基于产品结构树和参数化设计的三维船舶CAD应用

产品结构树和参数化技术在三维船舶CAD系统中的应用李翔(LIXiang)，沈伟(SHENWei)，杨银官(YANGYinguan)(沪东中华造船(集团)有限公司信息技术研究所)摘要：本文介绍目前世界主流CAD软件的发展潮流：产品结构树、参数化设计、开放式接口。基于产品结构树和参数化设计技术所开发的船舶产品设计系统（SPD），紧密面向船舶设计和制造，覆盖船舶设计和生产的各专业、各阶段；采用参数化设计以产生不同规格的零件；通过建立产品之间的拓扑关系，实现修改后相关产品及数据的自动更新；通过干涉检查、连接点检查、工艺检查等功能，为用户在早期设计阶段发现问题提供强有力的支持；通过开放接口XML、DXF、IGES等国际通用格式，支持用户自定义的计算、报表生成和模型浏览，并与PDM系统平滑衔接。实践证明，该系统具有良好的界面友好性、数据可重用性、开放性和可扩展性，为用户提供了良好的设计模式、数据浏览和管理方式。关键词：船舶设计；三维CAD；参数化设计；产品结构树1．CAD软件的发展、现状和一些关键技术1.1发展、现状CAD技术起源于20世纪50年代的二维计算机绘图；60年代出现了简单的线框式三维CAD系统；70年代法国Dassault公司的曲面造型系统CATIA带来了第一次CAD技术革命；1979年美国SDRC公司推出了基于实体造型技术I-DEAS，引发了第二次CAD技术革命；80年代末美国PTC公司推出参数化软件Pro/E，带来了第三次CAD技术革命；90年代，SDRC公司在参数化技术的基础上提出变量化造型，可以视为第四次CAD技术革命。CAD技术基础理论的每一次重大进展，都极大地带动了CAD/CAM/CAE整体技术的提高。没有一种技术是常青树，CAD技术一直处于不断的发展与探索之中。目前CAD技术的发展趋势主要围绕在标准化、开放式、集成化、智能化等方面。1.2关键技术一：产品结构树产品分解是制造业的基础工作，是企业产品管理主要工作之一。产品分解广泛用于生产计划编制、物资采购计划编制、和产品设计及开发等。对于相关需求零件的产品，一般采用产品结构树来表示。产品结构树直观地反映了产品、零部件间层次关系，使用者可以分层展开，直观迅速地找到所需数据。产品结构树的层次关系是逻辑关系，使用者不必关心其物理位置，不仅不同的对象实例可能分散存储在本地、数据库或网络上，而且同一对象的多个属性也可能分散存储。产品结构树层次根据产品复杂程度和企业管理模式来决定，还可以根据不同的使用需求动态生成不同的层次结构。1.3关键技术二：参数化设计参数化设计是CAD领域里的另一大研究热点，它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。设计人员从重复的绘图工作中解脱出来，将精力投入到专业设计上，大大提高设计速度，并减少信息的存储量。参数化技术大致可分为如下三种方法：（1）基于几何约束的数学方法；（2）基于几何原理的人工智能方法；（3）基于特征模型的造型方法。三种方法的目的都是通过图形驱动（或尺寸驱动）方式在设计绘图状态下修改图形和零件数据。变量化造型是对参数化造型技术的改进和发展，但仍然属于基于约束的实体造型技术。另外，有些CAD系统采用混合数据模型。4.关键技术三：开放式接口CAD与ERP、PDM的集成是企业信息化的重点，同时CAD应用往往集成在异构平台上，在这个基础上更可以发展出虚拟制造的应用，因此只有开放的CAD系统才能更好的支持这样的工作环境。解决这个问题有两个途径：（1）标准化输入输出：应该选用国家/国际标准或工业标准，常见的有IGES、DXF和XML等数据交换格式。（2）提供二次开发环境：Windows平台下的主流CAD软件一般通过COM标准来支持用户的二次开发。2．SPD系统中使用的关键技术2.1SPD系统架构2.2SPD的产品结构树SPD的产品结构树中，树结点表示不同的部件或零件，也可以加入虚拟结点，比如，船舶生产中的托盘结点。这种树结构是根据不同场合的不同需求，动态生成出来的逻辑结构，并不是实际的物理存储结构。2.3SPD参数化设计技术SPD采用的是基于几何约束的方法。不仅支持人工输入尺寸约束，也支持程序读取相关零件的尺寸，自动更新零件数据和图形（即具有“联动”机制）。SPD还支持多种相关零件同时作用于一个零件的不同尺寸，比如，电缆托架的宽度和高度根据通道尺寸的变化而变化，而支脚则自动捕捉船体板架面。由于全约束的参数化设计对参数化部件设计者的限定过多，所以SPD在参数化设计方法中，融入更为先进的变量化造型技术。2.4SPD开放式接口SPD通过DXF、IGES、XML接口导入和导出图形信息和设计信息，使用户可以根据设计需求，自行开发本公司的设计图表，也为管理部门提供设计数据，对船舶企业深化造船生产设计提供强大的技术支持。原始设计数据几何信息提取通用格式生成属性信息提取通用格式生成重构产品结构树，整合几何信息和属性信息其他系统使用SPD设计系统用户SPD的XML总体结构如下：DATACAD_TOOLTOOL=SPD/PROJECT_NUMBERNUMBER=工程编号/MODULE_NAMENUMBER=托盘名称/SPECILIFYZHUANYE=专业/PARTPART_TYPETYPE=模型类别/PART_NUMBERNUMBER=模型名称/ATTRIBUTESATTRIBUTENAME=属性名称VALUE=属性值/…./ATTRIBUTESCHILDREN//支持递归PARTPART_TYPETYPE=模型类别/PART_NUMBERNUMBER=模型名称/ATTRIBUTESATTRIBUTENAME=属性名称VALUE=属性值/…/ATTRIBUTES/PART/CHILDREN/PART/DATA三．SPD应用实例（浙江恒顺设计公司应用SPD设计的散货轮）电气设备树结构参数化部件库四．结束语从2003年开始，SPD在沪东中华造船（集团）公司从局部应用到2005年的全面应用，先后用于挖泥船、拖轮、近海巡逻舰、训练舰以及高新工程产品等民品6种船型、军品和高新产品9种船型的设计。并顺利与PDM系统连接，实现了统一全公司数字化设计平台的目标。沪东中华应用SPD系统取得了显著的经济效益，通过建模大大减少了设计差错，管子设计差错率减少2/3。船体、舾装设计缩短周期1.5个月。涂装设计缩短周期50%以上。目前SPD已在一百多家船舶设计、制造单位和院校成功应用，取得可观的经济和社会效益，推进了数字化造船技术的应用，提升了企业生产能力和管理水平。中船集团公司已将SPD作为集团统一的设计平台予以推广。