船舶管系復(fù)雜支架柔性設(shè)計(jì)方法

雷洪濤，蔡乾亞，張 欣，唐 能

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引 言

當(dāng)前，我國(guó)各造船企業(yè)都在推進(jìn)智能化、數(shù)字化造船，但基于二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)交付物的形式?jīng)Q定了其很難向智能制造方向發(fā)展[1-2]。為推動(dòng)船舶向智能化、數(shù)字化設(shè)計(jì)制造方向發(fā)展，江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“江南造船”）以用戶體驗(yàn)為核心，在船舶設(shè)計(jì)過程中全面推行三維設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)，使設(shè)計(jì)人員在三維環(huán)境下協(xié)同開展相關(guān)設(shè)計(jì)工作。但是，目前船舶管支架三維柔性設(shè)計(jì)與其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比還處于落后的狀態(tài)[3]，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)管支架的快速、柔性化三維設(shè)計(jì)建模，該問題是制約企業(yè)推進(jìn)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)用的瓶頸問題之一[4]。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)管支架三維柔性設(shè)計(jì)的研究還處于空白狀態(tài)，可借鑒的研究較少[5]。為解決該問題，對(duì)船舶管支架柔性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，突破管支架三維建模技術(shù)難題，滿足復(fù)雜支架的創(chuàng)建、修改和檢查等功能需求。該方法已在實(shí)船設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用，能極大地提高建模的效率和設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度。

1 管支架柔性設(shè)計(jì)需求分析

1.1 功能需求分析

船舶管系復(fù)雜支架柔性設(shè)計(jì)應(yīng)保證設(shè)計(jì)人員能靈活便捷地進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)交互，不僅需實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中所需的創(chuàng)建、修改和檢查等功能，而且需具有高效便捷的操作流程和簡(jiǎn)潔易懂的操作界面。針對(duì)船舶管支架設(shè)計(jì)應(yīng)用需求，通過調(diào)研分析的方式對(duì)管支架柔性設(shè)計(jì)功能需求進(jìn)行分類匯總，共整理出支架建模、支架編輯、管夾編輯、型材編輯和支架后處理等5種功能，以及16項(xiàng)具體功能需求，表1為完整功能需求匯總。

表1 管支架功能需求匯總

1.2 結(jié)構(gòu)和類型分析

為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜支架柔性設(shè)計(jì)，首先需對(duì)支架結(jié)構(gòu)和類型進(jìn)行分析，明確支架的組成和通用管支架的類型。目前，船舶通用管支架主要由管夾、型材、腹板和緊固件等4部分組成，在特殊情況下還包含墊塊和隔振器等部件[6]。結(jié)合以往的船舶設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)支架安裝位置、安裝環(huán)境和安裝作用的不同，常用的支架組合共13種，圖1為幾種典型支架組合形式。管夾主要由卡環(huán)和緊固件2部分組成，目前所需的管夾有單管形式、多管形式、夾環(huán)支架一體/單管形式和夾環(huán)支架一體/多管形式等4種（見圖2）。型材主要分為角鋼和扁鋼2種，根據(jù)建模需求，目前常用的角鋼主要有12種規(guī)格，扁鋼有3種規(guī)格[7]。

通過對(duì)支架的結(jié)構(gòu)和類型進(jìn)行分析，可明確以下支架三維快速建模方法：

1) 針對(duì)13種通用支架類型，可分別創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的骨架模型，通過調(diào)用骨架模型實(shí)現(xiàn)管支架模型快速創(chuàng)建。

2) 根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可通過自定義知識(shí)規(guī)則實(shí)現(xiàn)支架部件模型快速匹配和自動(dòng)裝配。

3) 由于管夾的規(guī)格和形式較為固定，管夾模型可作為標(biāo)準(zhǔn)件處理，通過創(chuàng)建部件庫統(tǒng)一管理，在實(shí)際建模過程中，直接通過識(shí)別管子的外徑實(shí)現(xiàn)快速匹配調(diào)用。型材作為變形件，在創(chuàng)建支架過程中，其實(shí)際規(guī)格和長(zhǎng)度通過環(huán)境匹配并計(jì)算來確定。

