船舶电气系统三维协同设计方法

万江龙，潘琼文，徐纪伟，郑恒持，朱 忠

船舶电气系统三维协同设计方法

万江龙1 2，潘琼文1 2，徐纪伟1 2，郑恒持1 2，朱 忠1 2

（1. 中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082；2. 深海载人装备国家重点实验室，江苏无锡 214082）

分析了传统电气系统三维设计与CATIA 3DE三维协同设计的区别，介绍了采用CATIA 3DE平台进行电气系统建模的工作流程，提出了电缆托架、水密接插件等电气舾装件的结构化命名方式，研究了大型工程项目电气系统三维协同设计方法，并通过实例建模的方式验证了该方法的快速性及高效性。

CATIA 3DE 电气库 电缆通道 电气系统 三维协同

0 引言

为适应工业信息化技术的发展，提高船舶及潜水器项目设计效率，我国船舶行业引入法国达索公司的3D EXPERIENCE三维协同设计平台，以期实现未来船舶设计工作数字化、协同化、信息化，从而进一步高效、高品质的完成设计工作[1]。对于传统的依托于Catia V5平台的电气系统三维设计工作，当进行新产品开发时，由于没有母型参考，系统方案需要不断进行修改、更新，完成一型产品电气系统的三维设计需要耗时数月以上，同时很多设计经验无法分享、积累。总结起来，当前电气系统三维设计工作主要存在以下不足：1）设计周期较长，电气系统必须等到总体、结构以及各系统完成设计工作后，才能开始设计；2）重复工作量大且效率较低，很多标准的水密接插件、电缆贯穿件被不同的设计工作者重复建模，难以做到型式上的统一且耗时耗力[2]；3）缺乏统一配置，配置电气设备间电缆时，由于人为操作的不可控性会导致参数输入错误，从而导致系统设计缺陷；4）相关耗材估算误差较大。传统的三维建模并不敷设电缆，电缆型号及长度等参数需要估算，但估算精度较低，从而造成耗材的浪费；5）系统间干涉检查效率低。

为解决上述电气系统设计方面存在的问题，规范设计过程，提高设计效率，可采用CATIA 3DE搭建三维协同设计平台，通过建立统一的电气设备库、水密接插件库、电缆库等，提高电气系统的建模效率，同时为以后的设计工作积累经验，通过电气报表可以精确地统计各种耗材的使用量，便于工厂的下料加工。同时能够形成一个通用的规范性文件，为在该平台进行其它设计工作提供借鉴。CATIA 3DE平台电气系统建模流程见图1。

1 电气设备及电气库的创建

图1 CATIA 3DE平台电气系统建模流程

据统计，一条大型船舶或是潜水器具有大量的标准件，其中电气标准件又占了较大的一部分。随着船舶及潜水器的大型化、智能化，结构件及设备的规格增大，但是数量增加不多，而电气元件的数量却大大增加[3]。如此大量的电气元件，不但在设计上存在困难，在管理上也十分困难，这就需要建立零件库来方便调用，不需设计者费时地去逐个设计，从而提高设计者工作效率[4]。

1.1 电气设备的命名及创建

电气设备及电气设备库的命名依据CB/T 13-2007 《船舶产品通用图样和技术文件编号》进行编号，对于部分标准中没有涉及的设备可根据需要编制相同规则的编号。创建的电气设备应体现安装点、安装面、安装坐标系、重心、电气接口、管路接口及维修空间等信息，其中电气元件的电气连接点定义原则如图2所示。

图2 电气元件电气连接点定义原则

1.2 电气库的命名及创建

为便于对电气舾装件库中模型的识别管理、搜索调用及布置使用，对电气舾装件库的总节点Catalog及下属各级Chapter的编码准则进行约定：

1）电气舾装件库总节点（Catalog）

第一级为Catalog，命名要求统一约定为：“Electrical outfitting_电气舾装件库”。

2）二级大功能分类

第二级为Chapter，命名要求统一约定为：“分类英文_大分类中文名称”。例如Cable Trays_电缆托架、Cable Transits_电缆贯穿件、Cable Connector_水密接插件、conductor_电缆等。

