吳世豪 張 立 孟 梅

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院（北京）船舶數(shù)字化工程研究室）

0 引言

深海半潛式鉆井平臺(tái)的建造是船舶與海工制造業(yè)中生產(chǎn)難度大、技術(shù)復(fù)雜度高的工程。在滿足平臺(tái)使用要求的前提下，縮短平臺(tái)的建造周期、提高平臺(tái)建造質(zhì)量、降低建造成本，是一個(gè)值得長期研究的課題。半潛平臺(tái)的建造，對(duì)一些關(guān)鍵設(shè)備的安裝工作具有很高的技術(shù)要求，如何利用船廠有限的場(chǎng)地及施工設(shè)備資源安裝好各種動(dòng)力、導(dǎo)航、通信、控制等設(shè)備，保證其有機(jī)地集成并有效地運(yùn)行，花費(fèi)了設(shè)計(jì)人員大量的心血，卻常常得不到非常滿意的結(jié)果[1]。本文針對(duì)半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝這一典型工程案例，使用達(dá)索公司的DELMIA軟件對(duì)安裝工藝過程進(jìn)行仿真驗(yàn)證，為采用虛擬仿真技術(shù)解決船海工業(yè)問題進(jìn)行了實(shí)踐。

1 虛擬裝配仿真

1.1 虛擬裝配的定義

虛擬裝配是指在虛擬環(huán)境中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將設(shè)計(jì)的產(chǎn)品三維模型進(jìn)行預(yù)裝配[5]，原理是按照給定的裝配工藝順序，通過對(duì)產(chǎn)品零部件的空間位置進(jìn)行連續(xù)操作來達(dá)到預(yù)期的裝配效果，同時(shí)將連續(xù)操作過程以動(dòng)畫的形式演示出來[6]。

1..2虛擬裝配仿真工作流程

虛擬裝配工作流程主要包括虛擬裝配建模、虛擬裝配工藝規(guī)劃以及仿真結(jié)果輸出三個(gè)階段。首先在三維建模軟件中創(chuàng)建幾何實(shí)體模型，將幾何實(shí)體模型通過模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換導(dǎo)入到虛擬裝配系統(tǒng)中 [1]。在虛擬裝配系統(tǒng)中，對(duì)零部件模型、施工設(shè)備模型、場(chǎng)地環(huán)境模型等進(jìn)行初始定位，完成仿真場(chǎng)景的創(chuàng)建。在無初始干涉的情況下，對(duì)裝配零部件進(jìn)行裝配序列規(guī)劃和裝配路徑規(guī)劃，在路徑規(guī)劃過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)碰撞干涉檢查，如發(fā)現(xiàn)干涉情況，及時(shí)修改裝配路徑或裝配序列，直至工藝規(guī)劃完成。工藝規(guī)劃完成后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)虛擬裝配序列和裝配路徑進(jìn)行記錄，在此基礎(chǔ)上，輸出最后的虛擬裝配仿真動(dòng)畫及干涉檢測(cè)報(bào)告等文件。

2 基于CATIA的虛擬建模

虛擬建模需要基于一定的軟件平臺(tái)，來對(duì)半潛平臺(tái)進(jìn)行實(shí)物建模，最常用的3D建模軟件是CATIA.CATIA是法國達(dá)索(Dassault Systems)公司研究開發(fā)的三維交互式工程設(shè)計(jì)、數(shù)控加工軟件。CATIA軟件以其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能在飛機(jī)、汽車、船舶、電子設(shè)備等領(lǐng)域享有很高的聲譽(yù)[2]。

針對(duì)半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝工藝，把所需建立的模型分為裝配零部件模型、施工設(shè)備模型、場(chǎng)地環(huán)境模型三類。裝配零部件模型和施工設(shè)備模型使用CATIA的草圖編輯模塊、零件設(shè)計(jì)模塊和創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊建立，場(chǎng)地環(huán)境模型使用AEC工廠模塊的Plant layout模塊建立。

