半潛平臺推進(jìn)器安裝虛擬仿真

吳世豪 張 立 孟 梅

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院（北京）船舶數(shù)字化工程研究室）

0 引言

深海半潛式鉆井平臺的建造是船舶與海工制造業(yè)中生產(chǎn)難度大、技術(shù)復(fù)雜度高的工程。在滿足平臺使用要求的前提下，縮短平臺的建造周期、提高平臺建造質(zhì)量、降低建造成本，是一個值得長期研究的課題。半潛平臺的建造，對一些關(guān)鍵設(shè)備的安裝工作具有很高的技術(shù)要求，如何利用船廠有限的場地及施工設(shè)備資源安裝好各種動力、導(dǎo)航、通信、控制等設(shè)備，保證其有機地集成并有效地運行，花費了設(shè)計人員大量的心血，卻常常得不到非常滿意的結(jié)果[1]。本文針對半潛平臺推進(jìn)器安裝這一典型工程案例，使用達(dá)索公司的DELMIA軟件對安裝工藝過程進(jìn)行仿真驗證，為采用虛擬仿真技術(shù)解決船海工業(yè)問題進(jìn)行了實踐。

1 虛擬裝配仿真

1.1 虛擬裝配的定義

虛擬裝配是指在虛擬環(huán)境中，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將設(shè)計的產(chǎn)品三維模型進(jìn)行預(yù)裝配[5]，原理是按照給定的裝配工藝順序，通過對產(chǎn)品零部件的空間位置進(jìn)行連續(xù)操作來達(dá)到預(yù)期的裝配效果，同時將連續(xù)操作過程以動畫的形式演示出來[6]。

1..2虛擬裝配仿真工作流程

虛擬裝配工作流程主要包括虛擬裝配建模、虛擬裝配工藝規(guī)劃以及仿真結(jié)果輸出三個階段。首先在三維建模軟件中創(chuàng)建幾何實體模型，將幾何實體模型通過模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換導(dǎo)入到虛擬裝配系統(tǒng)中 [1]。在虛擬裝配系統(tǒng)中，對零部件模型、施工設(shè)備模型、場地環(huán)境模型等進(jìn)行初始定位，完成仿真場景的創(chuàng)建。在無初始干涉的情況下，對裝配零部件進(jìn)行裝配序列規(guī)劃和裝配路徑規(guī)劃，在路徑規(guī)劃過程中進(jìn)行動態(tài)碰撞干涉檢查，如發(fā)現(xiàn)干涉情況，及時修改裝配路徑或裝配序列，直至工藝規(guī)劃完成。工藝規(guī)劃完成后，系統(tǒng)會對虛擬裝配序列和裝配路徑進(jìn)行記錄，在此基礎(chǔ)上，輸出最后的虛擬裝配仿真動畫及干涉檢測報告等文件。

2 基于CATIA的虛擬建模

虛擬建模需要基于一定的軟件平臺，來對半潛平臺進(jìn)行實物建模，最常用的3D建模軟件是CATIA.CATIA是法國達(dá)索(Dassault Systems)公司研究開發(fā)的三維交互式工程設(shè)計、數(shù)控加工軟件。CATIA軟件以其強大的設(shè)計功能在飛機、汽車、船舶、電子設(shè)備等領(lǐng)域享有很高的聲譽[2]。

針對半潛平臺推進(jìn)器安裝工藝，把所需建立的模型分為裝配零部件模型、施工設(shè)備模型、場地環(huán)境模型三類。裝配零部件模型和施工設(shè)備模型使用CATIA的草圖編輯模塊、零件設(shè)計模塊和創(chuàng)成式外形設(shè)計模塊建立，場地環(huán)境模型使用AEC工廠模塊的Plant layout模塊建立。

3 基于DELMIA的半潛平臺推進(jìn)器虛擬安裝

在CATIA建模的基礎(chǔ)上，運用仿真軟件對模型進(jìn)行仿真。DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）是法國達(dá)索系統(tǒng)（DASSAULT SYSTEMS）公司研發(fā)的數(shù)字化設(shè)計制造軟件，它為制造企業(yè)提供了從產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃到生產(chǎn)過程的全生命周期精益設(shè)計制造解決方案[3]，，并且可以良好地實現(xiàn)與CATIA的數(shù)據(jù)互通。DELMIA的DPM Assembly Process Simulation模塊將創(chuàng)建虛擬裝配場景、裝配序列規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃、碰撞干涉檢測、仿真視頻輸出等功能整合在一個完整的系統(tǒng)內(nèi)，提供給設(shè)計人員一個統(tǒng)一的、點到點的作業(yè)環(huán)境。

