參數(shù)化部件驅(qū)動規(guī)則的研究與應用

魏文俊，陳姜龍

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海200129）

0 引 言

船舶生產(chǎn)設(shè)計是現(xiàn)代化造船的重要環(huán)節(jié)，其宗旨是從施工的角度出發(fā)，以高效率和高質(zhì)量為原則對船舶的管系、風管、鐵舾件和電裝等進行設(shè)計和生產(chǎn)。在生產(chǎn)設(shè)計矩形風管時，受布置空間、風量、風速和各專業(yè)綜合平衡協(xié)調(diào)等因素的影響，經(jīng)常采用非標準尺寸的風管、彎頭和三通等風管部件。因此，在Tribon系統(tǒng)、FORAN系統(tǒng)、CATIA系統(tǒng)和SPD（Ship Product Design）系統(tǒng)等目前主流的船舶設(shè)計軟件中，通常采用參數(shù)化部件對矩形風管進行三維設(shè)計。參數(shù)化部件可通過修改風管（或風管部件）的參數(shù)改變其結(jié)構(gòu)尺寸。標準規(guī)格的矩形風管是參照設(shè)計手冊選取的；非標準規(guī)格的矩形風管是視實際的設(shè)計情況，由設(shè)計人員根據(jù)自身工作經(jīng)驗修改而來的。采用自主化修改方式往往會導致矩形風管及其附件的規(guī)格和尺寸不符合設(shè)計規(guī)范的要求，最終引起實船的通風效果不佳，從而違背生產(chǎn)設(shè)計以提高質(zhì)量為原則的宗旨。為此，基于參數(shù)化部件所具有的尺寸約束、尺寸驅(qū)動設(shè)計修改和全數(shù)據(jù)相關(guān)等特點，通過對其可編輯參數(shù)增設(shè)計算公式、考核標準和限制范圍等，對參數(shù)化部件增加驅(qū)動規(guī)則，使參數(shù)化部件的設(shè)計工作更加規(guī)范化、合理化，有效提升設(shè)計質(zhì)量。

綜上所述，本文通過對參數(shù)化部件驅(qū)動規(guī)則進行研究和應用，總結(jié)其常用的3種類型和優(yōu)缺點，分析其在生產(chǎn)設(shè)計中的積極作用，并提出有助于船舶設(shè)計工作開展、提高效率和設(shè)計質(zhì)量的設(shè)想和理念，指出驅(qū)動規(guī)則的合理開發(fā)、運用和持續(xù)完善在設(shè)計工作中的重要意義，真正實現(xiàn)船舶優(yōu)化設(shè)計、建造和管理的現(xiàn)代化。

1 船舶設(shè)計現(xiàn)狀分析

目前主流的船舶設(shè)計軟件創(chuàng)建的參數(shù)化部件是將具有代表性的平面幾何形狀定義為特征，并將其所有尺寸定義為可編輯參數(shù)，通過修改可編輯參數(shù)驅(qū)動對部件的形狀和尺寸的修改。然而，可編輯參數(shù)的修改不受限制，不同參數(shù)之間也不存在相互制約的關(guān)系，導致部件設(shè)置的正確性和合理性取決于設(shè)計人員的工作經(jīng)驗。此外，在對各專業(yè)進行綜合平衡布置時，不受限制的參數(shù)化部件往往受設(shè)計人員刻意避讓干涉、設(shè)計疏忽和經(jīng)驗不足等因素的影響，導致形式和尺寸不合理，引起實船的使用效果不佳。例如，某船的矩形風管三通采用排風效果不佳的T型三通，導致船上的干管基本上沒有風量（見圖1）。

圖1 某船采用的形式不合理的排風管

目前主流的船舶設(shè)計軟件的參數(shù)化部件已具備讀取參數(shù)和條件反算的功能，但不具備對自身進行干涉檢查、合理性檢查和驅(qū)動規(guī)則等功能，這使得因設(shè)計形式不合理而引起實船出現(xiàn)問題的情況仍時有出現(xiàn)。例如：矩形風管的寬度和高度過小，采用現(xiàn)有的薄板咬邊工藝無法制作單邊尺寸較小的成品風管，若采用厚壁焊接制作，則矩形風管內(nèi)部涂裝問題無法得到有效解決；矩形風管彎頭的彎曲半徑過小，無法按圖示外形制作成品風管，若在施工現(xiàn)場采用直角彎頭作為替代方案，會引發(fā)局部壓力損失增加的問題；矩形風管的寬度與高度之比不符合設(shè)計規(guī)范的要求，引起沿程壓力損失增加和噪聲增加等。引起的這些實際問題可概括為無法按圖示外形（或尺寸）制作成品、難以安裝和實船使用效果差。

