基于 CATIA V6 的船舶管路三维设计研究

卢永进，宋一淇，林 锐，陈捷捷

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

基于 CATIA V6 的船舶管路三维设计研究

卢永进，宋一淇，林 锐，陈捷捷

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

为有效推进 CATIA V6 软件的船舶工程化应用，通过基础资源库配置、管路设计、二维出图和应用开发 4 个方面进行管路三维设计研究。从工程技术表入手，系统介绍了 CATIA V6 面向二维驱动三维管路设计的资源配置和建库策略。结合船舶研制背景，详细分析了 CATIA V6 管路设计流程，并总结出工程设计应用经验。同时，为弥补通用软件在工程设计中的不足，开展了面向二维出图和快速建库的定制开发，且在工程实践中具有较好的操作性和稳定性。

CATIA V6；管路设计；三维设计；出图；定制开发

0 引 言

在船舶设计领域，三维设计技术正在不断推广应用。由于船舶管路系统的复杂性，且设计水平难以满足船厂放样工艺，使得数字化设计技术相对滞后。当前，CADDS5，FORAN，TRIBON 等专用软件和CATIA V5 通用软件已先后引入国内并应用于船舶设计，并取得了一定成效，但与全面三维设计还有一定距离[1–4]。

管路设计是船舶设计的一个重要组成部分。CATIA V6 作为法国达索公司近年来推出的产品，居世界 CAD/CAE/CAM 领域的领导地位，与 CATIA V5 存在很大差异，该软件提供了从管路原理图绘制到三维放样的功能，可满足轮机专业的建模基本需求。按照不同的设计阶段，CATIA V6 管路系统设计包括资源配置、二维符号绘制、原理图设计、管附件三维建库、管路三维设计、生产信息提取等内容。但其设计和生产管理模式与我国存在差异，并在资源配置、出图等方面不符合国内船舶研制需要，尚待嵌入设计流程并进行定制开发。为此，分析 CATIA V6 基础资源库配置、管路设计、管路出图等关键技术，并对出图与建库进行定制开发以提高船舶管路设计效率和质量。

1 基础资源库配置

工程技术表是基础资源库配置的基础，包括标准体系表、公称通径表、压力等级表、材料种类表、材料表、端部类型表、三维部件子类表、管材外径表、管材壁厚表、管材规格尺寸表、弯管弯模倍数表、管材弯模直径表、管材弯模半径规格表和最短管材长度表等一系列资源表。这些资源表不仅为后续管附件建库提供数据，还对管附件赋予相应属性。创建时务必充分考虑数据的准确性和完整性。

基于技术表数据，通过参数化模型与设计表关联，批量生成管材、阀件模型并存入标准件库。针对具体管路系统，创建规格过滤器，筛选出设计所选管材和附件。同时，定义对应系统的规格书，将工程技术表和规格过滤器嵌入其中，再将所用技术表、规格书和标准件库关联到资源集，最后绑定到设计项目，具体操作流程如图 1 所示。配置资源库时，用户应在熟悉船舶管路系统和标准规范的基础上，根据设计需求进行相关设置工作。

为实现二维驱动三维设计，应增设二维部件子类表、部件子类映射表，而部件子类映射表由二维部件子类表和三维部件子类表派生而成，如图 2 所示。同时，创建二维与三维设备和管附件并存入库中，确保二维设备符号属性中 Predefined Part Number 项内容为对应三维模型名称。否则，在管路设计过程中，会因映射失败而无法实现二维驱动三维设计。

2 管路设计

在技术设计阶段，根据轮机专业系统划分，构建对应的特征树，创建二维符号并入库。同时，设计人员结合不同系统开展原理图绘制工作，插入设备、阀件等符号，连接管线，从而形成系统原理图。进入施工设计阶段，主要着手详细的三维设备与管路附件建模、入库，并结合实船布置和加工工艺进行管路放样，最后实现三维管路转二维出图。在整个设计过程中，二维原理图与三维管路设计相关联；管线与管材、附件的属性必须相互匹配，当管线属性变化时，与之对应的管材、附件也需做出相应调整。

