船舶軸舵系安裝設(shè)備的虛擬設(shè)計與裝配

李肖艷，張河利，朱 蘇，劉 鵬，顧 勝

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032； 2.上海中船臨港船舶裝備有限公司，上海 201306)

0 引 言

國外船廠對船舶制造關(guān)鍵工藝設(shè)備的研發(fā)起步比較早，持續(xù)進(jìn)行基礎(chǔ)投入和滾動開發(fā)，對新技術(shù)關(guān)注度較高。近年來，隨著數(shù)字化造船技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬制造技術(shù)這種數(shù)字化研究制造模式成為業(yè)界的關(guān)注焦點(diǎn)。虛擬裝配(Virtual Assembly)是虛擬設(shè)計技術(shù)和虛擬制造技術(shù)的關(guān)鍵組成部分之一[1]。使用數(shù)字化方法對安裝設(shè)備的設(shè)計制造進(jìn)行研究，對安裝工藝進(jìn)行規(guī)劃，是船舶行業(yè)對虛擬裝配的一種探索。

1 軸舵系的安裝流程

軸舵系安裝的精度及質(zhì)量直接影響船舶的航行性能和使用壽命，其安裝效率直接影響船舶的下水周期。圖1為我國船廠通用軸系的傳統(tǒng)安裝流程。由于艉部空間比較狹小，各軸的尺寸與重量較大，安裝過程缺少有效的安裝設(shè)備。在實(shí)際安裝過程中，預(yù)先在船體艉部鋼板上燒焊若干數(shù)量的吊碼用于懸掛手拉葫蘆，安裝時先利用起吊設(shè)備與模塊車將軸系運(yùn)送至船體艉部，再利用吊碼上的手拉葫蘆對軸系進(jìn)行固定，通過靠人工經(jīng)驗調(diào)整手拉葫蘆受力點(diǎn)完成軸系移動與安裝。整個軸系安裝過程主要依靠人工經(jīng)驗，存在很多安全隱患，很難保證精度和質(zhì)量，且耗費(fèi)時間較長。使用SolidWorks軟件，則可仿真分析針對軸系安裝的工藝普適性原理，研究符合其安裝工藝的設(shè)備，并適時進(jìn)行安裝工藝革新。

圖1 通用軸系的傳統(tǒng)安裝流程

圖2為舵系的安裝流程。船舶的操控性能包含航向穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)性，操控性能是否優(yōu)異受舵系安裝的質(zhì)量水平因素影響較大[2]。舵系一般包含舵葉、舵桿、舵軸、舵銷等零部件及其相關(guān)的控制系統(tǒng)，其安裝精度、安裝效率、安裝方法、安裝工藝對船舶設(shè)備設(shè)計非常重要。使用SolidWorks軟件，對于舵系設(shè)備及安裝工藝的設(shè)計來說，則是關(guān)鍵性的前置因素。

圖2 舵系的安裝流程

2 軸舵系的虛擬裝配技術(shù)

2.1 面向設(shè)備的虛擬建模技術(shù)

使用SolidWorks軟件對軸舵系安裝設(shè)備進(jìn)行設(shè)計，非常有利于設(shè)計-生產(chǎn)-安裝的過程中各部門對設(shè)計要領(lǐng)直接且精準(zhǔn)的把握。使用該軟件對零部件進(jìn)行設(shè)計造型的過程為：首先選擇基準(zhǔn)面，繪制生成具有零部件模型特征的基本草圖；然后使用各種基本特征命令，創(chuàng)建反映出基礎(chǔ)特征的零部件；最后使用修飾特征命令，在基本草圖中添加其他特征，進(jìn)一步完成整個零部件的造型，完成對零部件的基本設(shè)計。隨著對設(shè)計技術(shù)的精進(jìn)和對該軟件建模技巧的總結(jié)，得出一些優(yōu)化設(shè)計的方法和設(shè)計技巧。在設(shè)計進(jìn)行前，對零部件的基礎(chǔ)特征進(jìn)行認(rèn)真分析，提高設(shè)計效率；在設(shè)計進(jìn)行中，對截面草圖盡可能使用實(shí)體轉(zhuǎn)換命令，盡可能使用已生成的實(shí)體特征中的圖線；在設(shè)計完成后，對零部件保存的命名盡可能合理直觀、存于同一目錄，方便查找。此外，根據(jù)舵軸系安裝設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成，對其零部件進(jìn)行精確建模，并對建模后各零部件的裝配關(guān)系進(jìn)行正確定義，生成圖片或視頻文檔，是完成軸舵系安裝設(shè)備設(shè)計及工藝規(guī)劃的關(guān)鍵。圖3是使用該軟件設(shè)計的船舶軸舵系安裝設(shè)備三維模型。

