0 引　言

船舶辅机设备是船舶机电设备的重要组成部分，涉及专业范围广、应用场景多^[1]，当前广泛使用二维图纸结合三维模型的设计模式，但这种设计模式高度依赖经验和隐性知识，新手需长期实践才能独立设计，设计难度大且易出错^[2]；适应性修改时需重新绘制图纸和模型^[3,4]，设计效率较低；设计结果仅能从特定视图或截面反映几何特征，缺乏拓扑、约束等逻辑关系和隐性知识的表达，设计全面性欠缺^[3]。

随着信息技术发展，智能设计制造成为工业的核心，也加速了船舶领域的设计转型^{[5 − 7]}。三维参数化设计借助NX、Pro/Engineer、SolidWorks等CAD工具，运用参数化设计思想完成解析和建模^[8]，已成为机械设计的主流趋势^{[6 − 8]}。相较于当前设计模式，三维参数化设计更便捷、高效、准确和全面。设计时以参数、逻辑关系为核心，支持动态调整和再编辑^[6]。产生的模型能全面反映设备的几何特征，改变参数即可实现模型更新，极大降低设计难度，减少重复工作。

近年来三维参数化设计广泛用于船体设计^{[9 − 11]}，而在船舶辅机方面，三维参数化设计多用于性能分析、设计优化等^{[12 − 14]}。然而当前的三维模型对多应用场景的适应性较差，不同设计工具缺少统一、通用的设计方法和流程，参数化模型及数据格式杂乱、分散存储，无法快速重用。为此，本研究提出了适用于多应用场景的船舶辅机设备三维参数化设计方法，基于NX软件设计开发了企业级船舶辅机三维参数化设计管理系统（Vessels Auxiliary 3D Parametric Design Management System，VAPDM系统），通过船用生活污水处理装置本体完成了验证。

1 三维参数化设计方法 1.1 三维参数化解析方法 1.1.1 结构解析方法

为实现设计重用，基于船舶设计的模块化思想^[15]提出了最小结构单元，即按设计需求无需继续分解结构的单元，不同场景中最小结构单元的层级不同，可能对应零件层或组件层。

结构解析是指从设备装配的角度，解析设备结构、零部件组成及关系，获取最小结构单元和总体布局。装配是将设备的各结构单元按设计要求和顺序组装并形成整体结构，即总体装配。设备的三维参数化模型能够看作装配的数字化映射，表征物理装配过程^[16]，因此设备的总体布局和总体装配是一一对应的。

解析设备结构获取总体布局时，可采用自顶向下、自底向上或混合设计方法。如图1所示，自顶向下从设备整体或总体装配开始，根据装配需求逐步、逐层细化到最小结构单元；自底向上从设备的最小结构单元开始，根据装配需求将设计好的零部件模型添加到总体装配中；混合设计方法在设备总体设计方面采用自顶向下实现结构层次解析，在设备组件设计方面采用自底向上实现零部件关系解析。

1.1.2 参数分类方法

参数能表征设备特征，为使计算书全面覆盖多种应用场景，提出了参数分类方法，将参数按属性分为几何、机理和工艺参数，如表1所示。

完成参数分类后需确定参数间的关系，即定义驱动、从动和无关参数。驱动参数是核心变量，用于驱动模型；从动参数由驱动参数计算得出，随驱动参数变化；无关参数无法通过驱动参数得出。

1.2 参数化计算书设计方法

计算书是船舶辅机设备的重要设计文件^[17]，包含大量与结构、原理相关的参数，通过计算书能完成设备结构、强度、载荷等特性的分析计算^[18]。经过参数化解析的计算书称为参数化计算书，在原计算书的基础上扩展，全面覆盖几何、机理和工艺参数，能直接被三维计算机辅助设计工具读取、调用并用于建模。

