù)集裝箱進入貨艙的形式進行參數(shù)化劃分。

導軌底部構件為導軌主體最底部與船體結構連接的構件，其功能為避免集裝箱在貨艙底滑箱，根據(jù)船體結構在船底的不同形式進行參數(shù)化劃分。

除去導軌頂部構件和導軌底部構件，剩下的構件稱為導軌中部構件，功能為保證導軌主體的強度與剛度，根據(jù)導軌主體的加強方式進行參數(shù)化劃分。

導軌頂部構件、導軌底部構件與導軌中部構件各個構件模塊再使用知識工程統(tǒng)一裝配到導軌主體上，保證了導軌的功能性得以滿足，設計框架如圖2所示。

圖2 集裝箱導軌三維設計框架

2 基于CATIA平臺的導軌設計

2.1 CATIA導軌設計實例

CATIA是法國達索公司開發(fā)的三維數(shù)字化設計軟件，具有建模、裝配和工程出圖等基本功能，還可以對建立的模型進行運動學、動力學仿真和有限元分析等操作［4］。使用CATIA對集裝箱導軌進行三維設計能夠加快產(chǎn)品的設計效率，節(jié)約設計成本。本文以某型14 000 TEU集裝箱船的導軌設計為例，介紹基于CATIA平臺導軌三維設計方法。

2.2 知識驅動導軌設計

借助已有的二維導軌設計經(jīng)驗和知識，如幾何約束、表達關系式和圖面表達方法等內容，在CATIA中構造一個導軌三維設計的知識工程庫，其核心內容是將設計標準、規(guī)范經(jīng)驗等特征信息建成知識庫嵌入到設計系統(tǒng)中，核心在于知識的推理與重用［5］。集裝箱導軌形式復雜，涉及零件繁多，因此，設計一個全新的導軌系統(tǒng)費時費力，使用三維導軌知識工程庫讓設計人員能夠重用之前的設計經(jīng)驗與知識，通過對參數(shù)的選擇、主體框架的局部修改等，達到加快設計效率的目的。

導軌三維設計首先創(chuàng)建包含了由設計經(jīng)驗、設計規(guī)范和尺寸信息等組成的知識工程，如導軌加強構件與導軌主體間需要預留的焊接余量，零件幾何中心的定位選取，零件與船體結構連接時的焊接形式，在2根角鋼間布置連接構件以增強導軌本體的強度和剛度［1］等內容。通過構建內嵌知識工程的零件庫，以及符合知識工程的零件裝配關系，實現(xiàn)零件幾何的自動更新與空間約束關系的自動生效。

采用知識工程的導軌三維設計可以總結為建立知識導向的參數(shù)化零件庫，并通過知識工程保證零件裝配的關聯(lián)性。通過參數(shù)約束零件的幾何特性來將導軌零件模型與設計知識相結合，將需要表達的知識工程內容通過基于CATIA平臺的編程語言來實現(xiàn)零件模型與裝配方案的關聯(lián)性。

2.3 導軌零件的參數(shù)化設計

在集裝箱導軌總體裝配的基礎是不同參數(shù)的零件，因此三維導軌設計的首要步驟是建立參數(shù)化零件庫。導軌零件的參數(shù)化設計是對零件進行結構性分析，將零件的幾何約束與尺寸約束等信息通過參數(shù)公式相互關聯(lián)［6］，通過修改零件的參數(shù)自動完成零件的建模，減少設計人員的重復勞動。

基于知識驅動導軌的零件庫建立，按不同標準對導軌零件進行分類。導軌頂部構件模塊通過修改支撐塊的高度參數(shù)保證集裝箱能正確進入貨艙（圖3），分為3種零件；導軌底部構件模塊通過修改肘板與艙壁的關聯(lián)參數(shù)保證底部零件與船體結構間的連接關系（圖4），分為5種零件；導軌中部構件模塊通過調整墊板、加強筋板等的規(guī)格參數(shù)決定零件對導軌主體的加強方式（圖5），分為7種零件。導軌零件庫參見表1。

圖3 頂部零件的輸入?yún)?shù)

圖4 底部零件的輸入?yún)?shù)

圖5 中部零件的輸入?yún)?shù)

表1 導軌零件庫

通過自頂向下的理念對不同模塊的零件參數(shù)化建模，將同一模塊的參數(shù)化規(guī)則輸入知識工程模板，使用CATIA中重復調用知識工程的功能，確保同一模塊下的零件采用統(tǒng)一的規(guī)則參數(shù)化，保證了模塊中零件建模流程的一致性，提升了建立參數(shù)化零件庫的效率，體現(xiàn)了知識驅動導軌零件設計的思想。

2.4 知識工程建立導軌的關聯(lián)

