基于CATIA系统的虚拟装配仿真研究-姚竞争

SHIPENGINEERING船舶工程Vol.33No.12011总第33卷，2011年第1期—49—基于CATIA系统的虚拟装配仿真研究姚竞争，韩端锋，李健（哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001）摘要：以某种载人潜水器为例，在CATIA环境下进行虚拟仿真研究.应用CATIA软件对设计方案进行三维仿真建模，在虚拟的空间内对潜水器各系统进行装配，不仅检验了方案设计的正确性，而且也使设备与装置的布置更加合理，同时也有利于确定潜器内管、线穿舱体的合理位置.关键词：载人潜水器；CATIA软件；虚拟装配中图分类号：U661.338文献标志码：A文章编号：1000-6982(2011)01-0049-04SimulationStudyontheVirtualAssemblyBasedonCATIAYAOJing-zheng,HANDuan-feng,LIJian(CollegeofShipbuildingEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)Abstract:Takenamannedsubmersibleasanexample,itintroducedavirtualassemblymethodbasedontheCATIA.UsingtheCATIAtomodelthethree-dimensionalsimulationaccordingtothedesignplan,toassembleallsystemsofthesubmersibleinthevirtualspace,itnotonlyverifythecorrectnessofthedesign,butalsomakeamorerationalabouttheassemblingofequipmentanddevices,butalsoconducivetodeterminethelocationofthesubmersibleinnertubeandwirepenetrating.Keywords:mannedsubmersible;CATIAsoftware;virtualassemblyCATIA是IBM公司和达索公司合作后推出的三维CAD/CAE/CAM集成软件包，已成为国际航空工业首选的设计软件.近几年又大规模向汽车、船舶等领域渗透.CATIA为造船工业提供了优秀的解决方案，包括专门的船体产品和船用设备、机械解决方案.船体设计解决方案已被应用于众多船舶制造企业，涉及所有类型船舶的零件设计、制造和装配.据统计，产品的装配费用占整个生产成本30%~50%乃至更高，因此对产品装配工艺进行以缩短产品的设计开发周期、提高质量和效率、降低成本为目标的改进和再规划，是增强制造业竞争力的重要环节.虚拟装配是在虚拟环境中，利用虚拟现实技术将设计的产品三维模型进行预装配.对于缩短产品的设计开发周期、提高产品质量和效率、降低制造成本有重要的工程实际意义.本文以潜水器为例，在CATIA环境下对其内部狭小空间内设备系统的虚拟装配、干涉检验等全过程进行分析.1虚拟装配技术国内外研究动态近年来，由于虚拟现实在工程、航空航天、军事、建筑等领域的广泛应用，世界各国尤其是发达国家都对虚拟装配技术给予了高度的重视，投入了大量的人力物力进行研究.德国Fraunhofer工业工程研究所较早进行了虚拟装配规划系统的研究和开发，他们开发的第一个虚拟装配规划原型系统可以实现在虚拟环境中执行装配操作，交互地装配和拆卸零件，并在用户交互的基础上生成装配图，进行装配工时和装配成本的分析[1-2].在国内，由于虚拟制造技术研究和应用起步相对较晚，我国从20世纪90年代中后期开始进行虚拟装配方面的探索和研究工作，只有为数不多的机构如清华大学、浙江大学、武汉理工大学和西北工业大学等院校作了有益的研究.