1.2.1 结构设计

为建立参数化计算书与CAD工具间的连接，将参数化计算书设计为xml格式的系统配置文件，按照图2构建参数化计算书的结构层级，说明模型与设备总体装配的对应关系。

1.2.2 内容设计

参数化计算书的主要内容包括设备总体局部、参数种类与关系、参数数值、机理和计算公式等三维参数化解析结果。每个节点均可包含几何、机理和工艺参数，调用参数可解析并定义与结构、机理、校核、工艺相关的逻辑关系计算公式。在参数化计算书中，最小结构单元层级中参数耦合度较低，一般包含设计所需的基本形状参数和逻辑关系；随着层级增加，包含的定位参数、机理和逻辑关系逐渐增多。

1.3 三维参数化设计类型

通过三维参数化设计将设备的几何、机理、工艺等以属性和表达式的形式赋予三维参数化原型模型，生成可复用的动态模板。按照是否有原型模型，将三维参数化设计分为初次设计和适应性修改，如图3所示。初次设计指设备没有能直接调用的原型模型，需通过三维参数化设计建立可复用的动态模板。适应性修改指设备有原型模型，根据设计要求选择原型模型作为动态模板，修改模板驱动参数自动获得新模型。

2 组成及架构 2.1 架构选择

VAPDM系统能管理船舶的三维参数化设计流程及数据，需要结合设计管理方法开发能与用户实时交互的、便于迭代更新的业务流程、系统功能及数据管理架构。

系统采用前后端分离架构实现用户交互与业务逻辑的解耦，采用微服务架构对业务逻辑进行拆分，使每个服务能聚焦单一的业务功能^[19]，形成“前后端分离+后端微服务化”的复合架构，如图4所示。前后端均可独立部署，框架升级互不影响。

2.2 架构设计

系统总体架构如图5所示。数据层由数据库、缓存和文件构成，封装为资源库和临时区域。逻辑层由微服务、NX二次开发程序、NX环境配置包组成。微服务包括服务组件、服务和服务实例。服务组件是支撑微服务架构运行的基础设置，包括服务网关、注册中心、配置中心、服务监控、链路追踪、服务通信等。服务是实现系统业务的功能单元。服务实例是服务的执行单元。根据系统的业务需求划分服务，如表2所示。

通过微服务架构实现系统的功能、数据、流程和显示集成。功能集成方面，系统集成设计和管理功能，设计功能指对设备开展三维参数化设计，管理功能指管理项目、设备及设计资料。数据集成方面，根据各个服务的业务需要分别存储服务数据，基于RESTful API实现通讯，制定标准的数据返回格式，以确保数据的一致性、准确性和可用性。流程集成方面，通过调用各个服务，将设计管理方法和流程通过软件进行固化，集成了2种三维参数化设计流程和审签、入库、变更等管理流程。显示集成方面，通过网关及数据接口将用户录入的设计数据和NX软件数据集成显示在浏览器界面上，界面及相关数据按照业务流程集成并分步显示。

3 功能设计 3.1 功能结构

系统功能结构如图6所示，设计功能通过设计管理功能模块、NX辅助设计功能模块实现，管理功能通过设计管理功能模块、资源库功能模块实现，通讯功能模块用于实现系统各个模块间的内部通讯。

3.2 功能实现

系统能实现用户登录、系统设置、模型设计、资源库等功能，重点介绍模型设计、NX辅助设计功能和资源库中的重用库。

3.2.1 模型设计功能

模型设计功能是系统的关键功能，主要用于设备的三维参数化设计及相关设计资料、数据的管理。模型设计功能通过模型建立、模型预览、设计结果输出、提交审签等功能，固化了三维参数化设计方法和参数化计算书设计方法，系统用户将按照系统的业务流程自动遵循统一的设计方法。