圖1 幾種典型支架組合形式

圖2 典型管夾示意

4) 復(fù)雜支架可基于13種通用支架，通過組合或修改型材及管夾等方式實(shí)現(xiàn)快速創(chuàng)建。

5) 針對(duì)不同結(jié)構(gòu)件，分別進(jìn)行質(zhì)量或密度賦值，在快速生成支架過程中，自動(dòng)計(jì)算支架的總質(zhì)量和各部件的質(zhì)量，并賦值相應(yīng)的質(zhì)量屬性，實(shí)現(xiàn)對(duì)支架質(zhì)量的嚴(yán)格管控。

2 管支架柔性設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于骨架模型的建模技術(shù)

實(shí)現(xiàn)支架各部件的自動(dòng)快速生成是管支架柔性設(shè)計(jì)研究的難點(diǎn)之一[8]。研究發(fā)現(xiàn)，采用骨架設(shè)計(jì)方法可快速實(shí)現(xiàn)支架創(chuàng)建[9]。骨架模型是基于參數(shù)化建模方法創(chuàng)建的參數(shù)化模型集，根據(jù)支架結(jié)構(gòu)類型創(chuàng)建各部件的自定義參數(shù)化模板，并將其集成在骨架模型上。在創(chuàng)建支架過程中，通過識(shí)別發(fā)布的參數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整支架的屬性，并為支架的各部件提供定位發(fā)布元素。通過定位發(fā)布元素，可驅(qū)動(dòng)型材自動(dòng)生成，并為管夾和墊塊的安裝提供定位信息。以B型支架骨架模型（見圖 3）為例，針對(duì)該類型支架的特點(diǎn)，將型材和管夾的參數(shù)化模板集成在骨架模型上，當(dāng)骨架模型被調(diào)用時(shí)：

圖3 B型支架骨架模型

1) 識(shí)別輸入的外部條件，主要包括管子、支撐結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)等，可根據(jù)識(shí)別的建模環(huán)境替換掉管夾和型材的定位參考元素。

2) 根據(jù)配置的匹配規(guī)則實(shí)現(xiàn)零件模型調(diào)用，其中：型材作為變形模型，根據(jù)骨架的參考元素進(jìn)行自適應(yīng)更改；管夾、腹板和緊固件作為標(biāo)準(zhǔn)件，在部件庫根據(jù)識(shí)別參數(shù)進(jìn)行匹配調(diào)用。

3) 根據(jù)定義裝配的規(guī)則實(shí)現(xiàn)零部件自動(dòng)裝配，完成支架模型創(chuàng)建。

2.2 零部件自動(dòng)裝配技術(shù)

通過采用骨架模型建模方法可實(shí)現(xiàn)支架各部件快速識(shí)別和定位，但對(duì)于零部件模型的正確選型和裝配，則需通過制定有效的匹配規(guī)則來實(shí)現(xiàn)。通過分析可知，選型和裝配的信息主要有建模環(huán)境輸入、零部件發(fā)布參考和用戶自定義參數(shù)等3個(gè)來源。

1) 建模環(huán)境輸入主要指創(chuàng)建支架過程中輸入管子和支撐面，并提取管子外徑和支撐面距管子中心距離等參數(shù)作為支架創(chuàng)建的參考參數(shù)，同時(shí)匹配選用符合尺寸要求的零件；

2) 零部件發(fā)布參考主要指在管夾和型材等零部件上發(fā)布點(diǎn)、線、面等元素，用于實(shí)現(xiàn)零部件快速準(zhǔn)確定位和裝配；

