PRO/E在大型钢结构三维设计中的应用

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本文从设计需求出发，介绍了PRO/E软件在大型钢结构领域的应用情况，阐述了PRO/E软件自顶向下的参数化技术，列出了大型钢结构三维设计流程，并根据大型钢结构产品特点，总结了以骨架为核心的框架设计方案、实体建模规则及出图的主要技术方案，最后重点分析了系统集成对三维设计工作模式及套料设计管理的积极影响。
2 e7 \& G! E  K/ C5 a一、引言
大型钢结构是武昌造船厂民品的重要组成部分，主要包括大型桥梁产品和成套设备等。目前武昌造船厂在国内大型钢结构制造业迅速崛起，放眼不断开拓的市场，要争取绝对的竞争优势，提升自主创新能力成为关键。鉴于此，引进了PTC公司的PRO/E三维设计软件，以不断推进工厂在传统大型钢结构制造领域内设计模式和管理理念创新。
2005年底，武昌造船厂用PRO/E软件相继对珠江黄埔北汊斜拉桥、杭州湾南航桥、彭水承船厢以及杭州市江东大桥等大型钢结构产品进行了三维设计，稳步实现了由二维向三维设计工作模式的转变，并在PRO/E三维设计取得初步成效的基础上集成了数据管理软件、套料软件等系统软件，建立了企业制造信息管理平台，从而增强了对产品设计全过程的组织、管理和控制力度。
; m5 l& E! ]2 T5 E, f6 K二、大型钢结构三维设计的主要特点
PRO/E三维设计软件通过与传统大型钢结构生产设计的结合应用，形成的大型钢结构三维设计与传统二维设计相比有了很大飞跃，集中体现在以下三方面：
$ p& W( ^3 v5 D4 T: d+ @, F0 y7 q(1) 设计思路的开拓。基于PRO/E软件的三维设计采取自顶向下的设计思路，即先构架产品的整体框架模型，再依次进行单元件和零件的详细设计。由于框架模型中多层次分布的骨架包含了整个产品的主要定位和参考信息，因此这种设计思路提升了产品主管对产品的整体把握能力。
(2) 技术含量的提升。在PRO/E参数化设计技术下，由于所有点、线、面及实体等特征均通过可变尺寸参数和约束来控制，施工图的基本图面信息由三维模型自动生成，而且以骨架为首的尺寸和约束的改变将能快速驱动相关三维模型及二维工程图的关联性变更，因此与二维CAD技术下相对松散的图面信息组合方式相比，设计的严密性、精度及变更响应能力明显增强。
; z' U$ L( `; p/ l; i1 D(3) 可视化效果和过程控制力度的增强。三维设计将设计人员专业的三维空间想象变为直观的三维数字模型，使设计更贴近产品实物；而三维建模本身是对产品制造和装配过程的数字化模拟，可使产品建造环节中的潜在工艺和技术问题在设计环节得到提前发现和解决。
; B; T$ V6 \, q( D; R" C( @  ~三、自顶向下的大型钢结构参数化三维设计流程
在PRO/E软件自顶向下的参数化设计指导思想下，大型钢结构三维设计在流程上大体可分图1所示的设计准备、模型构造和图表生成三大节拍。

9 P# V" f- q& {5 h8 z% }图1 大型钢结构三维参数化设计主流程
) P. E+ o8 P) h( s0 h6 c+ l- m3.1 大型钢结构的三维设计准备
# i" g2 L" C6 R- w4 w) M5 U; m在以PRO/E软件为技术平台的大型钢结构三维设计过程中，设计准备节可按设计策划、方案设计和框架设计三个子环节依次进行。
3.1.1 大型钢结构的三维设计策划
( O9 x6 l, l6 ^% Y% h+ A在正式接到产品设计任务后，为保证后续设计环节正确有序的进行，需要进行包括以下四项主要内容的设计策划：
(1) 审图，首先应明确并及时消除设计院蓝图中潜在疏漏之处和不定因素，再针对钢结构横纵剖面的定位基准及板厚分布规律进行重点分析，然后签署审图意见，使设计蓝图具备三维设计条件。
(2) 工艺拆分，即产品主管应结合厂内的工艺生产条件，进一步明确钢结构分/节段类型，并对各分/节段的横向和纵向进行板单元拆分及优化。
$ {, s2 M) s  f/ O7 J5 S  J8 \; E- ](3) 制订出图计划，计划中应包含详细图纸目录、相关责任人及交图期。
# M, h5 h! U2 p. w2 ]$ |! C) w(4) 通用件规划，主要对在各分/节段间通用的零部件进行分类统计。
6 U/ R  p9 l* K+ u3.1.2 钢结构产品三维框架模型的方案设计
在PRO/E软件平台下，由于钢结构产品的三维框架模型实质上是一个自顶向下由装配件和骨架两类文件通过一定层次和一系列虚拟装配关系组装起来的模型树，因此相应框架设计方案应主要包括装配树结构设计、骨架设计和装配关系设计三部分。
