CATIA船舶三维设计

使用CATIA对船舶机舱进行三维设计
本文应用catia软件尝试设计机舱，展示了catia强大的设计功能。

随着
ibm/dassault公司对其功能的不断完善，该软件一定能在船舶制造行业得到更广泛的应用。

1 引言
众所周知，CATIA[1]软件在航天航空、汽车等一些高端技术的制造行业得到非常广泛的应用和取得非常成功的效果。

而将CATIA引入造船行业则是直接引用或间接借鉴了CATIA 在航天、航空、汽车等制造行业内的先进成熟技术。

这些技术对常规船舶、特别对航母、军舰、豪华游轮、钻井平台等特殊海洋工程平台的设计上有着非常独特的借鉴[1,2]。

CATIA可实现船舶的可视化三维设计。

其基本功能可涵盖船舶设计的各个方面，贯穿分析、设计、建造、维护整个船舶产品生命周期。

CATIA软件各项模块功能强大、工作模式转换灵活，设计手段丰富简捷，其在船舶机舱三维设计中运用的
基本功能可概括为以下6个方面：
1. 船体结构模型的设计与导入;
2. %26ldquo;制造%26rdquo; 各类真正的三维设备、部件系列实体建模;
3. 舱室三维实体布置;
4. 二维原理图设计及设备、管路三维布置与部件定位;
5. 各类统计汇总报表、加工表单、布置图、安装图的输出;
6. 电子样船。

2 利用CATIA进行船舶的三维设计
CATIA软件的各个模块的运行平台，无缝地集成了基本的通用机械CAD功能与专用的船舶设计CAD功能。

在实际进行船舶设计时，用户可根据其具体的设计项目，分门别类地实时切换工作模式( 即船体结构、曲面造型、管系设计、电气电缆设计、风管设计、知识工程、人机工程、零件及装配设计、机械制图、机构仿真、模具设计、钣金设计、物理量计算、干涉检查、强度分析等工作模式 )，灵活机动地采用该工作模式环境中的各种设计手段、方法，因而，用户可最大限度地调用CATIA 软件的各种知识工程资源，同时，亦可构筑自己%26ldquo;个性化%26rdquo;工作模式，在其平台上设置各类工具条，选择合适的图标，补充相应的指令，从而来创造性地完成自己的设计工作。

1. 1船体结构模型的设计与导入
船体结构是进行船舶舱室设计的基础，CATIA软件针对目前船舶制造行业的各种
CAD/CAM/CAE软件的实际应用情况，提供了与这些软件(如：TRIBON / NAPA / Maxsurf / Fastship / AUTOCAD等)的专用或标准接口。

这些专用或标准接口，为船舶制造业已有的CAD/CAM/CAE应用软件向其方便灵活地导入数据提供了非常便捷的工具。

本文直接读取TRIBON造船集成软件中的*.dxf格式的结构数据，转化、生成在CATIA软件中的船体结构模型，如图一所示。

1.2 “制造” 各类真正的三维设备、部件系列实体建模
运用CATIA软件先进的三维实体、曲面、线框造型建模技术和强大的二维、三维(前、后)参数化功能，从点、线、面做起，构造三维实体，可%26ldquo;制造%26rdquo; 系列的各类船舶设备( 见图二：字典文件中的主机、副锅炉、燃油泵、集油筒、箱柜、发电机、燃油供油单元等 )、基座、箱柜(日用柜、沉淀柜等)、部件、阀件(截止阀、快关阀、安全阀等)、附件(各类法兰、垫片、接头系列等)、仪表(液位计、流量表等)、管子支架、舱室用具(办公桌椅、文件箱柜、生活洁具、日常家电等)、舾装门窗、走廊栏杆等。

这些三维实体建模工作完成后，为分门别类，构成包罗万千的字典文件(即库文件)。

为在建船舶舱室三维布置中实时调用这些%26ldquo;备品%26rdquo;文件提供了便利，同时，在CATIA软件中，其参数化的建库为同型设备的体积大小、接口位置等的变更提供了方便。

