Особенности CAD/CAM систем в судостроении

1
6.1. Особенности CAD/CAM систем в судостроении. Информационная
модель судна
История разработки и применения CAD/CAM систем в судостроении
насчитывает порядка четырех десятков лет. За это время различными
судостроительными
компаниями
и
специализирующимися
в
области
программного обеспечения фирмами (в их числе KSC, Sener, IBM и др.)
создано несколько перспективных специализированных интегрированных
систем автоматизированного проектирования, технологической подготовки
производства и постройки судов.
Проектирование и постройка судна включает в себя выполнение
сложных
работ
различными
специализациями.
Информация
должна
циркулировать между проектными подразделениями и вспомогательными
службами. Традиционно потоки информации обрабатывались в виде таких
документов, которыми трудно управлять и контролировать. Причем
существует
проблема,
что
пользователи
работают
с
устаревшей
информацией.
Такая передача данных требует их повторного ввода ″вручную″ в
различные
базы
данных,
что
влечет
потерю
времени
и
высокую
стоит
задача
вероятность ошибок.
Перед
судостроительной
промышленностью
использовать всю совокупность информации таким образом, чтобы работа
могла быть выполнена более эффективно, методы проектирования и
производства были оптимизированы, а необходимое для этого время
значительно сокращено. Поэтому появляется необходимость создания
″информационной
модели
изделия″,
которая
содержала
бы
всю
информацию, необходимую для процессов его проектирования и постройки.
″Информационная модель изделия″ разрабатывается различными
проектными
использование
специализациями
и
информации,
для
должна
создания
обеспечить
среды
совместное
параллельного
проектирования. Необходимо, чтобы эта информация была доступна всем
вспомогательным службам, и обеспечивала ввод данных в их специальные
2
системы и для того, чтобы сохранялось разграничение доступа и
сопровождение информации на протяжении всего жизненного цикла судна.
″Информационная модель изделия″ является ядром любой системы
CAD/CAM, применяемой в судостроении. Различия могут быть только в
некоторых специфических параметрах, характерных для каждой системы,
но общая концепция остается неизменной.
Информационная модель судна (ИМС) лежит в основе системы
TRIBON (разработчик – фирма KCS). Она может рассматриваться как база
данных судна, содержащая всю информацию о проекте и является
объектно-ориентированной
в
том
смысле,
что
все
данные
по
проектированию и производству хранятся как объекты. Эти объекты
представляют собой все типы физических элементов, необходимых для
постройки судна: системы, сборочные узлы, трубопроводы, оборудование,
кницы, кабель, шпангоуты и др.
Объекты каждого типа имеют такую структуру, которая позволяет
хранить все технические параметры и свойства, необходимые для описания
определенной производственной единицы этого типа. Технические данные
и свойства затем используются для получения графического представления
объекта в символьном, плоском или трехмерном виде, в зависимости от
контекста. При модификации изменяются технические данные, а не только
графическая информация, как в большинстве других CAD-систем.
ИМС представляет собой множество различных типов данных, таких
как технические параметры изделия, управленческие, топологические,
функциональные и геометрические данные. Геометрические данные могут
быть плоскими или трехмерными. Трехмерные данные могут быть в виде
поверхностных
или
твердотельных
моделей.
Данные
могут
быть
символьными или числовыми.
ИМС – это иерархия данных и отражает она текущую зависимость
объектов в проектных и производственных стадиях. Например, компонент
″клапан″ является частью определенного трубопровода, который, в свою
очередь, входит в состав трубопроводной системы, являющейся частью
модели судна.
3
Корпорация IBM совместно с компанией Dassault Systems и технологий
других
фирм
создала
собственную
интегрированную
систему
для
судостроения.
