李 瑞，汪 驥+，劉玉君，2，馬 馳，韓小崗

（1.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024）

1 問題的提出

船舶分段吊裝是指施工單位使用起重設(shè)備對船體分段進(jìn)行翻身或移位的作業(yè)工作，是船舶建造過程中一項重要的工作，它對船體建造的安全、質(zhì)量和周期都起著至關(guān)重要的作用［1］。為保證吊裝作業(yè)的順利進(jìn)行，大多數(shù)施工單位均要在作業(yè)前進(jìn)行嚴(yán)密的吊裝方案設(shè)計。吊裝方案設(shè)計的可行性與合理性直接決定了吊裝工作能否安全、高效地進(jìn)行。分段吊裝方案設(shè)計工作需要反復(fù)考量分段尺寸、重量、重心位置、結(jié)構(gòu)形式以及吊裝設(shè)備參數(shù)等因素對吊裝方案的影響，是一個復(fù)雜的逐步尋優(yōu)過程，船舶分段吊裝及吊裝方案設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容如圖1所示。由于吊裝設(shè)計所需考慮的因素較多，以Tribon等軟件作為輔助工具進(jìn)行吊裝設(shè)計尚不能實現(xiàn)完全自動化，吊裝方案設(shè)計工作存在“設(shè)計過程繁瑣、效率不高”以及“以經(jīng)驗估算為主，經(jīng)濟(jì)性、可靠性不高”等問題。實現(xiàn)船舶分段吊裝方案設(shè)計的自動化，將提高船舶分段吊裝方案設(shè)計效率及方案的安全性和經(jīng)濟(jì)性，為進(jìn)一步縮短造船周期、提高造船質(zhì)量創(chuàng)造有利條件。

結(jié)合生產(chǎn)實踐，國內(nèi)外學(xué)者和技術(shù)人員在吊裝方案設(shè)計方面做了大量的研究。

在吊點布置算法方面，大連理工大學(xué)紀(jì)卓尚教授通過分析分段在船臺合攏時的受力情況，歸納演算出簡便的公式和圖譜來計算吊繩長度和眼板的安裝位置［2］；吳仲其等在分段重量重心的計算、吊點位置確定和眼板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面對分段吊裝工藝進(jìn)行了闡述［3］；李瑞等針對吊裝方案設(shè)計中吊點位置動態(tài)調(diào)整問題提出了迭代求解算法［4］。

在吊裝過程建模方面，Lee等建立了船體建造虛擬裝配仿真系統(tǒng)，構(gòu)建了船臺、吊車等虛擬模型并對復(fù)雜的船舶建造過程進(jìn)行了模擬仿真［5］；Kim 等采用含約束有向圖方法對船臺吊裝過程建立了模型［6］；汪睿等研究了自升式平臺分段吊裝過程中關(guān)于吊耳模型探索性計算實驗的問題，以尋求最合理的吊裝方案簡化方法［7］；Miura等為日本USC船廠開發(fā)了船體建造虛擬裝配仿真系統(tǒng)，構(gòu)建了三維分段吊裝虛擬系統(tǒng)［8］；Soh等應(yīng)用有限元技術(shù)對二維眼板模型進(jìn)行了建模和強(qiáng)度分析，為吊裝方案設(shè)計提供了依據(jù)［9］；上海交通大學(xué)鮑勁松等開發(fā)了“三維空間約束下的船舶分段吊裝仿真系統(tǒng)”，該系統(tǒng)通過三維數(shù)據(jù)模型和設(shè)備資源三維約束信息建立了仿真模型，利用三維圖形可視化技術(shù)和人機(jī)交互，實時顯示吊裝仿真的過程，并在吊裝過程阻塞時可以通過人機(jī)交互來改變仿真求解的方向，從而提升了求解速度［10］。從實際應(yīng)用角度來看，該系統(tǒng)更側(cè)重于分段吊裝或搭載過程的虛擬仿真，有效解決了吊裝或搭載過程中分段和設(shè)備的阻塞優(yōu)化問題，但所開發(fā)的模塊中未涉及吊點自動布置的相關(guān)功能。集美大學(xué)林少芬教授以最小眼板數(shù)量為目標(biāo)，以最小應(yīng)變準(zhǔn)則和吊裝設(shè)備性能為約束條件建立了優(yōu)化模型，并應(yīng)用粒子群算法對問題模型進(jìn)行了求解，驗證了粒子群算法求解船舶分段吊裝方案設(shè)計問題的可行性［11］。李瑞等提出了Tribon 環(huán)境下眼板的參數(shù)化設(shè)計方法［12］，并對船舶分段吊裝方案設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究［13］。