1.3 舱室三维实体布置
CATIA软件可以根据船型特征、船体结构、舱室定义、设备卸装工艺路径等因素来快速地建立用户自己的坐标系，如图三。

基于这一坐标系，用户可以构筑自己的区域(分段)设计模型。

这个设计模型的最大特点是：当进行某一专业的设计任务时，可以参考、关联、共享其他专业的设计成果(即实体、数据、信息、关系、规则等)，从而各专业可以在统一的设计模型中，分门别类地并行进行。

此外，结合结构树的特性，用户可以滚动浏览结构树，对设计模型中任意指定的对象和其属性进行显示、隐含、删除、增加等处理;利用CATIA软件的三维实体生成二维视图和任意转向的轴测图的功能，生成各类布置图、安装图。

更为重要的是，用户可在一体化的设计模型中，对各专业进行实时干涉检查和综合系统平衡，为精确造船提供了可视化的设计模式和操作工具。

本论文以机舱(肋位从11至37)中的管系燃油供油系统为实测对象，检验其船体结构、设备、布管等功能。

1.4 二维原理图设计及设备、管路三维布置与部件定位
管系二维原理图(PID-Piping %26amp; Instrumentation Diagrams)驱动三维设备布置、管系路径布局和各类阀件、附件的定位放置与精确调整，是CATIA软件的一个独一无二的技术特点。

这一特点，构成了无缝连接船舶管系的详细设计和生产设计这二个阶段的桥梁，确保了管系二维原理图(PID)的系统原理、设备连接、单元集成和理论走向在生产设计的实际过程中得到最直接、最科学的贯彻。

运用这个原理图，用户可以驱动图中的三维设备放置，自动或手动排放管系路径、定位布置各类阀件、附件，定向调整、检测管系的流向，生成统计报表。

本文以机舱燃油供油系统为例，绘制了二维原理图(PID)，如图四所示，并以此驱动三维机舱设备放置、管系路径布局，如图五所示。

管系二维原理图中①、②、③、④、⑤、⑥、⑦序号的二维符号分别表示燃油供油单元、燃油箱柜、集油筒、发电机、主机、副锅炉、燃油泵。

此外，根据管系、风管和电气的设计原理和物理共性，CATIA软件提供了%26ldquo;路径(ROUT)%26rdquo;在同一设计模型中，由管系二维原理图(PID)、风管系统原理图和电气原理图驱动三维空间中进行布置的具有同一属性的路径管路、风道与电缆的几何空间走向。

因而，管系、风管、电气设计人员在用同一属性路径进行各自的路径布局时，可以实时检测管系、风管、电气之间的路径干涉情况。

在对管路、风管、电路和船体结构、船舶设备等进行干涉检查、综合协调、平衡整合的基础上，管系、风管、电气设计人员可分别在自己的%26ldquo;路径%26rdquo;上，直接定位放置和调整各类部件。

例如：管系%26ldquo;路径%26rdquo;上的各类管子、阀件、附件、仪表、管子支架等;通风%26ldquo;路径%26rdquo;上的各类风管、风机、调风门、风管吊架等;电气%26ldquo;路径%26rdquo;上的各类电缆、附件、电缆托架等。

以及检查在三维空间中布置的管系、风道与电缆系统是否应设计人员的疏忽而遗漏个别的阀件、附件等。

1.5 统计汇总报表、加工表单.布置图、安装图的输出
完成三维实体布置的舱室在CATIA中选择进入绘图工作模式，就可以自动投影生成二维舱室布置图。

用户在二维舱室布置图上插入标准图框，标注尺寸(系统自动显示尺寸)、附加说明、设计签字等，就形成了安装布置图,如图六所示。

这种根据三维实体实时投影生成二维图纸，保证了三维实体与二维图纸的一一对应，使船舶设计工作方式和操作手段变得非常灵活和简便。

此外，舱室设计人员亦可采用CATIA成软件的辅助仿真功能进行效果渲染，还可进一步利用其四维浏览器功能，向船东提供全方位、多角度地展示舱室布置仿真效果。

CATIA软件不仅对在详细设计阶段的各专业原理图、布置图、统计报表有很强的处理功能;同时，亦能生成在生产设计阶段中的各专业施工图纸、零件加工单、统计报表等。

(1)用户可以结合宏指令的特性，用VB Script语言，调用CATIA软件提供的Report
工具来抽取管系、风道、电缆的BOM信息，并进一步利用VBA程序来客户化统计汇总功能[4]，如图七所示。