CATIA
CAD/CAM/CAE-система
твердотельного
моделирования
с
базируется
интегрированным
на
технологии
моделированием
поверхностей. Также поддерживается трассировка кабелей, инженерный
анализ и подготовка данных для станков с ЧПУ. Система поддерживает:
–
концептуальное проектирование;
–
эскизное и рабочее проектирование;
–
проектирование и размещение механических систем;
–
трассировку трубопроводов и размещение оборудования;
–
планирование производства;
–
подготовку данных для станков с ЧПУ;
–
моделирование производственных процессов.
В основе проектирования судна используется каркасная модель
корпуса, позволяющая автоматизировать многие процессы проектирования.
Форма корпуса может быть импортирована в формате IGES из других
приложений и предусмотрена возможность по моделированию и анализу
поверхностей.
Система позволяет разделить процесс проектирования на рабочие зоны
по различным признакам (географическим, технологическим, отдельным
видам оборудования и механизмам, а также по желанию пользователя), что
дает возможность ограничивать объем информации, необходимой для работы
с выбранными зонами, и ускорять процесс проектирования за счет
уменьшения объема информации в работе.
Реализован механизм представления элементов или сборочных единиц
как множества подробных геометрических моделей в виде ″черного ящика″ с
подробными связями.
Для
удобства
работы
с
проектом
IBM
разработала
броузер,
получивший название граф сборочных спецификаций, который позволяет
4
перемещаться по элементам иерархического графа в поисках необходимой
информации с возможностью выполнения проверки на пересечение и
тестирование всех типов геометрических моделей.
Корпорация CV представляет систему CADDS 5 [38] для поддержки
всего
жизненного
цикла
судна,
включающего
в
себя
разработку
предэскизного, эскизного, технического и рабочего проектов, постройку,
эксплуатацию, ремонт, переоснащение и утилизацию. Система представляет
собой интегрированную инструментальную среду для автоматизации
процессов проектирования и технологической подготовки производства
изделий машиностроения и объектов других отраслей промышленности и
охватывает эскизное и рабочее проектирование, синтез геометрических
моделей,
инженерный
анализ,
разработку
чертежно-конструкторской
документации и подготовку производства.
Данная
система
способна
взаимодействовать
с
разнородными
системами, поддерживая технологию параллельной работы различных
проектно-технологических
групп
информационной
изделия.
модели
и
работающих
Создаваемая
в
в
рамках
единой
системе
модель
представляет собой реализацию основного компонента полного электронного
описания объекта (EPD – Electronic Product Definition).
В системе CADDS 5 поддерживаются все основные стандарты
представления и обмена данными: IGES, STEP AP203/214, VDA-FS, SET,
DXF, а также специализированные стандарты CGM, SLA, PATRAN и др.
Разработаны
прямые
автоматизированного
трансляторы
проектирования
для
обмена
CATIA,
с
системами
UNIGRAPHICS,
PRO/ENGINEER.
Широко представлено геометрическое моделирование связанных
между собой модулей, обеспечивающих выполнение широкого спектра
работ:
– создания геометрической модели изделия с использованием
методов параметрического каркасного, поверхностного и твердотельного
5
моделирования и переход от одного метода моделирования к другому в
рамках единой модели;
– моделирования
сборки
с
одновременным
представлением
геометрии деталей и иерархической структуры сборки в виде "дерева";
– выполнения прочностного анализа на основе метода конечных
элементов (МКЭ-анализ) и решения задачи линейной статики и динамики
конструкций;
–
получения оптимальной модели путем оптимизации массы, объема,
площади поверхности, моментов инерции, центра тяжести или определенных
пользователем переменных;
– синтеза кинематической модели сборки с определением различных
типов сочленения ее частей;
– автоматического
создания
ряда
вариантов
детали
на
базе
параметрической "материнской" модели или мастер-детали и таблицы
параметров;
–
параллельного проектирования и выполнения работ с крупными
сборками (до 100 000 и более элементов).
Система CADDS 5 представляет возможность разработки чертежной
документации и решения задач трехмерного каркасного моделирования,
поддерживает основные чертежные стандарты: ЕСКД, JIS, ISO, DIN, GD&T
и DoD MilSpec.
