0 引 言

在船舶设计领域，三维设计技术正在不断推广应用。由于船舶管路系统的复杂性，且设计水平难以满足船厂放样工艺，使得数字化设计技术相对滞后。当前，CADDS5，FORAN，TRIBON 等专用软件和 CATIA V5 通用软件已先后引入国内并应用于船舶设计，并取得了一定成效，但与全面三维设计还有一定距离^[1-4]。

管路设计是船舶设计的一个重要组成部分。CATIA V6 作为法国达索公司近年来推出的产品，居世界 CAD/CAE/CAM 领域的领导地位，与 CATIA V5 存在很大差异，该软件提供了从管路原理图绘制到三维放样的功能，可满足轮机专业的建模基本需求。按照不同的设计阶段，CATIA V6 管路系统设计包括资源配置、二维符号绘制、原理图设计、管附件三维建库、管路三维设计、生产信息提取等内容。但其设计和生产管理模式与我国存在差异，并在资源配置、出图等方面不符合国内船舶研制需要，尚待嵌入设计流程并进行定制开发。为此，分析 CATIA V6 基础资源库配置、管路设计、管路出图等关键技术，并对出图与建库进行定制开发以提高船舶管路设计效率和质量。

1 基础资源库配置

工程技术表是基础资源库配置的基础，包括标准体系表、公称通径表、压力等级表、材料种类表、材料表、端部类型表、三维部件子类表、管材外径表、管材壁厚表、管材规格尺寸表、弯管弯模倍数表、管材弯模直径表、管材弯模半径规格表和最短管材长度表等一系列资源表。这些资源表不仅为后续管附件建库提供数据，还对管附件赋予相应属性。创建时务必充分考虑数据的准确性和完整性。

基于技术表数据，通过参数化模型与设计表关联，批量生成管材、阀件模型并存入标准件库。针对具体管路系统，创建规格过滤器，筛选出设计所选管材和附件。同时，定义对应系统的规格书，将工程技术表和规格过滤器嵌入其中，再将所用技术表、规格书和标准件库关联到资源集，最后绑定到设计项目，具体操作流程如图 1 所示。配置资源库时，用户应在熟悉船舶管路系统和标准规范的基础上，根据设计需求进行相关设置工作。

为实现二维驱动三维设计，应增设二维部件子类表、部件子类映射表，而部件子类映射表由二维部件子类表和三维部件子类表派生而成，如图 2 所示。同时，创建二维与三维设备和管附件并存入库中，确保二维设备符号属性中 Predefined Part Number 项内容为对应三维模型名称。否则，在管路设计过程中，会因映射失败而无法实现二维驱动三维设计。

2 管路设计

在技术设计阶段，根据轮机专业系统划分，构建对应的特征树，创建二维符号并入库。同时，设计人员结合不同系统开展原理图绘制工作，插入设备、阀件等符号，连接管线，从而形成系统原理图。进入施工设计阶段，主要着手详细的三维设备与管路附件建模、入库，并结合实船布置和加工工艺进行管路放样，最后实现三维管路转二维出图。在整个设计过程中，二维原理图与三维管路设计相关联；管线与管材、附件的属性必须相互匹配，当管线属性变化时，与之对应的管材、附件也需做出相应调整。

为确保船厂有效运用三维管路施工设计成果，在技术和工艺层面应实现与生产建造深度融合。在 CATIA V6 管路三维设计时，应对舱室设备、基座、管路及电缆进行总体规划和三维综合布置平衡，有效运用知识工程技术，综合考虑工艺优化，具体措施如下：

1）在三维管路设计过程中应引入全局规划、综合布置概念，尽量避开风管与主干电缆以及人孔、梯子、门和通道，以确保实船管路集中布置，且整齐、美观；

2）考虑空间利用最大化，对于铺板和内底间的管路，应自下而上，管径由大到小，分层布置；舷侧管路要沿纵向结构平行布置，而穿过甲板时改为沿垂直布放；合理采用直角阀代替直通阀；

