基于數(shù)字樣機(jī)的艦船維修性設(shè)計(jì)分析技術(shù)

方強(qiáng)，王松山，祝泓，張平

1中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064 2軍械工程學(xué)院，河北石家莊050003

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基于數(shù)字樣機(jī)的艦船維修性設(shè)計(jì)分析技術(shù)

方強(qiáng)1，王松山2，祝泓1，張平1

1中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064 2軍械工程學(xué)院，河北石家莊050003

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)維修性分析技術(shù)的準(zhǔn)確性與直觀性問題，結(jié)合艦船維修性設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，基于虛擬樣機(jī)建模、虛擬人建模與仿真、參數(shù)化維修動(dòng)作建模與仿真、基于維修問題的維修性分析等關(guān)鍵技術(shù)，以包含界面層、應(yīng)用層、對(duì)象層、技術(shù)支持層的系統(tǒng)框架為指導(dǎo)，在商業(yè)軟件Jack 7.0的基礎(chǔ)上，通過(guò)二次開發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字樣機(jī)的艦船維修性設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)。同時(shí)，以艙室內(nèi)某型水質(zhì)后處理設(shè)備更換濾芯維修任務(wù)為例，開展維修性設(shè)計(jì)分析、評(píng)價(jià)和改進(jìn)，從技術(shù)上驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性與有效性。

關(guān)鍵詞：艦船；維修性；數(shù)字樣機(jī)；設(shè)計(jì)；分析

0　引　言

艦船系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備眾多，維修的費(fèi)用在壽命周期費(fèi)用中占有較大的比例，而且其對(duì)戰(zhàn)備完好性也具有重要影響，因此，艦船的維修性越來(lái)越受到重視，軍方已明確提出，應(yīng)在艦船設(shè)計(jì)的早期階段同步開展維修性設(shè)計(jì)與分析［1］。

傳統(tǒng)的維修性分析技術(shù)主要是通過(guò)分析設(shè)計(jì)圖紙來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行符合性檢查，或者在實(shí)物樣機(jī)上進(jìn)行維修演示驗(yàn)證。由于艦船一般不建造樣機(jī)，因此多數(shù)分析是利用圖紙進(jìn)行。在圖紙上進(jìn)行諸如設(shè)備（部件）的可達(dá)性、拆卸的便利性和維修空間等的分析，很難保證分析的準(zhǔn)確性、直觀性以及結(jié)果的可信性。尤其是艦船系統(tǒng)復(fù)雜巨大，要在圖紙上全面、系統(tǒng)地分析可達(dá)性、維修安全性和人因工程等維修性特性，無(wú)論是對(duì)專業(yè)設(shè)計(jì)人員還是維修性設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，都有一定的難度，造成許多分析工作的內(nèi)容得不到落實(shí)，而且分析結(jié)果也無(wú)法及時(shí)反饋到設(shè)計(jì)中［2］，從而影響艦船的維修性設(shè)計(jì)水平。為確保將良好的維修性特性落實(shí)到艦船設(shè)計(jì)中，必須解決維修性（如可達(dá)性、拆卸便利性、維修空間等）分析過(guò)程的直觀性、分析時(shí)機(jī)的及時(shí)性以及分析結(jié)果的可信性等問題。

虛擬維修技術(shù)是解決該問題的有效途徑［3-4］。通過(guò)仿真，維修人員可以在數(shù)字樣機(jī)上完成維修操作，而基于仿真來(lái)進(jìn)行維修性分析能夠克服定性分析方法的不足，及時(shí)發(fā)現(xiàn)維修性設(shè)計(jì)問題，然后通過(guò)采取適當(dāng)?shù)募m正措施便可實(shí)現(xiàn)與艦船的同步設(shè)計(jì)和制造。本文將從原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)例應(yīng)用等方面對(duì)基于數(shù)字樣機(jī)的艦船維修性分析技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的闡述。

1　基本原理

基于數(shù)字樣機(jī)的艦船維修性設(shè)計(jì)分析是指以艦船CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)構(gòu)建包括艦船、設(shè)備、維修工具、維修人員在內(nèi)的虛擬維修仿真環(huán)境，并按預(yù)定的維修方案仿真維修過(guò)程，通過(guò)檢測(cè)工具獲得關(guān)于“虛擬維修人員—設(shè)備—工具”相互作用的數(shù)據(jù)。以維修性知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)維修性設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在的維修問題，評(píng)價(jià)艦船的維修性水平，并提出改進(jìn)的建議。其基本原理如圖1所示。