Технологическая
функциональную
технологические
подготовка
производства
интегрированную
процессы.
В
качестве
CV
представляет
среду,
поддерживающую
исходной
информации
для
подготовки данных используется геометрическая модель изделия, которая
может быть синтезирована в системе CADDS 5 или импортирована из других
систем геометрического моделирования.
Управление производством в системе CADDS 5 выполняет встроенная
система
OPTEGRA,
обеспечивающая
управление
проектными
и
производственными данными, построенная по принципу PDM-систем.
Система OPTEGRA [51] разрабатывалась в рамках концепции CALS,
определенной
Министерством
обороны
США
как
цикл
создания
6
информационной модели изделия и информационного сопровождения
сложных технических объектов от покупки до утилизации. Система
OPTEGRA поддерживает объектно-ориентированную технологию, режим
параллельной
работы
пользователей
и
обеспечивает
управление
информационной моделью объекта в течение его жизненного цикла.
Специальные модули OPTEGRA позволяют просматривать, размещать и
сохранять техническую информацию различных типов, применять методику
управления потоком работ и заданий, а также управлять конфигурациями,
исходя
из
целей
пользователя.
В
качестве
данных
используются
технологические данные, геометрические модели, чертежи в электронном
виде, стандарты IGES, STEP, JPEG, MPEG, технические публикации,
спецификации, извещения об изменениях и т.п.
Система состоит из трех автономных модулей: Total Data Management
(TDM); Workflow Management (WM) и Configuration Management (CM),
обеспечивающих реализацию всех возможностей управления в рамках
предприятия (рис.1.5).
Функциональность
Спецификация
изделия
Lifecycle Information Management
Структура
изделия
Интеграция
САПР
TDM Lite
Team Data
Management
Электронные
документы
Configuration Master
Product Data
Management
Distributed Vault
TDM/Workflow
Бумажные
документы
Electronic Document Management
Рабочая группа
Предприятие
Группа предприятий
Масштаб предприятия
Рис.1.5. Схема применения системы OPTEGRA
7
Управление проектными, технологическими и инженерными данными
обеспечивает модуль Total Data Management. Основу данного модуля
составляет Optegra Vault, обеспечивающая механизм упорядоченного
доступа к хранилищу данных предприятия, а также конфиденциальность и
безопасность хранения и использования данных. Можно выделить основные
функции:
–
классификацию, сохранение и каталогизацию данных по различным
атрибутам, резервное копирование/восстановление, управление архивацией
на реляционной базе данных Oracle 7;
–
объединение разрозненных данных в единую логически связанную
распределенную систему управления данными;
–
разработку собственного типа интерфейса пользователя;
–
решение повседневных задач поиска, отображения и вывода данных
с помощью упрощенного интерфейса пользователя;
–
просмотр состояния трехмерной твердотельной модели изделия,
действий над составляющими эту модель элементами и моделирования
пространственных перемещений любых частей такой модели.
Модуль Workflow Management отвечает за автоматизацию управления
последовательно
представленными
процессами.
Компоненты
модуля
выполняют следующие задачи:
–
координацию
и
отслеживание
взаимодействия
между
пользователями одного проекта. Предусмотрена возможность объединения
структурных подразделений и отдельных предприятий в единую систему
поддержки процесса управления. Использование Internet позволяет получать
доступ к данным независимо от места нахождения пользователей;
–
управление
потоками
заданий
с
помощью
графического
интерфейса. Работа может быть организована в виде потоков заданий,
сортируемых в соответствии с конкретным проектом и выбранными
критериями. Модуль предоставляет возможность доступа к моделям типов
потоков заданий, а также к самим потокам.
