基于FORAN的船舶管路三维设计研究

，

(中国舰船研究设计中心,武汉 430064)

随着计算机技术的发展，三维设计技术已在航天、航空、汽车等领域的研发、设计与制造过程中得到广泛应用。由于船舶系统的复杂性，其三维设计应用相对滞后。目前，尽管国内多家设计院所和船厂运用CADDS5、TRIBON、CATIA等软件在船舶设计上取得了初步成效，但与全面数字化造船尚有一定距离[1]。

作为用于船舶工程设计和建造的集成化软件系统，FORAN软件为用户提供了总体型线、船体结构、管路系统、空调通风、舾装、电气等相关专业的三维设计，可谓覆盖面广，功能强大。三维管路设计作为三维设计的重要组成部分，涉及多个专业，而且操作复杂。

1 管路建库

与大多三维设计软件相同，FORAN自身不设置任何专业的附件库，要进行管路设计，用户必须根据实际需求自行建库。管路建库需要完成基础信息库、管子库和附件库的建立，它们均是服务于船舶管路设计的大型数据库，缺一不可，同时必须保证其准确性，否则会带来不必要的麻烦。建数据库时，设计者应在熟悉船舶管路系统和相关标准的基础上，根据设计需求在Fdefin模块中进行系统规范的建库工作。FORAN软件管路设计各库表之间的关系见图1。

图1 FORAN三维管路设计流程

在图1中，建立基础信息库是整个管路建库的基础性工作，必须涵盖通径表、材料属性表、管端类型表、壁厚等级表、连接类型表等信息，相关数据将为定义Standard norms表和CLASS服务，一般不需设计者创建[2-4]。管子建库需要建立Standard norms表、CLASS及其所属Components，而管路附件库的创建只需定义CLASS及相关Components。二者的区别在于管路附件库不用创建Standard norms表，究其原因是管路设计以管线为主导，在对管线赋予相关属性后，再插入配套附件，如阀件、三通、异径、弯头等，使得附件与管件相匹配。在建库过程中，应查找相关标准做好建库工作，确保输入数据准确无误。否则，在后续三维设计时，将因管子与附件或附件与附件之间不匹配而无法关联。

2 管路设计

相对管路建库而言，FORAN三维管路设计比较简单，依次在Fdefin和Fpipe两个模块中完成。在Fdefin模块下，基于管子库和附件库的数据信息，分别建立管子材料规格表和附件材料规格表。然后进入Fpipe模块进行三维设计，首先通过多义线创建相应管线，再沿多义线生成管段，并在弹出的PipeLine Segment Attributes对话框中赋予管段具体属性，备选属性信息均是在Fdefin模块中建库创建的。随后便可在管段具体位置插入管路附件，图2为典型管路系统的FORAN三维设计模型，该系统涉及三种不同通径管子，并含有三通、弯头、异径、蝶阀和闸阀等附件。在整个设计过程中，当管件属性变化时，与之关联的附件也需作出相应调整，并首先在Fdefin模块进行建库修改，每次修改完后，在Fpipe模块中保持实时更新。

图2 典型管路的FORAN三维设计模型

在三维设计过程中，需要实时干涉检查，目的在于检查设计管路与船体、设备、电缆以及其它管路是否发生碰撞，这样能有效减少或避免多专业并行设计时的干涉情况，以便对质量和技术状态进行有效控制。干涉检查时，还可根据设计需要隐藏忽略项，尤其对于包敷绝缘的管路，FORAN可以通过消隐直接显示管路及绝缘，绝缘呈半透明状。干涉检查之后，专业内部或专业之间往往要进行技术布置协调，在协调结果的基础上，对相关设计进行相应修改和完善。如此检查、调整反复进行，直至获得合理的管路设计为止。

3 管路出图

出图是三维管路设计工作流程的最后环节，当完成布置、干涉检查、修改等一系列工作完成后，就需将三维管路布置转换为二维图形打印输出，便于制造单位按图进行施工建造，图3给出了FORAN管路出图流程。

图3 FORAN三维管路出图流程

FDesign是FORAN用于实现三维转二维出图的模块。在Fpipe模块或Fcable模块中调出船体结构以及背景设备，制作成REM格式文件。随后在FDesign模块中调入REM文件和需出图的设备，根据需要生成所需视图，并进行标题等相关信息修改。生成标注和明细表的方法有两种，一种方法是运用组库自动形成明细表和标注ELEMENT名称，但必须在英文环境下才能实现组库出图。另一种是利用Thinkdesign的功能自动标注序号，然后根据自动标注的序号修改明细表的内容。对于设备、管路以及材料统计所需的零件编号、规格、数量、材料、管路绝缘、重量、重心等信息，FORAN软件均能从三维模型中自动提取并统计。