3）管路阀件应集中布置，合理优化，同时便于船员观察和操作，不影响船员通行与检修；

4）合理考虑阀件的特殊要求，如安全阀、止回阀、节流阀、减压阀、给水调节阀、流量计尽量安装在水平管段而非垂直管段上；

5）管路设计时尽量使用 30°、45°、60°、90° 等标准弯头，以减小流体阻力，提高船厂管段加工效率；

6）法兰按每 3~5 m 长度布置 1 对，相邻管路法兰布置平齐成品字形或阶梯型。

3 二维出图

当前，国内总体所仍以二维形式向总装厂实现图纸交付，而 CATIA V6 作为面向三维交付的软件，其理念超越国内船舶设计现状。因此，三维管路设计转二维出图非常重要。出图开发基于达索 3D Experience 平台，利用 CATIA V6 提供的 CAA 二次开发接口^[5,6]，以 C++ 为辅助工具，在 CATIA V6 原生 Drafting 模块的基础上辅以客户化定制开发，研制出管路出图辅助软件。以最大化保证 Auto CAD 与 CATIA V6 软件的无缝衔接及用户体验一致性，软件主要由图框及标题栏创建、船体型线生成、二维组件实例化、二维视图拷贝、型线坐标系创建和视图合并等 6 个工具组成。具备生成图幅、标注、注释、技术要求等功能，自动提取管附件统计所需的编号、规格、数量、材料、重量重心等信息，修改操作方便，提高设计出图工作效率。三维管路转二维出图流程如图 3 所示，具体如下：

1）进入 CATIA V6 软件 Drafting 模块；

2）调入已创建的三维管路模型及船体背景，选取相应视图进行投影；

3）根据配置文件，创建二维图的图框及标题栏，并设置图纸比例；

4）对视图区所选管附件进行自动标注，并分别实现水平、垂直方向对齐，同时添加走向注释；

5）结合软件原生功能配置管附件属性，生成相应的明细表，

6）输出具体管路图纸文件。

4 快速建库

对于管路设计而言，基础库数据的合理性、正确性尤为重要，直接影响到设计质量和效率。尽管叶鹏^[7]，许诺^[8]等对 CATIA V5 进行二次开发，建立了相关产品的零件库，但未涉及船舶工程应用。在资源库配置时，CATIA V6 软件未提供任何阀附件模板，需根据标准中外形尺寸进行参数化建模，并与对应标准数据的设计表相关联，批量生成一系列附件，再存入标准件库供设计者选用。然而阀附件涉及标准规范众多，必须采用有效措施进行数据输入和管理。

为此，突破设计项目壁垒，实现标准件数据统一。清理船用阀附件标准规范，综合权衡模型数据量和设计美观性，适度简化附件外形，对外形类似附件统一归类，建立参数化模型，存入附件简化模型库，便于批量解析阀附件时快速调用。以 GB/T 584-2008 船用法兰铸钢直通型截止阀为例，根据标准所述结构和基本尺寸，创建简化几何模型如图 4（a）所示，可准确表达阀件的设计、接口、操作等信息，易于识别和参数化解析。通过对阀件、法兰、螺纹接头、三通、四通、弯头、异径等常用附件标准规范进行归纳整理，创建出一批几何尺寸驱动的参数化附件模型（见图 4（b）），为管附件快速建库奠定了基础。相比软件原生功能而言，具有较好的操作性，并提高了设计效率。

5 结 语

针对 CATIA V6 船舶管路设计国内还没有 1 套较为完善的解决方案。结合船舶行业设计流程，首先系统分析了 CATIA V6 资源配置和建库策略，重点说明了二维驱动三维设计的映射关系，归纳出与生产建造相融合的施工设计经验。同时，为弥补软件在二维出图方面的不足，在 CATIA V6 原生 Drafting 模块的基础上辅以定制开发，研制出三维管路出图辅助软件，完全具备三维管路设计转二维出图功能。此外，以提高管附件建库效率为目的，结合标准规范构建附件简化模型库，为建库快速调用参数化模型奠定基础，可供不同产品设计项目共享。研究结果对 CATIA V6 的工程应用和设计开发具有理论和实践指导意义。