因此，虚拟装配技术目前还处于研究阶段，离实际应用尚有一定距离，大多数研究也仅是居于纯理论或基于Pro/E,UG软件收稿日期：2010-07-27；修回日期：2010-09-10基金项目：船舶工业国防科技应用基础研究基金（08G1.1.2）作者简介：姚竞争（1977-），男，讲师，博士研究生，主要从事数字化造船，虚拟设计与制造，船舶CAD/CAM等研究.数字化造船—50—平台基础上的研究和探索.对于虚拟装配的方法，目前，主流的CAD工具软件如UG,Pro/E,SolidWorks等系统，只做到对装配体几何结构设计和简单几何特征之间的干涉关系检验等功能的支持.在CAPP系统中，目前也多是针对单个零件制造工艺的设计，对包括产品装配序列规划在内产品装配工艺设计和分析几乎没有[3].而CATIA软件，除了强大的三维实体造型功能外，还可对虚拟装配的装配模型进行干涉检验，并对相应的检验报告分析，发现装配模型中存在的干涉点.2基于CATIA环境的虚拟装配CATIA的产品装配一般在部件装配（AssemblyDesign）模块中进行.AssemblyDesign是CATIA最基本的、也是最具有特色的功能模块.包括创建装配体、添加指定的部件或零件到装配体、创建部件之间的装配关系、移动和布置装配成员、生成产品的爆炸图、装配干涉和间隙分析等主要功能.若在装配时有修改零件实体的情况，这些变动会经由动态链接存储到零件各自的文件中[4].这种动态链接是可逆的，当打开某一个零件的文件做出修改操作时，产品也会实时产生相应的变化，故可以一边进行装配一边进行修改.潜水器的装配过程演示在电子样机装配仿真（DMUFittingSimulator）模块中完成.该模块的功能可以设计潜水器零部件或设备的安装轨迹、编排安装顺序、检查安装是否发生干涉、并最终录制虚拟装配演示动画.它与AssemblyDesign模块的区别主要在于：AssemblyDesign模块中可添加约束，而在DMUFittingSimulator中不可以加约束.3实例说明本文以某种载人潜水器为例，在CATIA环境下对其进行布置仿真和装配仿真研究.主要是由于载人潜水器系统众多，各系统紧密相邻，系统之间的电磁干扰、空间干涉的问题十分突出，在布置及装配上具有一定的复杂性.应用CATIA软件对设计方案进行三维仿真建模，在虚拟的空间内对潜水器各系统进行装配，不仅检验了方案设计的正确性，而且也使设备与装置的布置更加合理，同时也有利于确定潜器内管、线穿舱体的合理位置.在工程实际方面，可以降低费用，提高建造效率，具有一定研究价值.3.1潜水器结构及设备系统建模3.1.1潜水器的基本结构和设备建模本实例根据潜水器的型线图、总布置图和基本结构图应用CATIA软件对各部分结构和设备零件进行建模，并按照其相对位置对各部分进行关联约束，并检测干涉情况，得到潜水器的基本结构图如图1所示，为观察耐压壳和电池筒内部设备，非耐压壳、耐压壳及电池筒的部分壳体设置为透明显示.图1潜水器基本结构建模3.1.2管路系统布置及建模[5-6]在基本结构和设备合理布置的基础上，就可进行潜水器的管路的三维布置和部件定位.管系的设计和布置是潜水器设计中重要一环，为此，CATIA提供了AECPiping&InstrumentationDiagrams(PID)和AECPiping(APD)模块，前者应用于管路原理图设计，后者应用于管路空间综合布置.主要应用Equipment&System模块的PipingDesign和TubingDesign功能进行管路和各种关系部件的建模，具体步骤为：1）首先要设置好管系标准库，定义好在本船将要使用到的各种标准件的尺寸和标准，比如：管子的通径、材料和各种接头的尺寸、弯头的角度、电磁阀型式及尺寸等.2）CATIA提供了可视化布管工具，在已装配好的三维的艇体背景中，首先选择要操作的管路系统、型号、管子的通径，再指定管子的起始位置，确定管线基准点的绝对坐标，通过相对坐标或绝对坐标来指定管子延伸的方向，确定管子在XYZ方向的位移和角度增量，用RouteaRun命令生成相应系统、型号、位置的Run.3）纯管线布好以后，根据管线原理图确定弯头、三通、阀件、传感仪器等的型号和位置，在相应位置布置部件，将管路分解为可以加工的管段.4）在部件间的管线上用PlacePipingPart命令生成管线实体.