在吊裝安全性研究方面，張宏玲對吊裝作業(yè)需要的吊機(jī)起吊能力及穩(wěn)定性等進(jìn)行了分析，并針對某集裝箱船典型分段的吊裝工藝進(jìn)行了研究，對關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行了強(qiáng)度校核［1］；張曉音從工程力學(xué)的角度對各種規(guī)格眼板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了詳細(xì)的分析計算［14］；王偉等提出一種從船舶設(shè)計軟件到有限元分析軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，并通過對某船廠分段模型的吊裝過程的強(qiáng)度分析 進(jìn)行了驗證［15］；徐 升［16］、王 鋒［17］、袁 紅莉［18］等對大型船舶上層建筑整體吊裝技術(shù)進(jìn)行了研究；黃興群應(yīng)用有限元技術(shù)對上層建筑進(jìn)行應(yīng)力和變形分析，研究了在起重能力約束下最大完整性的作業(yè)順序和托盤管理方法［19］；李濤研究了各類不確定因素對分段吊裝安全的影響，并結(jié)合事故探討了預(yù)防吊裝事故的措施及改進(jìn)建議［20］；朱兆一利用有限元仿真技術(shù)預(yù)測并控制了某散貨船船體分段吊裝時的變形與應(yīng)力，并優(yōu)化了分段吊裝方案［21］；Dennis提出了關(guān)于吊裝方案尤其是眼板結(jié)構(gòu)的安全性評價方法，并與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較研究［22］。

從已有研究來看，紀(jì)卓尚、吳仲其等在20世紀(jì)80～90年代的研究卓有成效，其文中一些重要的公式、圖譜等研究成果已經(jīng)應(yīng)用于許多船廠的分段吊裝方案設(shè)計中，是分段吊裝方案設(shè)計中吊點布置算法研究的重要理論基礎(chǔ)。近年來，公開發(fā)表的、針對船舶分段吊裝作業(yè)的研究工作大多集中在虛擬仿真、規(guī)劃調(diào)度方面，而針對吊裝方案自動化設(shè)計的進(jìn)一步研究工作較少。因此，本文圍繞船體分段復(fù)雜吊裝工作展開研究，基于復(fù)雜吊裝方案自動化布置算法設(shè)計、吊裝過程力學(xué)特性分析及吊裝仿真設(shè)計等研究工作開發(fā)了船舶分段吊裝方案設(shè)計系統(tǒng)，提高了吊裝方案設(shè)計效率，增加了方案設(shè)計的可靠性。

2 船舶分段吊裝方案設(shè)計中的吊點自動化布置

2.1 吊點自動化布置流程

本文以某風(fēng)電安裝船分段為例，針對反造法分段開展研究。風(fēng)電安裝船吊裝方案設(shè)計的核心內(nèi)容是吊點算法設(shè)計，即在滿足各種約束限制的條件（如吊點盡可能關(guān)于分段重心對稱分布、吊點布置在強(qiáng)結(jié)構(gòu)處、起重條件和場地條件等）下，結(jié)合大量的人工設(shè)計經(jīng)驗，對吊點布置方案進(jìn)行設(shè)計。吊點布置方案自動化設(shè)計流程如圖2所示。