2 驅(qū)動規(guī)則的定義和應用實例

2.1 驅(qū)動規(guī)則的定義

由各種設(shè)計因素引起的施工困難和實船使用效果差均可歸類為設(shè)計不合理或設(shè)計差錯。若船舶設(shè)計軟件具有完善的自動計算、匹配規(guī)則、干涉檢查和合理性檢查等功能，則可將其作為實際設(shè)計中的輔助手段，有效幫助設(shè)計人員檢查當前設(shè)計的合理性，避免受設(shè)計疏忽、經(jīng)驗缺乏和人為過失等因素的影響而引發(fā)一系列設(shè)計問題。在此，將驅(qū)動規(guī)則定義為參數(shù)化部件的屬性（見圖2）中相互關(guān)聯(lián)的計算公式、匹配規(guī)則和判斷依據(jù)，用于自動計算、匹配某種屬性，或判斷部件的形式、布置、參數(shù)設(shè)定和修改等是否滿足工藝和設(shè)計準則的要求，這是設(shè)計軟件為參數(shù)化部件設(shè)置的一種規(guī)則和命令。

圖2 風管附件的分類和參數(shù)

2.2 驅(qū)動規(guī)則的應用實例

2.2.1 強制規(guī)定類規(guī)則

首先，將參數(shù)化部件自身屬性中設(shè)置的無法任意修改的極限值定義為強制規(guī)定類規(guī)則，即該風管附件的某項參數(shù)無法在實際放樣中修改為極限值以外的其他數(shù)值，當設(shè)置的參數(shù)超出極限值范圍時，設(shè)計軟件將根據(jù)參數(shù)化部件設(shè)置的區(qū)間范圍，強制將其改為原設(shè)定的數(shù)值。如圖1所示的矩形風管三通，為避免因設(shè)計人員設(shè)定的彎曲半徑過小而引起施工現(xiàn)場無法按零件圖加工，進而采用直角彎頭的替代方案制作成品風管，或由設(shè)計人員直接將彎曲半徑定義為0等情況的出現(xiàn)，需對三通的彎曲半徑進行限制。由以往的設(shè)計和制造經(jīng)驗可知，矩形風管三通的彎曲半徑不得小于80 mm。由此，對矩形風管三通的彎曲半徑增加限制條件：當彎曲半徑小于等于80 mm時，自動將彎曲半徑的賦值改為80 mm。增設(shè)強制性規(guī)則之后，無論參數(shù)如何設(shè)置和修改，只要設(shè)定的參數(shù)不符合限制條件，設(shè)計軟件就會按規(guī)則對該參數(shù)進行強制修改（見圖3）。

圖3 三通的彎曲半徑賦值規(guī)則

2.2.2 自動匹配類規(guī)則

除了強制規(guī)定類規(guī)則，為減少設(shè)計人員手動修改的工作量、節(jié)省工作時間和防止工作疏忽等，對于一些需前后匹配、相互關(guān)聯(lián)的風管附件，還可設(shè)置自動匹配類規(guī)則，即新增的風管附件根據(jù)前一個布置的風管附件和設(shè)計準則中要求的匹配規(guī)則，自動選擇應設(shè)置的參數(shù)并完成賦值。例如：在矩形風管端部設(shè)置法蘭時，法蘭會自動讀取矩形風管的寬度和高度參數(shù)進行賦值，法蘭所用角鋼的規(guī)格需由設(shè)計人員手動修改。然而，在矩形風管法蘭中增加角鋼規(guī)格的選型和取值范圍之后，矩形風管法蘭可自動匹配對應規(guī)格的角鋼材質(zhì)（見圖4），從而有效減少設(shè)計人員的工作量。

圖4 矩形風管法蘭的自動匹配

在現(xiàn)有的船舶設(shè)計軟件中，空調(diào)矩形風管及其附件往往缺少絕緣示意，目前主要的解決方法是在矩形風管完成綜合布置和平衡之后，以絕緣材料的部件形式在矩形風管上增加一層絕緣示意，該絕緣層無法隨著矩形風管的修改作相應修改，有著工作量較大的缺點。針對該問題，各專業(yè)放樣人員往往需自主判斷空調(diào)矩形風管的絕緣厚度和干涉情況。自動匹配類驅(qū)動規(guī)則可有效減少絕緣層的工作量，在參數(shù)化部件中增加1個與風管附件重合的絕緣模型，將寬度、高度和厚度的初始值定義為0 mm，并增加參數(shù)“絕緣厚度”，只需在設(shè)計時選擇相應的絕緣厚度，絕緣層就會根據(jù)風管附件的外形尺寸進行自動計算和賦值，此時不管如何修改風管附件的參數(shù)，絕緣層都會自動計算并修改，能顯著減少工作量。圖5為絕緣厚度的選擇和自動修改。

