基于CATIA的艦船軸系自動化建模技術研究*

邢憲鋒 劉金林 曾凡明

(1.92001部隊 青島 266011)(2.海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033)

基于CATIA的艦船軸系自動化建模技術研究*

邢憲鋒1劉金林2曾凡明2

(1.92001部隊 青島 266011)(2.海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033)

針對傳統艦船軸系建模過程復雜、效率低下的問題,研究了基于CATIA的艦船軸系自動化建模技術。分析了CATIA環境下的自動化建模方法,結合艦船軸系軸段的結構特點,研究艦船軸系自動化建模方法;分析了艦船軸系模型的裝配關系,研究了CATIA環境下為軸系部件定義裝配特征和根據特征進行裝配的方法。通過論文的研究,能夠為艦船軸系自動化建模提供有效的指導,同時也能為提高艦船軸系設計效率奠定一定的基礎。

艦船軸系; 自動化建模; 自動化裝配

ClassNumberU664.1

1 引言

隨著虛擬樣機技術等計算機技術的發展,虛擬設計被廣泛地應用到艦船軸系設計中,利用虛擬設計技術除了能夠直觀地表達軸系部件的幾何信息以外,還可以進行虛擬的加工、裝配、分析等工作,增強了軸系設計過程中對設計過程的可視化表達能力,在提高交互展示能力的同時,也提高了設計效率和質量[1～2]。而推進系統軸系在艦船動力裝置中屬于幾何結構相對比較簡單的部件,又不像主機、離合器等部件那樣的系列化、標準化。同時在軸系設計過程中,根據布置和強度等方面的需要,軸段的尺寸會不斷發生變化[3～4]。傳統手工方式的繪圖必然導致反復修改而耗費大量人力和時間,即便是采用虛擬設計技術在CAD環境內建模,其修改過程也相對比較復雜,難以避免大量的重復勞動。同時由于CAD軟件功能繁多、操作復雜,使得使用者必須具有對該軟件的熟練操作能力。為了避免這些問題,可以借助于CAD軟件的自動化功能,自動生成軸段的三維實體和平面圖紙,甚至進一步實施自動裝配,從而保證軸系虛擬設計的順利實現,提高艦船軸系的設計質量和效率。

2 CATIA的自動化模型

目前大部分CAD軟件均具備參數化建模的能力,為了實現自動化的建模和裝配,必須利用CAD軟件的自動化功能,將零部件參數自動輸入到零部件的CAD圖形內。目前的各種大型CAD軟件都具備自動化功能,本文以CATIA軟件為例,研究基于CATIA的艦船軸系自動化建模的實現過程。CATIA的COM庫結構如圖1所示,對其庫函數的調用可分為進程內(In-process Application)調用和進程外(Out-process Application)調用兩種[5～7]。

圖1 CATIAV5COM接口庫結構

進程內調用是以宏的方式實現的,如在CATIA內以VBScript形式用于生成一個圓臺的宏代碼如下:

Sub CATMain()

Set documents1 = CATIA.Documents ‘獲得所有當前文檔的引用

Set partDocument1 = documents1.Item("Part1.CATPart")‘加入一個新的部件文檔并獲得其引用

Set part1 = partDocument1.Part ‘加入部件并獲得其引用

Set bodies1 = part1.Bodies

Set body1 = bodies1.Item("PartBody")

Set sketches1 = body1.Sketches ‘獲得輪廓引用,準備加入一個圓形輪廓

sketch1.CloseEdition

part1.Update

Set shapeFactory1 = part1.ShapeFactory

Set pad1 = shapeFactory1.AddNewPad(sketch1, 32.000000)‘生成圓臺

part1.Update

End Sub

在這種情況下,宏腳本與CATIA軟件在同一個進程內運行。這種方式由于不存在進程間數據交換的問題,運行速度相對較快。但是由于宏程序的更改必須在腳本編輯器內手工進行,因此不利于隨時更新相關參數。