8
Модуль Configuration Management обеспечивает работу с базами
данных, отслеживая все изменения и обеспечивая доступ к данным при
совместной параллельной работе пользователей. Модуль может быть
дополнен средствами, обеспечивающими создание, просмотр и управление
данными внутри единой виртуальной модели изделия. Модуль обеспечивает:
–
работу с виртуальной базой данных модели;
–
сетевое подключение пользователей к модели;
–
графический интерфейс доступа к структуре изделия;
–
параллельную работу пользователей с моделью изделия.
К сожалению, наличие даже новых CAD/CAM/CAE-систем не является
определяющим
производстве,
фактором
достижения
обеспечивающем
успехов
сокращение
в
промышленном
сроков выпуска
готовой
продукции на рынок, снижение стоимости, повышение качества и
способности быстрого выполнения индивидуальных заказов. Практическую
реализацию этих требований уже недостаточно проводить в рамках
отдельных предприятий. Требуется рассмотрение некоторого "расширенного
предприятия",
объединяющего
всех
поставщиков,
соисполнителей
и
участников проектирования и производства продукции. Такая стратегия
внедрения систем обуславливает соответствующий выбор программных и
технических средств.
На сегодняшний день наиболее радикальным средством решения
задач
модернизации
является
внедрение
интегрированных
информационных технологий на базе использования современных средств
вычислительной техники и сетевых решений. Такой подход особенно важен
для предприятий, выпускающих уникальные сложные системы с
привлечением множества контрагентов и поставщиков, к которым относится и судостроительная промышленность. Одним из таких направлений
повышения конкурентоспособности производства является организация так
называемого "виртуального предприятия" [111], представляющего собой
временный консорциум независимых предприятий, работающих совместно
над общим проектом с целью наиболее эффективного использования их
ресурсов. Примером такой организации в судостроительном производстве
может служить виртуальная верфь в Сурабаи (Корея) [127], объединяющая
усилия организаций, находящихся в разных государствах, но работающих
над одним проектом: Бангкок (Таиланд) – маркетинговые исследования
рынка; Токио (Япония) – начальное проектирование; Тайпей (Тайвань) –
9
эскизное проектирование; Пусан (Корея) – рабочее проектирование и
Сурабаи – постройка судов. Все организации и предприятия, участвующие в
проекте, работают совместно, используя общие базы данных и единую
информационную модель судна.
Организация Международных стандартов в рамках технического
комитета ТК184 проводит работы по разработке системы автоматизации
производств и их интеграции. Усилиями рабочих групп подкомитета SC4
"Промышленные
данные"
разрабатываются
пилотные
проекты
информационных систем. Соответствующий проект MARVEL включает
подпроекты "Судостроение Европы", "Судостроение США'', "Судостроение
Японии", "Судовой надзор" и "Судовые операции" и призван обеспечить
удешевление процессов проектирования судов на использовании новых
информационных технологий и возможности обмена техническими
решениями. С этой целью создается сеть информационных узлов с
центрами в Бильбао, Бремене, Генуе и Хельсинки.
Другим примером может быть программа MARISTEP, объединяющая
усилия ряда предприятий Европы и США по разработке базы данных
модели изделия, обеспечивающей стандартное описание данных в
соответствии со стандартом для обмена данными модели изделия (STEP).
С этими фирмами сотрудничает и шведская фирма KCS (с 2000 г. – Tribon
Solutions), интегрируя свои усилия для работы в соответствии со
стандартом STEP.
Решением проблемы оптимизации проектирования может быть
создание информационной модели изделия, содержащей всю необходимую
информацию, которая сможет обеспечить совместное использование
информации и создание среды параллельного проектирования. В
настоящее время Информационная Модель Судна (ИМС) является ядром
любой системы CAD/CAM, применяемой в судостроении; представляет
собой объектно-ориентированную базу данных судна, содержащую всю
информацию о проекте и все типы физических элементов, необходимых
для постройки судна. Структура объекта каждого типа содержит все
технические параметры и свойства, необходимые для описания
определенной производственной единицы этого типа и позволяющие
получить графическое представление объекта в символьном, плоском или
трехмерном виде.