2.2 吊點特征位置識別及動態(tài)調(diào)整

為確定吊點坐標(biāo)，需要對每個分段進(jìn)行特征位置識別，即對目標(biāo)分段進(jìn)行區(qū)域劃分。具體步驟如下（以某甲板分段吊裝方案設(shè)計中吊點x方向坐標(biāo)計算為例）：

（1）數(shù)據(jù)抽取 借助Tribon系統(tǒng)的Vitesse二次開發(fā)工具抽取某分段的所有板架數(shù)據(jù)信息，包括分段名稱、板架重量、板架重心坐標(biāo)和板架輪廓坐標(biāo)值，并以多維數(shù)組形式存儲。

（2）篩選出特征板架 從目標(biāo)分段所有板架中篩選出具有一定特征（用限定閾值表示）的板架。例如，沿x方向長度小于限定閾值、y方向長度大于限定閾值、z方向長度超過限定閾值的板架。篩選得到橫梁板架及橫艙壁板架，并利用這些板架的x重心坐標(biāo)劃分分段的特征位置。

（3）劃分特征區(qū)域及特征線 先對甲板板架的平面區(qū)域進(jìn)行劃分，并確定特征區(qū)域及特征線，具體劃分如圖3所示。

圖中：c1～c4為甲板邊界；ki為特征線；n為分段所含強(qiáng)肋位數(shù)量。當(dāng)i為偶數(shù)時ki為強(qiáng)肋位特征線；當(dāng)i為奇數(shù)時ki為強(qiáng)肋位跨距中線特征線。給定特征區(qū)域?qū)挾圈，生成特征區(qū)域?？瞻讌^(qū)域pi為非特征區(qū)域。

定義特征線和特征區(qū)域兩個數(shù)組分別為：key＿p=［］和key＿a=［］，按照x坐標(biāo)值從小到大排序，將特征線依次存入key＿p數(shù)組中。將每個特征區(qū)域的起終點的x值依次存入數(shù)組key＿a中，則有：

通過比較Gx與key＿a元素的數(shù)值關(guān)系，判斷Gx的區(qū)域特征，不同的區(qū)域特征對應(yīng)的吊點布置算法也有所區(qū)別。具體包含以下4種情況：①Gx處于分段中間的特征區(qū)域kn-1內(nèi)；②Gx處于中間特征區(qū)域相鄰的特征區(qū)域kn-2或kn；③Gx處于中間特征區(qū)域相鄰的非特征區(qū)域pn-1；④Gx處于中間特征區(qū)域相鄰的非特征區(qū)域pn。

2.3 吊點自動化布置實例

如圖4所示為風(fēng)電安裝船某甲板分段，該分段包括縱艙壁結(jié)構(gòu)、橫艙壁結(jié)構(gòu)、甲板結(jié)構(gòu)以及若干加強(qiáng)構(gòu)件，在甲板之間、甲板與雙層底之間設(shè)有立柱，在下甲板與雙層底之間設(shè)有艙壁。吊裝方案設(shè)計采用8吊點布置形式，即上甲板面布置T40型眼板4個、D40型眼板2個、縱艙壁板加布置T40型眼板2個。吊點布置算法設(shè)計流程如圖5所示。

3 船舶分段翻身吊裝過程的力學(xué)特性分析

下面對龍門吊鋼纜和眼板在分段翻身階段受力過程進(jìn)行力學(xué)特性分析。實際施工過程中鋼纜和眼板所受拉力隨分段翻轉(zhuǎn)角度的變化而變化，當(dāng)承受的負(fù)荷大于強(qiáng)度極限時將引發(fā)吊裝事故。因此，選擇眼板時要以翻身過程中的最大受力為計算基準(zhǔn)。