圖5 絕緣厚度的選擇和自動修改

2.2.3 提示類規(guī)則

強制類規(guī)則可避免出現(xiàn)設(shè)計差錯，自動匹配類規(guī)則可節(jié)省設(shè)計人員的工作時間。然而，在實際設(shè)計過程中，設(shè)計人員仍會因特殊情況而適當違反設(shè)計準則，將此類驅(qū)動規(guī)則稱為提示類規(guī)則，即當設(shè)計人員設(shè)定的參數(shù)違反設(shè)計準則時，設(shè)計軟件自動進行提示，而不強制修改參數(shù)，用以解決極端情況下使用的特殊規(guī)格的參數(shù)化部件存在的問題。圖6為寬度和高度提醒，矩形風管設(shè)定的最大寬度與高度之比不得超過4，但在實際設(shè)計工作中，由于受到層高和吊頂高度的制約，不得不盡量減小矩形斷面的高度，為適當滿足這種特殊需求，仍會采用違反設(shè)計準則的矩形風管。此時，為既能避免經(jīng)常出現(xiàn)上述不合規(guī)的規(guī)格尺寸，又能適當滿足極端情況下的特殊需求，僅將參數(shù)化部件增加驅(qū)動規(guī)則作為一個提醒機制，而非強制規(guī)則。這樣做的目的是及時提醒設(shè)計人員核對參數(shù)化部件的合理性，避免因人員疏忽而引起實船使用效果較差，同時滿足特殊情況下的使用要求。

圖6 寬度和高度提醒

此外，提示類規(guī)則除了適于解決有特殊需求的參數(shù)化部件存在的問題之外，同樣適用于難以采用強制規(guī)定類規(guī)則和自動匹配類規(guī)則進行干涉檢查的參數(shù)化部件。例如：雖然可明確壁厚小于等于1 mm的矩形風管的材質(zhì)只有鍍鋅鋼板，并采用薄板咬邊工藝制作，壁厚大于1 mm的矩形風管存在鍍鋅鋼板、Q235A和不銹鋼等多種材質(zhì)，制作工藝根據(jù)選用的材質(zhì)分為薄板咬邊工藝和焊接工藝，但難以采用強制規(guī)定類規(guī)則和自動匹配類規(guī)則進行干涉檢查。因此，在明確壁厚小于等于1 mm的矩形風管一定采用鍍鋅鋼板和薄板咬邊工藝的前提下，只需將提示類規(guī)則設(shè)定為：判斷壁厚小于等于1 mm的材質(zhì)是否為鍍鋅鋼板，若匹配不符合設(shè)定的規(guī)則，則通過提示窗口提醒設(shè)計人員進行核對和修改（見圖7）。

圖7 壁厚和材質(zhì)提醒

2.3 驅(qū)動規(guī)則總結(jié)

由上述分析可知，功能需求不同，則所用的驅(qū)動規(guī)則各不相同，目前已在參數(shù)化部件中使用的驅(qū)動規(guī)則主要有3類（見表1）。對于需嚴格遵守設(shè)計準則的，采取強制性規(guī)則，使設(shè)計人員無法任意修改，從而起到規(guī)范化、合理化設(shè)計的作用，有效避免無法在施工現(xiàn)場加工的問題。自動匹配類規(guī)則以軟件的自主計算和賦值為主，旨在減少設(shè)計人員手動修改的工作量及可能出現(xiàn)的差錯，起到提高工作效率的目的。提示類規(guī)則主要起到警示作用，防止設(shè)計人員疏忽，從而提高設(shè)計質(zhì)量。不同的參數(shù)化部件可視情況使用其中1種或幾種驅(qū)動規(guī)則，以提高設(shè)計工作的效率和質(zhì)量。在以后對實船制造、安裝工藝或設(shè)計準則進行更新時，可通過修改驅(qū)動規(guī)則的設(shè)定值適應新工藝、新標準的造船環(huán)境。