在零件的裝配設計過程中，使用不同裝配方式知識驅動的工程模板，構建子裝配對象與總體間的關聯(lián)。在這種統(tǒng)一裝配的框架下，不同工程模板裝配的零件將繼承構建工程模板的工藝設計知識，這樣零件與裝配知識相互融合，裝配知識通過三維模型更直觀地體現(xiàn)出來。

首先構建導軌主體角鋼的定位信息，導軌主體依據(jù)這集裝箱排列的規(guī)整性為等間距排列的L150×150角鋼，除了最靠舷側的部分只有一根角鋼，其余的部分均有兩根，長度根據(jù)結構來決定。

14 000 TEU每一道艙壁上有近700個構件，每個零件需要在整體坐標系上建立單獨的局部坐標系進行裝配，單獨對每個零件建立坐標工作量巨大。因此在設計導軌構件與導軌主體間的關聯(lián)時可以使用知識工程加入設計規(guī)則，實現(xiàn)構件與導軌主體的自動化關聯(lián)，以減少人為的設計失誤。

導軌頂部構件為了保證集裝箱能順利進入貨艙內，因此相鄰的2個零件的支撐塊的高度需不同，即一高一低地排列。在決定了貨艙正中間的導軌頂部構件的形式TG1型零件以及最靠舷側的導軌頂部構件TG3型零件的位置之后，便可得出所有導軌頂部構件的排列。在這條裝配知識的驅動下，構建導軌頂部構件裝配的知識工程，如圖6所示。輸入條件為最靠舷邊的頂部構件位置（綠色坐標）以及中間頂部構件的形式（最右邊橙色坐標），輸出的內容為其余的坐標。再使用CATIA的ASSEMBLY PATTERN功能對頂部構件進行統(tǒng)一裝配。

導軌底部構件則根據(jù)橫艙壁上導軌角鋼底部處的結構形式進行布置（圖7）。對于形式單一的貨艙底部可以等間距的方式設置知識工程布置坐標。但對于形式復雜的貨艙底部則需要手動布置坐標。

導軌中部構件根據(jù)結構橫艙壁上加強骨材的布置形式進行相對應的布置。如圖8所示，以一條主體角鋼上的導軌中部構件為例，A型零件（橙色坐標），C型零件（洋紅色坐標），B型零件（綠色坐標）依次依托橫艙壁上的加強筋進行布置。因此可以根據(jù)加強筋的排列方式得出導軌中部構件的定位，又因為加強筋為等間距的排列方式，從而在知識工程中輸入首根加強筋的定位以及間距的長度，便可以根據(jù)A型零件、C型零件、B型零件的排列順序依次生成橙色坐標，洋紅色坐標與綠色坐標并使用CATIA的ASSEMBLY PATTERN功能。對于最靠舷側的導軌角鋼上的導軌中部構件，則根據(jù)舷側的橫艙壁加強筋的定位進行坐標生成（墨綠色坐標），再裝配D型零件。

圖 6 導軌頂部構件裝配形式

圖7 導軌底部構件裝配形式

圖8 導軌中部構件裝配形式

2.5 設計流程

根據(jù)集裝箱導軌的特點，集裝箱導軌的設計流程如圖9所示。

圖9 集裝箱導軌三維設計流程圖

首先根據(jù)船體結構與集裝箱尺寸決定導軌主體角鋼的形式與布置，作為設計的基礎；其次根據(jù)設計知識驅動，構建自頂向下的設計框架；再將導軌上的零件分為3類模塊，分別進行參數(shù)化建模；然后根據(jù)不同模塊中零件的裝配規(guī)則構建不同的知識工程模板生成每個零件需要的裝配坐標；最后使用CATIA的統(tǒng)一裝配功能進行模型系統(tǒng)化的構造，并進行二維出圖。最終結果如圖10所示。

圖 10 集裝箱導軌三維建模與二維出圖

3 結 語

本文以14 000 TEU集裝箱船的集裝箱導軌設計為例，提出了一種基于CATIA平臺的三維集裝箱導軌設計方法。通過知識工程的運用、模塊化設計、參數(shù)化建模和統(tǒng)一裝配等方法，實現(xiàn)了高效的集裝箱導軌三維設計。

運用自頂向下的模塊化設計思路，將繁瑣的建模任務進行分類，以知識為導向驅動導軌系統(tǒng)設計；通過參數(shù)化零件庫進行裝配，以參數(shù)主導零件的形式，避免了重復建模工作，后期修改可以實現(xiàn)實時更新；通過知識工程模板對零件進行統(tǒng)一裝配，使零件的數(shù)量以及重量統(tǒng)計更加便捷，提高了設計效率。這種設計方法提升集裝箱導軌設計中的智能化和自動化程度，提升設計人員的工作效率，提升了企業(yè)的三維設計知識的積累。