基于CATIA COMPOSER的虛擬仿真在造船工藝設(shè)計中的應(yīng)用

鄧昂 陶國君 王燥春

摘 要：介紹了采用基于CATIA Composer的虛擬仿真技術(shù)輔助納期滯后的某型產(chǎn)品大型設(shè)備進(jìn)艙方案設(shè)計，通過碰撞檢查優(yōu)化方案設(shè)計，采用三維可視化虛擬仿真視頻指導(dǎo)生產(chǎn)。該方法對提高工藝設(shè)計的可靠性和降低設(shè)計方案的理解難度具有重要意義。

關(guān)鍵詞：進(jìn)艙方案;CATIA COMPOSER;虛擬仿真

中圖分類號：U66? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）09-0091-04

近年來，造船發(fā)達(dá)國家紛紛利用信息技術(shù)給造船業(yè)帶來的各種機(jī)遇，積極開展船舶以數(shù)字化描述和虛擬技術(shù)相結(jié)合為特征的虛擬設(shè)計和制造仿真技術(shù)的研究，推動了建造虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用[1]。通過建造工藝虛擬仿真，事先對設(shè)計方案進(jìn)行檢驗以及判斷，在設(shè)計階段消除由于設(shè)計問題而引起的工程修改，減少返工率，有效提高船舶產(chǎn)品施工工藝的可靠性[2]。但建造虛擬仿真技術(shù)目前在國內(nèi)造船企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用較少，隨著設(shè)計端向建造端傳遞施工信息的方式由二維圖紙不斷向更加直觀清晰的三維作業(yè)指導(dǎo)轉(zhuǎn)變，提高船舶建造工藝設(shè)計虛擬仿真覆蓋率和采用虛擬仿真視頻指導(dǎo)施工成為了當(dāng)下船舶行業(yè)的一種發(fā)展趨勢。

船舶在建造過程中，由于工期緊張的緣故，部分大型設(shè)備不能按照供貨納期交付。為不影響船體總組和船塢搭載計劃，保證產(chǎn)品建造進(jìn)程以及產(chǎn)品質(zhì)量，需在船體總組或者搭載結(jié)束后增加相關(guān)設(shè)備的吊裝開口，將納期滯后的船舶大型設(shè)備吊裝進(jìn)艙，傳統(tǒng)的工藝文件是通過繪制二維圖紙來描述大型設(shè)備進(jìn)艙路線，描述方式單一，展示效果不夠直觀，且不能提前暴露可能存在的設(shè)計問題。

采用CATIA Composer對納期滯后的船舶大型設(shè)備進(jìn)艙方案虛擬仿真，并對大型設(shè)備在進(jìn)艙路徑上進(jìn)行碰撞測試檢查，輔助工藝設(shè)計，優(yōu)化進(jìn)艙方案，確保大型設(shè)備進(jìn)艙過程安全可靠，總體方案如圖1所示。生成的三維可視化進(jìn)艙虛擬仿真視頻用來指導(dǎo)施工部門組織和開展生產(chǎn)工作，大幅降低施工人員識圖難度，縮短理解時間，從而提高現(xiàn)場施工效率。

1納期滯后的船舶大型設(shè)備吊裝進(jìn)艙方案設(shè)計

1.1大型設(shè)備吊裝開口設(shè)計

在船舶的建造中，經(jīng)常出現(xiàn)大型設(shè)備納期與船體總組或搭載計劃不匹配的情況。為不影響總體建造搭載進(jìn)度，通常提前完成分段/總段搭載，后續(xù)根據(jù)設(shè)備到貨情況，結(jié)合設(shè)備尺寸和所在艙室位置，設(shè)計合適的大型設(shè)備吊裝開口，將晚到的大型設(shè)備吊裝到位。在設(shè)備安裝結(jié)束后，大型設(shè)備吊裝開口區(qū)域的結(jié)構(gòu)必須恢復(fù)原貌，并通過質(zhì)量檢驗驗收。

大型設(shè)備吊裝開口位置的一般布置原則如下：

（1）大型設(shè)備吊裝開口應(yīng)布置在大型機(jī)電設(shè)備裝船安裝位置的附近，并使設(shè)備進(jìn)艙的路徑最短，設(shè)備進(jìn)艙方便;

（2）應(yīng)使大型設(shè)備吊裝開口區(qū)域的船體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性損害減少到最小，盡量避免切斷結(jié)構(gòu)支柱等主要構(gòu)件;

（3）在設(shè)備進(jìn)艙前后，對大型設(shè)備吊裝開口區(qū)域的船體結(jié)構(gòu)的切割，設(shè)備、管路和電纜等的移位及修復(fù)的工作量應(yīng)減少到最少。

