劉祥博， 張紅偉， 毛申飛， 單小芬， 李 吉， 朱明華

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 上海 201913)

基于仿真的船舶巨型總段駁運(yùn)技術(shù)研究

劉祥博， 張紅偉， 毛申飛， 單小芬， 李 吉， 朱明華

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 上海 201913)

仿真技術(shù)是以多種學(xué)科和理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)與相應(yīng)軟件為工具，通過虛擬實(shí)驗(yàn)的方法來分析和解決問題的仿真應(yīng)用。巨型總段駁運(yùn)仿真通過在虛擬廠區(qū)環(huán)境下模擬總段駁運(yùn)過程，驗(yàn)證駁運(yùn)路線的可行性，發(fā)現(xiàn)駁運(yùn)過程中的干涉情況，預(yù)判駁運(yùn)過程中可能出現(xiàn)的問題，進(jìn)而規(guī)劃出優(yōu)化的駁運(yùn)路線供現(xiàn)場(chǎng)參考。通過某型船實(shí)際應(yīng)用表明，巨型總段駁運(yùn)仿真能提升駁運(yùn)方案的可行性和安全性，有效減少駁運(yùn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間和降低駁運(yùn)成本。

巨型總段 駁運(yùn) 仿真

1 引言

本世紀(jì)初，全球船舶訂造出現(xiàn)歷史高峰，為了更快、更多地造船，韓國(guó)船廠開始應(yīng)用巨型總段建造法。這種造船方法能進(jìn)一步縮短船舶塢內(nèi)建造周期(例如由3個(gè)月縮短至1.5個(gè)月)，顯著提升造船產(chǎn)量。目前該方法已經(jīng)在我國(guó)船廠得到了廣泛應(yīng)用。巨型總段建造法在大幅提升生產(chǎn)效率的同時(shí)，不僅對(duì)船廠的起吊和駁運(yùn)能力提出了挑戰(zhàn)，對(duì)駁運(yùn)方案論證技術(shù)也提出了更高要求。采用巨型總段建造法，可使運(yùn)進(jìn)船塢進(jìn)行大合攏的總段重量達(dá)到2 000～3 000 t，甚至更重。如此重量的鋼結(jié)構(gòu)物在進(jìn)塢駁運(yùn)過程中的安全性、駁運(yùn)路線的可行性等都需要在實(shí)施駁運(yùn)前嚴(yán)格論證，以避免重大事故造成巨額損失。傳統(tǒng)的論證方法是進(jìn)行壓重實(shí)驗(yàn)，即在駁運(yùn)設(shè)備上加載與總段等大等重的模型，進(jìn)行駁運(yùn)路線的實(shí)物模擬，此過程需要消耗一定的經(jīng)濟(jì)成本。

仿真技術(shù)為此提供了解決方案。仿真技術(shù)是以計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的軟件為工具，通過虛擬實(shí)驗(yàn)的方法來分析和解決問題。它是對(duì)真實(shí)產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)模擬，是一種在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬而不消耗物理資源的軟件技術(shù)。巨型總段駁運(yùn)仿真通過在虛擬廠區(qū)環(huán)境下模擬多種方案的總段駁運(yùn)過程，檢驗(yàn)各方案支撐、加強(qiáng)等工裝件布置是否滿足安全要求，運(yùn)輸裝置的數(shù)量和布置是否滿足載運(yùn)要求，駁運(yùn)路線上是否存在干涉等情況，預(yù)判駁運(yùn)過程中可能出現(xiàn)的問題，進(jìn)而規(guī)劃出優(yōu)化的駁運(yùn)方案供現(xiàn)場(chǎng)參考使用。

2 巨型總段駁運(yùn)仿真建模

2.1 總段駁運(yùn)仿真流程

總段駁運(yùn)仿真使用商品化仿真平臺(tái)為工具，對(duì)駁運(yùn)路線進(jìn)行干涉檢查。該仿真平臺(tái)具備三維建模模塊，可構(gòu)建虛擬的廠區(qū)環(huán)境，并建立工裝、加強(qiáng)及運(yùn)輸裝置的三維模型，如圖1所示為總段駁運(yùn)仿真流程。同時(shí)該平臺(tái)具有高級(jí)干涉檢查和分析模塊，能夠進(jìn)行截面分析、測(cè)量、距離分析，便于進(jìn)行駁運(yùn)路徑的干涉檢查。

