一、前言

    眾所周知，CATIA軟件在航天、航空、汽車等一些高端技術(shù)制造領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用并獲得了卓有成效的成果。而將CATIA軟件引入造船行業(yè)，則是直接或間接借鑒了CATIA軟件在航天、航空、汽車等制造領(lǐng)域中的先進(jìn)成熟技術(shù)。這些技術(shù)在常規(guī)船舶，特別是對于象航母、軍艦、豪華游輪、鉆井平臺等特殊海洋工程的設(shè)計方面有非常廣泛的應(yīng)用。

    CATIA可實現(xiàn)船舶可視化三維設(shè)計。其基本功能可涵蓋船舶設(shè)計的各個方面，貫穿分析、設(shè)計、建造、維護(hù)整個船舶產(chǎn)品生命周期。

    CATIA軟件各項模塊功能強大，工作模式轉(zhuǎn)換靈活，設(shè)計手段豐富簡捷，其在船舶機艙三維設(shè)計中運用的基本功能可概括為以下6個方面：
   
    (1)“制造”各類三維設(shè)備、部件，實現(xiàn)系列實體建模；
    (2)利用軟件的裝配功能對三維艙室進(jìn)行布置；
    (3)船體結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計與導(dǎo)入；
    (4)二維原理圖設(shè)計及設(shè)備、管路三維布置與部件定位；
    (5)利用虛擬的數(shù)字化樣船對設(shè)計進(jìn)行評估。
    (6)各類統(tǒng)計匯總報表、加工單、布置圖、安裝圖的輸出；
    
    二、利用CATIA進(jìn)行船舶三維設(shè)計

    CATIA軟件無縫集成了基本的通用機械CAD模塊與專用的船舶設(shè)計CAD模塊。在實際進(jìn)行船舶設(shè)計時，用戶可根據(jù)具體的設(shè)計項目，分門別類地實時切換各種CAD模塊（即船體結(jié)構(gòu)、曲面造型、管系設(shè)計、電氣電纜設(shè)計、風(fēng)管設(shè)計、知識工程、人機工程、零件及裝配設(shè)計、機械制圖、機構(gòu)仿真、模具設(shè)計、鈑金設(shè)計、物理量計算、干涉檢查、強度分析等模塊），靈活機動地采用該工作模塊環(huán)境中的各種設(shè)計手段和方法。因而，用戶可最大限度地調(diào)用CATIA軟件中各種知識工程資源。同時，亦可構(gòu)筑自己“個性化”工作模式，在其平臺上設(shè)置各類工具條，選擇合適的圖標(biāo)，補充相應(yīng)的指令，從而創(chuàng)造性地完成自己的設(shè)計工作。
 

     1．“制造”各類三維設(shè)備、部件，實現(xiàn)系列實體建模

    運用CATIA軟件先進(jìn)的三維實體、曲面、線框造型建模功能和強大的二維、三維（前、后）參數(shù)化功能，從點、線、面做起，構(gòu)造三維實體，可“制造”各類船舶設(shè)備（見圖2，主機、副鍋爐、燃油泵、集油筒、箱柜、發(fā)電機、燃油供油單元等）、基座、箱柜（日用柜、沉淀柜等）、部件、閥件（截止閥、快關(guān)閥、安全閥等）、附件（各類法蘭、墊片、接頭系列等）、儀表（液位計、流量表等）、管子支架、艙室用具（辦公桌椅、文件箱柜、生活潔具、日常家電等）、舾裝門窗、走廊欄桿等。

    這些三維實體建模工作完成后，在CATIA軟件中可分門別類地構(gòu)成包羅萬千的字典文件（即庫文件），為船舶艙室三維布置時，實時調(diào)用這些“備品”文件提供了便利。同時，在CATIA軟件中，其參數(shù)化的建庫為同型設(shè)備的體積大小、接口位置的變更提供了方便。