圖1基于數(shù)字樣機(jī)的維修性分析評(píng)價(jià)原理Fig.1　 Principle of maintainability analysis and evaluation based on digital prototyping

通常，是在產(chǎn)品的不同層次來(lái)分析、定位和描述維修性問題，故采用分層模型來(lái)描述維修作業(yè)過(guò)程，以便建立維修仿真過(guò)程模型，并支持維修性分析。根據(jù)維修的可分解特點(diǎn)，將維修事件分解成維修作業(yè)、基本維修作業(yè)和動(dòng)作單元3個(gè)層次。在動(dòng)作單元層，能夠支持參數(shù)化維修動(dòng)作與數(shù)字樣機(jī)維修特征的交互，完成基本維修作業(yè)的仿真。構(gòu)建的虛擬維修仿真過(guò)程模型如圖2所示。

在如圖2所示的維修過(guò)程分解的基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真分析“虛擬維修人員—設(shè)備—工具”的相互作用對(duì)維修的影響，構(gòu)建與產(chǎn)品層次結(jié)構(gòu)之間的維修問題關(guān)聯(lián)關(guān)系，并采用層次分析法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，給出糾正措施建議。維修性分析評(píng)價(jià)原理如圖3所示。

圖2虛擬維修仿真過(guò)程模型Fig.2 Model of virtual maintenance simulation process

圖3維修性分析與評(píng)價(jià)原理Fig.3　 Principle of maintainability design and analysis

2　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于數(shù)字樣機(jī)的艦船維修性設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)采用層次框架結(jié)構(gòu)（圖4）［2，5］，包括：定義用戶與系統(tǒng)接口的界面層；支撐系統(tǒng)建模、仿真與分析等核心功能的應(yīng)用層；提供系統(tǒng)運(yùn)行虛擬樣機(jī)、維修過(guò)程模型等的對(duì)象層；提供系統(tǒng)運(yùn)行軟、硬件基礎(chǔ)環(huán)境的技術(shù)支持層。

圖4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架Fig.4 Framework of system structure

以本框架為指導(dǎo)，在商業(yè)軟件Jack 7.0的基礎(chǔ)上，通過(guò)二次開發(fā)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于數(shù)字樣機(jī)的艦船維修性設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)，系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中：項(xiàng)目分析管理主要對(duì)維修性分析任務(wù)、仿真數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)進(jìn)行組織管理。虛擬人建模實(shí)現(xiàn)典型百分位數(shù)中國(guó)人和著服特定虛擬人建模。虛擬維修樣機(jī)建模主要對(duì)產(chǎn)品的CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理、裝配關(guān)系重構(gòu)和維修特征定義。虛擬維修仿真利用參數(shù)化維修動(dòng)作建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)“虛擬維修人員—設(shè)備—工具”的交互過(guò)程仿真，進(jìn)行虛擬場(chǎng)景狀態(tài)控制和仿真過(guò)程數(shù)據(jù)記錄。維修性分析評(píng)價(jià)主要通過(guò)維修過(guò)程仿真，進(jìn)行可達(dá)性、活動(dòng)空間、維修人員受力、維修安全等方面的核查與檢測(cè)分析，評(píng)估所發(fā)現(xiàn)的維修問題；統(tǒng)計(jì)分析維修作業(yè)的相關(guān)信息，并對(duì)維修作業(yè)時(shí)間進(jìn)行估算，得出完成維修任務(wù)的總時(shí)間；最后，綜合定性定量分析結(jié)果評(píng)價(jià)維修任務(wù)完成的難易程度。系統(tǒng)幫助維護(hù)則主要對(duì)維修工具設(shè)備、人體模型、維修知識(shí)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理維護(hù)，提供系統(tǒng)的使用幫助。

圖5系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.5　 System function structure

3　關(guān)鍵技術(shù)

3.1虛擬維修樣機(jī)技術(shù)