3）三级小功能分类

第三级为Chapter，命名要求统一约定为：“小分类编码_小分类中文名称”。例如电缆托架的分类如表1所示。

表1 电缆托架小分类（章节Cable Trays）

4）四级小功能分类

第四级为Chapter，命名要求统一约定为：“小分类编码_小分类中文名称”。

具体电气舾装件模型存放至第四级Chapter章节下，各类电气舾装件命名方式定义如下：

①电缆固定件命名

电缆固定件用于船舶上安装固定电缆，当前船厂对电缆固定件的命名方式如图3所示。

图3 电缆固定件命名要求

②水密接插件命名

水密连接器被广泛应用于潜艇、海洋工程和水下科研领域，用于电力传输、水下摄像和照明、ROV、潜水器等，根据水密连接器的选型原则定义水密连接器的命名方式如图4所示。

图4 水密连接器命名要求

③电缆命名

根据传输信号的种类和频率、电平、电缆线芯之间及各类电缆之间的电磁兼容性要求，选择电缆的型号和规格。根据项目需求，本项目的电缆的命名如图5所示。

图5 电缆命名要求

电缆系列代号：船用电力电缆C、船用通信电缆CH、数据电缆CAT；

绝缘代号：乙丙橡胶绝缘E、交联聚乙烯绝缘H、聚氯乙烯绝缘V、聚乙烯绝缘Y；

护套代号：氯丁护套、氯磺化聚乙烯护套H、聚氯乙烯护套V、交联聚烯烃护套PJ、聚烯烃护套PF；

屏蔽代号：铜丝或镀锡铜丝编织屏蔽或铝塑符合箔屏蔽P；

铠装代号：镀锡铜丝编制铠装8、镀锌钢丝编制铠装9；

燃烧特性代号：单根燃烧D、成束燃料S、耐火（单根燃烧）N、有烟有酸有毒A、低烟有卤低毒C。

④电缆通道预定义格式

电缆通道的尺寸需预先定义，这样在绘制电缆通道时可直接进行尺寸的选择。按以下表格输入电缆通道的各项参数，见表2。

2 电气系统三维物理模型的创建

电气系统三维物理模型的创建方法有两种。一种是通过电气二维逻辑原理图到三维设备的映射。另一种是直接进行三维设备的布放、电缆通道的创建、电缆路径的规划等。对于第一种方法，电气系统设计过程中需要进行二维电气原理图的绘制，电气设备布放到三维空间时，需要延续电气二维逻辑原理图中的电气逻辑关系。因此，电气设备二维及三维设备模型的创建过程中需要建立映射关系，从而便于实现电气逻辑原理图到三维物理的映射。由于当前实际工程中电气原理图一般通过EPLAN等专业的电气软件进行绘制，因此通常采用第二种方法进行电气系统三维物理模型的创建。三维模型创建方法又分为以下几步：