圖3 船舶軸舵系安裝設(shè)備三維模型

為保障設(shè)計的精準(zhǔn)性、可追溯性，SolidWorks軟件具備相關(guān)的導(dǎo)出功能，例如，可使用同步設(shè)計導(dǎo)出工具，不僅可導(dǎo)出相對完整的工程圖數(shù)據(jù)，而且還具備導(dǎo)出完整三維立體模型的功能。此外，該軟件可對導(dǎo)出的三維立體模型的各個裝配體間的相互關(guān)系及各個零部件進(jìn)行具體的描述。上述這些安裝數(shù)據(jù)的導(dǎo)出，有利于在設(shè)計轉(zhuǎn)生產(chǎn)時轉(zhuǎn)產(chǎn)信息的導(dǎo)出，有利于設(shè)備的投產(chǎn)。在設(shè)備安裝過程中，這些導(dǎo)出的設(shè)計信息也可順利地顯示安裝要求，有利于在設(shè)備的安裝過程中準(zhǔn)確把握設(shè)備部件的性能。

2.2 干涉檢查

干涉問題歷來是設(shè)備設(shè)計中各部件間的重要問題，在設(shè)計一個復(fù)雜的裝配體時，如果僅僅靠經(jīng)驗值來檢查和完善零部件間是否存在干涉，通常是非常困難的。使用SolidWorks軟件進(jìn)行設(shè)計，可在設(shè)計過程中消滅或減少零部件的干涉問題。根據(jù)對象屬性分析，虛擬設(shè)備的干擾檢查可分為幾何可行性分析和機(jī)械可行性分析，根據(jù)對象觀察狀態(tài)可分為靜態(tài)干擾檢查和動態(tài)干擾檢查[2]。在使用該軟件完成設(shè)計組裝后，即可通過其自帶的功能模塊對整個裝配體或裝配中自選定的零部件執(zhí)行靜態(tài)干涉檢查，從而獲知是否存在干涉及干涉的體積。同時，該軟件可完成基于靜態(tài)干涉檢查的動態(tài)干涉檢查，在點(diǎn)擊“旋轉(zhuǎn)”或“移動零部件”命令時，可對在該動態(tài)條件下的干涉進(jìn)行自動檢查。此外，該軟件還具有動態(tài)計算零部件間隙的功能，可輔助設(shè)計人員計算零部件在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的最小干涉值。通過該軟件及其相關(guān)功能模塊的不斷優(yōu)化，可幫助設(shè)計者找出零部件干涉和模塊干涉的最佳解決方案。

圖4 軸舵系安裝設(shè)備干涉檢查

2.3 裝配約束

零部件間的相互約束及相互位置關(guān)系限制零部件間的相互自由度。因此在設(shè)計中，可將2個或多個裝配模型插入裝配文件中，在SolidWorks軟件中定義各裝配模型間的平行、重合、垂直或角度等的相互關(guān)系。通常，相互約束關(guān)系有4個：同軸心，分別選取2個或多個零部件的圓形面，該軟件會自動選取其同軸心的中心線；平行，即零部件面與面之間的相互平行關(guān)系；接觸，即2個面相互接觸的關(guān)系；距離，即2個基準(zhǔn)面間的相對距離關(guān)系。零部件間的約束關(guān)系可確保組件的設(shè)計正確，并相對簡化裝配設(shè)計的過程。在該軟件的二維或三維草圖中即可定義約束，即在設(shè)計階段就指定零部件設(shè)計必須滿足的條件，使得零部件中各種點(diǎn)、面、線的關(guān)系變得穩(wěn)定，從而使得零部件不論是部分或是整體，其形狀大小不會隨著其他關(guān)系的改變而改變。

3 軸舵系的虛擬裝配

虛擬裝配流程的核心思想是使用虛擬技術(shù)與現(xiàn)實(shí)進(jìn)行相互比對，并利用其沉浸式、交互性和想象力的特征來建立與實(shí)際裝配環(huán)境高度接近的裝配工藝過程環(huán)境。設(shè)計人員基于經(jīng)驗在虛擬環(huán)境中交互地建立產(chǎn)品的裝配序列和裝配路徑，確定工裝、夾具和裝配方法，并可視化地編輯產(chǎn)品部件裝配工藝過程信息[3]。對軸舵系安裝設(shè)備，主要內(nèi)容是基于對安裝過程的科學(xué)表示和對運(yùn)動變換與實(shí)現(xiàn)的正確模擬，通過對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之間的詳細(xì)干涉檢查及動態(tài)調(diào)整，可確保裝配路徑的有效性。

