基于CATIA V6的舾装三维设计优化

薛晓宁

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引言

由于舾装设计的工作量占船舶设计工作量比重大，容易出现设计变更，相比传统设计，变更后的修改工作量大，时间紧，导致图纸出现质量问题。此外，还要考虑桅杆更改后，振动和强度是否符合要求。三维设计可以快速提高设计效率和设计质量，三维设计可以为船舶提供一整套完整的三维设计系统，三维设计覆盖了结构设计、通信设计、轮机设计、电气设计等多个专业的共同设计，使得牵连工程的反应更加迅速，并且增加了设计的可视化，保证了图纸的质量。

本文提出一种基于CATIA平台的舾装三维设计，利用CATIA软件中的参数化功能、装配功能，创成式设计等功能，优化解决重复设计所带来的问题，提高设计工作人员的效率以及绘图质量。

1 研究背景

1.1 CATIA软件介绍

CATIA是法国Dassault System达索公司针对船舶和航空航天所开发的一款软件，涉及到船舶装备的零件设计、船体制造、设备装配等。该软件给各个专业设 计人员提供一个共同工作的三维环境，使得设计内容更加直观，减少设计人员返工。

1.2 软件优势

在船舶舾装设计中，CATIA可以直观看到构件与设备是否存在干涉的情况，并可以针对舵设备、锚设备、救生设备、舱口盖设备、滚装设备、系泊设备进行布置，CATIA还配有知识工程，EKL语言开发等模块，提高了设计精度和质量[1]。

2 舾装三维建模

CAD软件广泛用于传统船舶设计过程中，CAD的使用代替了过去手工绘制的图纸，提高了图纸绘制的精度，减少了绘制的难度，提高了工作效率。但是在日常的使用中也会出现各种各样的问题。目前通过船舶三维设计的不断尝试，发现通过基于CATIA V6的三维设计可以解决传统设计的各种问题。

传统船舶舾装设计一般选用CAD出图的模式，但是在CAD设计过程中，由于二维图纸只能显示正视图，侧视图和俯视图，对于三维平面的斜线或者倾斜的构件表现得并不精确，比如在计算雷达桅的主杆时，CAD并不能显示出倾斜的主杆的长度，从而难以计算出主杆的精确重量，在表示复杂构件时，会出现构件的正视图、俯视图，侧视图难以绘制。而三维设计则直接在三维环境中设计，避免了倾斜的线表现不精确、各个视图反复修改等问题[2]。

2.1 基于CATIA的桅杆设计

1）桁架桅设计特点

三角桁架桅需要搭载雷达、天线、温湿度传感器、扬声器、信号灯等设备，对三角桅杆的振动和强度的要求很高，因此设计桅杆时需要严格参照标准设计保证强度，按照规定增加肘板和桁架。传统绘图中，当雷达和天线的尺寸发生变化时，平台尺寸就会发生变动，而一旦平台尺寸变化，平台的加强构件就会发生变化，工程量就会变大，而在CATIA中一旦更改平台尺寸，下方的加强结构也会相应改变[3]。

2）桁架桅设计

基于CATIA的桁架桅建模的大致流程为在草图编辑器中画出轮廓，然后使用填充、扫掠等命令产生实体，然后使用工程模板增加加强构件、梯子等，最后用装配功能添加需要搭载的雷达、天线、信号灯等设备。

雷达桅的建模结构如图1和图2所示，基于CATIA三维设计后的雷达桅，如图3所示。

图1 雷达桅结构

图2 CATIA建模结构

图3 雷达桅三维设计图

2.2 参数化建模

为了保证舾装件的强度和使用，像眼板、舱口盖、直梯、斜梯等舾装件都会采用标准件，因为当选用舾装件时首先需要考虑它的安全性和可靠性，一般要针对它的强度进行校核，然而标准件的外形和强度已经过校核，通用性高，并且配有相应的重量，具有资质的制作厂家较多，因此进行标准舾装设计时标准件都会得到较广泛的使用。