（4）在滿足設(shè)備進(jìn)艙前提下，為了提高舾裝完整性，大型設(shè)備吊裝開口應(yīng)力求不設(shè)在帶有艙口蓋的梯道開口周圍。

（5）吊裝開口應(yīng)比須裝船的大型機(jī)電設(shè)備的外形尺寸略大，一般長寬均大100mm以上。大型設(shè)備吊裝開口的開孔尺寸大小有時需要考慮到多臺設(shè)備從同一開口進(jìn)艙，這時應(yīng)能保證最大一臺設(shè)備順利進(jìn)艙安裝就位。

根據(jù)以上原則，以某船前主機(jī)艙大型設(shè)備進(jìn)艙為例，在船體總組結(jié)束以后，前主機(jī)艙各大型設(shè)備需在1甲板和2甲板開孔后吊裝進(jìn)艙，圖2所示為前主機(jī)艙主機(jī)和發(fā)電機(jī)進(jìn)艙時1甲板和2甲板的開口圖。

1.2大型設(shè)備進(jìn)艙路線圖

大型設(shè)備吊裝開孔設(shè)計完成以后，為確保設(shè)備安全順利地進(jìn)艙安裝到指定的位置，需設(shè)計進(jìn)艙路線圖，并按照該圖對大型設(shè)備進(jìn)行吊裝，圖3所示為某型船前主機(jī)艙各大型設(shè)備進(jìn)艙路線圖。

2 基于CATIA COMPOSER的納期滯后的船舶大型設(shè)備進(jìn)艙虛擬仿真

CATIA COMPOSER是3DVIA COMPOSER的最新稱謂，是由法國達(dá)索公司開發(fā)的圖形軟件，軟件集成于CATIA V6設(shè)計軟件中，可以利用三維設(shè)計模型制作專業(yè)技術(shù)文檔和交互式動畫視頻，其支持的3D CAD系統(tǒng)和文件格式包括： CATIA V4和V5，Pro/ENGINEER以及其他船舶軟件生成的通用三維格式STEP和IGES等，并且可以通過XML交換與任何PLM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成。CATIA COMPOSER是一款簡單易用的三維軟件，可以在文檔編制、銷售、市場推廣、客戶服務(wù)、培訓(xùn)、三維演示和制造等方面取得良好效果[3-4]，可廣泛地應(yīng)用于船舶建造過程中的三維作業(yè)指導(dǎo)和工藝虛擬仿真當(dāng)中。對大型設(shè)備進(jìn)艙方案虛擬仿真的流程如圖4所示[5]。

2.1 制作虛擬仿真腳本

進(jìn)行前主機(jī)艙大型設(shè)備進(jìn)艙虛擬仿真，首先需要明確仿真的各個步驟，整理出虛擬仿真的一條清晰的思路。根據(jù)圖2所示進(jìn)艙路線圖，可以制作如下虛擬仿真腳本：

（1）1甲板開孔結(jié)構(gòu)吊離;

（2）2甲板開孔結(jié)構(gòu)吊離;

（3）左發(fā)電機(jī)從甲板開孔垂直吊入前主機(jī)艙，然后平移至安裝位置;

（4）右發(fā)電機(jī)從甲板開孔垂直吊入前主機(jī)艙，然后平移至安裝位置;

（5）左側(cè)主機(jī)從甲板開孔垂直吊入前主機(jī)艙安裝位置;

（6）右側(cè)主機(jī)從甲板開孔垂直吊入前主機(jī)艙安裝位置;

（7）2甲板開孔結(jié)構(gòu)復(fù)位;

（8）1甲板開孔結(jié)構(gòu)復(fù)位。

2.2 模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入

使用CATIA COMPOSER軟件對前主機(jī)艙大型設(shè)備進(jìn)艙虛擬仿真，需導(dǎo)入的模型包括：船體結(jié)構(gòu)機(jī)艙總段、發(fā)電機(jī)和主機(jī)。模型導(dǎo)入流程如下：

在SPD軟件中對相關(guān)模型進(jìn)行非實(shí)時的三維瀏覽，系統(tǒng)后臺會生成3DV數(shù)據(jù)文件;使用SPD軟件中的IGES_IO轉(zhuǎn)換功能，將3DV文件轉(zhuǎn)換成3DDXF文件;使用AUTOCAD 2015打開相關(guān)模型的3DDXF文件，使用輸出功能輸出IGES格式文件;用CATIA COMPOSER軟件打開相關(guān)模型的IGES格式文件，則完成模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