3.1 翻身吊裝過程中鋼纜的受力情況

假定船體分段在翻身過程中鋼纜始終垂直，而船舶分段相對鋼纜發(fā)生旋轉(zhuǎn)，翻身過程中，以眼板為參考點，其受到來自鋼纜的拉力的大小和方向都在變化。設(shè)吊點與重心之間的距離分別為AG=a，BG=b，CG=c，∠BGC=α，∠AGC=β，∠AGB=γ，GA與水平線的夾角為θ0，如圖6所示。根據(jù)吊裝方案設(shè)計算法計算出的分段重心坐標(biāo)（Gx，Gy，Gz）及各眼板的吊點坐標(biāo)，利用平面內(nèi)兩點間距離公式求出各長度值。分段重量W、GA與水平線的夾角θ0及α、β、γ都可以用正余弦定理求得。

3.2 翻身吊裝過程中鋼纜的力學(xué)特性分析

假設(shè)翻身過程比較緩慢，可認(rèn)為是勻速翻身，近似為靜力學(xué)問題。認(rèn)為分段在翻身過程中鋼纜始終豎直向下。則根據(jù)豎直方向合力為零及旋轉(zhuǎn)面內(nèi)轉(zhuǎn)矩為零，可得連接吊點A、B和C的鋼纜受力的合力計算公式。

（1）第一階段 如圖6a所示，當(dāng)0°＜θ＜90°+θ0時，由力的平衡方程可得：

（2）第二階段 如圖6b所示，當(dāng)90°+θ0＜θ＜180°時，由力的平衡方程可得：

借助MATLAB編寫出算法與繪圖程序，即可繪出各點合力關(guān)于旋轉(zhuǎn)角θ的圖形。受力最大值小于眼板極限強(qiáng)度即滿足安全生產(chǎn)條件。

4 船舶分段吊裝工藝過程的模擬仿真實現(xiàn)

Tribon系統(tǒng)雖然能構(gòu)建精確的船體數(shù)字模型和典型的數(shù)字艙室，但在材質(zhì)編輯、仿真設(shè)置、渲染等功能方面卻不能實現(xiàn)；此外，Tribon數(shù)據(jù)開放性不夠、接口少，難以實現(xiàn)與虛擬仿真平臺的連接。因此，Tribon無法模擬船舶分段復(fù)雜吊裝動態(tài)過程。3ds Max是一款專門的三維建模、渲染、仿真制作軟件，具有較強(qiáng)的建模功能和仿真制作能力，兼容性好。本文選擇3ds Max作為仿真平臺，基于MAXScript腳本技術(shù)，結(jié)合Tribon系統(tǒng)共同完成場景結(jié)構(gòu)的三維建模和吊裝仿真模擬。應(yīng)用MAXScript腳本技術(shù)，可有效簡化編程步驟，提高仿真設(shè)計效率。

4.1 主對象的快速建模

4.1.1 分段建模

在Tribon 系統(tǒng)下，分段模型須轉(zhuǎn)換為3D 的DXF格式文件才能完整地導(dǎo)入3ds Max場景中，導(dǎo)入時的模型比例為1∶1。

4.1.2 龍門吊及吊具建模

參考龍門吊圖紙，經(jīng)分析后確定龍門吊模型的主要參數(shù)為14個，如軌道跨距、主梁高度、主梁距地面高度、柔性腿直徑、行走機(jī)構(gòu)長度等。參考吊具圖紙確定創(chuàng)建吊具模型的主要參數(shù)為6個，如主平衡梁長寬高、次平衡梁長度、鋼索間距和鋼索直徑等。模型采用的幾何類型包括Box 類、Cylinder 類、Boolean類等。

