基于IDEF0的設備裝艦緊固件設計開發

盧永進

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

基于IDEF0的設備裝艦緊固件設計開發

盧永進

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

［目的］為提高設備裝艦過程中的緊固件設計效率和質量，［方法］緊密結合艦船施工設計任務，系統描述設備裝艦用緊固件設計流程。運用IDEF0分析方法建立設備裝艦緊固件設計功能模型，并從輸入、輸出、控制和機制等方面梳理出設計過程中的信息傳遞和關聯關系，以準確反映緊固件設計過程中的數據流、信息傳遞和關聯關系。［結果］結合滿足于設計者和開發者的設計功能模型，并基于AutoCAD軟件VBA二次開發工具構建出了設計軟件技術框架。［結論］研究結果可為緊固件設計工程應用和軟件開發提供解決方案與理論支持。

設備裝艦；緊固件；功能模型；設計流程；IDEF0

Abstract：［Objectives］In order to improve the efficiency and quality of fastener design during equipment installation，in combination with the construction design of warships，［Methods］the design flow of fasteners for warship equipment installation is described.The design function model of fastener design for warship equipment installation was established using the IDEF0 analysis method，and the information transmission and association relation in the design process were analyzed in such aspects as input，output，control and mechanism，accurately reflecting the fastener design process of data flow，information transmission and correlation.［Results］Finally，based on a design function model acknowledged by both engineers and programmers，a design technology framework was constructed using the VBA language of AutoCAD software.［Conclusions］The results show that the design function model and technology framework can provide solutions and theoretical support for design engineering application and software development.

Key words：warship equipment installation；fastener；functional model；design development；IDEF0

0 引 言

在艦船施工設計階段需要編制數量巨大的設備安裝圖。設備安裝圖主要包含設備定位信息和緊固件設計2個部分的內容，其中緊固件設計又包括機腳示意圖繪制、明細表創建和技術要求生成三大內容。在緊固件設計過程中，需要對與包括設備專業和結構專業有關的基座信息進行多輪協調，同時，設計者還需頻繁查詢標準規范，進行手工繪圖并統計緊固件信息，故整個過程復雜繁瑣，易于出錯。目前，針對緊固件的研究工作主要是通過力學分析手段對特殊結構設計提供參考與指導作用，缺乏考慮安裝工況和工程化設計應用，尤其是在標準緊固件大批量裝艦設計方面研究還不夠深入。鑒于IDEF0作為基于功能分解的建模技術，被較廣泛地用于復雜系統的功能分析，張曉東等［1］利用IDEF0方法理清了艦載機出動回收作業流程中各組件系統間的信息交互和互操作關系，形成了面向工程研制的仿真模型。本文將采用IDEF0的圖形化方法系統描述緊固件設計過程，梳理出設計流程中的相互作用與制約關系，為基于AutoCAD的設備裝艦緊固件設計提供開發需求，從而有效保證緊固件的設計質量。

1 IDEF0概述

IDEF（Integrated computer aided manufacturing definition）基本概念是從上世紀70年代產生的結構化分析方法發展而來，該方法為美國空軍1981年公布的集成計算機輔助制造工程中的方法，用于復雜系統的建模分析和設計［2-6］。發展至今，IDEF已日臻完善，包含從IDEF0到IDEF14共計16套方法，每套方法均通過建模程序獲取某個特定類型的信息。其中，IDEF0結合結構化分析和設計技術，運用規定的圖形符號和自然語言，嚴格按照自頂向下、逐層分解的結構化方法描述和建立系統功能模型，以確保系統順利實施。

如圖1所示，IDEF0模型采用盒子和箭頭2種基本組件構成［7-9］。圖中，盒子表示設計過程中的一系列活動，箭頭則表示輸入、輸出、控制與機制。其中：輸入為完成某項活動所需的條件；輸出表示執行活動產生的結果；控制是進行活動與變化的約束；機制是完成活動的工具或方法，通常為執行人或設備等。

IDEF0采用圖形化及結構化的形式來表達系統功能及相互關系，在各個行業的系統功能建模中得到了廣泛應用［10］。該方法在降低開發費用、減少系統錯誤、促進開發需求信息一致性等方面均具有較好的效益。

圖1 IDEF0功能模型圖Fig.1 IDEF0 functional model

2 緊固件設計過程描述

設備裝艦設計中，緊固件設計在于確保設備能夠可靠而持續地運行，使其功能和性能在各種工況下均滿足系統使用要求。繪制的機腳安裝示意圖和明細表，能夠準確反映緊固件組成、相應規格與屬性等信息。此外，對于帶電運行、振動噪聲顯著的設備，還需要考慮相應的接地處理和減振降噪等措施。