图 1 CATIA V6 三维管路设计流程Fig. 1 Three-dimensional piping design process based on CATIA V6

图 2 二维与三维部件子类之间的映射关系Fig. 2 Mapping relationship between logical and physical part subtype table

为确保船厂有效运用三维管路施工设计成果，在技术和工艺层面应实现与生产建造深度融合。在 CATIA V6 管路三维设计时，应对舱室设备、基座、管路及电缆进行总体规划和三维综合布置平衡，有效运用知识工程技术，综合考虑工艺优化，具体措施如下：

1）在三维管路设计过程中应引入全局规划、综合布置概念，尽量避开风管与主干电缆以及人孔、梯子、门和通道，以确保实船管路集中布置，且整齐、美观；

2）考虑空间利用最大化，对于铺板和内底间的管路，应自下而上，管径由大到小，分层布置；舷侧管路要沿纵向结构平行布置，而穿过甲板时改为沿垂直布放；合理采用直角阀代替直通阀；

3）管路阀件应集中布置，合理优化，同时便于船员观察和操作，不影响船员通行与检修；

4）合理考虑阀件的特殊要求，如安全阀、止回阀、节流阀、减压阀、给水调节阀、流量计尽量安装在水平管段而非垂直管段上；

5）管路设计时尽量使用 30°、45°、60°、90° 等标准弯头，以减小流体阻力，提高船厂管段加工效率；

6）法兰按每 3～5 m 长度布置 1 对，相邻管路法兰布置平齐成品字形或阶梯型。

3 二维出图

当前，国内总体所仍以二维形式向总装厂实现图纸交付，而 CATIA V6 作为面向三维交付的软件，其理念超越国内船舶设计现状。因此，三维管路设计转二维出图非常重要。出图开发基于达索 3D Experience平台，利用 CATIA V6 提供的 CAA 二次开发接口[5,6]，以 C++ 为辅助工具，在 CATIA V6 原生 Drafting 模块的基础上辅以客户化定制开发，研制出管路出图辅助软件。以最大化保证 Auto CAD 与 CATIA V6 软件的无缝衔接及用户体验一致性，软件主要由图框及标题栏创建、船体型线生成、二维组件实例化、二维视图拷贝、型线坐标系创建和视图合并等 6 个工具组成。具备生成图幅、标注、注释、技术要求等功能，自动提取管附件统计所需的编号、规格、数量、材料、重量重心等信息，修改操作方便，提高设计出图工作效率。三维管路转二维出图流程如图 3 所示，具体如下：

1）进入 CATIA V6 软件 Drafting 模块；

2）调入已创建的三维管路模型及船体背景，选取相应视图进行投影；

3）根据配置文件，创建二维图的图框及标题栏，并设置图纸比例；

4）对视图区所选管附件进行自动标注，并分别实现水平、垂直方向对齐，同时添加走向注释；

5）结合软件原生功能配置管附件属性，生成相应的明细表，

6）输出具体管路图纸文件。

图 3 CATIA V6 三维管路出图流程Fig. 3 Three-dimensional piping drawing flow chart of CATIA V6

4 快速建库

对于管路设计而言，基础库数据的合理性、正确性尤为重要，直接影响到设计质量和效率。尽管叶鹏[7]，许诺[8]等对 CATIA V5 进行二次开发，建立了相关产品的零件库，但未涉及船舶工程应用。在资源库配置时，CATIA V6 软件未提供任何阀附件模板，需根据标准中外形尺寸进行参数化建模，并与对应标准数据的设计表相关联，批量生成一系列附件，再存入标准件库供设计者选用。然而阀附件涉及标准规范众多，必须采用有效措施进行数据输入和管理。