    2．艙室三維實體布置

    在CATIA軟件中，用戶可以根據(jù)船型特征、船體結(jié)構(gòu)、艙室定義、設(shè)備卸裝工藝路徑等因素來快速地建立自己的坐標(biāo)系，如船舶的肋位線標(biāo)尺、平臺高度標(biāo)尺、橫剖線標(biāo)尺等，如圖3所示。基于這一坐標(biāo)系，用戶可以構(gòu)筑自己的區(qū)域（分段）設(shè)計模型。這個設(shè)計模型的最大特點是：當(dāng)進(jìn)行某一專業(yè)的設(shè)計任務(wù)時，可以參考、關(guān)聯(lián)、共享其他專業(yè)的設(shè)計成果（即實體、數(shù)據(jù)、信息、關(guān)系、規(guī)則等），從而各專業(yè)可以在統(tǒng)一的設(shè)計模型中，分門別類地進(jìn)行并行設(shè)計。 

    此外，結(jié)合結(jié)構(gòu)樹的特性，用戶可以滾動瀏覽裝配結(jié)構(gòu)樹，對設(shè)計模型中任意指定的對象和其屬性進(jìn)行顯示、隱含、刪除、增加等處理。而且用戶還可以利用CATIA軟件的三維實體生成二維視圖和任意轉(zhuǎn)向的等軸測圖功能，以及生成各類布置圖和安裝圖。更為重要的是，用戶可在一體化的設(shè)計模型中，對每項設(shè)計工作進(jìn)行實時干涉檢查和綜合系統(tǒng)平衡，為精確造船提供了可視化的設(shè)計模式和操作工具。本論文以機艙（肋位從11至37）中的管系燃油供油系統(tǒng)為驗證對象，檢驗CATIA軟件在船體結(jié)構(gòu)、設(shè)備、布管等設(shè)計上功能。

    3．船體結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計與導(dǎo)入

    船體結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計是進(jìn)行船舶艙室設(shè)計的基礎(chǔ)，CATIA軟件針對目前船舶制造行業(yè)的各種CAD/CAM/CAE軟件的實際應(yīng)用情況，提供了與這些軟件（如：TRIBON / NAPA / MAXSURF/ Mastership / AUTOCAD等）的專用或標(biāo)準(zhǔn)接口。這些專用或標(biāo)準(zhǔn)接口為船舶制造業(yè)已有的CAD/CAM/CAE應(yīng)用軟件向其方便靈活地傳輸數(shù)據(jù)提供了條件。本文就直接讀取TRIBON造船集成軟件中的*.atx格式的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化成在CATIA軟件中的船體結(jié)構(gòu)模型。

    4．二維原理圖設(shè)計及設(shè)備、管路三維布置與部件定位

    管系二維原理圖可驅(qū)動三維設(shè)備布置、管系路徑布局和各類閥件、附件的精確定位放置與調(diào)整。CATIA軟件這獨一無二的技術(shù)特點構(gòu)成了船舶管系詳細(xì)設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計兩個設(shè)計階段的橋梁。它確保了管系的二維原理圖在三維管系生產(chǎn)設(shè)計時，對設(shè)備連接和單元布局中最直接、最科學(xué)地貫徹二維原理圖所定義的管路實際走向。運用這個原理圖，用戶可以驅(qū)動圖中的三維設(shè)備放置，自動或手動排放管系路徑、定位布置各類閥件和附件，定向調(diào)整、檢測管系的流向，生成管路零件加工圖和統(tǒng)計報表。本文以機艙燃油供油系統(tǒng)為例，繪制了二維原理圖，如圖4所示，并以此驅(qū)動三維機艙設(shè)備放置，完成管系路徑布局，如圖5所示。管系二維原理圖中①、②、③、④、⑤、⑥、⑦分別表示燃油供油單元、燃油箱柜、集油筒、發(fā)電機、主機、副鍋爐、燃油泵。如圖4所示。