3.1 創(chuàng)建仿真場景

進(jìn)行安裝工藝規(guī)劃，首先要將所建立的零部件模型、設(shè)備模型和場地資源模型導(dǎo)入到虛擬裝配環(huán)境中，進(jìn)行設(shè)備資源的初始布置，完成虛擬裝配場景的創(chuàng)建，這是進(jìn)行后續(xù)安裝工藝仿真的基礎(chǔ)。進(jìn)入DELMIA的DPM模塊，首先使用Insert Resource的命令，導(dǎo)入場地資源模型。在本文中，將設(shè)備和場地資源都定義為資源模型，即把履帶式吊機、駁船、推進(jìn)器支架、導(dǎo)向鉤、錨鏈提升器、海洋、海床模型導(dǎo)入，再通過移動和旋轉(zhuǎn)等方式對模型在環(huán)境中的位置進(jìn)行初步定位。使用Insert Product的命令，以同樣的方式把半潛平臺、推進(jìn)器、傳動軸、錨鏈管、錨鏈管封堵、基座保護(hù)蓋、推進(jìn)器基座、推進(jìn)器密封蓋、推進(jìn)器基座密封蓋、推進(jìn)器馬達(dá)、推進(jìn)器剎車盤等零部件模型導(dǎo)入。圖2為DELMIA環(huán)境下的半潛平臺推進(jìn)器安裝仿真場景。

圖2 DELMIA環(huán)境下的半潛平臺推進(jìn)器安裝仿真圖

3.2 半潛平臺推進(jìn)器虛擬安裝序列規(guī)劃

3.2.1 分析安裝序列

把半潛平臺推進(jìn)器安裝工藝過程分為前期準(zhǔn)備、安裝過程和后續(xù)工作三個部分。分析三部分的工藝操作,可得到安裝序列如下：

（1)前期準(zhǔn)備

半潛平臺下水前，半潛平臺浮筒推進(jìn)器艙室內(nèi)的錨鏈管、推進(jìn)器基座、基座密封蓋等必須安裝妥當(dāng)。使用拆卸法，根據(jù)自頂向下的原則，可得到拆卸序列為：錨鏈管—基座密封蓋—推進(jìn)器基座，根據(jù)拆卸與裝配互逆可得裝配序列為：推進(jìn)器基座—基座密封蓋—錨鏈管。

(2)安裝過程

半潛平臺推進(jìn)器安裝的主要工序為：推進(jìn)器下水—半潛平臺移位—移除基座保護(hù)蓋—移除錨鏈管封堵—錨鏈下水—導(dǎo)向鉤連接到推進(jìn)器—提升推進(jìn)器—錨鏈復(fù)位。

(3)安裝檢查

推進(jìn)器的安裝需要進(jìn)行安裝干涉檢查，以防止出現(xiàn)安裝器件或者設(shè)備與周圍環(huán)境發(fā)生碰撞。

(4)后續(xù)工作

在推進(jìn)器安裝就位后，需要封堵錨鏈管、移除基座密封蓋和推進(jìn)器密封蓋，再安裝安裝傳動軸、剎車盤和推進(jìn)器馬達(dá)，所以后續(xù)工作的工序為：封堵錨鏈管—移除基座密封蓋—移除推進(jìn)器密封蓋—安裝傳動軸—安裝剎車盤—安裝推進(jìn)器馬達(dá)。

3.2.2 裝配序列規(guī)劃

在分析得到半潛平臺推進(jìn)器安裝序列后，使用DELMIA的DPM模塊的PERT技術(shù)和GANT圖對安裝序列進(jìn)行編輯和控制。

PERT（Project Evaluation and Review Technique）是用于分析制定計劃并對計劃予以評價的技術(shù)。PERT圖是一種箭線形式的流程圖，PERT圖直觀的表達(dá)出項目各事件的先后順序。根據(jù)前面分析所得到的半潛平臺推進(jìn)器安裝工序，使用DELMIA中的PERT Chart工具對推進(jìn)器安裝過程中的各道工序進(jìn)行設(shè)計編排。

圖3 半潛平臺推進(jìn)器安裝序列規(guī)劃PERT圖和GANTt圖

甘特圖（Gantt Chart）是展現(xiàn)項目各事件開展進(jìn)度的工具。DELMIA中的甘特圖是DPM的活動時間安排表，從甘特圖上可以看到每一道工序所占用的時間及所參與的零件和資源。圖3為半潛平臺推進(jìn)器安裝序列規(guī)劃完成的PERT圖和GANT圖。