为此，突破设计项目壁垒，实现标准件数据统一。清理船用阀附件标准规范，综合权衡模型数据量和设计美观性，适度简化附件外形，对外形类似附件统一归类，建立参数化模型，存入附件简化模型库，便于批量解析阀附件时快速调用。以 GB/T 584-2008 船用法兰铸钢直通型截止阀为例，根据标准所述结构和基本尺寸，创建简化几何模型如图 4（a）所示，可准确表达阀件的设计、接口、操作等信息，易于识别和参数化解析。通过对阀件、法兰、螺纹接头、三通、四通、弯头、异径等常用附件标准规范进行归纳整理，创建出一批几何尺寸驱动的参数化附件模型（见图 4（b）），为管附件快速建库奠定了基础。相比软件原生功能而言，具有较好的操作性，并提高了设计效率。

图 4 标准化附件库创建Fig. 4 The establishment of standardized pipe fittings library

5 结 语

针对 CATIA V6 船舶管路设计国内还没有 1 套较为完善的解决方案。结合船舶行业设计流程，首先系统分析了 CATIA V6 资源配置和建库策略，重点说明了二维驱动三维设计的映射关系，归纳出与生产建造相融合的施工设计经验。同时，为弥补软件在二维出图方面的不足，在 CATIA V6 原生 Drafting 模块的基础上辅以定制开发，研制出三维管路出图辅助软件，完全具备三维管路设计转二维出图功能。此外，以提高管附件建库效率为目的，结合标准规范构建附件简化模型库，为建库快速调用参数化模型奠定基础，可供不同产品设计项目共享。研究结果对 CATIA V6 的工程应用和设计开发具有理论和实践指导意义。

[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]曾鲁山, 曾凡明, 刘金林. 基于CATIA和VIRTOOLS技术的虚拟机舱漫游研究[J]. 中国舰船研究, 2008, 3(5): 62–64, 80. ZENG Lu-shan, ZENG Fan-ming, LIU Jin-lin. Development of virtual engine cab in using CATIA and VIRTOOLS[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2008, 3(5): 62–64, 80.

[3]卢永进, 华志刚. 基于FORAN的船舶管路三维设计研究[J]. 船海工程, 2012, 41(5): 77–80. LU Yong-jin, HUA Zhi-gang. Study on the 3D ship piping design based on FORAN[J]. Ship & Ocean Engineering, 2012, 41(5): 77–80.

[4]姚竞争. TRIBON模型的数据抽取及二次开发[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2006.

[5]倪海参, 汪学锋. 从CATIA到TRIBON的板架结构数据转换方法[J]. 中国舰船研究, 2012, 7(5): 66–70. NI Hai-shen, WANG Xue-feng. Data transformation from CATIA to TRIBON for naval ships[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2012, 7(5): 66–70.

[6]Dassult System. CATIA documentation[EB/OL]. 2008[2010-09-01]. http://www.maruf.ca/files/catiahelp/CATIA_P3_ default.htm.

[7]叶鹏. 基于CATIA V5的汽车制动器零件库研究与开发[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2011.

[8]许诺, 彭文波. 基于CATIA标准管路库的创建与使用[J]. 中国水运, 2012, 12(12): 93–95.

Research on three-dimensional ship piping design based on CATIA V6

LU Yong-jin, SONG Yi-qi, LIN Rui, CHEN Jie-jie
(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

For the realization of the CATIA V6 software engineering application, data setup, piping design, two-dimensional drawing and application development were investigated. With the engineering technological table as the starting point, the resource allocation and database construction policy oriented from logical to physical relying on CATIA V6 were analyzed. Combined with the background of ship development, the process and application experience of piping design were presented. To remedy the insufficiency of universal software for engineering design, the customized development of drawing and building library at high speed were carried out in detail, which demonstrates superior operability and stability.

CATIA V6；piping design；three-dimensional design；drawing；customized development

U662.9

A

1672–7619(2016)12–0083–04

10.3404/j.issn.1672–7619.2016.12.017

2016–05–30；

2016–07–25

国家部委基金资助项目

卢永进(1982–)，男，博士，工程师，主要从事船舶动力系统设计、船舶设计信息化等。