船體分段裝配序列規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：船舶分段在整個(gè)船舶建造過(guò)程中起著非常重要的作用。船舶裝配的虛擬模擬可以有效地縮短施工周期，找出施工過(guò)程中的不合理情況，降低返工率，降低施工成本。該方法能有效保證施工質(zhì)量，解決船舶裝配順序優(yōu)化問(wèn)題。本文首先分析了國(guó)內(nèi)外虛擬裝配技術(shù)的研究方向，并討論了虛擬裝配技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用情況。然后，選擇一種更合適的形式，有效地解決了船舶分段裝配序列優(yōu)化問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了船舶分段裝配序列優(yōu)化問(wèn)題的總體框架，并得到了相應(yīng)的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了船舶分段裝配序列的優(yōu)化因素，并對(duì)裝配序列的正確性和合理性進(jìn)行了檢驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：船舶分段；裝配；序列優(yōu)化；研究

前言

在船舶建造過(guò)程中，構(gòu)件裝配質(zhì)量和裝配效率是影響造船質(zhì)量的重要因素。由于造船是一項(xiàng)復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)工程，現(xiàn)代造船工程往往應(yīng)用于數(shù)字信息平臺(tái)，其中模擬裝配系統(tǒng)是最常用的新型制造技術(shù)。以數(shù)字軟件構(gòu)建的平臺(tái)為基礎(chǔ)，在模擬環(huán)境中對(duì)船體構(gòu)件進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了船體在模擬環(huán)境下的裝配、測(cè)試和設(shè)計(jì)。在模擬環(huán)境中，整個(gè)模擬過(guò)程不僅可以體現(xiàn)在裝配過(guò)程中，還可以體現(xiàn)在產(chǎn)品的裝配中，為以后的實(shí)際裝配提供了理論依據(jù)。此外，以后的組裝、維護(hù)和組件恢復(fù)可以作為基礎(chǔ)。我國(guó)造船業(yè)起步較晚，自主研發(fā)制造技術(shù)相對(duì)較少。分段建造仍然是中國(guó)造船的基本模式。其施工步驟包括四個(gè)主要步驟：一是對(duì)制造船舶的鋼板進(jìn)行預(yù)處理；二是將零部件組合成平面分段和部件模塊；第三，將部件和平面分段等構(gòu)件組合成分段以及總段。第四，將分段、總段進(jìn)行組合，最終形成完整的船體。

1建立分段構(gòu)件模型

對(duì)船體裝配前需要對(duì)船體各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行全面分析，通過(guò)構(gòu)件船體3D模型，將整個(gè)船體結(jié)構(gòu)劃分為若干模塊，并保證所構(gòu)件模型中每個(gè)模塊都是獨(dú)立的裝配體，依照功能以及位置建立起相關(guān)的結(jié)構(gòu)模型。而模型的建立首先需要的便是構(gòu)件的幾何特征，包含構(gòu)件的種類、所屬以及在船體的具體位置等，另外還需要注重構(gòu)件的開孔屬性和累加幾何特性等。在構(gòu)件船體分段模型中，需要依照船體結(jié)構(gòu)特征以及功能特征進(jìn)行劃分，常見的模塊主要為：特征結(jié)構(gòu)、外板結(jié)構(gòu)以及甲板結(jié)構(gòu)和艙室結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)模塊。其中肋骨和縱骨是船體的主構(gòu)件，在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意，應(yīng)當(dāng)首先完成主構(gòu)件的設(shè)計(jì)，在其基礎(chǔ)上完成從屬構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

在船體的分段裝配建模過(guò)程中，可以將結(jié)構(gòu)構(gòu)件分成兩大類。首先是同曲面相關(guān)的模型，其次則是同曲面不相關(guān)的構(gòu)件。例如肋骨以及肋板等構(gòu)件是同船體曲面相關(guān)的構(gòu)件，在建立模型時(shí)需要對(duì)了解船體的曲線，從而得到構(gòu)件輪廓，從而有效保證構(gòu)件模型的準(zhǔn)確性。而數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)件首先應(yīng)當(dāng)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)，其次則是對(duì)船體曲面信息獲取與否進(jìn)行判斷。如果構(gòu)件需要獲取船體曲面信息，則應(yīng)當(dāng)將曲面文件打開，并依照零構(gòu)件的位置，對(duì)3D曲線進(jìn)行放樣，建立起剖切面模型，以此獲得其同船體曲面相關(guān)構(gòu)件，通過(guò)計(jì)算得到構(gòu)建輪廓。從而為模塊的焊接提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。然后解除其作為交線的二階幾何約束，擬合并添加控制點(diǎn)，控制點(diǎn)的數(shù)量由擬合度決定。在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，大部分結(jié)構(gòu)都同曲面相關(guān)，因此需要著重予以關(guān)注。

2設(shè)計(jì)分析

基本模型的建立是模型整體分段裝配的初始過(guò)程，圖形模型以及基本模型是構(gòu)成船舶分段結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)產(chǎn)品。船體分段構(gòu)建的成分、物理特性以及幾何信息等基本信息都是籍由基本模型進(jìn)行表述。船體分段的各個(gè)部件在圖形系統(tǒng)中通過(guò)點(diǎn)面的配合進(jìn)行組裝。在系統(tǒng)中可以查詢到構(gòu)成分段的所有構(gòu)件信息，另外構(gòu)建模型所需要的設(shè)計(jì)信息也可以在數(shù)據(jù)庫(kù)視圖中查詢到。分段構(gòu)件的所有信息都可以通過(guò)分段數(shù)據(jù)模塊予以查詢，系統(tǒng)還能夠?qū)λ袠?gòu)件質(zhì)量特性等相關(guān)信息進(jìn)行查詢，令工作人員充分了解構(gòu)件的重心、重量等。