進程外調用時,CATIA相當于一個進程外服務器,用戶可以在COM客戶程序內(如VB、各種VBA、VC++等支持COM的編程環境所生成的程序)使用CATIA對象、取得和設置其功能、調用其支持的方法。這種方式由于具備豐富的人機交互能力,使得執行CATIA接口函數時的傳遞參數可通過用戶輸入隨時變化,因此,本文所采用的也是這種方法。比如,以下代碼是在VB.NET內新建CATIA自動化對象,然后調用相應函數生成某個圓臺的代碼:

Dim catia As Object

catia = CreateObject("CATIA.Application")‘啟動CATIA并獲得句柄

catia.Visible = True

Dim oNewPartDoc As Document

oNewPartDoc = catia.Documents.Add("Part")

Dim part1 As Part part1 = oNewPartDoc.Part

Dim bodies1 As Bodies bodies1 = part1.Bodies

Dim body1 As Body body1 = bodies1.Item("PartBody")

Dim sketches1 As Sketches sketches1 = body1.Sketches

sketch1.CloseEdition()

part1.Update()

Dim shapeFactory1 As ShapeFactory

shapeFactory1 = part1.ShapeFactory

Dim pad1 As Pad

pad1 = shapeFactory1.AddNewPad(sketch1, 10.0#)

part1.Update()

可以看到,如果要針對較復雜的部件進行建模,則需要大量的代碼。為了盡可能避免錯誤和提高編程效率,本文研究采用的方法是先在CATIA畫出一個相同特征(尺寸可不同)的零件,并將畫圖過程錄制為宏,再將宏語句復制到VB程序內,進一步修改即可。

3 軸段自動成圖的實現

由于艦船軸系各傳動軸可以概括為幾種典型的基本結構類型,所以比較容易實現參數化建模。圖2～圖4給出了其中的幾種基本類型。按下述步驟進行,即可實現對這些軸段自動成圖。

圖2 中間軸的結構

圖3 推力軸的結構

圖4 艉軸的結構

1)確定特征

特征由一些基本元素組成。如法蘭與軸承的配合段、推力環、鍵槽、倒角等。然后根據不同的軸段類型分別定義要輸入的特征尺寸。同時為了自動化裝配的需要,定義各個裝配元素,如平面、軸線、法線等。

2)在CATIA內錄制宏

對每種軸段在CATIA內畫出某個具備各個特征的原型,并對整個過程錄制宏。

3)將宏語句復制到VB環境內進行修改

4)開發人機界面

針對每個軸段的特征,開發輸入參數界面,根據輸入的參數調用CATIA的COM接口自動生成軸段。

4 自動化裝配的實現

裝配特征是一組反映相關零件間裝配類型、配合關系、相互約束及裝配操作方式等的信息集。對于裝配特征的定義,根據不同的側面有多種分類。在此,為了簡化描述,將零部件的用于裝配的幾何信息,如平面、軸線等信息,稱之為裝配特征,而與其它零部件進行裝配后,某一對約束,如共軸、共面等,稱之為裝配關系[8～9]。

采用手動在CAD軟件內進行裝配時,要求先選中要進行裝配的兩個部件中的裝配特征,再確定這對特征的裝配關系。定義正確的裝配關系能夠保證總裝配體的正確特征(不存在欠約束和不兼容的過約束),從而保證正確地進行運動仿真和有限元分析等任務。而要實現自動化裝配,CAD軟件必須有自動化的定義裝配特征、獲取裝配特征、確定裝配關系等功能。目前諸多三維軟件如Pro/Engineer、CATIA等具備完備的幾何信息標識機制,這就為自動化裝配提供了必要的條件[10]。

4.1 為零部件定義裝配特征

推進軸系中的零部件之間的裝配關系有:共軸(各個連接法蘭的中心線及相連接法蘭面上螺孔的中心線)、法線方向成某個角度(各個底座平面)、面接觸(各個法蘭端面、推力環與推力軸承之間)。基于這些裝配關系,必須為各個部件定義裝配特征。例如:

· 螺旋槳:安裝面及其軸線(這里定義所有法線方向均指向船首);

· 中間軸和艉軸軸段:前后法蘭裝配面、法蘭軸線;

· 推力軸段:前后法蘭裝配面、推力環裝配面、法蘭軸線;

· 齒輪箱:前后法蘭裝配面及其軸線、底座安裝面及其法線(向下);

· 柴油機:輸出法蘭裝配面及其軸線、底座安裝面及其法線(向下)。

在CATIA內,通過定義Publications來對實體的裝配特征進行標識,并可以為這些特征定義特殊的名稱,以便調用。在本文的應用中,零部件的這些裝配信息被存儲在數據庫內,用于自動化裝配時調用。

4.2 根據特征進行裝配

實施自動化裝配,同樣通過CATIA的COM接口實現。例如對兩個軸的法蘭端面實現面接觸并共軸的裝配的主要代碼如下:

Dim constraints1 As Collection constraints1 = product1. Connections ("CATIAConstraints")

Dim reference1 As Reference reference1 = product1. CreateReferenceFromName("Product1/Part2.1/!Line.1")

Dim reference2 As Reference reference2 = product1. CreateReferenceFromName("Product1/Part1.1/!Line.1")

Dim constraint1 As Constraint ‘共軸

constraint1= constraints1.AddBiEltCst (catCstTypeOn, reference1, reference2)

constraints1 = product1.Connections ("CATIAConstraints")

Dim reference3 As Reference reference3= product1. CreateReferenceFromName("Product1/Part2.1/!Selection_Rsur (Face: (Brp: (Pad.1;1);None:());Pad.1)")

Dim reference4 As Reference reference4 = product1. CreateReferenceFromName("Product1/Part1.1/!Selection_RSur:(Face: (Brp:(Pad.1;1); None:());Pad.1)")

Dim constraint2 As Constraint ‘法蘭端面接觸

Set constraint2 = constraints1.AddBiEltCst (catCstTypeSurfContact, reference3, reference4)

product1.Update

5 結語

由于在軸系設計過程中軸段尺寸可能需要不斷地修改,導致傳統艦船軸系設計CAD建模工作量大且效率低下,本文研究了基于CATIA的艦船軸系自動化建模技術,主要包括:

1)分析CATIA COM接口庫的結構和CATIA的自動化模型,在此基礎上根據艦船軸系軸段的結構特點,研究艦船軸系自動化建模方法;

2)在分析艦船軸系模型裝配關系的基礎上,研究了CATIA環境下為軸系部件定義裝配特征和根據特征進行裝配的方法。

通過本文的研究,能夠為艦船軸系自動化建模提供有效的指導,從而為提高軸系設計效率及設計質量的提高奠定一定的基礎,同時也能為艦船動力裝置虛擬設計提供一定的參考。

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ResearchonAutomaticModelingTechnologyforMarineShaftSystemBasedonCATIA

XING Xianfeng1LIU Jinlin2ZENG Fanming2

(1. No. 92001 Troops of PLA, Qingdao 266011)

(2. College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Based on the analysis of the problems of complexity and inefficiency in the modeling of marine shaft system, aotomatic modeling for marine shaft system based on CATIA was studied. Firstly, automatic modeling method in CATIA was analyzed, and automatic modeling method for marine shaft system was studied combined with the structure feature of marine shaft; Secondly, method for defining assembly feature and assembling according to feature for marine shaft system in CATIA were studied based on the analysis of the assembling relationship of marine shaft model. Through the research in the paper, it could provide effective guideline for automatic modeling of marine shaft system, which could also help to improve the design of marine shaft system.

marine shaft system, automatic modeling, automatized assembling

2013年10月11日,

:2013年11月18日

邢憲鋒,男,工程師,研究方向:艦船機電管理。劉金林,男,博士,講師,研究方向:艦船動力裝置總體優化設計。曾凡明,男,博士,教授,研究方向:艦船動力裝置總體優化設計。

U664.1DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.028