3) 用戶自定義參數(shù)主要指用戶外部輸入?yún)?shù)，根據(jù)實(shí)際建模需求，手動(dòng)控制建模樣式。

在創(chuàng)建支架時(shí)4種支架結(jié)構(gòu)部件的匹配方式有所不同，其中：管夾匹配主要有類型確定、規(guī)格選型和裝配形式等3部分內(nèi)容；型材匹配主要有型材材質(zhì)、型材規(guī)格、型材左右端距和端切形式等4部分內(nèi)容；腹板匹配主要有無腹板、腹板規(guī)格和裝配形式等3部分內(nèi)容；緊固件匹配主要有緊固件選型和緊固件組合形式2部分內(nèi)容。以腹板匹配為例，在創(chuàng)建管支架過程中，實(shí)現(xiàn)快速匹配并裝配的規(guī)則如下。

1) 有無腹板：信息輸入方式為用戶自定義，默認(rèn)有腹板。

2) 安裝形式：信息輸入方式為識(shí)別零部件發(fā)布特征，通過定義指定名稱的發(fā)布點(diǎn)特征進(jìn)行零部件定位。

3) 腹板規(guī)格：信息輸入方式為建模環(huán)境輸入，根據(jù)型材規(guī)格進(jìn)行匹配；每種型材默認(rèn)對(duì)應(yīng)1種規(guī)格的腹板，對(duì)于端部削斜的型材，按較長(zhǎng)一端匹配大規(guī)格的腹板（見圖4）。

圖4 腹板規(guī)格匹配規(guī)則

3 設(shè)計(jì)方法應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

三維體驗(yàn)平臺(tái)能為用戶提供豐富的二次開發(fā)接口，可基于C++開發(fā)語言和組件應(yīng)用架構(gòu)對(duì)設(shè)計(jì)方法和三維體驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行功能集成，使設(shè)計(jì)人員便捷、準(zhǔn)確地完成支架柔性設(shè)計(jì)任務(wù)[10]。針對(duì)梳理出的16項(xiàng)具體功能，分別分析并提出其開發(fā)實(shí)現(xiàn)方法和實(shí)現(xiàn)流程。以標(biāo)準(zhǔn)支架創(chuàng)建為例，實(shí)現(xiàn)過程主要由輸入、執(zhí)行和輸出等3部分組成（見圖5）。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)支架創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)

輸入主要指創(chuàng)建支架時(shí)需滿足的參數(shù)輸入條件，參數(shù)主要來源于二次開發(fā)的可視化交互界面輸入和環(huán)境模型點(diǎn)選（見圖6）。執(zhí)行主要指一系列建模創(chuàng)建計(jì)算行為，主要包括參數(shù)計(jì)算、骨架模型調(diào)用、經(jīng)驗(yàn)規(guī)則匹配、結(jié)構(gòu)部件裝配和屬性寫入等。通過調(diào)用三維體驗(yàn)平臺(tái)提供的開發(fā)功能接口，將基于骨架模型的建模技術(shù)和零部件自動(dòng)裝配技術(shù)融入開發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)骨架模型快速調(diào)用和支架部件快速裝配。另外，在創(chuàng)建支架過程中，通過匹配自定義經(jīng)驗(yàn)知識(shí)規(guī)則，可實(shí)現(xiàn)支架部件快速過濾篩選，提高部件模型調(diào)用的敏捷性。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體模型的創(chuàng)建和輸出。

圖6 支架創(chuàng)建功能交互界面

4 結(jié) 語

本文對(duì)船舶管系支架柔性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，解決了支架柔性建模方法和基于自定義規(guī)則的快速裝配等方面的多項(xiàng)技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜支架創(chuàng)建、修改和交付物輸出等功能需求。應(yīng)用驗(yàn)證結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方法有效可行，能提高建模的自動(dòng)化程度，有效管控建模質(zhì)量，推動(dòng)三維設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)在船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與推廣。本文研究的管系復(fù)雜支架柔性設(shè)計(jì)方法具有一定的參考價(jià)值，可供船舶其他通用類型部件的三維自動(dòng)化建模參考。