(2)利用CATIA软件的机械制图功能，三维实体生成二维视图功能和任意转向的轴测图的功能，生成机舱各类布置图、安装图。

(3)利用CATIA软件的管子专用模块，可根据实际需要生成八种不同形式的管子零件加工单，如图八所示。

同时利用其软件自身的船体开孔模块，可以生成管子开孔表。

1.6 电子样船
在用CATIA进行船舶设计中，电子样船具有非常特殊的功能：其一，可通过漫游和通讯工具，进行协同审查;其二，利用其自身的仿真人系统和剖面分析、测量和3D几何比较等功能，可进行DMU(Digital Mock Up)验证，定义、模拟和分析各种规模的装配和拆卸过程，系统安装部件的可操作情况，如图9所示。

此外，使用CATIA软件中四维浏览器，还可以对机舱的船体结构、设备箱柜、管系布局和舱室的区域划分、办公设备、文件箱柜、生活洁具、日常家电等进行%26ldquo;实地考察%26rdquo;。

3 结束语
通过在CATIA软件上进行实船的设计测试，表明将CATIA软件在航天航空、汽车等一些高端技术制造行
船体结构设计中的CATIA V5
如果船舶比较大，考虑到模型数据量会比较大，最好把船舶分成几部分，例如，船尾、船艏、船舯部分，这样有利于加快建模操作时的运算速度。

本文介绍了应用在船体结构设计中的CATIA V5。

一、前言
CATIA V5 是Dassault Systemes 公司推出的真三维 CAD/CAM 设计系统，现已成为航空工业、汽车工业重要的设计软件，在船舶工业上也在逐步深入进行应用。

目前，该公司推出的软件已能把船舶设计、制造加工、信息管理贯穿起来，形成一个工程设计、加工工艺、管理集为一体的应用软件。

几年来，广州文冲船厂有限责任公司(以下简称文船公司)通过造船转模和不断地学习先进造船技术，由年造 1-2 条船的能力提升现在年造 8-10 条的能力，由原来的一型船设计增加到现在的三型船设计;CATIA V5 在船舶设计中的应用也有了明显的提高，从 2005 年年底到 2006 年 6 月，通过项目的开展，并在达索公司技术人员的积极支持下，CATIA V5 在船体结构设计中的应用有了新的突破，形成了一条较为完整的应用 CATIA V5 进行船体结构生产设计的思路。

下面主要就我公司在船体结构设计中对 CATIA V5 的应用进行介绍。

二、应用
1、项目及要求:用 CATIA V5 对 1700TEU(GWS334)船全船船体结构 3D 设计，并对几个典型分段要求能够直接从 3D 模型提取所需要 2D 生产设计图纸、2D 下料零件图及零件报表，突破手工 AUTOCAD 绘图和手工输入零件表。

该分段长宽高分别为 11.6m、3.8m、12.7m,总共包括零件的个数 490 个(不包括补板的数量)。

2、设计思路
3、型线光顺及数据处理：文船公司目前采用的是东欣软件公司的 HD-SHM 船体线型光顺系统，光顺以后产生数据文件，为了减少数据的输入量，在导入数据之前，对数据文件进行处理，删除同一平面内多余的数据，但是要留下平边点，并对数据进行排序，见图1。

4、船壳曲面建模：
船壳曲面建模可以分成三步：
1〉在GSD 工作环境下导入数据，生成点，见图2;
2〉连线，包括肋骨线和水线，可根据需要进行选择性的连线，见图3;
3〉通过线生成曲面，见图4。