2.3 模型結(jié)構(gòu)調(diào)整

相關(guān)模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA COMPOSER軟件，所有的零件均在裝配樹根目錄下，根據(jù)大型設(shè)備進(jìn)艙虛擬仿真腳本以及大型設(shè)備吊裝開口設(shè)計，對模型結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行調(diào)整，將模型零件分別歸類于船體機(jī)艙總段、1甲板開孔結(jié)構(gòu)、2甲板開孔結(jié)構(gòu)、左發(fā)電機(jī)、左主機(jī)、右發(fā)電機(jī)、右主機(jī)七個不同的裝配樹下，如圖5所示，同時，各設(shè)備吊裝進(jìn)入1甲板后，為便于發(fā)電機(jī)進(jìn)艙仿真流程完整顯示出來，需隱藏部分船體結(jié)構(gòu)，將這部分船體結(jié)構(gòu)模型移動到裝配樹中船體機(jī)艙總段目錄下一個新建的子目錄中。

2.4 創(chuàng)建關(guān)鍵幀

在CATIA COMPOSER軟件中，剛性模型的每一個變動都可以被記錄為動畫，也稱為關(guān)鍵幀，通過設(shè)定模型運(yùn)動（或變化）前后的起始幀和結(jié)束幀，并由計算機(jī)自動插值完成中間狀態(tài)的過渡變化，形成一系列的靜態(tài)連續(xù)動畫[6-7]，用于仿真船舶建造工藝過程。應(yīng)用到大型設(shè)備進(jìn)艙虛擬仿真的模型運(yùn)動（或變化）的方式包括以下幾種：

（1）視角調(diào)整：通過旋轉(zhuǎn)模型控制相機(jī)拍攝視角來鎖定最佳拍攝角度;

（2）模型隱藏：去除或添加裝配樹中模型前的勾選項即可隱藏或顯示該部分模型，通過此功能可以在設(shè)備進(jìn)入1甲板后隱藏部分結(jié)構(gòu)來觀察仿真情況;

（3）位置變化：通過幾何變換窗口的自由拖動、平移、旋轉(zhuǎn)功能來模擬設(shè)備進(jìn)艙路徑。

使用以上功能，結(jié)合虛擬仿真腳本，逐步完成虛擬仿真中所有關(guān)鍵幀的創(chuàng)建。

2.5 虛擬仿真過程生成及視頻輸出

前主機(jī)艙大型設(shè)備進(jìn)艙方案虛擬仿真所需的關(guān)鍵幀的創(chuàng)建完成后，將各個關(guān)鍵幀按照虛擬仿真腳本的順序放置到時間軸上，調(diào)整好虛擬仿真的時間、顯示效果等因素。點(diǎn)擊播放即可生成大型設(shè)備進(jìn)艙方案虛擬仿真動畫。在文件菜單中，通過另存為菜單，設(shè)置好壓縮比，輸出對應(yīng)清晰度的.AVI視頻文件。

3 碰撞測試檢查

實(shí)現(xiàn)對納期滯后的大型設(shè)備進(jìn)艙方案的虛擬仿真，可以在虛擬仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行碰撞測試來檢查大型設(shè)備進(jìn)艙方案，在菜單欄中選擇交互式?jīng)_突檢測，在工作間對話框做如下設(shè)置：選擇集1下拉框中選中正在移動，選擇集2選中全部，勾選“僅在可視角色上進(jìn)行”。進(jìn)行計算，計算完成后激活應(yīng)用程序。然后運(yùn)行大型設(shè)備進(jìn)艙方案虛擬仿真動畫，即可進(jìn)行碰撞測試。若出現(xiàn)模型碰撞情況，仿真動畫會暫停，如圖6所示，高亮的模型是左發(fā)電機(jī)在進(jìn)艙路徑上出現(xiàn)了干涉情況。

由圖1所示原理圖可知，若碰撞測試時出現(xiàn)了干涉問題，則說明進(jìn)艙方案不夠合理，需通過調(diào)整設(shè)備進(jìn)艙路徑、進(jìn)艙順序或者吊裝開口位置大小等來優(yōu)化方案，然后再虛擬仿真并進(jìn)行碰撞檢查，直至進(jìn)艙方案可行。

4小結(jié)

通過采用CATIA COMPOSER軟件對納期滯后的某型產(chǎn)品前主機(jī)艙大型設(shè)備進(jìn)艙方案進(jìn)行虛擬仿真，并開展碰撞測試檢查，在設(shè)計階段就可以驗證方案的可靠性，提前對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，減少工程修改問題的發(fā)生;生成的三維仿真視頻指導(dǎo)施工現(xiàn)場進(jìn)行生產(chǎn)，解決了二維圖紙展示施工工藝不直觀的問題。該虛擬仿真技術(shù)可廣泛應(yīng)用到各類船舶建造工藝設(shè)計中，對提升船舶建造工藝設(shè)計水平，降低建造成本、推廣船舶建造工藝三維數(shù)字化設(shè)計具有一定的參考價值和意義。

參考文獻(xiàn)：

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基金項目：該論文受科研項目JCKY2018206A001支持。