    此外，根據(jù)管系、風(fēng)管和電氣的設(shè)計原理和物理共性，CATIA軟件提供的“路徑（ROUT）”在同一設(shè)計模型中，由管系二維原理圖、風(fēng)管系統(tǒng)原理圖和電氣原理圖驅(qū)動三維空間中進(jìn)行布置的具有同一屬性的路徑管路、風(fēng)管與電纜的幾何空間走向。因而，管系、風(fēng)管、電氣設(shè)計人員在用具有同一屬性路徑進(jìn)行各自的路徑布局時，可以實時檢測管系、風(fēng)管、電氣之間的路徑干涉情況。在對管路、風(fēng)管、電路和船體結(jié)構(gòu)、船舶設(shè)備等進(jìn)行干涉檢查、綜合協(xié)調(diào)、平衡整合的基礎(chǔ)上，管系、風(fēng)管、電氣設(shè)計人員可分別在自己的“路徑”上，直接定位放置或調(diào)整各類部件。例如：管系“路徑”上的各類閥件、附件、儀表、管子支架等；通風(fēng)“路徑”上的各類風(fēng)機、調(diào)風(fēng)門、風(fēng)管吊架等；電氣“路徑”上的各類附件、電纜托架等；以及檢查在三維空間中布置的管系、風(fēng)管與電纜系統(tǒng)是否有因設(shè)計人員的疏忽而遺漏個別閥件、附件等。

   5．統(tǒng)計匯總報表、加工單、布置圖、安裝圖的輸出

    在完成三維實體布置艙室后，在CATIA中選擇繪圖工作模式，就可以自動投影生成二維艙室布置圖。用戶在二維艙室布置圖上插入標(biāo)準(zhǔn)圖框、標(biāo)注尺寸（系統(tǒng)自動顯示尺寸）、附加說明、設(shè)計簽字等，就形成了安裝布置圖，這種由三維實體實時投影生成的二維圖紙，保證了三維實體與二維圖紙的一一對應(yīng)，使船舶設(shè)計工作變得非常靈活簡便。

    此外，艙室設(shè)計人員亦可采用CATIA軟件的輔助仿真功能進(jìn)行效果渲染，還可進(jìn)一步利用其四維瀏覽器功能，向船東展示全方位、多角度的艙室布置仿真效果。

    CATIA軟件不僅對詳細(xì)設(shè)計階段的各專業(yè)原理圖、布置圖、統(tǒng)計報表有很強的處理功能，同時，亦能生成生產(chǎn)設(shè)計階段中的各專業(yè)施工圖紙、零件加工單、統(tǒng)計報表等。

    （1）利用CATIA軟件的機械制圖功能，三維實體生成二維視圖功能和任意轉(zhuǎn)向的等軸測圖功能，生成機艙各類布置圖和安裝圖。

    （2）用戶可以結(jié)合宏指令的特性，用VB Script語言調(diào)用CATIA軟件提供的Report工具，來抽取管系、風(fēng)管、電纜的BOM信息，并進(jìn)一步利用VBA程序來客戶化統(tǒng)計匯總。

    （3）利用CATIA軟件的管子專用模塊，可根據(jù)實際需要生成八種不同形式的管子零件加工單，如圖8所示。同時利用其軟件自身的船體開孔模塊，可以生成管子開孔表和船體開孔圖。

 6．利用虛擬的數(shù)字化樣船對設(shè)計進(jìn)行評估

    在用CATIA進(jìn)行船舶設(shè)計中，數(shù)字化樣船具有非常特殊的功能：其一，可通過漫游和通訊工具，進(jìn)行協(xié)同審查。其二，利用其自身的仿真人系統(tǒng)分析測量和3D幾何比較等功能，進(jìn)行DMU（Digital Mock Up）驗證。定義、模擬和分析各種規(guī)模的裝配和拆卸過程，檢驗系統(tǒng)安裝部件的可操作情況。如圖9所示。

    此外，使用CATIA軟件中四維瀏覽器，可以對機艙的船體結(jié)構(gòu)、設(shè)備箱柜、管系布局和艙室進(jìn)行區(qū)域劃分，還可對辦公設(shè)備、文件箱柜、生活潔具、日常家電等進(jìn)行“實地考察”。

    三、結(jié)束語

    通過應(yīng)用CATIA軟件對機艙三維設(shè)計進(jìn)行的研究表明：將CATIA軟件在航天、航空、汽車等制造領(lǐng)域中的先進(jìn)成熟技術(shù)引用到造船業(yè)是可行的，這些技術(shù)能對海洋工程的設(shè)計有著非常獨特的借鑒。
同時IBM公司對于CATIA軟件功能的不斷完善，使得我們有理由相信，在航天、航空、汽車制造行業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位的CATIA軟件，也一定能在船舶制造行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

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