前面两步可以通过程序来完成，见图2。

另外也可以直接打开AUTOCAD2000 版的二维图形文件(*.dwg),然后在CATIA V5 中利用拷贝和粘贴生成所需的肋骨线和水线，最后连成曲面，这样生成曲面效率也是比较高的。

文船公司在曲面设计的应用是比较成功的，除了船壳曲面建模以外，曾成功应用于螺旋桨、拉锚试验的辅助设计，见图5、图6。

5、建库：由于一条船有几万个结构零件，其中相同、相似的零件或特征非常多，为了减少重复的工作劳动，在开展一条新船项目3D 设计之前，我们会对全船的结构进行统计，规划出建库的内容，把基础库搭建好。

这是一个非常重要的环节，其直接影响到后续的3D 结构设计的质量、效率，可以说CATIA V5 提供了较好的建库功能。

型材、开孔、材料、2D 标注模板库的建立及应用比较容易，肘板建库、型材端部形式及型材贯穿孔的建库操作过程相对比较复杂，但是思路还是比较清晰，简单，下面是肘板参数化建库过程，见图7，文船公司在肘板建库这一块非常重视，主要是一条船肘板的数目非常大，经过努力，我们在肘板建库，包括型材端部节点库、型材贯穿孔库已有一条清晰的建库方法。

图7 肘板建库过程
6、船体结构3D 设计：CATIA V5 主要包括三个船体结构设计模块SFD、SDD、SR1,我公司主要应用SFD、SDD 模块进行船体结构3D 设计，利用这两个模块基本上可以建出所有的船体结构零件，在SFD 中我们是建一些总体结构，各层甲板、各个舱壁，纵骨、肋骨、舷侧纵桁、骨材等大构件，在SDD 模块中再建肘板、型材贯穿孔、补板等小构件。

在建完所有的构件后，最后一次转入到SR1模块中，在这过程中可选择自动去掉板的干涉部分，生成正确零件形状。

这一设计过程可以表示成图10。

图10 船体结构3D 设计流程图
如果船舶比较大，考虑到模型数据量会比较大，最好把船舶分成几部分，例如，船尾、船艏、船舯部分，这样有利于加快建模操作时的运算速度。

目前，文船公司在这三个模块上的运用比较成熟，见图11、图12。

7、出2D 结构图及零件报表：CATIA V5R17 对从3D 模型出2D 图较以往已有很大的改进，从3D 到2D 可以产生带自动标注的二维图，3D 模型修改后，相应的可以通过更新来实现，另外其2D 工作平台Drafting 功能是非常强大的，画线标注操作都很方便。

目前我公司是从SDD 出2D 出图(如图14)，同时从SDD出零件报表，可以方便地存为Excel 文件，如图15。

出2D 结构图步骤如下图13所示，在第一步里面可以对图形中的线型颜色、线型的粗细、字体、字大小、Drafting 的背景颜色、尺寸标注、字体、开孔中心线等进行客户化，对于零件编码可以通过更改零件名来实现;第二步出图(如图14)，根据不同的情况可以选择不同的出图方式，例如出横舱壁图可以选择衍生、繁殖出图，在目录树上选择一个body 级别的横舱壁，就能够产生正确的横舱壁图;对于没有实肋板的剖面可以选择第三种出图方式，先出一个投影图，再加一个Clipping Box,减小选择的范围，也可以采用第四种出图方式，出截面图;第三步标注，可以通过GVS 设置对零件名、规格进行自动标注，然后手工调整位置，也可以通过模板库进行半自动标注。

8、出零件图：出零件图在SMP 模块中实现，见图16、图17。

这个模块功能强大，不仅能产生平直板、平直型材的零件图，还能产生弯曲板、弯曲型材的零件图;可以添加零件补偿量、坡口信息，还会生成板材、型材的加工信息及胎架信息。

在生成零件图以后，再把零件转入到专门的套料系统中进行套料，生成切割指令。

结束语
CATIA V5 船体结构3D 设计模块已有一个与船舶工业实际生产、设计需要相符的基本思路，从整体到局部，从3D 到2D,并能产生信息报表，把设计、制造、加工、管理形成一体化。