3 基于DELMIA的半潛平臺(tái)推進(jìn)器虛擬安裝

在CATIA建模的基礎(chǔ)上，運(yùn)用仿真軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真。DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）是法國達(dá)索系統(tǒng)（DASSAULT SYSTEMS）公司研發(fā)的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造軟件，它為制造企業(yè)提供了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃到生產(chǎn)過程的全生命周期精益設(shè)計(jì)制造解決方案[3]，，并且可以良好地實(shí)現(xiàn)與CATIA的數(shù)據(jù)互通。DELMIA的DPM Assembly Process Simulation模塊將創(chuàng)建虛擬裝配場(chǎng)景、裝配序列規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃、碰撞干涉檢測(cè)、仿真視頻輸出等功能整合在一個(gè)完整的系統(tǒng)內(nèi)，提供給設(shè)計(jì)人員一個(gè)統(tǒng)一的、點(diǎn)到點(diǎn)的作業(yè)環(huán)境。

3.1 創(chuàng)建仿真場(chǎng)景

進(jìn)行安裝工藝規(guī)劃，首先要將所建立的零部件模型、設(shè)備模型和場(chǎng)地資源模型導(dǎo)入到虛擬裝配環(huán)境中，進(jìn)行設(shè)備資源的初始布置，完成虛擬裝配場(chǎng)景的創(chuàng)建，這是進(jìn)行后續(xù)安裝工藝仿真的基礎(chǔ)。進(jìn)入DELMIA的DPM模塊，首先使用Insert Resource的命令，導(dǎo)入場(chǎng)地資源模型。在本文中，將設(shè)備和場(chǎng)地資源都定義為資源模型，即把履帶式吊機(jī)、駁船、推進(jìn)器支架、導(dǎo)向鉤、錨鏈提升器、海洋、海床模型導(dǎo)入，再通過移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)等方式對(duì)模型在環(huán)境中的位置進(jìn)行初步定位。使用Insert Product的命令，以同樣的方式把半潛平臺(tái)、推進(jìn)器、傳動(dòng)軸、錨鏈管、錨鏈管封堵、基座保護(hù)蓋、推進(jìn)器基座、推進(jìn)器密封蓋、推進(jìn)器基座密封蓋、推進(jìn)器馬達(dá)、推進(jìn)器剎車盤等零部件模型導(dǎo)入。圖2為DELMIA環(huán)境下的半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝仿真場(chǎng)景。

圖2 DELMIA環(huán)境下的半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝仿真圖

3.2 半潛平臺(tái)推進(jìn)器虛擬安裝序列規(guī)劃

3.2.1 分析安裝序列

把半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝工藝過程分為前期準(zhǔn)備、安裝過程和后續(xù)工作三個(gè)部分。分析三部分的工藝操作,可得到安裝序列如下：

（1)前期準(zhǔn)備

半潛平臺(tái)下水前，半潛平臺(tái)浮筒推進(jìn)器艙室內(nèi)的錨鏈管、推進(jìn)器基座、基座密封蓋等必須安裝妥當(dāng)。使用拆卸法，根據(jù)自頂向下的原則，可得到拆卸序列為：錨鏈管—基座密封蓋—推進(jìn)器基座，根據(jù)拆卸與裝配互逆可得裝配序列為：推進(jìn)器基座—基座密封蓋—錨鏈管。

(2)安裝過程

半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝的主要工序?yàn)椋和七M(jìn)器下水—半潛平臺(tái)移位—移除基座保護(hù)蓋—移除錨鏈管封堵—錨鏈下水—導(dǎo)向鉤連接到推進(jìn)器—提升推進(jìn)器—錨鏈復(fù)位。

(3)安裝檢查

推進(jìn)器的安裝需要進(jìn)行安裝干涉檢查，以防止出現(xiàn)安裝器件或者設(shè)備與周圍環(huán)境發(fā)生碰撞。

(4)后續(xù)工作

在推進(jìn)器安裝就位后，需要封堵錨鏈管、移除基座密封蓋和推進(jìn)器密封蓋，再安裝安裝傳動(dòng)軸、剎車盤和推進(jìn)器馬達(dá)，所以后續(xù)工作的工序?yàn)椋悍舛洛^鏈管—移除基座密封蓋—移除推進(jìn)器密封蓋—安裝傳動(dòng)軸—安裝剎車盤—安裝推進(jìn)器馬達(dá)。