模型建立功能包括模型新建和适应性修改功能。其中初次设计对应模型新建功能，能根据设备的设计需求进行部分参数化设计或全参数化设计。在界面进行设备结构解析，选中结构树中的节点，能划分每个节点的参数种类，定义该节点的属性、参数和参数间关系，并将资源库中的模型调用至指定节点。同时设置了调取参数化计算书的按钮，能调取封装为表格的参数化计算书，将已定义的装配结构和参数自动填充到计算书中，完成设备的设计计算和校核计算。完成参数定义和计算后，能通过界面调起NX软件并自动传输界面上的参数化设计数据，搭建总体装配结构树和表达式，并自动提取被调用的三维参数化模型。用户能在此基础上建模调试，再将数据同步回系统界面。

适应性修改功能方面，用户无需打开NX软件，可直接在系统界面上完成设计。选择模板后系统自动调取并显示该模板对应的结构、允许修改的驱动参数、二维图纸及三维模型预览等，用户通过调节结构树中各节点的驱动参数，在后台自动创建出满足设计要求的新模型。界面显示模型创建的进度，完成创建后能在模型预览窗口全方位查看模型，在图纸预览窗口查看模型三视图。

获取模型后，用户能在界面上通过设计结果输出功能将设备的三维模型、二维图纸、明细表、计算书等按照定义的模板导出并进行电子审签。导出时，能根据模型的应用场景选择与模型同步导出的参数属性，如表3所示。

3.2.2 NX辅助设计功能

NX辅助设计功能基于NX软件进行二次开发，在完成三维参数化设计的基础上辅助用户建模，包括辅助装配、自动装配和开腔功能等。

辅助装配针对系统中的标准件、三维参数化原型模型等重用对象，通过预定义当前模板的装配约束条件，实现面贴和、距离和共轴装配，协助用户快速完成零部件的装配定位。紧固件自动装配根据孔特征、螺纹特征、参数及空间位置等规则，自动识别当前装配中需安装紧固件的位置，实现紧固件规格型号的自动匹配与装配。

通过NX部件族、PTS模块定制企业的重用库，包括标准件库和非标件库，能实现数据的快速检索、调用、修改和装配。对于重用库中的重用件能通过干涉检查和WAVE链接实现自动开腔，腔体根据重用件尺寸变化自动更新。

3.2.3 重用库功能

重用库对三维参数化设计数据进行规范管理并构建企业知识体。重用库存储和管理标准件、非标件三维参数化模型的状态及相关信息，模型、数据格式统一且可调用，通过系统界面与用户交互，存储的模型可作为适应性修改的动态模板，可在初次设计中直接调用，解决参数化设计数据无法快速重用的问题。

4 数据架构

三维参数化设计数据是一种隐性知识，是企业的商业和技术秘密。为保护企业的智力成果、提升设计效率，有必要对三维参数化设计数据进行规范管理。

4.1 数据存储框架

系统中的存储数据包括信息化数据和文件数据，统配置信息、项目信息、设备三维参数化设计数据等信息化数据存储在数据库中，配置文件、项目及设备文件等文件数据存储在自主开发的共享文件夹中，可重用的信息化数据和文件路径存储在缓存中。

4.2 数据库

数据库在MySQL的基础上设计为基础数据库、业务数据库和文件数据库，存储的系统信息化数据是一种结构化数据，以表格的形式将参数化设计数据和项目设备信息存储在数据库中。系统服务与数据表的对应关系如表4所示。

4.3 数据流分析

系统客户端、服务端中的各个组成部分之间的数据流如图7所示。

5 应用实例

通过某种船用生活污水的本体组件对参数化设计管理方法和流程进行实例验证。

首先按照设计管理方法对组件进行初次设计，完成结构分解和参数分类。本体组件的最小结构单元为柜体，按照最小结构单元划分为调节柜、水解柜、缺氧柜、好氧柜、膜柜、清水柜和污泥柜。参数的分类以调节柜为例，如图8所示。

在参数分类的基础上对本体装置的几何和机理特征进行全参数化设计，以调节柜为例进行说明。调节柜的几何参数包括调节柜的柜长、柜宽和柜高，设计计算包括调节柜容积、调节柜面积和水量。