8 A9 P. h5 M( p% k第一：产品框架模型树结构设计。
在大型钢结构产品的装配树结构设计环节，主装配结构通常为产品→分/节段→单元件三个装配级，骨架应分别布局于这三级装配组件下；同时结合产品的具体工艺及生产组织等特点，主装配结构可作适当调整。
$ [; b6 |8 q) R7 h. ~+ D( t第二：产品框架模型骨架设计。
0 f4 Y" d, }( j3 S+ [! c在装配树结构设计完成后，首先应根据骨架的布局及联系和自顶向下的思路明确各装配级骨架之间的继承方案，保证骨架对整个产品模型具有足够的控制能力，然后针对典型骨架进行建模方案的总体规划，最后分别对各具体骨架的建模方案进行详细设计。
第三：产品框架模型树装配关系设计。
为确保产品框架模型结构紧凑，应按照以下规则进行装配关系设计：
(1) 按缺省装配、坐标系对齐装配、正装配(指三对装配面均对齐)和反装配(指两对装配面匹配、一对装配面对齐)顺序依次选用装配类型；
% E8 i- }! W  c( v1 g7 W3 W5 i, F(2) 装配特征优先参考骨架；
+ a7 ]( d" \& O9 w8 G  Q' \: i! V/ C" t% G(3) 根据零部件(在斜轴侧视角下)独立显示时结构侧可见的原则确定与上级装配体的正反装配关系。
3.1.3 钢结构产品三维框架模型设计
3 ], [' z% M1 n: Z6 f1 w产品框架模型的方案设计完成后，可进行框架模型的三维设计，通常相对完整的框架设计依次可分为以下两个主要流程：
(1) 架构产品顶级装配，依次包括创建产品总装配体、创建并编辑产品的纵、横向总骨架、创建并装配产品的各分/节段装配件；
' L9 v' K  x7 i$ ~0 q7 u% q; _- O(2) 对各分/节段进行框架设计，依次包括在分/节段下创建并编辑分/节段骨架、创建并装配各横纵向单元件以及在各单元件下创建并编辑相应骨架。
对于复杂产品，在保证对产品有效控制力度的前提下，可对分/节段以下框架设计任务进行并行设计分工，以缩短设计周期并有助于设计人员平稳进入设计角色。
) [3 Q* L! V5 J3.2 大型钢结构产品三维实体模型构造
4 r# p- p( p# q+ B. q( D, r7 z7 ~根据大型钢结构产品零件特征简单而装配结构关系复杂的特点，分/节段三维实体建模应遵循以下规则：
(1) 缺省装配和骨架参照优先：即对新创建的零部件尽可能采用缺省装配，以降低装配难度；零件的实体特征设计及装配尽可能参照骨架，以保证骨架对模型自顶向下的有效控制。
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某桥的三维模型
3 c2 |4 X0 R0 ~- q(2) 零件实体特征的生成以拉伸为主、挖补为辅：即对于矩形板或型材，通常根据横截面特征拉伸生成实体；而对于异形板，通常先按基本外形轮廓沿板厚方向拉伸成实体，再通过局部挖补得到异形实体特征。
7 q* x$ V3 b. a4 u- g3 l/ \1 y在以上建模规则下，分/节段的三维实体建模可按以下流程进行：
! n4 R5 }& a0 B2 R* h(1) 创建并用缺省装配关系装配首次出现的单元件；
(2) 完成各单元件下零部件的创建装配及特征建模；
8 M% `" m. R% c3 d' S( B! j7 n(3) 引入并装配重复出现的单元件和通用件；
(4) 完成分/节段散件的创建、装配及特征建模；
(5) 填写分/节段三维模型的材质、规格及工艺路线等工艺信息；
% y9 [9 j6 R1 E" R" N8 e( C(6) 对三维模型进行完整性和正确性检查及模型完善；
3.3 大型钢结构三维设计的图表生成
/ v% D$ P+ I. G  O8 ~根据大型钢结构由零件→单元件→分/节段的制造模式，设计人员需依次提供下料、装配制作施工图。
& c- S& S8 s! P7 l3 E/ Y3.3.1 完善零件图的出图流程
目前下料施工图主要由自主开发的套料软件通过套料设计生成，PRO/E软件主要通过零件分离向套料软件提供带有工艺信息和标识的零件平面图，零件分离主要包括三个流程：
- w, s+ E# S$ n- z  Y(1) 零件后处理：按产品装焊工艺要求，对零件边缘加放余量、补偿量等工艺信息，得到零件的下料轮廓；
, k, s5 S  L, u/ t(2) 生成零件平面视图；
, E) R! P4 ?. D* H1 S- G2 u9 N, r(3) 完善零件图：在零件二维平面图上增加坡口、关键尺寸等标识信息。