3.2.2 裝配序列規(guī)劃

在分析得到半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝序列后，使用DELMIA的DPM模塊的PERT技術(shù)和GANT圖對(duì)安裝序列進(jìn)行編輯和控制。

PERT（Project Evaluation and Review Technique）是用于分析制定計(jì)劃并對(duì)計(jì)劃予以評(píng)價(jià)的技術(shù)。PERT圖是一種箭線形式的流程圖，PERT圖直觀的表達(dá)出項(xiàng)目各事件的先后順序。根據(jù)前面分析所得到的半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝工序，使用DELMIA中的PERT Chart工具對(duì)推進(jìn)器安裝過程中的各道工序進(jìn)行設(shè)計(jì)編排。

圖3 半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝序列規(guī)劃PERT圖和GANTt圖

甘特圖（Gantt Chart）是展現(xiàn)項(xiàng)目各事件開展進(jìn)度的工具。DELMIA中的甘特圖是DPM的活動(dòng)時(shí)間安排表，從甘特圖上可以看到每一道工序所占用的時(shí)間及所參與的零件和資源。圖3為半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝序列規(guī)劃完成的PERT圖和GANT圖。

3.3 半潛平臺(tái)推進(jìn)器裝配路徑規(guī)劃

裝配路徑規(guī)劃作為裝配序列規(guī)劃的后續(xù)步驟，是裝配工藝規(guī)劃的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是連接裝配工藝規(guī)劃和裝配仿真驗(yàn)證的橋梁。在DELMIA的DPM模塊中，按照裝配順序，逐個(gè)定義半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝過程各參與部件的裝配路徑。在裝配過程中，需要使用履帶式吊機(jī)對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行吊裝。為了實(shí)現(xiàn)吊裝過程的模擬仿真，可使用DELMIA的Device Building模塊對(duì)履帶式吊機(jī)各零部件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行定義。在安裝路徑規(guī)劃過程中，開啟DELMIA的碰撞檢測(cè)功能，當(dāng)出現(xiàn)碰撞情況時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)提出警告，以紅色高亮顯示出碰撞區(qū)域，根據(jù)碰撞顯示結(jié)果對(duì)零件裝配路徑或裝配序列進(jìn)行調(diào)整，直至干涉消除。圖4為半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝路徑規(guī)劃完成圖。

圖4 半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝路徑規(guī)劃完成圖

4 裝配干涉檢查和仿真結(jié)果輸出

圖5 半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝完成圖

在半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝工藝規(guī)劃完成后，可以輸出安裝工藝過程仿真視頻和碰撞干涉報(bào)告。DELMIA軟件自動(dòng)地將虛擬場(chǎng)景捕捉成圖像文件，然后將每一個(gè)圖像文件作為一幀添加到“.avi”文件中就形成了仿真視頻文件，后期還可使用視頻編輯軟件（如繪聲繪影）對(duì)仿真視頻進(jìn)行完善[4]。半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝工藝仿真視頻和干涉檢測(cè)報(bào)告對(duì)生產(chǎn)實(shí)施具有重要的意義，生產(chǎn)人員可通過視頻對(duì)裝配過程有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，規(guī)避生產(chǎn)中一些不安全的操作行為，通過干涉報(bào)告可提醒操作人員注意裝配過程中容易產(chǎn)生碰撞干涉的環(huán)節(jié)及裝配到目標(biāo)位置后零部件間的配合情況。如圖5所示為所完成的半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝工藝仿真視頻（包括前期準(zhǔn)備、安裝過程、后續(xù)工作三部分）和推進(jìn)器安裝完成圖。

圖6 半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝工藝仿真視頻

5 結(jié)論

本文結(jié)合半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝這一實(shí)際工程案例，分析推進(jìn)器安裝序列及裝配路徑規(guī)程。選擇達(dá)索公司的CATIA軟件建立半潛平臺(tái)推進(jìn)器安裝所需的零部件模型、施工設(shè)備模型和場(chǎng)地環(huán)境模型，并將模型導(dǎo)入到DELMIA軟件中進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃，最后輸出裝配仿真視頻和碰撞干涉檢測(cè)報(bào)告等工藝文件，輸出文件對(duì)實(shí)際工程施工具有一定的指導(dǎo)作用。

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