緊固件設計之前，設計者需獲取設備對應的布置圖和小樣圖，掌握設備接口與屬性信息。同時，明確設備的安裝要素、減振及接地要求。設計流程如下：

1）了解設備布置位置，合理規劃視圖組成。

2）向結構專業發送技術聯系單，獲取設備安裝基座對應面板的厚度。

3）根據螺栓直徑選取規則，結合機腳孔徑查閱標準確定緊固件公稱直徑，選取的公稱直徑應比機腳孔徑小1.5～2 mm。

4）綜合考慮設備安裝情況，確定機腳安裝形式和緊固件組成，計算安裝螺栓理論長度（螺栓長度應滿足設備裝艦后伸出螺母2～3個螺紋牙），根據標準規范選取螺栓規格。

5）繪制機腳安裝示意圖，反映出緊固件組成內容。

6）結合標準規范，統計安裝設備和所用緊固件信息，形成明細表，確保部件序號與示意圖一一對應。同時，計算出安裝圖總重量。

7）編輯技術要求內容，涵蓋基座圖號、安裝工藝等。

由此可見，緊固件設計形成了機腳示意圖、明細表、技術要求和圖紙總重量信息。從設計過程來看，涉及專業協調、標準查詢、規則推算等內容，較為繁雜。有必要利用IDEF0方法對緊固件設計相關數據流程和功能需求進行有效分析，從而開發面向工程研制的緊固件設計軟件。

3 緊固件設計開發功能模型

在建模之初，確定模型的立足點尤為重要。設備裝艦用緊固件模塊旨在通過設計參數輸入和鼠標操作自動生成設備機腳示意圖、明細表等，并滿足設計出圖和質量檢驗的要求。圖2是設備裝艦用緊固件設計的A0圖，通過總體把握緊固件設計的主要功能，重點定義軟件與外部的聯系。圖3所示為根據緊固件設計軟件的功能要求，逐層向下細分為參數設置與規格選取、機腳示意圖自動繪制、明細表創建、技術要求編寫4個模塊。設計者結合施工設計要求、設備小樣圖等信息，按照標準規范、設計規則和畫法規定，清理出設計輸入信息和緊固件明細，并以緊固件明細、視圖比例和機腳示意類型作為輸入信息，結合基本圖元和畫法規定，實現機腳示意圖自動繪制，然后根據設備接口信息輸入緊固件數量和材料名稱，依據標準數據庫和畫法規定，對應機腳示意圖中的序號，生成明細表。此外，再結合基座圖號信息，按照工藝要求模板生成技術要求。該模型不僅明確描述了緊固件軟件系統功能，而且還指出了所包含各模塊之間的關系及其控制約束和機制。

圖2 設備裝艦用緊固件設計IDEF0圖Fig.2 IDEF0 model of fastener design for warship equipment installation

圖3 設備裝艦用緊固件詳細設計功能模型Fig.3 Functional model of detailed fastener design for warship equipment installation

3.1 參數設置與規格選取

根據IDEF0的分析方法和規則，將參數設置與規格選取模塊進行分解，包含操作界面參數設置、公稱直徑確定與數據提取，以及螺栓規格選取與校核3個子模塊，如圖4所示。操作界面參數設置按照標準規范，輸出緊固件設計所需的設備信息和參數，為后續數據計算、緊固件選取、示意圖繪制等提供輸入。公稱直徑確定與數據提取按照設計規則，通過機腳孔徑推算出緊固件的公稱直徑，并根據對應標準規范，提取螺母、墊圈等緊固件的厚度和重量信息。結合上述數據信息和結構專業提供的基座面板厚度，螺栓規格選取與校核在計算出理論安裝長度后，根據緊固件公稱直徑，選取合適的螺栓規格并提取明細。此外，針對半螺紋螺栓，還需核算其非螺紋部分長度是否小于機腳與基座面板厚度之和。

針對公稱直徑確定與數據提取，可拆分為緊固件公稱直徑確定和緊固件數據提取2個部分，如圖5所示。緊固件公稱直徑確定由機腳孔徑根據螺栓直徑計算規則計算出理論值，從標準規范中選擇小于或等于理論值的緊固件公稱直徑。緊固件數據提取則以標準號、機腳示意類型為輸入，根據公稱直徑，從標準數據庫中獲取螺母、墊圈等重量并計算螺栓長度用的幾何數據（含螺母、墊圈厚度等）。

圖4 參數設置與規格選取功能模型Fig.4 Functional model of parameter settings and specification selection

圖5 公稱直徑確定與數據提取功能模型Fig.5 Functional model of nominal diameter selection and data extraction

