铁道车辆规范驱动三维布管技术研究*

曹楚君，黄乐艳

（湖南高速铁路职业技术学院，湖南衡阳 421002）

0 引言

利用三维设计软件进行管道的三维设计的方法越来越令人青睐。在产品设计过程中，三维管道设计能十分形象地布置管道，能布置出合理的管道固定位置，能对管道与其他零件之间的干涉进行检查，能输出完整的钢管折弯参数与物料信息。

对于管道的三维设计方面研究文献也有许多，文献[1-2]提出在Pro/E软件环境下的液压管道三维布管的方法。其中文献[1]较为系统地提出三维布管设计的流程，对主要的流程节点进行详细的阐述，并且给出液压胶管设计实例。文献[2]提出在Pro/E软件环境中的非规范驱动三维布管技术[2]。

文献[3-4]提出在SolidWorks软件下进行三维管路布置设计的思路与方法[3-4]。

文献[5-6]以AutoCAD或CATIA软件作为程序开发平台，利用VBA技术开发程序，实现三维管道的自动布置。重点研究开发三维管道自动布置程序。

文献[7]提出利用三维配管建模软件——PDS软件，设计站内通信设备及线缆敷设的方法。

文献[8]提出利用二次开发后的PDMS软件Spooler模块在三维环境下进行断管，并直接抽取管线生产设计图纸的配管加工设计新方法。

本文作者研究利用CREO软件的Piping管道设计模块，重点研究规范驱动管道设计方法。并以70 T铁道货车制动系统为例，进行三维布管。

1 CREO/Piping管道设计模块简介

CREO软件的Piping管道设计模块是专业的三维管路设计模块。该模块提供规范驱动和非规范驱动两种管道设计方式。

规范驱动设计方式包含管道设计规范和参数化建模，该方法可以定制适合于企业的管道设计规范，有利于提高公司标准化、系列化与模块化水平。该方法可用于通常设备管道设计，也特别适合于工厂、化工、造船和航空等大型管道系统的管路设计。

图1 规范驱动三维布管典型流程

非规范驱动设计方式主要采用手工的方式创建管路系统，通常用于工业机床、工程机械等设备的液压与气压系统的管路设计。

2 规范驱动三维布管典型流程

通常管道有钢管与胶管两种布管方式。因钢管具有系统布置美观、流道阻力小、耐疲劳、耐高温及价格便宜等优点，被大多数管道系统所采用。规范驱动也正适合于钢管管道设计。本文作者只研究规范驱动方式下钢管三维布管，其典型流程如图1所示双点划线框部分。

图1中，创建骨架模型、产品库、创建管道组件、组装骨架模型、创建布管组件和复制几何等步骤，文献[1]中已经详细叙述[1]，这里不再重复。

2.1 2D示意图设计

2D示意图中通常包括管道管径、长度与走向信息，包括各种管接头与阀门布置状态、型号明细等信息，可为三维布管提供参考。2D示意图可以采用CREO的Schema-tics模块绘制，然后导出XML文件。通过此文件导入到CREO的Piping管道设计模块，可以实现自动驱动三维布管[9]，这种方式称为自动布管。2D示意图设计也可以采用AutoCAD软件来绘制，但它不能自动驱动三维布管，这种方式称为半自动布管。

2.2 管道规范数据库

管道规范数据库中存放用于创建规范驱动管道系统的所有管道库和类别文件，以及所有工程数据文件。数据库中只有两种类型的文件，一种是Pro/TABLE格式的表文件，扩展名为.ptd，这些文件定义管道设计中所有规范。另一种文件为CREO模型文件，扩展名为.prt和.asm，体现所有管接头的几何形状。第一种管道规范数据库文件又包含主目录文件、管接头库文件和工程数据文件3个文件组。

2.2.1 主目录文件

主目录文件储存管道建模所需的全部基础设计信息，其数据源由工业标准、惯例及制造商目录确定。这些文件存放在CREO安装目录 extpiping_datamaster_catalog文件夹中，数据库中提供13类主目录文件，如表1所示。每类主目录文件又有多个文件，用户可以根据需要新建。

需要修改和新建主目录文件时，可以用CREO自带的Pro/TABLE软件打开，修改或新增数据记录。或复制现有文件，参照现有文件的数据格式进行修改。

2.2.2 管接头库文件

CREO管道设计中的管接头泛指安装到管道上的三通、法兰、接头、阀门、垫片和弯头等所有附件。管接头库文件实际上是关联参数的管接头几何模型文件。创建管接头库文件时，除了创建管接头几何模型外，还需要创建和修改与之相关联的主目录文件，其步骤如下。

表1 主目录文件类型

第一步，创建管接头几何体。利用CREO软件进行零件建模，与普通模型创建方法相同。例如，这里创建了一个法兰模型，文件名为tbt1250_dn.prt，存放在CREO安装目录 extpiping_datafittinglibflange文件夹中。

第二步，创建管接头端口。端口用于管接头与管道相连接或法兰面间相连。在管接头与其他元件的所有接合面中心位置创建坐标系。并且，坐标系Z轴的都垂直于各接合面，正方向指向管接头外侧，如图2所示。在法兰模型两端分别创建了名为PROT0、PROT1的坐标系。若所创建的管接头有多个端口，坐标系的命名依次类推。

第三步，指定入口端。在坐标系中添加相应的参数来指定入口端。在入口端坐标系中定义SIZE与END_TYPE参数，在出口端坐标系中定义NEW_SIZE与END_TYPE参数。对于等径接头，出口端参数可以省略；对于变径接头，则必须定义。若管接头为三通接头，则还需在分支出口端坐标系添加BRANCH_SIZE与END_TYPE参数。这些参数中，SIZE、NEW_SIZE、BRANCH_SIZE均表示管接头端口处的公称直径；END_TYPE表示端面连接类型。图2中，在法兰模型的PROT0坐标系上定义SIZE与END_TYPE参数，参数值分别为SIZE=10A，END_TYPE=BW。