1）创建电气专业结构树。根据项目具体情况结构树可以按系统划分亦可按专业划分，本项目电缆通道装配树命名示例见表3；

表2 电缆通道预定义格式

表3 电气节点结构树组织及命名

2）调用设备库中电气设备及舾装件。根据二维图纸中设备坐标将相应的电气设备布放至三维空间中；

3）创建电缆通道。根据设备布放情况确定电缆通道的布放及分支电缆通道的创建；

4）电缆通道与设备的逻辑连接。将设备与接近的电缆端点连接便于后期进行路径规划；

5）创建设备与设备的逻辑电缆。创建逻辑电缆用于连接电气设备；

6）路径规划。在保证填充率及系统最优的情况下规划电缆的路径；

7）调用库中电缆映射逻辑电缆。将逻辑电缆与库中的实际电缆进行映射，从而便于电缆用量的统计、下料。

3 大型工程项目电气系统三维协同设计

对于大型工程项目电气系统三维协同设计主要需要考虑两个问题：1）如何快速高效的完成三维协同设计；2）如何根据空间尺度要求选择电缆建模方法。

为了快速高效的完成大型工程项目三维协同设计首先需要对三维协同设计团队进行任务分工，其中电气专业技术人员主要负责电气专业建模及建库约定的编写、电气舾装件库的建设及维护、主干电缆通道的创建、主干电缆的路径规划。其他各系统技术人员主要负责本系统的分支电缆通道的创建、分支电缆的路径规划。在其他系统进行设备建模、设备布放的过程中，电气专业可先对电气舾装件库进行建设及维护，从而提高后期的建模效率。

根据实际工程项目经验，提出了两种电气系统建模方法：

1）通过电缆通道来展示电缆的走向，使用路径规划来表示电缆的走向，采用conductor替代conductor group。该方式的优点是效率较高，当设备位置发生变化时可以较快的修改规划路径。该方式的缺点是无法体现电缆的实际排布方式。

2）每一根电缆均通过一个实际的电缆通道来展示，每一跟电缆均通过conductor group来体现具体芯数并进行电气连接。该方式的优点是较为真实的电缆的实际排布方式，但是工作较为繁琐、修改较为复杂。

对于大型工程项目电气系统三维建模又分水面产品和水下产品：1）水面产品空间较大、设备较大、电缆敷设量较大，因此适合采用第一种建模方法。2）水下产品空间紧张、设备数量相对较少、电缆敷设量相对有限，因此适合采用第二种建模方法。采用该方法完成的电气专业三维协同设计建模实例如图6所示，比传统三维设计方法速度提高一倍，建模效果更好。

图6 电气专业三维协同设计实例

最后，可根据实际需要创建电气报表模板用于生成电气报告，电气报表可统计电缆通道填充率、每种规格电缆的长度、电气设备数量等信息，从而便于设备及材料的采购、重量重心的统计等[5]。

4 结论

通过上述电气设备、电气舾装件库及电气系统三维建模方法，可较大提高大型工程项目电气系统三维协同设计的效率、减少重复建模工作，同时当系统需求发生变化时亦可快速进行设计方案的变更。同时在建模过程中也发现电缆弯曲半径容易报错、电缆通道形状较为单一等问题，针对这些问题下一步可进行二次开发由系统计算弯曲半径推荐范围、自定义电缆通道形状，这也是后续研究的一个方向。

[1] 卢永进, 吴盛, 汪敏等. 基于CATIA V6的船舶电气设计研究[J]. 船电技术, 2016, 36(9): 34-36．

[2] 杜宝江, 丁咸海, 朱晨旗等. 基于CATIA电气元件库的设计与实现[J]. 制造业自动化,2013,19: 131-134．

[3] 李原, 彭培林, 邵毅等. 基于CATIA的标准件库设计与实现[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2005, 17: 1873-1877．

[4] 彭春雷, 吴雪飞. 基于CATIA零件库的建立[J]. 机械研究与应用, 2006, 19: 118-119．

[5] 马凌莉. 基于CATIA的飞机电气线路布线设计[D]. 西安: 西安交通大学, 2017.

3D Collaborative Design Method for Marine Electrical System

Wan Jianglong1 2, Pan Qiongwen1 2, Xu Jiwei1 2, Zheng Hengchi1 2, Zhu Zhong1 2

(1 China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, Jiangsu, China; 2 State Key Laboratory of Deep-sea Manned Vehicles, Wuxi 214082, Jiangsu, China)

U662.9

A

1003-4862（2019）10-0018-04

2019-03-07

江苏海洋装备创新公共服务平台（项目编号SF2015-20）

万江龙(1990-)，男，工程师。研究方向：船舶电气系统。E-mail：1182639224@qq.com