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基于CATIA V6的船舶风管数据分析

卢永进 吴波 李涛涛

卢永进, 吴波, 李涛涛. 基于CATIA V6的船舶风管数据分析[J]. 中国舰船研究, 2017, 12(2): 57-62. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.007
引用本文: 卢永进, 吴波, 李涛涛. 基于CATIA V6的船舶风管数据分析[J]. 中国舰船研究, 2017, 12(2): 57-62. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.007
Yongjin LU, Bo WU, Taotao LI. Data analysis of ship ventilation ducts based on CATIA V6[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2017, 12(2): 57-62. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.007
Citation: Yongjin LU, Bo WU, Taotao LI. Data analysis of ship ventilation ducts based on CATIA V6[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2017, 12(2): 57-62. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.007

基于CATIA V6的船舶风管数据分析

doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.007
基金项目: 国家部委基金资助项目
详细信息
    通讯作者:

    卢永进 (通信作者), 男, 1982年生, 博士, 工程师。研究方向:船舶设计信息化。E-mail:soda1998@126.com

  • 中图分类号: U662.9;TP391

Data analysis of ship ventilation ducts based on CATIA V6

图(5) / 表 (5)
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-06-29
  • 网络出版日期:  2017-03-13
  • 刊出日期:  2017-04-01

基于CATIA V6的船舶风管数据分析

doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.007
    基金项目:  国家部委基金资助项目
    通讯作者: 卢永进 (通信作者), 男, 1982年生, 博士, 工程师。研究方向:船舶设计信息化。E-mail:soda1998@126.com
  • 中图分类号: U662.9;TP391

摘要:   目的  为深入探索CATIA V6船舶风管设计和相关数据组成,  方法  结合实际工程背景,建立CATIAV6通风系统三维设计方法,分析管附件资源库结构组成和风管放样流程;围绕系统设计各模块组成,指出各模块处理对象和数据储存位置,以明确研究对象。在此基础上,系统阐述基础技术表定义和具体内容,重点介绍其内容扩展性,并针对通风管路三维模型,深入研究底层数据结构。  结果  经分析研究,得到了主要技术表之间的关联性。  结论  研究结果有利于设计者深入掌握通风系统设计,对定制开发可提供理论指导和技术支撑。

English Abstract

卢永进, 吴波, 李涛涛. 基于CATIA V6的船舶风管数据分析[J]. 中国舰船研究, 2017, 12(2): 57-62. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.007
引用本文: 卢永进, 吴波, 李涛涛. 基于CATIA V6的船舶风管数据分析[J]. 中国舰船研究, 2017, 12(2): 57-62. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.007
Yongjin LU, Bo WU, Taotao LI. Data analysis of ship ventilation ducts based on CATIA V6[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2017, 12(2): 57-62. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.007
Citation: Yongjin LU, Bo WU, Taotao LI. Data analysis of ship ventilation ducts based on CATIA V6[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2017, 12(2): 57-62. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.007
    • 良好的通风设计和合理的气流组织可为船舶舱室提供高品质空气和舒适环境,现已成为船舶研制的关注重点。而当前的一个重要方向即利用日趋完善的数字化技术开展通风系统优化设计以实现气流的合理组织[1-3]

      在船舶设计领域,三维设计技术已成为提高船舶研制效率和改进产品质量的重要途径,也为虚拟现实和仿真分析提供技术基础。由于船舶系统设计的复杂性和模型数据量巨大,且总体设计难以达到生产建造工艺所要求的设计深度,使得数字化技术在一体化设计建造中的应用滞后。目前,国内船舶领域已先后引入CADDS5,FORAN,TRIBON,CATIA V5等软件,并获得了初步成效[4-9]。结合应用现状,船舶三维设计软件性能的对比如表 1所示,可见CATIA平台作为通用软件,尽管模型数据量大,但关联性设计强,CAD/CAE集成度高,具备版本管理和权限控制,在船舶设计领域具有较强优势。其中,CATIA V6相比CATIA V5而言,在协同设计、协作创新及虚拟验证方面提出了新的行业标准,并针对船舶结构、轮机、电气等专业设计进行了系统功能增强,为用户提供了全新的解决方案。

