基于产品结构树和参数化设计的三维船舶CAD应用

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1、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

2、，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

3、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

4、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

5、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

6、。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.

7、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

8、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。SPD的XML总体结