由于艦船結(jié)構(gòu)巨大、復(fù)雜，故構(gòu)建其虛擬樣機(jī)的工作也比較困難。本文總結(jié)了以CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立艦船虛擬維修樣機(jī)的一般方法。首先，對(duì)艦船三維模型進(jìn)行輕量化處理?；痉椒ㄊ歉鶕?jù)虛擬維修實(shí)際需要，利用CAD軟件對(duì)艦船的裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)，以艙室為對(duì)象提取有關(guān)組件，包括艙室結(jié)構(gòu)、需要維修的設(shè)備以及其他相關(guān)聯(lián)的設(shè)備。對(duì)于需要維修拆卸的零部件，可能還需要視情進(jìn)行重建。然后，通過(guò)格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化導(dǎo)入虛擬維修環(huán)境，建立初樣機(jī)。最后，在初樣機(jī)上定義交互特征［6］，以支持人機(jī)交互仿真。根據(jù)維修工作分析，確定維修的過(guò)程與技術(shù)特點(diǎn)，建立樣機(jī)約束關(guān)系模型。虛擬維修人員、虛擬維修樣機(jī)和工具等組成了一個(gè)特定維修任務(wù)的虛擬仿真場(chǎng)景。建模過(guò)程如圖6所示［7］。

3.2虛擬人建模與仿真技術(shù)

圖6虛擬維修樣機(jī)建模過(guò)程Fig.6 Modeling process of virtual maintenance prototyping

虛擬人建模與仿真有著較為成熟可用的技術(shù)。但是，為了逼真地模擬維修過(guò)程仿真中虛擬人的動(dòng)作，對(duì)虛擬人模型和仿真控制都有較高的要求，人體關(guān)節(jié)、測(cè)量尺寸與外貌都要盡可能接近真人。基于骨骼驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)格化虛擬人模型是一種較好的技術(shù)方法。本文以Jack7.0為例，首先創(chuàng)建一個(gè)由71個(gè)骨骼片段、69個(gè)關(guān)節(jié)，共135個(gè)自由度的人體骨骼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖7（左））；然后，利用三維建模軟件，如3D MAX創(chuàng)建虛擬人的外表，即骨骼蒙皮，外形以某海軍戰(zhàn)士為模特，人體尺寸參照《中國(guó)成年人人體尺寸》（GB 1000-88）中的90百分位數(shù)據(jù)［8］；最后，將蒙皮與人體骨架模型進(jìn)行綁定，使蒙皮能夠被骨架模型驅(qū)動(dòng)，支持人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。在綁定過(guò)程中，需要調(diào)整設(shè)定關(guān)節(jié)活動(dòng)與蒙皮表面變形的權(quán)重系數(shù)，在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)周圍皮膚自然、逼真的變形效果。建好的虛擬維修戰(zhàn)士模型如圖7所示。

圖7虛擬維修戰(zhàn)士模型Fig.7 Virtual model of a maintenance soldier

3.3參數(shù)化維修動(dòng)作建模與仿真技術(shù)

3.3.1維修過(guò)程分解與分類

艦船裝備的維修過(guò)程一般是按照“步驟—子步驟”的結(jié)構(gòu)來(lái)描述，但它并不能完全包含關(guān)于維修人員操作、工具使用和零部件運(yùn)動(dòng)等的所有信息。維修人員往往是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)維修步驟的理解來(lái)完成具體的操作。因此，這種描述不能滿足虛擬維修仿真要求，需要對(duì)維修過(guò)程予以進(jìn)一步的分解，不僅要求在最低層需具有明確的維修動(dòng)作語(yǔ)義，而且還要便于分類建立通用的維修動(dòng)作模型［9］。為此，在現(xiàn)有維修分解方法的基礎(chǔ)上，定義維修作業(yè)單元，該作業(yè)單元既指基本維修作業(yè)，又包括人的操作、移動(dòng)和姿勢(shì)調(diào)整等動(dòng)素。維修作業(yè)單元具有一定的維修語(yǔ)義，即若干維修作業(yè)單元的組合可以描述一個(gè)完整的維修事件。為便于建立參數(shù)化動(dòng)作函數(shù)，又定義了維修動(dòng)素，它是構(gòu)成維修動(dòng)作的一個(gè)基本動(dòng)作單位。由此，建立維修過(guò)程模型，包括維修事件、維修作業(yè)、維修作業(yè)單元和維修動(dòng)素4個(gè)層次。圖8［10］所示為某變速箱艦員級(jí)維修更換齒輪的分解層次結(jié)構(gòu)。

根據(jù)維修特點(diǎn)，對(duì)維修動(dòng)作進(jìn)行抽象和分類，共歸納為10類維修動(dòng)素。以常見的手部抓取動(dòng)作為例，介紹參數(shù)化動(dòng)作函數(shù)的設(shè)計(jì)方法。用手抓取一般符合以下過(guò)程：觀察作用物—調(diào)整手形—手伸向目的物—手與目的物精確定位—抓握。