3.3.2 制作施工图的出图流程及主要技术方案
目前制作施工图均采用规定形式，以下列以单元件图册的出图流程：
7 Z; }# e5 p7 M4 M0 c' ]: J, |0 l(1) 创建图册文件并添加各单元件三维模型作为对象关联；
(2) 生成各单元件视图；
(3) 完善单元件图面信息，包括创建球标、画辅助线、出示意图、标注尺寸、符号和插入注释等。
前一页单元件图完成后，后续单元件出图可按照(2)→(3)步骤依次进行。
6 m+ H5 y. m5 y, r& y( I& f, P3 c2 b分/节段制作图的出图特点主要在于关联对象为分/节段三维模型，有专门配套表内页，且三维模型与图册页面呈一对多关系。
8 ~$ i5 t0 m3 Y& ?在用PRO/E出单元件和分/节段总成图过程中，针对常见技术问题提出以下解决方案：
0 e0 v& m5 R7 ]/ ^" V! S(1) 复杂视角和剖面的定义：通过在三维建模环境下分别通过重定向视图工具和视图管理器中实现，当视角方向与剖面垂直时，可在同一视图中配合使用；
(2) 视图辅助信息的生成：首先在绘图环境下根据BOM表球标，实现了视图中各零部件的快速自动关联标识，其次通过线草绘或偏置视图边界获得视图的辅助线信息，解决了辅助尺寸的标注问题，再者通过建立标准符号库解决了焊缝等符号的标识问题；
0 n3 P0 X# j! O- g/ Q+ C, F(3) 示意图的生成：由于示意图通常包含工艺信息，在理论三维模型中体现代价很大甚至无法体现，为此提出两种解决方案：第一，三维模型关联生成法，即先根据示意图的特征建立相应三维模型，然后将三维模型关联到绘图中，生成相应视图；第二，图元绘制法，即在绘图环境下通过线草绘等功能获取示意图图元信息。
四、系统集成环境下的大型钢结构三维设计
2 _, [% u  w9 G' h在与传统大型钢结构生产设计的结合应用过程中，PRO/E作为设计软件，主要提供更先进的设计平台和产生更好的信息载体，而三维设计价值的充分体现还有赖于整个设计管理体系的架构。鉴于此，采取了先将PRO/E软件与数据管理软件集成，然后以数据管理软件为信息管理中枢，实现三维设计信息对套料软件等系统软件有效控制的总体集成方案。通过系统集成，大型钢结构三维设计尤其在组织工作模式和套料管理方面产生了积极影响。
6 y! f( L; _$ o  Y4.1 大型钢结构三维设计组织工作模式的改善
在仅有PRO/E软件的环境下，大型钢结构产品的三维设计主要采用文件共享的工作模式。即在共享工程项目文件夹中建立框架模型总装配体、各分/节段和通用件子文件夹，各团队成员然后在共享文件夹上进行相应分/节段的三维设计。
而在系统集成的环境下，团队三维设计主要采取本机建模与定期入库相结合的方式。即先将产品的框架模型入库到数据库，再通过数据管理软件将分/节段设计任务分给设计人员，设计人员通过身份验证访问数据库，找到相应设计任务并提取相应的框架模型到本机，便可在本机进行三维建模，待建模到一定阶段再将设计数据送回数据库，实现数据更新。这种系统集成的三维设计工作模式更有助于提高团队三维设计整体效率和数据管理控制力度。
( a6 `& d( T9 H- S% P  v4.2 大型钢结构套料管理模式的改进
在系统集成前，PRO/E软件主要向套料软件提供完善零件图，套料设计的管理主要通过经验控制；而在实现了系统集成后，由PRO/E软件产生的三维设计信息作为信息载体的作用在套料设计环节得到了充分的发挥。通过管理软件的数据处理，套料任务的创建、套料零件清单的编辑以及套料零件装焊去向的记录均可在产品三维模型的模型树上进行，而套料任务中零件的筛选也可严格按照产品三维模型中定义的材质、板厚等工艺参数进行，从而实现了三维设计信息对套料设计的准确管理控制。
五、结语
8 s4 A0 `  c4 Q- F1 h7 o通过PRO/E软件与大型钢结构三维设计的结合应用，传统大型钢结构的生产设计在设计思路、技术含量以及组织工作模式等方面上都有明显提升。随着应用的不断深入，PRO/E软件的技术潜力和集成优势将得到不断的挖掘和显现，三维设计流程将得到进一步优化，三维设计的技术含量将得到进一步提高，三维设计信息的使用价值将得到不断提升，传统大型钢结构设计制造的精益程度、集约程度及经济效益也将得到明显提高。与此同时，设计管理人员应注重不断增强软件应用能力、自主创新能力、组织管理和协调工作能力，以充分发挥大型钢结构三维设计的团队并行协作优势。
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