在裝配模擬系統(tǒng)中，組件信息的存儲(chǔ)實(shí)際上是組件日志和相關(guān)位置的存儲(chǔ)。如果在設(shè)計(jì)中修改組件模型，則相應(yīng)修改裝配模型。本文所述組件在分段裝配中按相應(yīng)的順序進(jìn)行裝配。當(dāng)組件模塊形成小模塊時(shí)，它們?cè)诮M件段中組裝，最終組裝成外殼。在船體結(jié)構(gòu)裝配過(guò)程中，首先需要將配件裝配成結(jié)構(gòu)模塊，然后再裝配成結(jié)構(gòu)模塊。艙壁和彎頭是船體框架結(jié)構(gòu)的重要分段模塊。主要結(jié)構(gòu)模塊組裝完成后，再進(jìn)行分段模型的組裝。利用SolidWorks裝配文檔工具，開發(fā)了參數(shù)化零件相關(guān)材料列表、裝配視圖和帶有指導(dǎo)線的零件編號(hào)。裝配類型可分為組件裝配、組裝配和段裝配。組件分組組裝，您可以選擇瀏覽單個(gè)組件，也可以選擇組裝一組組件。當(dāng)在裝配過(guò)程中發(fā)生重疊時(shí)，將顯示紅色。單擊干涉檢查后，將列出相應(yīng)的組件信息。裝配完成后，在裝配組中，將所有裝配協(xié)調(diào)關(guān)系存儲(chǔ)為組，將裝配信息存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的裝配表中，并保存得到的模型。

3管理模型

通過(guò)使用分段裝配模型進(jìn)行船體的裝配模擬，在模擬過(guò)程中就能直觀的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中不合理的地方，以裝配關(guān)系為基礎(chǔ)能夠在模型中進(jìn)行關(guān)聯(lián)修改。例如可以對(duì)不適當(dāng)一個(gè)構(gòu)件進(jìn)行以此修改，也可以針對(duì)同類型成批的構(gòu)件進(jìn)行批量修改，也能夠有選擇的對(duì)一個(gè)構(gòu)件的關(guān)聯(lián)構(gòu)件進(jìn)行修改。在進(jìn)行關(guān)聯(lián)修改過(guò)程中，只需要對(duì)所需修改的主構(gòu)件進(jìn)行修改，例如修改設(shè)計(jì)參數(shù)，便能夠進(jìn)行關(guān)聯(lián)修改，同主構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的子構(gòu)件參數(shù)以及模型都會(huì)隨之修改。在關(guān)聯(lián)修改中，對(duì)位置約束以及特征進(jìn)行改變，在刷新構(gòu)件后，同該修改相關(guān)的特征以及所修改的特征都會(huì)發(fā)生改變。

4顯示裝配順序

在裝配作業(yè)中，最重要的是規(guī)劃裝配順序。只有保證裝配順序的合理性和科學(xué)性，才能在更大程度上降低裝配成本，提高裝配效率。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具可以有效地計(jì)算出裝配序列，計(jì)算機(jī)可以生成各種裝配方案。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)是基于設(shè)計(jì)條件和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的。在虛擬裝配系統(tǒng)中，對(duì)裝配段進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，判斷是否需要進(jìn)行修正，直到設(shè)計(jì)沒(méi)有問(wèn)題，最終選擇最優(yōu)的裝配方案。通過(guò)CAD工具，模型的狀態(tài)可以顯示在組裝過(guò)程中，以便用戶可以看到整個(gè)裝配過(guò)程，通過(guò)軟件的演示功能，整個(gè)過(guò)程的模擬裝配可以查看，并通過(guò)裝配組件可以被監(jiān)控的重疊檢測(cè)。

通過(guò)裝配過(guò)程，我們可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際裝配中由于設(shè)計(jì)不當(dāng)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，如間隙過(guò)小或過(guò)大，零件之間的干涉等。由這些小段組成的段裝配完成后，可以看到整個(gè)段的裝配信息，也可以看到這些段的工作過(guò)程。通過(guò)干涉檢查，可以對(duì)裝配后的模型進(jìn)行干涉檢查，并突出干涉部分。例如，對(duì)甲板裝配模型進(jìn)行靜態(tài)干擾檢查后，在艙口擋泥板和橫梁處發(fā)現(xiàn)干擾。圖像顯示了干涉區(qū)域的長(zhǎng)度、寬度和高度，并突出顯示了所涉及的組件。組裝后，干擾組件程序提供的功能結(jié)構(gòu)修改，選擇相關(guān)的組件相關(guān)的結(jié)構(gòu)修改，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢，顯示主要機(jī)構(gòu)參數(shù)和改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)改變組件的信息，確保模型的同步修改和參數(shù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)船舶分段裝配序列優(yōu)化項(xiàng)目進(jìn)行研究，就能夠有效縮短船舶建造的周期，有效提升船舶建造質(zhì)量，降低其建造成本，這些內(nèi)容對(duì)于船舶建造有著十分重要意義。依據(jù)這樣的發(fā)展?fàn)顩r，本文提出了相應(yīng)優(yōu)化研究?jī)?nèi)容與發(fā)展目標(biāo)，研究建立了相應(yīng)的裝配序列優(yōu)化系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)介：孫日光，（1982年）；男；漢；遼寧大連；工程師，專科。

（作者單位：波塞冬船舶設(shè)計(jì)（大連）有限公司）