手抓取的函數(shù)為hand_get（lhuman，goal，handshape，get_duration，jfrom，duration，poweight，type，start）。

其中：

goal指目標(biāo)物上的抓握點(diǎn)，此參數(shù)確定了手與目標(biāo)物精確定位的位置和方向。

handshape為抓握時(shí)手的基本形態(tài)，也是grasp動(dòng)素的預(yù)手形，根據(jù)作用物的類型，可以將常用的hand_get手形分為5大類21種，形成一個(gè)應(yīng)用手型庫(kù)。

get_duration指動(dòng)作完成后終端效應(yīng)器與目標(biāo)點(diǎn)距離的控制值，默認(rèn)為0。

jfrom指運(yùn)動(dòng)的起算關(guān)節(jié)，即采用逆向算法計(jì)算各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)量時(shí)從該關(guān)節(jié)開始計(jì)算，其決定了動(dòng)作涉及到的人體關(guān)節(jié)范圍，一般取值為肩“shoulder”或腰“waist”。

duration為動(dòng)作持續(xù)的時(shí)間。

poweight指位置與方向之間的權(quán)值，0為方向定位，1為位置定位，默認(rèn)為0.5，即同時(shí)考慮方向與位置的定位。

type指左、右手臂的選擇，默認(rèn)為右手的抓取動(dòng)作。

3.3.2參數(shù)化維修動(dòng)作建模

采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)將上述維修動(dòng)素參數(shù)化，建立維修動(dòng)作參數(shù)化模型，并在Jack 7.0環(huán)境下設(shè)計(jì)開發(fā)維修動(dòng)作函數(shù)庫(kù)。用戶根據(jù)輸入的維修過(guò)程描述，建立維修步驟，調(diào)用維修動(dòng)作函數(shù)，編輯實(shí)現(xiàn)維修過(guò)程仿真。動(dòng)作庫(kù)界面如圖9所示。

圖8某變速箱維修過(guò)程分解Fig.8 Break down of gear-box maintenance process

圖9參數(shù)化維修動(dòng)作函數(shù)庫(kù)Fig.9 Parameterization function library for maintenance action

3.4維修性分析評(píng)價(jià)技術(shù)

基于仿真的維修性分析采用維修問題分析法。即通過(guò)分析產(chǎn)品維修時(shí)可能發(fā)生的各種維修問題及其對(duì)維修的影響，并將維修問題對(duì)維修任務(wù)的影響程度進(jìn)行評(píng)估，提出對(duì)應(yīng)的補(bǔ)救措施來(lái)提高產(chǎn)品維修性。通過(guò)維修問題分析，將系統(tǒng)各個(gè)層次上的維修問題進(jìn)行確認(rèn)，從維修難度、維修時(shí)間和維修費(fèi)用等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)［11］。

基于仿真的維修性分析評(píng)價(jià)的基本思路是：首先，在維修過(guò)程分解結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對(duì)維修動(dòng)作層仿真檢測(cè)到的維修問題進(jìn)行描述與確認(rèn)，分析對(duì)維修的影響程度，提出補(bǔ)救措施；然后，在維修作業(yè)層對(duì)發(fā)現(xiàn)的維修問題進(jìn)行綜合分析，并考慮維修作業(yè)的其他影響因素，對(duì)維修難度進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括作業(yè)工具、緊固類型、作業(yè)時(shí)間等；最后，在維修事件層，利用底層包含的維修作業(yè)分析結(jié)果，輸入到綜合評(píng)價(jià)模型，以評(píng)價(jià)整個(gè)維修事件的維修性水平?；镜乃悸啡鐖D10所示。

該方法的特點(diǎn)是自底向上逐層在子系統(tǒng)、系統(tǒng)、整機(jī)上做出維修性評(píng)價(jià)，而問題的描述則與具體的結(jié)構(gòu)、具體的維修、乃至細(xì)微的操作直接關(guān)聯(lián)。這樣既可以從宏觀上給出評(píng)價(jià)，判定是否滿足設(shè)計(jì)要求，又可以準(zhǔn)確定位與描述存在的問題，便于設(shè)計(jì)人員理解和分析原因，進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