图2 管道几何模型文件

第四步，定义管接头类型。管接头类型参数是与库文件关联的管接头代码，管道设计的管接头类型由FITTING_CODE参数定义，其参数值如表2所示。法兰模型中，定义FITTING_CODE=FLANGE。

表2 管接头类型

第五步，创建族表，族表能生成系列化零件，减少管接头几何模型文件的数量。在族表中加入定义入口端和管接头类型的参数，驱动几何模型的尺寸参数，以及质量参数MP_DENSITY、PRO_MP_ALT_MASS。并创建若干个基于参数与尺寸驱动的实例文件。例如，法兰模型创建5个实例文件，族表中也加入上述参数。如图3所示。

图3 族表

第六步，创建和修改主目录文件。创建一个新的管接头库文件，需要创建一个对应的管接头主目录文件；并且要修改与管接头相关的管道主目录文件Piping_mcat_dir.ptd，管道材料主目录文件Piping_material.ptd，以便这些文件能检索到新建的管接头库文件。

对于法兰模型，创建的管接头主目录文件名为tbt1250_dn.ptd。文件内容如图4所示。从图4中可以看出，管接头主目录文件内容与图3族表的内容相似，实际上是族表的Pro/TABLE表文件形式。

图4 管接头主目录文件

管接头主目录文件中的参数含义如表3所示。

表3 管接头主目录文件参数

对于法兰模型，在管道主目录文件piping_mcat_dir.ptd文件中新增内容如表4所示，文件中其余项目不用修改。

表4 管道主目录文件新增内容

其中，FLANGE表示管接头类型；TBT1250表示管接头名称，在三维布管时，插入管接头操作时，该名称出现在对话框的选择栏中，供选择使用。fitting/TBT1250_DN表示管接头主目录文件存放位置及名称；pipeod/od_steel表示所要与管接头配对的管道的外部直径库文件；combined_size_code表示管接头入口端、出口端及分支端公称直径的组合形式库文件代码。CFA表示管接头安装螺栓与螺母型号代码。

按照同样方式修改管道材料主目录文件piping_material.ptd。这里不再叙述。

至此，一个完整的法兰类型的管接头库文件已经创建，可以在三维布管时调用。

2.2.3 工程数据文件

工程数据文件同样是Pro/TABLE格式的表文件。它的数据来自管道与管接头主目录文件，是从主目录文件中筛选出来的、用户选定的设计规范。例如，管道主目录文件中，有钢、铜、不锈钢和铝4种不同材质的管道规范文件，用户采用钢质管道进行设计，系统将质管道规范检索出来，形成一条检索记录；同理，用户可以选择需用到的管接头、保温材料等主目录文件，形成记录。这些记录一并保存到用户的工程数据文件中。用户在进行管道设计时，系统从工程数据文件获得管道相关数据，并动态地填充管道设计对话框，供设计者选用。工程数据文件中未引用的规范文件、管接头文件不能选用。

工程数据文件可以通过Piping管道设计模块中“定义管道规范”对话框进行定义，保存后自动生成Pro/TABLE格式的数据文件。

2.3 管道布线

在Piping管道设计中，通过“创建管道”对话框定义规范化管线。在对话框中，定义管线所遵循的规范、管线的公称直径等生成一个管线文件。再采用“布线管道”工具，根据管道的实际走向进行绘制出管道的轨迹。绘制轨迹时，轨迹的起点和终点选取预先定义的坐标系作为参照。并利用2D示意图数据，通过坐标系推移，选取参考点、线、面等方式定义轨迹的走向[1]。通过规范驱动管道布线后，70 T铁道货车制动系统管道布线如图5所示。

图5 70T铁道货车制动系统管道布线（局部）

2.4 插入管接头

在Piping管道设计模块中，通过“插入管接头”打开对话框，该对话框中可以选取管接头的类型、定义管接头放置位置及方位，系统会根据工程数据文件，自动检索合适的管接头，插入到指定位置。插入管接头的过程同样需要遵循2D示意图数据。70 T铁道货车制动系统管接头分布如图6所示。

图6 70 T铁道货车制动系统管接头分布（局部）

2.5 生成管道实体

规范驱动的管道轨迹绘制好以后，可以打开“管道实体”工具，选择所需要生成实体的管线。生成管道的实体模型。通过实体模型，可以进一步检查管道是否与其他元件相干涉。管道实体模型形象地反映了现场装配中管道的实际走向，可以比较形象指导现场装配[1]。

2.6 检查设计规范与绘图

当管道设计完成后，通过Piping管道设计模块中的“管道检查规则”对话框，对生成的管道进行检查。如检查管接头的缺失、最小折弯段、折弯半径等是否符合规范等。也可以对照2D示意图检查管道管径，长度，走向等。所有管道检查正确无误后，可以创建管道安装工程图与单根管线等轴测图，以及输出管道的折弯信息。

管道安装工程图就是普通的装配工程图纸，图纸上有各管道、管接头的明细，球标等。单根管线等轴测图为ISOGEN格式的文件，扩展名为.pcf。这种文件需要另外的管道设计软件才能打开，如alias I-Run软件。由于篇幅有限，不对其展开叙述。

3 结论

本文作者对CREO软件Piping管道设计模块的研究，总结出一种规范驱动三维布管方法，对方法中的各步骤进行阐述，重点分析管道规范数据库的结构与修改方法。规范驱动三维布管技术可推广到铁道车辆、工厂、船舰与航空管道的布置。