另外，可以结合宏指令的特性，用VBScript语言调用CATIA软件提供的Report工具，来抽取管系的BOM信息，并进一步进行客户化统计汇总，得到姚竞争等，基于CATIA系统的虚拟装配仿真研究—51—管路和各种管件的类型、通径、长度、数量、重量、重心位置、材料等信息，便于加工和建造.图2显示了潜水器管路设计结果（为了方便浏览，部分艇体被隐藏）.图2潜水器内部管路图3.2潜水器的虚拟装配序列该潜水器零件数量和种类繁多，共785个零件，55个组件，采用零件或组件逐一进行装配，工作量非常之大，为了减少工作量，并保证装配准确、有效、直观的进行，必须将该模型划分成多个子装配体.由零件和组件先装配成子装配体，再由子装配体和连接件装配成整个模型.其次就是规划虚拟装配序列.在虚拟装配仿真中装配顺序规划（AsP）是一个很重要的内容.为在虚拟环境中进行装配仿真，需先对装配的各零件的装配方法及装配工序进行分析[7,8].按照可拆卸可装配理论原则，认为拆卸是装配的逆过程，通过将约束好的模型进行可行性拆卸，编排装配流程序列.3.3虚拟装配过程仿真CATIA的DMUFittingSimulator（电子样机装配仿真）模块允许用户定义或仿真产品装配拆卸过程，是这种拆装模拟与工程实际完全一致，使设计人员在产品设计阶段就可验证产品的可生产性、维修性.基于CATIA进行的虚拟装配的路径规划方法的具体实现步骤为：1）建立一个新的树结构，将待装配的零部件按照既定的装配顺序插入到装配树中的相应位置.该树结构需要建立在CATIA的DMUFittingSimulator模块下，以便激活相关的仿真命令.2）建立装配树即相应的Shuttle文件.在本文的潜水器结构中，按照装配序列规划的结果将潜水器结构划分为若干层次，每个子装配体实际上就是一个Shuttle，而同时装配的多个子装配体或多个零部件也可以建立一个Shuttle.Shuttle文件的建立为下一步骤的仿真装配做好准备.3）规划仿真路径、创建相关仿真信息.通过判断是否有可行的拆卸路径来判断是否可行的装配路径，通过寻找可行的拆卸路径来进行“反演”，按照潜水器的装配层次关系和装配序列规划结果，给出可行的装配引导路径，全部路径如图3所示.图3潜水器装配路径展示4）激活干涉检查命令，以保证零部件按照路径进行装配时不发生干涉.详见3.4节.5）规划路径的仿真、录制相应的拆卸过程.将整个拆卸过程录制成一个Replay的动态拆卸记录，从而验证装配路径的可行性.首先设置动画相关属性控制整个动画的速度和持续时间，然后添加相应事件并指定装配顺序和各自的持续时间，以指定的路径录制动画.可根据录制的仿真动画确定和发现装配过程中可能存在的问题.3.4虚拟装配干涉分析在进行路径规划过程中，干涉检查是一项必不可少的任务，是与虚拟装配和路径规划密切相关的核心内容之一.因为，干涉检查是虚拟设计中所设计的产品是否可装配、所规划的路径是否安全可达、产品的设计是否正确合理的判断依据之一，也是虚拟装配中比较重要的一个研究内容.干涉检查一般包括静态干涉检查和动态干涉检查.静态干涉检查是指在虚拟装配环境下，检查装配体的各零部件之间的相对位置关系是否存在干涉，装配公差设计是否合理；动态干涉检查是装配的零部件在装配运动过程中（包括拆卸过程），其运动包络体是否存在零部件之间的运动干涉.动态干涉检查包括运动干涉检查和运动机构仿真，保证产品的运动机构件工作时不与周围零部件发生碰撞干涉，即产品的运动构件能够可靠地工作[9].CATIA提供了虚拟装配路径规划中所采用的两类干涉检查方法：1）利用CATIA现有干涉检查功能模块来进行干涉检查；2）经过CAA进行二次开发来实现干涉检查.本文利用第一种方