3.3 半潛平臺推進(jìn)器裝配路徑規(guī)劃

裝配路徑規(guī)劃作為裝配序列規(guī)劃的后續(xù)步驟，是裝配工藝規(guī)劃的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是連接裝配工藝規(guī)劃和裝配仿真驗證的橋梁。在DELMIA的DPM模塊中，按照裝配順序，逐個定義半潛平臺推進(jìn)器安裝過程各參與部件的裝配路徑。在裝配過程中，需要使用履帶式吊機對推進(jìn)器進(jìn)行吊裝。為了實現(xiàn)吊裝過程的模擬仿真，可使用DELMIA的Device Building模塊對履帶式吊機各零部件間的運動關(guān)系進(jìn)行定義。在安裝路徑規(guī)劃過程中，開啟DELMIA的碰撞檢測功能，當(dāng)出現(xiàn)碰撞情況時，系統(tǒng)自動提出警告，以紅色高亮顯示出碰撞區(qū)域，根據(jù)碰撞顯示結(jié)果對零件裝配路徑或裝配序列進(jìn)行調(diào)整，直至干涉消除。圖4為半潛平臺推進(jìn)器安裝路徑規(guī)劃完成圖。

圖4 半潛平臺推進(jìn)器安裝路徑規(guī)劃完成圖

4 裝配干涉檢查和仿真結(jié)果輸出

圖5 半潛平臺推進(jìn)器安裝完成圖

在半潛平臺推進(jìn)器安裝工藝規(guī)劃完成后，可以輸出安裝工藝過程仿真視頻和碰撞干涉報告。DELMIA軟件自動地將虛擬場景捕捉成圖像文件，然后將每一個圖像文件作為一幀添加到“.avi”文件中就形成了仿真視頻文件，后期還可使用視頻編輯軟件（如繪聲繪影）對仿真視頻進(jìn)行完善[4]。半潛平臺推進(jìn)器安裝工藝仿真視頻和干涉檢測報告對生產(chǎn)實施具有重要的意義，生產(chǎn)人員可通過視頻對裝配過程有一個直觀的認(rèn)識，規(guī)避生產(chǎn)中一些不安全的操作行為，通過干涉報告可提醒操作人員注意裝配過程中容易產(chǎn)生碰撞干涉的環(huán)節(jié)及裝配到目標(biāo)位置后零部件間的配合情況。如圖5所示為所完成的半潛平臺推進(jìn)器安裝工藝仿真視頻（包括前期準(zhǔn)備、安裝過程、后續(xù)工作三部分）和推進(jìn)器安裝完成圖。

圖6 半潛平臺推進(jìn)器安裝工藝仿真視頻

5 結(jié)論

本文結(jié)合半潛平臺推進(jìn)器安裝這一實際工程案例，分析推進(jìn)器安裝序列及裝配路徑規(guī)程。選擇達(dá)索公司的CATIA軟件建立半潛平臺推進(jìn)器安裝所需的零部件模型、施工設(shè)備模型和場地環(huán)境模型，并將模型導(dǎo)入到DELMIA軟件中進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃，最后輸出裝配仿真視頻和碰撞干涉檢測報告等工藝文件，輸出文件對實際工程施工具有一定的指導(dǎo)作用。

[1]楊潤黨，謝子明.虛擬仿真技術(shù)在船舶建造過程中的應(yīng)用概述[J].中國造船工程學(xué)會2008年MIS/S&A學(xué)術(shù)交流會論文集

[2]羅天龍.基于CATIA/CAA平臺的虛擬裝配信息模型研究與應(yīng)用.南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文.2005年

[3]邢莉.基于DELMIA的虛擬裝配技術(shù)研究及其在LED分揀機中的應(yīng)用.浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.2008年

[4]王樹青，李天俠，成斌.DELMIA在海洋鉆井平臺建造中的應(yīng)用[J].船舶工程.2009年12月第6期.P61-63

[5]姚競爭，韓端鋒，李健, 基于 CATIA 系統(tǒng)的虛擬裝配仿真研究[J],船舶工程，2011年第一期，P49-P52

[6]張曉偉,原思聰,林艷,耿素花, 基于DELMIA的船體虛擬裝配過程仿真研究[J], 起重運輸機械,2010年第2期,P65-P67