邢宪锋 刘金林 曾凡明

(1.92001部队 青岛 266011)(2.海军工程大学动力工程学院 武汉 430033)

基于CATIA的舰船轴系自动化建模技术研究*

邢宪锋1刘金林2曾凡明2

(1.92001部队 青岛 266011)(2.海军工程大学动力工程学院 武汉 430033)

针对传统舰船轴系建模过程复杂、效率低下的问题,研究了基于CATIA的舰船轴系自动化建模技术。分析了CATIA环境下的自动化建模方法,结合舰船轴系轴段的结构特点,研究舰船轴系自动化建模方法;分析了舰船轴系模型的装配关系,研究了CATIA环境下为轴系部件定义装配特征和根据特征进行装配的方法。通过论文的研究,能够为舰船轴系自动化建模提供有效的指导,同时也能为提高舰船轴系设计效率奠定一定的基础。

舰船轴系; 自动化建模; 自动化装配

ClassNumberU664.1

1 引言

随着虚拟样机技术等计算机技术的发展,虚拟设计被广泛地应用到舰船轴系设计中,利用虚拟设计技术除了能够直观地表达轴系部件的几何信息以外,还可以进行虚拟的加工、装配、分析等工作,增强了轴系设计过程中对设计过程的可视化表达能力,在提高交互展示能力的同时,也提高了设计效率和质量[1～2]。而推进系统轴系在舰船动力装置中属于几何结构相对比较简单的部件,又不像主机、离合器等部件那样的系列化、标准化。同时在轴系设计过程中,根据布置和强度等方面的需要,轴段的尺寸会不断发生变化[3～4]。传统手工方式的绘图必然导致反复修改而耗费大量人力和时间,即便是采用虚拟设计技术在CAD环境内建模,其修改过程也相对比较复杂,难以避免大量的重复劳动。同时由于CAD软件功能繁多、操作复杂,使得使用者必须具有对该软件的熟练操作能力。为了避免这些问题,可以借助于CAD软件的自动化功能,自动生成轴段的三维实体和平面图纸,甚至进一步实施自动装配,从而保证轴系虚拟设计的顺利实现,提高舰船轴系的设计质量和效率。

2 CATIA的自动化模型

目前大部分CAD软件均具备参数化建模的能力,为了实现自动化的建模和装配,必须利用CAD软件的自动化功能,将零部件参数自动输入到零部件的CAD图形内。目前的各种大型CAD软件都具备自动化功能,本文以CATIA软件为例,研究基于CATIA的舰船轴系自动化建模的实现过程。CATIA的COM库结构如图1所示,对其库函数的调用可分为进程内(In-process Application)调用和进程外(Out-process Application)调用两种[5～7]。

图1 CATIAV5COM接口库结构

进程内调用是以宏的方式实现的,如在CATIA内以VBScript形式用于生成一个圆台的宏代码如下:

Sub CATMain()

Set documents1 = CATIA.Documents ‘获得所有当前文档的引用

Set partDocument1 = documents1.Item("Part1.CATPart")‘加入一个新的部件文档并获得其引用

Set part1 = partDocument1.Part ‘加入部件并获得其引用

Set bodies1 = part1.Bodies

Set body1 = bodies1.Item("PartBody")

Set sketches1 = body1.Sketches ‘获得轮廓引用,准备加入一个圆形轮廓

sketch1.CloseEdition

part1.Update

Set shapeFactory1 = part1.ShapeFactory

Set pad1 = shapeFactory1.AddNewPad(sketch1, 32.000000)‘生成圆台

part1.Update

End Sub

在这种情况下,宏脚本与CATIA软件在同一个进程内运行。这种方式由于不存在进程间数据交换的问题,运行速度相对较快。但是由于宏程序的更改必须在脚本编辑器内手工进行,因此不利于随时更新相关参数。

进程外调用时,CATIA相当于一个进程外服务器,用户可以在COM客户程序内(如VB、各种VBA、VC++等支持COM的编程环境所生成的程序)使用CATIA对象、取得和设置其功能、调用其支持的方法。这种方式由于具备丰富的人机交互能力,使得执行CATIA接口函数时的传递参数可通过用户输入随时变化,因此,本文所采用的也是这种方法。比如,以下代码是在VB.NET内新建CATIA自动化对象,然后调用相应函数生成某个圆台的代码:

Dim catia As Object

catia = CreateObject("CATIA.Application")‘启动CATIA并获得句柄

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,如果要针对较复杂的部件进行建模,则需要大量的代码。为了尽可能避免错误和提高编程效率,本文研究采用的方法是先在CATIA画出一个相同特征(尺寸可不同)的零件,并将画图过程录制为宏,再将宏语句复制到VB程序内,进一步修改即可。

3 轴段自动成图的实现

由于舰船轴系各传动轴可以概括为几种典型的基本结构类型,所以比较容易实现参数化建模。图2～图4给出了其中的几种基本类型。按下述步骤进行,即可实现对这些轴段自动成图。

图2 中间轴的结构

图3 推力轴的结构

图4 艉轴的结构

1)确定特征

特征由一些基本元素组成。如法兰与轴承的配合段、推力环、键槽、倒角等。然后根据不同的轴段类型分别定义要输入的特征尺寸。同时为了自动化装配的需要,定义各个装配元素,如平面、轴线、法线等。

2)在CATIA内录制宏

对每种轴段在CATIA内画出某个具备各个特征的原型,并对整个过程录制宏。

3)将宏语句复制到VB环境内进行修改

4)开发人机界面

针对每个轴段的特征,开发输入参数界面,根据输入的参数调用CATIA的COM接口自动生成轴段。

4 自动化装配的实现

装配特征是一组反映相关零件间装配类型、配合关系、相互约束及装配操作方式等的信息集。对于装配特征的定义,根据不同的侧面有多种分类。在此,为了简化描述,将零部件的用于装配的几何信息,如平面、轴线等信息,称之为装配特征,而与其它零部件进行装配后,某一对约束,如共轴、共面等,称之为装配关系[8～9]。

采用手动在CAD软件内进行装配时,要求先选中要进行装配的两个部件中的装配特征,再确定这对特征的装配关系。定义正确的装配关系能够保证总装配体的正确特征(不存在欠约束和不兼容的过约束),从而保证正确地进行运动仿真和有限元分析等任务。而要实现自动化装配,CAD软件必须有自动化的定义装配特征、获取装配特征、确定装配关系等功能。目前诸多三维软件如Pro/Engineer、CATIA等具备完备的几何信息标识机制,这就为自动化装配提供了必要的条件[10]。

4.1 为零部件定义装配特征

推进轴系中的零部件之间的装配关系有:共轴(各个连接法兰的中心线及相连接法兰面上螺孔的中心线)、法线方向成某个角度(各个底座平面)、面接触(各个法兰端面、推力环与推力轴承之间)。基于这些装配关系,必须为各个部件定义装配特征。例如:

· 螺旋桨:安装面及其轴线(这里定义所有法线方向均指向船首);

· 中间轴和艉轴轴段:前后法兰装配面、法兰轴线;

· 推力轴段:前后法兰装配面、推力环装配面、法兰轴线;

· 齿轮箱:前后法兰装配面及其轴线、底座安装面及其法线(向下);

· 柴油机:输出法兰装配面及其轴线、底座安装面及其法线(向下)。

在CATIA内,通过定义Publications来对实体的装配特征进行标识,并可以为这些特征定义特殊的名称,以便调用。在本文的应用中,零部件的这些装配信息被存储在数据库内,用于自动化装配时调用。

4.2 根据特征进行装配

实施自动化装配,同样通过CATIA的COM接口实现。例如对两个轴的法兰端面实现面接触并共轴的装配的主要代码如下:

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 ‘共轴

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 ‘法兰端面接触

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

product1.Update

5 结语

由于在轴系设计过程中轴段尺寸可能需要不断地修改,导致传统舰船轴系设计CAD建模工作量大且效率低下,本文研究了基于CATIA的舰船轴系自动化建模技术,主要包括:

1)分析CATIA COM接口库的结构和CATIA的自动化模型,在此基础上根据舰船轴系轴段的结构特点,研究舰船轴系自动化建模方法;

2)在分析舰船轴系模型装配关系的基础上,研究了CATIA环境下为轴系部件定义装配特征和根据特征进行装配的方法。

通过本文的研究,能够为舰船轴系自动化建模提供有效的指导,从而为提高轴系设计效率及设计质量的提高奠定一定的基础,同时也能为舰船动力装置虚拟设计提供一定的参考。

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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

邢宪锋,男,工程师,研究方向:舰船机电管理。刘金林,男,博士,讲师,研究方向:舰船动力装置总体优化设计。曾凡明,男,博士,教授,研究方向:舰船动力装置总体优化设计。

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