4 几何宏运用

对于管路设计者而言，FORAN软件提供的管路附件并非一应俱全，对于某些特殊附件，需要用户基于TCL语言编写几何宏文件来定义相应实体。FORAN软件的宏文件以参数化编程为基础，不受软件版本和系统平台的限制，特别适用于创建形状复杂的几何模型[5]。在FORAN软件中，不同系列的宏放在不同文件夹中，管附件宏文件的后缀为.fit，同时，MACFIT环境变量用于配置管系及其附件宏文件的目录路径(*.fit)。

一个几何宏一般至少由参数函数和运行函数两个基本函数组成，参数函数主要用于变量设置、参数描述、关联轮廓图和宏命名等。变量名的定义可以用字母，数字或下划线字符作为首字符，后面继续与一些字符(数字，字母或下划线字符)一起组成变量名。而运行函数则由一系列TCL命令来实现编辑模型，见图4。

图4 几何宏文件的框架结构

TCL语言是宏文件的编写语言，它具有条件分支、循环、数学计算等语言特征，与常用编程语言类似。同时，TCL语言包含MAC_PARM、MAC_OBJP、MAC_MODL、MAC_COLO等数十条命令，是几何宏编写过程中必不可少的，分别具有参数描述、对象创建、属性编辑、实体变换等功能。如果几何宏相对简单且很短，可按图4框架进行编辑；对于一个复杂且长的几何宏文件来说，由于FORAN提供了27种基本模型和52种扩展模型，可考虑采用类似的宏作为参考蓝本，在此基础上创建出新的附件模型。

5 几何宏编写

由于阀件的型式多样且较复杂，因此在其二次开发程序中需兼顾快速建模和主要外形相似的原则，根据标准以及设计习惯，以通径、阀件尺寸及法兰厚度为主要设计参数，从而确定其它结构尺寸与主要参数之间的关系，使得编写的几何宏能够按照规范的要求，通过主要参数的变化唯一确定阀件模型。宏文件按图4所示框架结构来编写。现以GB/T 593-93三通L型旋塞为例进行编写演示。

通过查阅标准GB/T 593-93，三通L型旋塞可由法兰直径D、旋塞长度L、旋塞高度H、法兰厚度b和法兰中心点高度H1五个主要参数来确定。用TCL语言编写其宏模型的思路见图5。

图5 三通旋塞几何宏编写流程

首先运用MAC_OBJP命令插入基本几何宏ANIL、CILI、TRCN形成左侧法兰及结构，并赋予法兰属性和颜色。然后复制生成右侧法兰及结构，同时旋转整个对象，再运用MAC_OBJP、MAC_SELE、MAC_ROTA等命令依次生成后侧法兰及结构、中间腔体和手柄。为了布置时旋塞的定位，最后定义旋塞的输入点、输出点。

为了方便对创建的宏模型进行编写和测试，须对FORAN软件做相应的配置，在软件FORAN初始界面中，鼠标左键点击【setup】，选择【Add/Edit project... 】一栏，弹出【project】对话框。在【Dir. list】一栏中输入宏文件存放路径，如C: emp；在【Env variables】后的空白栏处输入各阀件宏文件包括路径：

MACFIT=C: empcfgfilmacrosfittp;C: empcfgfilmacrosincludes

图6 三通旋塞参数化建模对话框

结合标准GB/T 593-93，在对话框右侧输入对应数据，即可根据设计需求创建不同通径的旋塞。

6 结论

FORAN软件具有面向船舶设计师、贯穿整个设计过程、数据模型统一、二次开发环境优越等优点，这正符合船舶管路三维设计追求的目标。同时， FORAN中的几何宏编写可对管路特殊附件、设备进行参数化建模，为设计人员提供便捷的设计手段。由于目前国内的船舶设计理念和思路与国外有所不同，在并行设计方面还有待提高。在FORAN船舶管路三维设计过程中，需结合轮机专业实际情况，对现行的设计流程和管理进行相应完善，才能充分发挥软件的强大管路设计功能，从而减少开发过程中的管路放样次数，提高设计质量和缩短开发周期。

[1] 邵开文，马运义.舰船技术与设计概论[M].北京:国防工业出版社,2005.

[2] 林 锐，曾荣辉，卢永进，等.FORAN三维设计实用教材[M].北京:国防工业出版社，2011.

[3] 林 锐，卢永进，房玉吉，等.Foran软件在轮机设计中的应用[J].机械，2011,38(8):33-35.

[4] 张 凯，谢承福，涂跃红，等.FORAN软件在船舶总体设计中的应用[J].中国舰船研究，2009(4): 80-84.

[5] OUSTERHOUT J K, JONES K.Tcl/Tk入门经典[M].2版.张元章,译.北京:清华大学出版社,2010.