      表 1  船舶三维设计软件性能对比

      Table 1.  The performance comparison of 3D ship design software

      软件
      名称
      关联
      设计
      模型
      数据量
      CAD/CAE
      集成
      其他
      CADDS5较大缺乏集成停止发布新版本
      FORAN较小缺之集成未实现版本控制和变更管理
      TRIBON较小缺之集成未实现版本控制和变更管理
      CATIA V5较强数据量大,硬件配置髙集成度高具备版本管理和权限控制,存在船舶设计功能缺失
      CATIA V6较强数据量大,硬件配置髙集成度高具备版本管理和权限控制,需部分定制开发

      近年来,法国达索公司推出的CATIA V6产品正在国内船舶行业得到稳步推广。但作为通用设计平台,CATIA V6缺乏与国内船舶研制的有效融合,尚待进行设计加速、质量检查、二维出图等定制开发,而CATIA V6底层数据是开展定制开发的前提和基础。船舶通风系统设计是船舶设计的一项重要内容,有必要结合船舶通风系统进行数据分析研究。

    • CATIA V6是由法国达索公司与IBM公司基于类C语言程序CNEXT开发的CAD/CAM/CAE通用软件平台。软件平台能满足船舶从方案设计到生产设计中各专业的基本需求,具体涵盖总体型线、船体结构、管路系统、暖通、舾装、电气等专业。

      结合工程研制背景,CATIA V6船舶通风系统三维设计主要包括管附件建库和风管放样两部分。管附件建库时,进入HVAC 3D Part Design模块完成参数化建模(HVAC代表供暖、通风与空调,简称暖通),与设计表关联后进行解析,批量生成标准件,然后按种类分别存入基础模型管理文件Catalog中。而风管放样则进入Piping & Tubing Systems Design模块,创建系统管线号,选择已引用滤器的规格书,然后在特征树中实现Logical与Physical节点相关联。再切换至HVAC 3D Design模块,调入相关设备,创建三维管材,插入管附件。在设计过程中应有效开展干涉检查,并对风管布置进行相应调整。风管三维设计流程如图 1所示。

      图  1  CATIA V6风管三维设计流程

      Figure 1.  Three-dimensional design process of CATIA V6 HVAC

      风管建库时,附件参数化建模应以YZ平面为对称面,确保与管材相匹配。管材和附件标准件库用于分类存放、管理和检索空调通风系统标准件,下分多级Chapter,类似文件夹。根据工程研制经验,一级Chapter按部件种类分,具体为风管、调风门、肘管、法兰、垫片、变径、三通、通舱管件等;二级Chapter可按具体标准分类,以调风门为例,分为调风门_CB/T 3726-1995、调风蝶阀_CB 1285-1996等;底层即为解析后的标准件,具体如图 2所示。

      图  2  风管基础资源库结构组成

      Figure 2.  The structure of basic duct library catalog

      在风管放样过程中,伴随管材布放和管附件添加,需实时开展干涉检查,以判断风管与船体、电缆及其他管路是否产生碰撞,从而减少或避免并行设计过程中的干涉问题,有效控制设计质量和技术状态。获取干涉检查结果后,各专业设计人员需围绕具体问题开展布置协调,并以协调结果为依据,对风管设计进行修改完善。由于设计处于不断平衡和反复迭代的过程中,干涉检查将伴随整个风管施工设计,直至出图才能结束。

    • 由通风系统三维设计方法分析可知,CATIA V6通风系统设计主要由Data Setup,HVAC 3D Part Design,Piping & Tubing Systems Design,HVAC 3D Design等模块组成,其关系如图 3所示。从图 3来看,CATIA V6配置了Database Server和File Server两大服务器。Database Server用于存储属性、表格和装配关系,而File Server则存储几何模型和文档类文件。各模块产生的相关信息对应存储至服务器中,作为其他模块的数据来源。其中,Data Setup和Piping & Tubing Systems Design模块创建的数据和引用全部存入Database Server中;HVAC 3D Part Design和HVAC 3D Design模块产生的三维模型和设计表存入File Server,而其属性信息与在标准件库中的位置关系储存在Database Server服务器;运用Drafting模块出图则从两大服务器读取模型和属性等具体信息。