4.2 船舶分段吊裝工藝過程的仿真算法設(shè)計

4.2.1 算法變量

如圖7所示為某一時刻吊裝仿真過程中的眼板與分段形心間的空間位置。眼板坐標(biāo)lug在代碼中為Point3數(shù)據(jù)類型，便于在算法中使用。

圖中：lug為以分段形心o旋轉(zhuǎn)中心繞x軸旋轉(zhuǎn)180°后的眼板三維坐標(biāo)，翻身時分段繞x軸逆時針轉(zhuǎn)動；θ為對應(yīng)lug、o連線與y軸的正向夾角；dis為各眼板與o在yoz平面的投影距離。分段形心o對稱后的眼板三維坐標(biāo)：

式中：yo和zo為分段 形心的y、z坐標(biāo)；y1和z1為某眼板y、z坐標(biāo)：為以分段形心o旋轉(zhuǎn)中心繞x軸旋轉(zhuǎn)180°后的眼板y、z坐標(biāo)。

4.2.2 分段翻身過程

（1）第一階段

當(dāng)0°＜θ＜90°+θ0時，

由dis1，dis2和dis3分別計算θ1，θ2，θ3的初始角度即未旋轉(zhuǎn)時的夾角：

分段翻身過程是個以Δθ為轉(zhuǎn)角增量的循環(huán)過程，其中轉(zhuǎn)角迭代式為

定義翻身過程的轉(zhuǎn)角變量Δθ=-5°，Δθ越小，仿真過程越逼真，但渲染時間顯著延長。計算第一次轉(zhuǎn)Δθ后眼板1 和眼板2 的yz坐標(biāo)增量為dy、dz，計算式為：

其中上小車y坐標(biāo)增量為dy1，下小車y坐標(biāo)增量為dy2；1、2號吊鉤吊繩長度增量為dz1；3 號吊鉤吊繩長度增量為dz2。

（2）第二階段

當(dāng)90°+θ0＜θ＜180°時，仿真開始前，

式中i表示第一階段循環(huán)迭代次數(shù)。

此時眼板3的空間y，z坐標(biāo)變?yōu)椋?/p>

式中眼板y和z的坐標(biāo)增量dy、dz計算式與式（8）相似。

5 船舶分段吊裝設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用實例

該系統(tǒng)在C＃語言環(huán)境下，圍繞吊裝方案自動化設(shè)計和吊裝仿真設(shè)計兩大模塊進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，系統(tǒng)總體流程框圖及數(shù)據(jù)流邏輯如圖8所示。

具體思路為：①吊裝方案自動化設(shè)計模塊，通過Tribon系統(tǒng)的Data Extraction數(shù)據(jù)抽取計算分段重量重心信息，并結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫平臺完成分段吊裝眼板的布置設(shè)計，為設(shè)計人員提供可行性方案；②吊裝仿真設(shè)計模塊，通過3ds Max三維建模軟件實現(xiàn)吊裝過程的虛擬實現(xiàn)，為設(shè)計人員預(yù)報吊裝過程中的潛在問題。

該系統(tǒng)在自動化設(shè)計方面的特點主要體現(xiàn)在：

（1）分段的數(shù)據(jù)信息已集成到船體數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)可直接使用，無需人工輸入；

（2）眼板模型來自眼板庫，方案設(shè)計時直接調(diào)用，無需重新建模；

（3）各個分段類型算法集成到系統(tǒng)中，實現(xiàn)算法自動化設(shè)計；

（4）吊車模型采用參數(shù)化設(shè)計，自動生成模型，通用性強(qiáng)，無須重復(fù)建模；

（5）吊裝仿真算法變通性強(qiáng)，適用于多種吊裝施工過程。

5.1 系統(tǒng)功能

吊裝方案自動化設(shè)計模塊包括如下功能：

（1）分段信息處理 系統(tǒng)抽取當(dāng)前Tribon工程下的所有分段數(shù)據(jù)，計算出吊裝相關(guān)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)保存到默認(rèn)路徑下新建的Access數(shù)據(jù)庫中。