近两年也感受到达索公司加快了软件开发进度，从刚开始使用的R13 版到现在的R17 版，船体结构模块有了巨大的改善。

文船公司在CATIA V5 结构模块3D 出2D 图上有了实质性的进展，建模操作也有了很大的改善，特别是肘板一块。

但是我们希望船体结构模块更完善，比如增加线型光顺、基于3D 模型的强度、应力、静水力计算。

我们在期待着这一天的到来。

基于CATIA加强框和梁类零件建模方法研究
2009-06-22 22:55:49 作者：jiangnanxue 来源：智造网—助力中国制造业创新—
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本文阐述了使用CATIA软件建立加强框、梁类零件数字化模型的有效方法。

率先来用法则(Law)、样条线(Spline)和平行曲线(Parellel)等方法精确定义出了均匀变化、曲率连续的内外缘条厚度，并时缘条、腹板、筋条的统一建模方法进行了研究与分析;尝试规范了精确、简练和快速的加强框、梁类零件数字化定义流程，从而解决了长期困扰飞机结构设计师的加强框、梁等结构件的建模问题。

现代飞机机身的加强框、梁等主承力构件，一般都采用模锻件机加制造，属于比较难以加工的非常重要的大型零件。

加强框的外形多为环形或双环形，梁的外形多为沿机身纵向的直线形，加强框和梁上一般都布置有承受集中载荷的耳片接头。

为提高结构效率，框、梁的剖面多为"工"字形。

在工程上，一般将上、下翼缘分别称为外缘条和内缘条，中间的平板称为腹板，腹板上每隔一定距离而设置的用于提高腹板临界剪切应力的立柱称为筋条。

框、梁的缘条与外侧蒙皮搭接的宽度称为缘条宽度，内、外缘条高度方向的厚度尺寸一般称为缘条厚度。

为了满足重量、强度和结构布局等一系列要求，框、梁构件内、外缘条的宽度、厚度以及缘条与腹板的夹角都是随截面变化而变化的。

其设计难点是:(1)缘条变宽度;(2)缘条变厚度;(3)缘条与腹板变角度。

传统加强框、梁类零件是依据模线样板制造的，而现在是利用数字化模型数控加工完成的。

在利用CATIA软件进行数字化定义时，设计师们发现，由于框、梁处的机身理论外缘的曲率变化不规则，并且框、梁零件的缘条的宽度、厚度和角度相互关联，因此难以准确地实现缘条厚度、宽度尺寸的线性、均匀变化。

所以说，在过去的很长一段时间内，如何准确合理定义加强框、梁的数字化模型已成为困扰结构设计师的主要问题。

1 建模原理与方法
典型加强框、梁类零件的典型剖面形状如图1所示。

图1加强框、梁类零件的典型剖面
笔者通过长期对加强框、梁类零件CATIA建模方法的研究，探索并掌握了许多建模技巧，基本解决了此类零件的建模问题。

下面分别阐述此类零件的缘条宽度、缘条厚度和缘
条角度的建模原理和方法。

1.1缘条宽度
由于框、梁类零件的所有缘条厚度都是根据缘条的边缘确定的，因此必须首先准确定义缘条的宽度。

在建模时，采用在每2个缘条宽度变化的区间使用多截面实体，其方法和步骤如下:首先分别在每个宽度变化分界面上建立各自截面的草图，草图中约束缘条的宽度值。

在"多截面实体"栏中定义"闭合点"，使2个截面的法线方向一致，并且使用内、外缘条的2条导引线控制其宽度均匀、线性变化，图2所示的是使用多截面实体定义缘条宽度的会话框。