      图  3  通风系统设计各模块之间的关系

      Figure 3.  The relationship between the ventilation system design modules

    • 风管基础资源库配置旨在建立完整详实的基础技术表、规格书、资源集,是风管三维设计的基础,而基础技术表内容则作为重要的底层数据,是基础资源数据的核心。

    • 基础技术表是资源库配置的基础,CATIA V6提供了十多张风管技术表,这些技术表分为基础数据表和设计规则表两大类,具体如表 2所示。其中,基础数据表包含标准体系表(Standard Table)、材料种类表(Material Category Table)、材料表(Material Table)、部件子类表(Part Subtype Table)、等效通径表(HVAC Equivalent Diameter Table)等,分别定义设计采用的标准体系、材料种类、材料名称、附件子类、风管尺寸规格等。而设计规则表用于建立风管弯管规则和管件自动匹配规则,具体为风管弯管半径表(HVAC Turn Rule Table)、最短直管段长度表(HVAC Minimum Straight Length Table)和风管管件自动匹配表(HVAC Automatic Part Rule Table)等5张表。不仅技术表之间存在数据引用关系,而且向管材标准件创建提供基础数据,还为管附件赋予相应属性。

      表 2  基础技术表名称及相关功能

      Table 2.  The names and functions of basic technological tables

      名称功能
      Standard Table定义设计标准体系
      Material Category Table定义材料种类
      Material Table定义材料名称
      Part Subtype Table定义管附件子类
      HVAC Height Table定义风管截面高度或外径
      HVAC Width Table定义风管截面宽度
      HVAC Equivalent Diameter Table定义风管等效通径
      End Style Table定义管附件端部类型
      HVAC Duct Reference Dimension Table HVAC Nominal Bend Radius Table定义风管规格尺寸定义弯管弯模倍数
      HVAC Bend Diameter Table定义风管弯模直径
      HVAC Turn Rule Table定义风管弯管半径
      HVAC Minimum Straight Length Table定义风管最短直管段长度
      HVAC Automatic Part Rule Table定义风管自动匹配规则
    • 基础技术表类似于Excel表,包含一系列涉及管附件属性和几何参数的离散值,如Equivalent Diameter,Material,End Style,Height等,其内容默认定义为String,Length,Mass,Angle等字段类型。对于等效通径表而言,其默认为自带的Equivalent Diameter,Shape 2个属性和Height,Width及Corner Radius 3个参数值,如表 3所示。其中,Shape表示风管截面类型,可定义为矩形截面、跑道截面、椭圆截面和圆截面4种,具体尺寸由V_Height,V_Width和V_Corner Radius 3个参数决定,风管不同截面形状参数取值如表 4所示。对圆形截面风管而言,仅需定义V_Height,表示圆形截面直径,而系统自动默认V_Width与V_Height等值,V_Corner Radius为0;矩形截面风管则根据工程实际定义3个参数值,若无需折角,则V_Corner Radius设置为0,否则按具体折角半径取值。

      表 3  风管等效通径表的主要字段说明

      Table 3.  The description of main fields in HVAC duct equivalent diameter table

      离散值字段类型单位含义
      Equivalent DiameterNominal pipe size-等效通径
      ShapeString-截面类型
      HeightLengthmm矩形管高度或圆管外径
      WidthLengthmm矩形管宽度
      Corner RadiusLengthmm折角半径

      表 4  风管不同截面形状参数取值

      Table 4.  The parameter values for different ross-sectional shapes of ducts

      参数值截面类型
      圆形截面矩形截面跑道截面椭圆截面
      V_Height> 0> 0> 0> 0
      V_WidthV_Height> 0> 0> 0
      V_Corner Radius0≥0V_Height/20