圖1 總段駁運(yùn)仿真流程

2.2 關(guān)鍵元素建模

巨型總段駁運(yùn)仿真完全采用三維立體模型，包括廠區(qū)資源模型、工裝資源模型、運(yùn)輸裝置模型、總段資源模型等四類模型。

(1) 廠區(qū)建模。

廠區(qū)建模目的是構(gòu)建虛擬廠區(qū)環(huán)境，以檢驗(yàn)駁運(yùn)路徑中的干涉情況。由于總段駁運(yùn)是將在總組場(chǎng)區(qū)建造的巨型總段駁運(yùn)至Q2室內(nèi)船臺(tái)進(jìn)行總段合攏，駁運(yùn)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ總段途經(jīng)模塊廣場(chǎng)及橫移區(qū)；駁運(yùn)Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ總段途經(jīng)長(zhǎng)興路及道路。因此，廠區(qū)建模主要建立了總組場(chǎng)區(qū)、模塊廣場(chǎng)、橫移區(qū)、長(zhǎng)興路及道路的三維模型。在確定建模對(duì)象的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)尺寸進(jìn)行仔細(xì)勘測(cè)，尤其是針對(duì)可能產(chǎn)生干涉的物件，其位置測(cè)量精度到厘米級(jí)別，以確保廠區(qū)模型真實(shí)反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的情況。廠區(qū)模型如圖2所示，總組場(chǎng)區(qū)位于圖中左上角區(qū)，Q2船臺(tái)位于圖中右下角區(qū)，圖中總組場(chǎng)1號(hào)門、模塊廣場(chǎng)塔吊和動(dòng)能源設(shè)備、長(zhǎng)興路和江南大道的照明設(shè)施均按現(xiàn)場(chǎng)尺寸實(shí)際建立模型。

圖2 廠區(qū)模型

(2) 工裝資源建模。

駁運(yùn)工裝是駁運(yùn)過程中不可缺少的輔助設(shè)施。合理布置工裝能有效防止船體側(cè)傾、減小船體變形。而過多使用工裝則會(huì)增加駁運(yùn)裝置的載荷，增加駁運(yùn)難度。根據(jù)駁運(yùn)工裝設(shè)計(jì)圖紙“運(yùn)輸托架圖”，對(duì)橫梁、擱橔及支柱等工裝進(jìn)行建模，并賦予材質(zhì)以預(yù)估工裝重量，再導(dǎo)入船體模型以檢驗(yàn)工裝布置的合理性。工裝模型如圖3所示，橫梁沿船長(zhǎng)方向布置，鋪設(shè)于船體硬檔肋位下，用以支撐船體重量；擱橔布置于橫梁之上，每根橫梁上布置左、中、右三個(gè)擱橔，擱橔端面貼合船體曲型外輪廓，用以穩(wěn)定船體；支柱分布于橫梁兩側(cè)，依據(jù)船體舷側(cè)輪廓形狀在相鄰橫梁上高低間隔布置，以支撐船體舷側(cè)重量，防止駁運(yùn)過程中船體側(cè)傾。

圖3 工裝資源模型

(3) 運(yùn)輸裝置建模。

考慮到本次駁運(yùn)對(duì)象為GX產(chǎn)品，對(duì)穩(wěn)性要求較高，且總段的尺寸及重量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一輛平板車的載荷，需要多車聯(lián)動(dòng)運(yùn)輸，本次運(yùn)輸裝置選用模塊運(yùn)輸裝置。模塊運(yùn)輸裝置長(zhǎng)15 m，寬3 m，高1.2 m，承重長(zhǎng)度12 m，可原地360°回轉(zhuǎn)。依據(jù)船體尺寸重量及運(yùn)輸裝置自身承載性能，本次駁運(yùn)采用6臺(tái)模塊運(yùn)輸裝置聯(lián)動(dòng)運(yùn)輸(如圖4所示)，車頭區(qū)為非承重區(qū)，故此區(qū)域避免承載橫梁。

圖4 模塊運(yùn)輸裝置

(4) 總段模型導(dǎo)入。

巨型總段模型使用生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段所建模型。模型從Tribon導(dǎo)出，經(jīng)數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)化為仿真平臺(tái)可識(shí)別的格式，再導(dǎo)入仿真平臺(tái)用于駁運(yùn)仿真。

3 巨型總段駁運(yùn)仿真與分析

3.1 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ巨型總段駁運(yùn)路線

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ巨型總段由總組場(chǎng)出發(fā)，途經(jīng)總組場(chǎng)的1號(hào)門、模塊廣場(chǎng)、橫移區(qū)，進(jìn)入船臺(tái)。路線示意圖如圖5所示，該路線途經(jīng)生產(chǎn)作業(yè)的區(qū)域，路線上存在較多生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備，駁運(yùn)仿真對(duì)兩處可能產(chǎn)生干涉的點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析。其一為總組場(chǎng)1號(hào)門，該柵欄門寬25 m，總段寬約17 m，總段直線通過時(shí)不會(huì)存在干涉。但出門后，模塊運(yùn)輸裝置需要經(jīng)過一個(gè)左拐進(jìn)入模塊廣場(chǎng)，轉(zhuǎn)彎角度約為30°?？偠伍L(zhǎng)約70 m，轉(zhuǎn)彎時(shí)需要足夠的回轉(zhuǎn)空間。經(jīng)模擬仿真，總段在該門寬度方向±45°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)無干涉。由此可見，總組場(chǎng)1號(hào)門寬度足夠總段通過。其二為模塊廣場(chǎng)，模塊廣場(chǎng)有四個(gè)固定塔吊，廣場(chǎng)邊緣及中央均布置有動(dòng)能源設(shè)備，經(jīng)仿真模擬，總段駁運(yùn)與固定塔吊不產(chǎn)生干涉，但現(xiàn)場(chǎng)需拆除5處動(dòng)能源設(shè)備，如圖6中標(biāo)記顯示。仿真過程中，同時(shí)發(fā)現(xiàn)模塊廣場(chǎng)與橫移區(qū)之間的路面寬度不足，兩輛模塊運(yùn)輸裝置難以并行通過，需在模塊廣場(chǎng)東南角外側(cè)地面鋪設(shè)鋼板以增加路寬，如圖6中標(biāo)記顯示。駁運(yùn)路線確定后，在仿真平臺(tái)上將模塊廣場(chǎng)網(wǎng)格化，可確定駁運(yùn)路線上關(guān)鍵點(diǎn)的具體坐標(biāo)值，現(xiàn)場(chǎng)可據(jù)此坐標(biāo)值在實(shí)際場(chǎng)地上標(biāo)示出駁運(yùn)路線，供現(xiàn)場(chǎng)參考使用。