（2）分段吊裝布置輸入輸出 選擇目標(biāo)分段類型及目標(biāo)分段，在確定分段相關(guān)信息后，用戶可輸出吊裝布置命令行文件。

（3）分段數(shù)據(jù)管理 可以對數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行添加、修改、刪除。

吊裝仿真設(shè)計模塊包括如下功能：

（1）仿真環(huán)境建模 DXF 格式的分段模型導(dǎo)入、龍門吊建模、吊鉤建模。用戶給出相應(yīng)的建模參數(shù)即可自動生成建模文件。

（2）吊裝仿真輸入輸出 輸入包括吊裝類型、選擇分段模型、吊點位置、目標(biāo)分段重量及重心坐標(biāo)、建模文件；輸出包括吊裝過程力學(xué)特性曲線、吊裝仿真命令行文件。

5.2 應(yīng)用實例

圖9為某分段應(yīng)用系統(tǒng)吊裝方案自動化設(shè)計實例。圖9a為吊裝方案設(shè)計模塊，用戶選擇目標(biāo)分段系統(tǒng)，給出相應(yīng)的吊裝眼板布置方案；圖9b為吊裝仿真設(shè)計模塊的建模界面，根據(jù)輸入吊車吊鉤的建模參數(shù)數(shù)值，系統(tǒng)可自動生成建模文件；圖9c為仿真模塊輸出界面，用戶輸入吊裝方案設(shè)計模塊計算出的分段重量重心及吊點坐標(biāo)等信息，該界面會自動輸出吊鉤力學(xué)特性，選擇分段、吊車吊鉤模型文件及吊裝類型，輸出仿真結(jié)果文件，并可顯示在系統(tǒng)界面中，如圖9d所示。

本系統(tǒng)已在國內(nèi)某大型船廠近海風(fēng)電設(shè)備安裝船建造項目中進(jìn)行調(diào)試并初步應(yīng)用，在該系統(tǒng)的輔助下對26個分段進(jìn)行吊裝方案設(shè)計及吊裝仿真設(shè)計，結(jié)果表明，吊運方案結(jié)果的安全性、經(jīng)濟(jì)性、易操作性等均能滿足吊裝布置的基本原則和要求，且設(shè)計效率比人工設(shè)計有顯著提高。

應(yīng)用吊裝過程仿真模擬模塊自動化生成分段吊裝過程的模擬演示，檢查吊裝方案設(shè)計中可能存在的問題。在吊鉤受力分析方面，系統(tǒng)可為用戶提供各吊鉤翻身過程的拉力與轉(zhuǎn)角曲線，避免吊鉤受力過大，保證吊運方案的可靠性和安全性。

6 結(jié)束語

本文以船舶分段吊裝方案自動化布置算法為基礎(chǔ)研究開發(fā)的軟件系統(tǒng)，可對采用液壓升降裝置的近海風(fēng)電設(shè)備安裝船船體分段進(jìn)行吊裝方案自動化設(shè)計。軟件系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)抽取技術(shù)、Python程序語言、MAXScript腳本語言和MATLAB 編程，對算法實現(xiàn)了程序語言表達(dá)，并結(jié)合.Net技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)完成了工具軟件的開發(fā)工作；軟件界面友好，板架重量重心快速計算、眼板干涉自動化動態(tài)調(diào)整、吊鉤力學(xué)分析、吊裝動態(tài)模擬等功能方便了用戶的使用。本系統(tǒng)設(shè)計出的吊運方案結(jié)果在安全性、經(jīng)濟(jì)性、易操作性等方面均能滿足吊裝布置的基本原則和要求，同時易于設(shè)計人員的審核與修改，且設(shè)計效率比人工設(shè)計顯著提高。該系統(tǒng)應(yīng)用仿真技術(shù)，模擬吊裝全過程，預(yù)報吊裝過程中潛在的工藝問題，能夠有效提高吊裝施工的設(shè)計效率，使吊裝方案更加合理、安全。

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