3.1 舵葉的虛擬裝配

在舵槳安裝平臺設(shè)備設(shè)計時，針對舵葉的安裝，使用SolidWorks軟件放置舵葉的主平臺，并對主平臺結(jié)構(gòu)功能模塊進(jìn)行三維建模。在舵葉移動安裝的過程中，使用該軟件的Motion插件完成對各調(diào)整機(jī)構(gòu)在水平方向、橫向、縱向和橫向轉(zhuǎn)角上進(jìn)行舵葉安裝位置調(diào)整的運(yùn)動仿真，初步驗證整個舵葉裝配工藝方案的可行性，可確保舵葉的精準(zhǔn)安裝。舵葉裝配流程如圖5所示。

圖5 舵葉裝配流程

對舵葉的設(shè)備及安裝工藝進(jìn)行數(shù)字化虛擬研究，需要對安裝現(xiàn)場工況進(jìn)行把握，并在此基礎(chǔ)上使用SolidWorks軟件的在線模擬，以完成對設(shè)備的虛擬裝配和設(shè)計優(yōu)化。舵葉安裝設(shè)備及安裝機(jī)構(gòu)虛擬裝配如圖6所示。最后保存運(yùn)動動畫。

圖6 舵葉安裝設(shè)備及安裝機(jī)構(gòu)虛擬裝配

3.2 尾軸和槳軸的虛擬裝配

使用SolidWorks軟件放置舵葉及兼顧軸系安裝的主平臺，并對主平臺結(jié)構(gòu)功能模塊進(jìn)行三維建模。使用該軟件的Motion插件對尾軸和槳軸的安裝過程進(jìn)行虛擬運(yùn)動仿真，通過數(shù)字化手段優(yōu)化設(shè)備的設(shè)計，完善整個虛擬安裝過程。槳軸虛擬裝配流程如圖7所示。

圖7 槳軸虛擬裝配流程

在軸系運(yùn)動仿真過程中，軸系安裝全過程必須保證尾軸和槳軸在運(yùn)送導(dǎo)軌上有穩(wěn)定的支承，且始終保障其在移動過程中有2個液壓頂升支承，并對軸的水平方向、橫向、縱向和傾斜角度進(jìn)行調(diào)整。在尾軸和槳軸安裝到有傾角位置時，需要在調(diào)整機(jī)構(gòu)中安裝上鎖緊軸套，以防止其由于自重而產(chǎn)生下滑摩擦力導(dǎo)致軸相對移動，并保持對尾軸和槳軸從水平位置0°不斷進(jìn)行調(diào)整，確保其在傾角調(diào)整時不會發(fā)生傾覆和滑動，直到整個尾軸和槳軸安裝到位。在整個安裝過程中，尾軸和槳軸不可與軸承座孔發(fā)生碰撞和干涉。槳軸安裝設(shè)備及安裝機(jī)構(gòu)虛擬裝配如圖8所示。最后保存運(yùn)動動畫。

圖8 槳軸安裝設(shè)備及機(jī)構(gòu)虛擬安裝

舵槳安裝設(shè)備在滿足軸舵系安裝的工藝要求下設(shè)計完成，使用SolidWorks軟件的Simulation插件將設(shè)計仿真一體化，對在載荷作用下的舵槳安裝設(shè)備的關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，利用數(shù)學(xué)近似方法對基于實(shí)物的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，用有限數(shù)量的未知量單元去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)，最后基于仿真分析結(jié)果對關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。

4 結(jié) 論

使用SolidWorks軟件進(jìn)行船舶軸舵系安裝設(shè)備及安裝工藝的虛擬設(shè)計，主要意義如下：

(1) 使用SolidWorks軟件的設(shè)計和建模功能，完成對船舶軸舵系安裝設(shè)備中主要零部件的設(shè)計和三維建模，分析各零部件之間的配合關(guān)系，完成安裝設(shè)備的設(shè)計和安裝建立；并在設(shè)計過程中，對安裝設(shè)備各零部件進(jìn)行干涉檢測，約束定義其裝配關(guān)系，可在設(shè)計階段將設(shè)計誤差及裝配不良降到最低。

(2) 使用SolidWorks軟件的Motion插件，完成船舶軸舵系安裝的運(yùn)動仿真，對安裝過程進(jìn)行動畫輸出，保存成視頻，并使用該軟件的Simulation插件對在載荷作用下的舵槳安裝設(shè)備的關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，以便對其進(jìn)行優(yōu)化。