圖10基于數(shù)字樣機(jī)的維修性分析與評(píng)價(jià)思路Fig.10　 The idea of maintainability analysis and evaluation based on digital prototyping

4　實(shí)例分析

本文以某型水質(zhì)后處理設(shè)備更換濾芯為例，創(chuàng)建了維修環(huán)境和維修任務(wù)，通過(guò)虛擬人在虛擬艙室環(huán)境下的維修仿真任務(wù)的動(dòng)作定義，對(duì)設(shè)備濾芯更換過(guò)程進(jìn)行了仿真。結(jié)合維修作業(yè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和過(guò)程仿真，估算了任務(wù)的拆裝時(shí)間，對(duì)可達(dá)性、可視性、姿勢(shì)舒適度等進(jìn)行了分析，對(duì)維修難度進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。其中，維修時(shí)間估算界面如圖11所示，舒適度分析界面如圖12所示。

圖11維修時(shí)間估算界面Fig.11　 Interface of maintenance time estimation

圖12工作姿勢(shì)分析界面Fig.12　 Interface of working posture analysis

通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，在目前的艙室環(huán)境中，虛擬人能夠完成濾芯更換過(guò)程，但因?yàn)樵O(shè)備橫梁較高，手的姿勢(shì)稍顯不舒適，維修空間略顯狹小。為了改善該設(shè)備的維修性，對(duì)設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計(jì)和布置進(jìn)行了調(diào)整，將設(shè)備的橫梁降低了300 mm，維修通道寬度增加了100 mm，調(diào)整后，對(duì)維修任務(wù)再次進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)人體手部關(guān)節(jié)的不適得到了明顯的改善，舒適度指標(biāo)也相應(yīng)提高。

5　結(jié)　語(yǔ)

本文以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)基于數(shù)字樣機(jī)的艦船維修性分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論，應(yīng)用該系統(tǒng)，對(duì)某型水質(zhì)后處理設(shè)備進(jìn)行了維修性設(shè)計(jì)分析，初步驗(yàn)證了系統(tǒng)技術(shù)的可行性和有效性。但目前的分析主要針對(duì)的還是可達(dá)性、可視性與人素等方面，未來(lái)還需要對(duì)艦船維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、評(píng)估指標(biāo)等進(jìn)行深入研究，對(duì)基于維修問題的維修性綜合評(píng)價(jià)模型進(jìn)行驗(yàn)證與修改完善，對(duì)維修時(shí)間的估算模型與驗(yàn)證方法進(jìn)行深入研究，以便進(jìn)一步提高系統(tǒng)分析的能力和分析評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度。

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Ship maintainability design analysis technology based on digital prototyping

FANG Qiang1，WANG Songshan2，ZHU Hong1，ZHANG Ping1

1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China 2 Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China

Abstract：Aiming at the actual requirement of ship maintainability design and the shortcoming of veracity and intuition of traditional maintainability analysis techniques, a ship maintainability design analysis sys?tem is proposed in this paper based on digital prototyping through secondary development on Jack. The de?velopment is accomplished under instruction of the system structure, which includes interface layer, appli?cation layer, object layer, and technical support layer, and through the key technology of virtual prototyping modeling, virtual human modeling and simulation, parameterization maintenance operation modeling and simulation, the maintainability analysis based actual maintenance troubles is conducted. Finally, a certain maintenance task of replacing the filter element of one type of water quality after-treatment equipment in cabins is selected, where the maintainability design analysis is performed, and the feasibility and effective?ness of the system are verified.

Key words：ship；maintainability；digital prototyping；design；analysis

作者簡(jiǎn)介：方強(qiáng)，男，1978年生，博士，高級(jí)工程師。研究方向：艦船綜合保障工程理論與應(yīng)用。E-mail：blacktwo78@163.com王松山（通信作者），男，1976年生，博士，講師。研究方向：維修性理論與應(yīng)用，虛擬維修。E-mail：Roger_ssw@163.com

收稿日期：2015 - 06 - 29網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-1-19 14:55

中圖分類號(hào)：U672.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.01.015

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160119.1455.032.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：方強(qiáng)，王松山，祝泓，等.基于數(shù)字樣機(jī)的艦船維修性設(shè)計(jì)分析技術(shù)［J］.中國(guó)艦船研究，2016，11（1）：114-120. FANG Qiang，WANG Songshan，ZHU Hong，et al. Ship maintainability design analysis technology based on digital prototyping［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（1）：114-120.