三角桅中所涉及舾装件包括直梯、信号灯、栏杆等设备，其中直梯参照标准设计，标准规定不同的梯长，设绘人员需要根据现场空间位置选择对应长度的直梯，不同的空间位置对应了不同长度的直梯，梯子两端配有眼板，为了配合直梯装配，还可以对眼板进行切割等操作来适应不同的区域要求[4]。

为了方便设计修改，直梯可以采用参数化设计，参数需要控制梯子长度、梯子宽度、踏步形式（圆钢、方钢和钢管）、第一节踏步距离顶面的距离。通过确定梯子的顶面和底面，经过参数化过程就可以控制梯子的长短，而不用重新建梯子，这样减少设绘的工作量，提高了绘图效率。

设计步骤如图4所示。

图4 设计流程图

CATIA的参数化设计所使用到的模块包括草图编辑器、工程模板等模块。基于CATIA的直梯建模的大致流程为：在草图编辑器中绘制梯子外观和边界条件，使用填充、扫掠等命令构件梯子外观，将梯子外观变量进行整理，输入标准要求并使用知识工程模块下的Formula功能将有标准要求的参数进行编写控制。其中参数根据梯子空间顶面和底面来控制梯子的长度，当梯子空间顶面到底面距离大于标准梯长（L1），小于标准梯长（L2）时，选择L2梯长的标准参数作为输入量。

设绘人员还要考虑对梯子进行标准约束，船用直梯长度如果超过4000 mm，为了保护攀爬人员的安全,应该设置防护栏，因此要把该规则输入到CATIA里，若布置空间出现超规定的情况，系统会自动提示。等到几何参数确定完成，即可完成最终的建模。

直梯建模图，如图5所示。

图5 直梯建模

2.3 基于工程模板建模

三角桅杆中包含大量的构件，其中包括肘板、撑杆、斜撑等，肘板作为增强桅杆强度的构件对桅杆非常重要，尤其标准规定当桅角钢管的外径小于120 mm时，斜撑和撑杆之间可以采用加肘板的形式与主桅杆相连，这就导致了三角桅当中会包含大量肘板。设计肘板时，设计人员需要考虑它的倒角，并且为了保证肘板的强度，肘板的边要与斜撑，撑杆或主杆垂直，当斜撑或撑杆与主杆有一定的倾角时，肘板就会成一定的不规则形状，设绘人员要给每个不规则的肘板限定尺寸。当肘板数量很多，不同的肘板作为节点图时，设绘的工作量就会变大，若用二维软件绘制时，立体的不规则肘板设计难度大，并且若需要对桅杆进行修改时，修改的工作量也会变大。这些情况导致三角桅杆绘制较为繁琐，因此船舶桅杆一般会使用板式桅杆。板式桅杆的加强方式是通过内部的加强筋来保证强度，所以减少了绘制大量肘板的问题。肘板不仅导致绘制量大的问题，它作为桅杆加强结构的一部分会占用桅杆绘制总时长很大的一部分，导致桅杆其他系统设计时间有限，并且可能会导致整个桅杆设计时间变长。而CATIA却可以快速减少肘板绘制的时间，设绘人员可以通过工程模板将常用构件嵌入到产品中，这样减少了建模中重复的工作量并且随着桅杆主体的修改，CATIA中的肘板也会随之更改，使得设绘人员可以更多地关注设计标准，保证产品的安全性和设计质量。

图6 创建用户定义特征

图7 创建工程模板

肘板建模流程。首先输入条件和参数，创建用户定义特征，然后打开工程模板，模块插入刚建好的工程模板对象，最后将定义好的模块插入到目录中，设绘人员就可以通过目录浏览器来调用。

3 结语

本文分析三角桅杆的设计技术难点，并配合CATIA软件将技术难点进行了优化。结果表明CATIA不仅降低了三角桅杆的设计难度，还减少了总的设绘时间，CATIA三维设计法还可适用于除桅杆外的其他舾装专业的设计，并且可以适用于全船的设计。通过本文的设计经验可以做出如下总结：

1）通过CATIA三维建模设计可以解决重复的大量工作，产生的牵连工程也可以随之更改。

2）通过进行参数化设计，可以在满足标准化设计的情况下显著提升设计效率。

3）工程模板解决了大量非标件的重复设计，显著优化了设计过程。