圖5 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ總段駁運(yùn)路線

圖6 模塊廣場(chǎng)

3.2 Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ巨型總段駁運(yùn)路線

Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ巨型總段由總組場(chǎng)出發(fā)，途經(jīng)總組場(chǎng)1號(hào)門、直線通過長(zhǎng)興路，后右拐上道路，再右拐進(jìn)入船臺(tái)。路線示意圖如圖7所示，在該駁運(yùn)路線中，模塊運(yùn)輸裝置主要在廠區(qū)主干道上運(yùn)行，路線中不存在生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備，但道路兩旁沿路設(shè)置路燈等照明設(shè)施，運(yùn)輸裝置轉(zhuǎn)彎時(shí)船體結(jié)構(gòu)可能與之發(fā)生碰撞。駁運(yùn)仿真重點(diǎn)針對(duì)兩處大轉(zhuǎn)彎處進(jìn)行碰撞檢測(cè)。一處是長(zhǎng)興路與道路交匯處，經(jīng)旋轉(zhuǎn)總段檢測(cè)碰撞，總段與該路口路燈不存在干涉。但該交匯處路面下鋪設(shè)有電纜、管道等關(guān)鍵設(shè)施，為了避免破壞相關(guān)設(shè)施并保證路面的平整性，需要在該路段鋪設(shè)厚鋼板。通過仿真平臺(tái)的測(cè)量工具得到模塊運(yùn)輸裝置通過該交匯處的路線半徑值如圖8(a)所示。第二處為道路與船臺(tái)入口交匯處，經(jīng)仿真模擬，存在總段與船臺(tái)支柱及路燈均無碰撞的路徑，路徑的半徑值如8(b)所示。

圖7 Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ總段駁運(yùn)路線

圖8 駁運(yùn)路線拐角半徑值

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4 結(jié)論

本文基于仿真技術(shù)，在仿真環(huán)境下構(gòu)建了巨型總段駁運(yùn)的仿真模型，進(jìn)行了仿真模擬分析，并將總段駁運(yùn)仿真應(yīng)用于某型的實(shí)船生產(chǎn)過程中，為后續(xù)開展仿真技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的研究奠定了基礎(chǔ)。仿真模擬代替了實(shí)際駁運(yùn)前的駁運(yùn)實(shí)驗(yàn)過程，可提前暴露出駁運(yùn)過程存在的安全隱患，減少實(shí)際駁運(yùn)過程的突發(fā)事件和時(shí)間，同時(shí)也節(jié)約了駁運(yùn)實(shí)驗(yàn)的人力、工時(shí)、設(shè)備租用成本。巨型總段駁運(yùn)仿真僅僅是仿真技術(shù)應(yīng)用于船舶行業(yè)的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，船舶制造應(yīng)以仿真技術(shù)為契機(jī)，加大數(shù)字化技術(shù)的研究應(yīng)用，增強(qiáng)自身核心技術(shù)能力方面的建設(shè)，以期進(jìn)一步提升企業(yè)的生產(chǎn)力水平和核心競(jìng)爭(zhēng)能力。

[1] 江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司.《三維裝配工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用》計(jì)劃任務(wù)書[S].2012.

[2] 江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司.《船舶建造過程仿真系統(tǒng)》技術(shù)方案書[S].2010.

Simulation-based Giant Block Transportation Technology for Shipbuilding

LIU Xiang-bo, ZHANG Hong-wei, MAO Shen-fei, SHAN Xiao-fen, LI Ji, ZHU Ming-hua

(Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd.， Shanghai 201913， China)

Simulation technology is based on a variety of disciplines and theory, by means of computer with the corresponding software, to analyze and solve problems by using the method of virtual experiment of simulation application. The giant block transportation simulation, through simulating the giant block transportation process in a virtual factory environment, and validating the feasibility of the transportation route, thus plans optimization transportation routes for on-site reference. The practical application of one type ship shows that the giant block transportation simulation can improve the feasibility and safety of transportation scheme, effectively reduce transportation experiment time and reduce the cost of transportation.

Giant block Transportation Simulation

國(guó)防科工局基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(A0720133009)。

劉祥博(1976-)，男，工程師。

U662

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