表1 參數(shù)化部件中的規(guī)則命令

3 驅(qū)動規(guī)則使用趨勢分析

除了上述實例中提到的功能以外，尚有很多實用功能可通過驅(qū)動規(guī)則實現(xiàn)，以單個參數(shù)化部件為例，值得開發(fā)的功能如下。

1）風管變徑管的角度范圍確定：雙面偏的變徑管的夾角宜小于60°，單面偏的變徑管的夾角宜小于30°；氣流從蝸殼流出時向葉輪旋轉(zhuǎn)方向偏斜，其擴散角為6°～8°，自動測算參數(shù)化部件的夾角，并設(shè)置提醒功能，便于設(shè)計人員快速考核上述尺寸的規(guī)范性和合理性。

2）風管法蘭螺孔的自動計算：參照設(shè)計準則中的法蘭規(guī)格，自動計算螺孔數(shù)量、間距、所選用螺栓的規(guī)格和長度等，在輸出表冊中統(tǒng)計風管法蘭采用的螺栓的規(guī)格和總數(shù)，便于核算成本。

3）空調(diào)風管及其附件采用的絕緣材料估算：通過設(shè)計軟件計算出空調(diào)及其附件的整體表面積，即得到采用的絕緣材料總面積的理論值；配合施工現(xiàn)場的工作經(jīng)驗，可明確每種風管附件包覆絕緣材料所需的余量；根據(jù)采購的每卷絕緣材料的寬度和長度，可明確絕緣材料在實際使用過程中的損耗。綜合理論值、余量和損耗，即可得出絕緣材料的總量。

對于標準件、2個或多個相關(guān)聯(lián)的部件，甚至需跨專業(yè)協(xié)調(diào)的部件等，也能根據(jù)各部件之間的關(guān)聯(lián)和協(xié)同情況設(shè)計開發(fā)以下功能：

1）在各專業(yè)提交舾裝件在T型材上的開孔尺寸之后，由結(jié)構(gòu)專業(yè)的T型材讀取開孔尺寸，并根據(jù)開孔規(guī)則自動計算，直接提醒設(shè)計人員是否可行，節(jié)省結(jié)構(gòu)專業(yè)人員的核對工時；

2）對各水管及其附件增加管道阻力計算公式，用于判斷水泵揚程和性能曲線的選擇是否合理；

3）在各風管及其附件中增加噪聲計算公式，并在整路風管中增加噪聲衰減的經(jīng)驗公式及各管附件的長度和數(shù)量統(tǒng)計，用于估算整路風管的噪聲指標是否滿足設(shè)計要求。

綜上所述，以驅(qū)動規(guī)則的方式將設(shè)計經(jīng)驗和設(shè)計準則增加到設(shè)計軟件中，根據(jù)參數(shù)化部件的使用情況和特點等，合理運用文中所述3類驅(qū)動規(guī)則，對促進設(shè)計的規(guī)范化有著積極的作用，可提高設(shè)計質(zhì)量、減少差錯率。同時，在涉及相關(guān)專業(yè)的協(xié)同設(shè)計中也有重要作用，不僅能作為一種干涉檢查的手段，更能應用于施工物料的預估和理論計算的合理性反推中，是今后研發(fā)、優(yōu)化設(shè)計軟件的一個方向和趨勢。

4 結(jié) 語

目前三維設(shè)計軟件的參數(shù)化部件不完全具備自動匹配功能，基本上不具備強制規(guī)定和提醒機制，對參數(shù)化部件的自主化程度要求較高。隨著設(shè)計規(guī)范化、施工可行性、設(shè)計合理性和實船使用效果等方面的要求逐步提升，除了要求設(shè)計人員不斷提升自身的職業(yè)素養(yǎng)之外，還要求從完善設(shè)計軟件的層面防止各類設(shè)計差錯的出現(xiàn)。本文所述驅(qū)動規(guī)則不僅僅針對單個參數(shù)化部件，對標準件、2個或多個部件，甚至各專業(yè)之間的關(guān)聯(lián)和協(xié)同工作，都有提升設(shè)計的規(guī)范化、提高設(shè)計質(zhì)量、減少工作量和減少現(xiàn)場施工困難等作用。因此，完善設(shè)計軟件的驅(qū)動規(guī)則，以驅(qū)動規(guī)則的形式將設(shè)計經(jīng)驗、設(shè)計規(guī)范和理論計算等增加到設(shè)計軟件中，對提高設(shè)計質(zhì)量具有重要意義，是今后研發(fā)設(shè)計軟件的一個趨勢。