3.2 機腳示意圖自動繪制

機腳示意圖子模塊可分為二維基本圖元提取、機腳示意圖繪制和示意圖緊固件序號標注3個子模塊，如圖6所示。設計者選取合適的機腳示意類型，軟件自動從基本圖元庫中選擇對應的基本圖元，結合緊固件幾何信息形成參數化塊，然后根據視圖比例和參數驅動原理生成機腳示意圖。最后，對圖中設備及緊固件進行批量標注，并滿足標注序號對齊要求。

3.3 明細表創建

明細表務必對應示意圖中編號，列出示意圖中設備及緊固件的名稱、規格、數量、材料及重量等信息。明細表創建子模塊包括明細表圖框繪制和內容編輯，如圖7所示。根據安裝圖畫法規定，結合設備及緊固件項數，從圖元庫中調用生成明細表圖框。圖框應有序號、圖號或標準號、名稱、數量、材料、單件重量、總計重量和附注等欄目，且確保行數正確。明細表內容編輯需輸入緊固件數量、材料名稱，對應機腳示意圖中序號，讀取標準數據庫中的緊固件屬性信息，填寫到對應欄目即完成明細表自動創建。

3.4 技術要求編寫

通常而言，安裝圖技術要求基本相同，僅對應基座圖號不同。因此，在技術要求編寫模塊中，僅需輸入基座圖號，按模板即可生成圖紙技術要求。

4 緊固件設計VBA開發

緊固件設計開發采用AutoCAD平臺內面向對象體系結構的二次開發編程語言VBA作為工具。基于VBA開發的設備裝艦用緊固件設計包括3個部分：確定AutoCAD對象類型、建立可視化窗體界面、建立應用程序模塊。其中應用程序模塊包含基本模塊和特征類模塊。

在VBA開發工具中，對象表示AutoCAD程序中的元素。通過確定對象類型以便于識別，從而實現對程序的有效操作和控制。同時，VBA還具備較強的可視化界面創建功能，通過編程環境可直接建立緊固件設計軟件的對話框和操作界面。圖8為設備信息錄入典型操作界面，包含設備類型、設備重量、運行狀態、機腳厚度、是否帶電、機腳孔徑和安裝狀態等選項，以供設計者進行選取和參數輸入，為后續軟件自動推算和生成圖形提供有效輸入。

緊固件設計涉及緊固件標準規范、設計規則、制圖規定、圖元庫和示意圖等大量的知識信息，在開發過程中，可采用Access數據庫技術對標準數據進行存儲。所有緊固件圖元和示意圖均以AutoCAD形式存儲。利用VBA語言對設計規則、基座板厚選取表和緊固件繪制進行編譯以形成類模塊，便于后續程序調用和讀取。圖9所示為整個緊固件設計技術框架，由設計技術、視圖繪制和技術要求表達3個部分組成。設計技術在讀取設計輸入參數后，進行規則計算和數據推送，結合標準規范確定緊固件規格，并獲取相應的重量和幾何參數。機腳示意圖繪制根據選取規格，從圖元庫中選取圖元，按照制圖規定和幾何參數進行自動繪制，同時對應示意圖生成明細表。技術要求在輸入基座圖號后，按照模板形成技術要求。

圖6 機腳示意圖自動繪制功能模型Fig.6 Functional model of automatic drawing for machine foot schematic

圖7 明細表創建功能模型Fig.7 Functional model of parts list generation

圖8 設備信息錄入操作界面Fig.8 Equipment information input interface

5 結 論

本文采用IDEF0分析方法對設備裝艦緊固件設計開發進行了研究，得出如下主要結論：

1）結合施工設計工程實踐，以緊固件設計為分析對象，對緊固件設計流程進行描述有助于設計者快速高效地完成設計任務，避免重復工作。

圖9 設備裝艦用緊固件設計技術框架Fig.9 Fastener development framework for warship equipment installation

2）利用IDEF0方法建立設備裝艦用緊固件設計功能模型，能準確反映緊固件設計過程中的數據流、信息傳遞和關聯關系，為開發人員提供設計開發需求，可有效控制開發質量。

3）運用VBA語言作為開發工具，從確定對象類型、界面創建和模塊構建3個方面對設計開發開展分析，可構建設備裝艦用緊固件設計操作界面和技術框架。

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Fastener design development technology for warship equipment installation based on IDEF0

LU Yongjin
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

U662.9

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.05.006

2016-11-01< class="emphasis_bold">網絡出版時間：

時間：2017-9-26 11:15

國家部委基金資助項目

盧永進（通信作者），男，1982年生，博士，工程師。研究方向：船舶設計信息化。E-mail：soda1998@126.com

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170926.1115.034.html期刊網址：www.ship-research.com

盧永進.基于IDEF0的設備裝艦緊固件設計開發［J］.中國艦船研究，2017，12（5）：46-51.

LU Y J.Fastener design development technology for warship equipment installation based on IDEF0［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（5）：46-51.