c.按"确定"后，生成的缘条宽度既符合宽度的线性变化趋势，又符合设计要求，而且便于数控加工。

图3所示的是使用多截面实体定义缘条宽度的建模过程。

1.2缘条厚度
某段加强框的图形和尺寸如图4所示，缘条的厚度尺寸一般控制在筋条处。

理论上，在缘条厚度从9变化到16的区域，应保证其厚度大于9小于16，并且均匀、线性变化，光滑过渡。

在以往的数字化定义过程中，确定缘条厚度的矛盾非常突出，曾先后使用了样条线、样条线十控制点、不等距偏移线等方法进行建模。

数字化制造时发现缘条厚度过渡不均匀，部分区域出现波浪性的反复变化，而且有些零件截面的厚度过小，甚至造成强度不够的严重后果，致使零件报废。

为了解决缘条厚度的问题，笔者创新地联合使用了法则(law)、样条线(Spline)和平行曲线(Patellel)等工具精确定义出了均匀变化、曲率连续的缘条厚度，其方法和步骤如下:
a.根据加强框或梁的缘条厚度变化情况，建立以直线为基准的缘条厚度的Spline线，每段直线段的长度与两筋条间的框缘条长度一一对应，Spline线与基准直线在控制点处的距离与缘条厚度一一对应。

图5所示的是基准直线与Spline线的对应关系。

注意:在建立Spline线时，切记在样条线的"显示参数"栏里定义印line线的切线方向、张度和曲率方向。

切线方向定义为基准直线的方向;张度值选0.1，张度值表示样条线在控制点处的切线值，它足够小，可以保证Spline线在每个控制点左、右非常小的区域内完成尖点的圆滑过渡，而基本不影响2个控制点之间缘条厚度的线性变化;曲率方向也定义为基准直线的方向。

b.在上述基准直线和Spline线之间定义一个法则。

使用平行曲线，曲线选框的理论内缘或理论外缘，常量选上述定义的"法则曲线"，平移出所需要的线性变化、光滑过渡的缘条厚度曲线。

d.使用草图工具的"投影三维元素"和"修剪"将平行曲线中的线条投影至草图并根据某段框或梁的结构形式修剪为需要的长度，作出内、外缘厚度正确的封闭草图。

e.使用凹槽等方法去除多余材料，抠出"工"字形的加强框缘条的形状。

图6所示的是去除多余材料后的"工"字形框缘条形状。

1.3缘条角度
为了保证每一截面的缘条厚度基本一致，缘条和腹板的夹角是变化的。

一般情况下角度变化是以筋条分界，如筋条左侧是900，筋条右侧是9100为了分隔2个不同的曲面，以往建模时将该处筋条设计成一与缘条同高，即"满筋"结构。

但这种结构形式既改变了设计的初衷，又毫无必要地增加了零件的质量。

本次建模采用满筋结构来分隔2个缘条与腹板夹角不同的区域，然后再去除多余部分。

这样既满足了设计的要求，又减轻了结构重量。

图7所示的是缘条与腹板夹角不同的区域的建模过程，其步骤如下:
a.建立"满筋"结构，以分隔不同的区域。

b.应用拔模建立角度正确的框缘条，图7(a)所示的是拔模后的"满筋"结构。

c.用分割的方法去除"满筋，的多余部分，与缘条相连的部分顶留0.3-1.Omm的余量，使筋条的高度与设计要求一致。

图7(b)所示的是去除"满筋"的多余部分的结构。

d.倒圆角，图7(c)所示的是建模后的最终状态。

1.4加强框、梁类零件建模流程
传统的加强框、梁等零件的建模过程是根据数控加工的先后顺序建立的，模型步骤繁多，结构树复杂，而且占用大量的存储空间，修改维护起来十分麻烦，有时甚至需要重新建模，才能解决问题。

本次建模，力求以最少的几何元素来建立完整、精确的模型，尽量采用最简单、最直接的方式来分别建立零件的缘条宽度、厚度、角度和腹板的厚度，减少了几何尺寸的运算过程，降低了模型的复杂度，明显提高了建模效率，并且模型结构树简单，存储空间较小，便于后期修改维护。

规范后的加强框、梁类零件建模流程如图8所示。