      技术表内容可根据工程需要自行添加。管材规格表是重要的基础技术表之一,默认自带Equivalent Diameter,Shape等10个离散值。该表可作为设计表与参数化管材相关联,赋予管材相关属性和几何参数。为此,需要对每一种管材进行命名,有必要增加Title项,并设置为字符类型。同时,从出图满足重量重心统计角度考虑,添加Linear Weight项定义管材线密度,字段类型设置为Linear Mass,对应CATIA V6中的单位kg_m(即国标标准计量单位kg/m),从而扩充基础数据内容,具体如表 5所示。

      表 5  管材规格表的主要字段说明

      Table 5.  The description of main fields in HVAC duct reference dimension table

      离散值字段类型单位含义
      TitleString-风管名称
      Equivalent DiameterNominal pipe size-等效通径
      ShapeString-截面类型
      MaterialString-材料牌号
      Material CategoryString-材料类别
      HeightLengthmm矩形管高度或圆管外径
      WidthLengthmm矩形管宽度
      Corner RadiusLengthmm折角半径
      Wall ThicknessLengthmm壁厚
      End StyleString-端部类型
      Linear WeightLinear masskg/m线密度
    • 由于不同项目对数据配置存在多样性,一两张基础技术表涉及的内容根本无法满足项目研制需求,往往需结合多张技术表才能实现基础资源配置。因此,技术表之间的关联关系为开展CATIA V6定制开发提供了桥梁,主要风管技术表之间的关联关系如图 4所示。

      图  4  主要技术表之间的关联关系

      Figure 4.  The relationship between main technological tables

      图 4可以看出,所有技术表都是通过各种离散值密切联系在一起。首先,材料表引用了材料种类表中的种类属性,然后,管材规格表关联材料表、等效通径表、端部类型表等技术表的对应信息。风管弯管半径表引用了弯管弯模倍数表中的弯模半径、倍数,风管弯模直径表中的弯模直径,以及部件子类表中的部件子类。同时,该表中的等效通径、截面形状、材料名称、材料种类和几何参数被管材规模表所引用。因此,技术表的关联关系,不仅便于数据的存储和读取,而且可确保数据一致性和减少数据输入工作量。

    • 在设计过程中,大量的模型数据关乎系统稳定性,所以对软件提出了更高的要求。为此,CATIA V6采用基于VPM的设计/制造并行工程理念,具备上下文管理、成熟度管理、关联设计管理等功能,能够很好地实现对三维设计模型的管理[10]

      通风管路三维模型在CATIA V6中由属性信息和几何信息共同表达,按树状结构组织,其属性信息囊括等效通径、材料、端部类型等所有信息,而几何信息则由坐标点和基本图元等组成。整个树状结构不仅集中表达了产品、管材和附件之间的从属关系,而且有利于用户访问相关对象读取数据信息。图 5所示为CATIA V6通风系统模型数据结构,风管三维模型由VPM Reference和VPM Port两部分组成,前者表达属性和方法,包含风管实体和管线信息,具体涵盖管材和调风门、垫片、法兰、弯头、三通等附件几何实体,并对属性和几何信息进行了规范定义和表达。VPM Reference具备用户扩展功能,如V_PartType为字符型,字符长度不能超过40个。而VPM Port封装了管材和附件的详细接口信息,包含标准、壁厚、截面形状、等效通径以及几何参数,便于定制开发时获取相应数据。

      图  5  CATIA V6通风系统模型数据结构

      Figure 5.  The model data structure of CATIA V6 ventilation system

    • 以通风系统管路设计作为研究对象,根据工程实际,建立了合理的风管资源库结构和三维设计流程,明确了通风系统设计数据流向。结合CATIA V6设计相关模块,解析出数据存储方式和对应服务器。通过对基础资源库数据展开分析,系统介绍与通风系统设计紧密相关的基础技术表,并说明了主要技术表内容以及各表之间的关联关系,结合实例阐述了技术表的内容添加方法,以提高系统的可扩充性和集成性。同时,针对通风管路模型数据,系统分析数据结构组成,为通风系统设计加速、质量检查、二维出图等专业定制开发提供极有价值的参考。

参考文献 (10)

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