调节柜水量计算式为：

$ \begin{split}{F}_{调节} = & {F}_{重力黑水} \times {N}_{重力黑水} + {F}_{真空黑水} \times {N}_{真空黑水} + \\ &{F}_{厨房灰水} \times {N}_{厨房灰水} + {F}_{洗涤灰水} \times {N}_{洗涤灰水} + \\ &{F}_{医疗黑水} \times {N}_{医疗黑水} + {F}_{医疗灰水} \times {N}_{医疗灰水}。\end{split} $

(1)

式中：$F$表示水量；$N$表示人数。

调节柜有效高计算式为：

$ {H}_{调节}={P}_{{}_{中位}}-{P}_{{}_{低位}}。$

(2)

式中：$ {P}_{{}_{中位}} $为规定的调节柜中位高度，$ {P}_{{}_{低位}} $为规定的调节柜低位高度。

调节柜容积计算式为：

$ {V}_{调节}=\text{max}\left(\Delta {V}_{1},\Delta{V}_{2}\right)\times n。$。

(3)

式中：$ \vartriangle {V_1} $、$ \vartriangle {V_2} $为连续低于平均流量、连续高于平均流量时某时间段出水与进水水量的差值，$n$为设计系数。

调节柜面积计算式为：

$ {S}_{调节}=\frac{{V}_{调节}}{{H}_{调节}}。$

(4)

式中：$ {H}_{调节} $为调节柜有效高。

调节柜宽计算式为：

$ {W}_{调节}=\mathrm{max}\left(\left(\frac{{S}_{四小柜}}{{L}_{污泥}+{L}_{水解}}-{W}_{水解}\right),{W}_{人孔板}\right)。$

(5)

式中：$ {S}_{四小柜} $为污泥柜、水解柜、清水柜、调节柜面积之和；$ {L}_{污泥} $为污泥柜长；$ {L}_{水解} $为水解柜长；$ {W}_{水解} $为水解柜宽；$ {W}_{人孔板} $为人孔板宽。

调节柜长计算式为：

$ {L}_{调节}=\mathrm{max}\left(\frac{{S}_{调节}}{{W}_{调节}},{W}_{人孔板}\right)。$

(6)

在VAPDM系统中完成上述参数的设计，在系统中建立本体的结构树和参数，再通过UG NX软件建立本体的三维参数化模型。

建立三维参数化模型时，以柜体为最小结构单元，将经计算得到的相关建模参数与柜体分布特点结合，完成柜体空间建模。本体由底板、基座、前侧板1、前侧板2、左侧板、后侧板、右侧板、顶板1、顶板2、隔板1、隔板2、隔板3、隔板4、隔板5、隔板6、隔板7、隔板8、隔板9及浮球液位控制器等零部件组成。本体空间减去柜体空间形成各分隔板，利用预留逻辑对各分隔板进行布尔运算，合并成所需的模型。

本体的全参数化设计验证了三维参数化设计方法的可行性，本体组件的三维参数化模型可作为适应性修改的动态模板，通过修改水量、人数等驱动参数能够进行快速调节，进而获得满足设计要求的新模型。

经过对多位生活污水处理装置设计人员的跟踪调研，采用本系统及三维参数化设计方法后，进行适应性修改的设计效率提升情况如表5，设计效率整体提升75%～80%。

6 结　语

本文设计并开发了船舶辅机三维参数化设计管理系统，提出了一种适用于船舶辅机的三维参数化设计管理方法。提出了最小结构的单元的概念，设计了设备三维参数化设计过程中结构分解、参数分类定义的方法和初次设计、适应性修改的方法和流程。通过开发系统固化了设计管理方法和逻辑，为辅机设备的设计人员提供了统一的设计环境和设计流程。从企业数据管理的角度出发对系统的数据架构进行设计，实现了三维参数化设计过程中产生的设计数据的规范管理和重用，为企业知识库的构建提供基础。实现功能、数据、流程和界面的软件集成，并通过某种船用生活污水处理装置的本体对设计方法和系统进行了实例验证，设计方法可行且能有效提升设计的规范性和设计效率。