羅 金， 周 瑜， 慈元茂

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

0 引 言

虛擬建造技術(shù)為造船企業(yè)的精細(xì)化設(shè)計、精細(xì)化生產(chǎn)、精細(xì)化管理提供新的實(shí)現(xiàn)形式，對提高勞動生產(chǎn)效率和資源利用率、降低成本、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。歐美先進(jìn)造船國家在船舶正式投入生產(chǎn)前，一般會對船舶建造過程進(jìn)行較詳細(xì)、細(xì)致、全面的建造流程預(yù)演，提前發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)建造過程中會出現(xiàn)的問題并及時解決[1]。國內(nèi)少數(shù)造船企業(yè)基于達(dá)索公司的3DEXPERIENCE平臺，率先開展基于三維模型的完整性建模、虛擬建造設(shè)計、三維模型下車間等工作，逐步改變現(xiàn)有的“以二維圖紙為主、以三維實(shí)體模型為輔”的設(shè)計模式，為最終實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化造船積累經(jīng)驗(yàn)。借助國產(chǎn)船舶產(chǎn)品設(shè)計(Ship Product Design，SPD)軟件及達(dá)索公司DELMIA虛擬建造仿真軟件，依據(jù)基于模型定義(Model Based Definition，MBD)的虛擬建造技術(shù)，以液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)船為驗(yàn)證對象，開展面向生產(chǎn)建造的船舶虛擬建造技術(shù)的研究與應(yīng)用，以提高造船數(shù)字化設(shè)計技術(shù)水平，從而提升造船效率。

1 產(chǎn)品三維完整性建模和工程分解

1.1 產(chǎn)品三維完整性建模

完整性建模，即依據(jù)SPD三維建模軟件將船體結(jié)構(gòu)、舾裝件、工裝件和工藝件(吊碼等)進(jìn)行建模。完整性建模需要設(shè)計人員具備較豐富的經(jīng)驗(yàn)及發(fā)現(xiàn)問題的能力，在參照詳細(xì)設(shè)計圖紙建模過程中能夠及時發(fā)現(xiàn)詳細(xì)設(shè)計的不合理之處，并從有利于現(xiàn)場建造的角度進(jìn)行優(yōu)化。完整性建模解決的是船舶產(chǎn)品的功能形態(tài)問題。以LNG船某分段為例，利用SPD軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和舾裝的建模和放樣，形象地建立工程物料清單(Engineering Bill of Material，EBOM)樹，樹中包含船體結(jié)構(gòu)、管系、管支架、管附件、電舾件、鐵舾件、工藝加強(qiáng)件等，如圖1所示。

圖1 LNG船某分段完整性建模

1.2 基于組立劃分模塊的自動化裝配設(shè)計

船體分段裝配模型構(gòu)建是進(jìn)行虛擬裝配設(shè)計的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的手工組立劃分方式占用設(shè)計人員大量時間且較易出錯，而組立自動劃分模塊可有效解決問題。根據(jù)典型組立劃分模板及組立的重量、尺寸、基面、類型等劃分規(guī)則，歸納模板分段拆分組立規(guī)則，并進(jìn)行程序編寫，利用組立自動劃分模塊可快速且合理地生成目標(biāo)分段的裝配樹模型。圖2為利用模塊對LNG船的某分段進(jìn)行組立自動劃分的過程。

1.3 分段中間產(chǎn)品的工程分解

EBOM解決船舶產(chǎn)品功能形態(tài)問題，接下來需要將EBOM文件導(dǎo)入CATIA軟件的裝配設(shè)計模塊

圖2 LNG船某分段組立自動劃分

進(jìn)行中間產(chǎn)品劃分，為減少對計算機(jī)資源的無效占用，利用接口軟件對SPD模型及工藝加強(qiáng)模型進(jìn)行輕量化處理，形成產(chǎn)品的制造物料清單(Manufacturing Bill of Material，MBOM)樹。與傳統(tǒng)的船舶設(shè)計方式不同，在構(gòu)建MBOM的過程中，必須緊緊圍繞“中間產(chǎn)品”的設(shè)計理念，即將劃分好的中組立、小組立等船體結(jié)構(gòu)作為中間產(chǎn)品的載體，將梯子、管子、支架、電舾件等作為附屬物歸入相應(yīng)的各級結(jié)構(gòu)組立。這樣，映射的MBOM樹不再是孤立的船體結(jié)構(gòu)，而是包含各類舾裝信息的完整“中間產(chǎn)品”。

以LNG船某分段的A中組立為例，經(jīng)MBOM設(shè)計后，中組立不僅包含外板板架、縱桁及肋板小組立，而且包含芯塊、壓載管系、測深管系、腳手眼板、吊碼等舾裝件和工藝件，如圖3所示。這種設(shè)計方式突破設(shè)計專業(yè)分工的限制，充分體現(xiàn)“通過中間產(chǎn)品有序組合疊加實(shí)現(xiàn)造船”的設(shè)計理念。

圖3 LNG船A中組立中間產(chǎn)品樹設(shè)計

2 資源設(shè)備模型構(gòu)建

2.1 船廠生產(chǎn)區(qū)域建模

為使仿真效果更加真實(shí)，對船廠及相關(guān)設(shè)備建模時應(yīng)采取實(shí)際長度單位。利用CATIA AEC PLANT LAYOUT 模塊先建立船廠區(qū)域劃分圖，劃分各車間、堆場、工場、船臺/塢的范圍，再利用裝配設(shè)計對各車間、堆場、工場等生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行建模，最終在仿真時將各生產(chǎn)區(qū)域模型匯總合成整個船廠。例如，針對分段制造部門，可先單獨(dú)對切割、理料、部件、平面/曲面分段建造等場地分別進(jìn)行建模，最后根據(jù)實(shí)際需要對其進(jìn)行拆分和組合，典型場地區(qū)塊如圖4和圖5所示。

圖4 某車間場地示例

圖5 某平臺場地示例

2.2 設(shè)備工裝資源建模

設(shè)備資源模型相當(dāng)于船廠的數(shù)字資產(chǎn)，設(shè)備資源模型庫越充實(shí)，就越有利于在虛擬空間和物理空間之間搭建起橋梁，推動船廠向以信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems，CPS)為核心、以數(shù)據(jù)為驅(qū)動、以數(shù)字空間與物理空間相互融合的數(shù)字孿生(Digital Twins，DT)智能船廠目標(biāo)邁進(jìn)。

為減少對計算機(jī)硬件資源的無效占用，在不影響仿真效果的前提下，設(shè)備模型無須過于追求細(xì)節(jié)，局部可作簡化處理。在建模時，可將一個設(shè)備的整體作為Product內(nèi)容，對可能產(chǎn)生相對運(yùn)動的構(gòu)件分別裝入不同的Part文件，這樣可有效簡化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)樹，大幅提升建模和仿真效率。

將龍門吊作為一個Product文件，2級部件為行走機(jī)構(gòu)、上小車及吊索具、下小車及吊索具，2級部件均可在仿真時實(shí)現(xiàn)相對運(yùn)動，如圖6所示?？紤]吊排在仿真時也會出現(xiàn)相對上小車或下小車產(chǎn)生相對運(yùn)動的情況，需要在2級部件下設(shè)置3級部件，將上、下小車及不同的吊排分別裝入不同的Part文件，以滿足在不同工況下龍門吊吊裝仿真的需求。

圖6 龍門吊設(shè)備建模

2.3 設(shè)備工裝資源模型輕量化

模型輕量化是指在保留三維模型基本信息和必要精確度的前提下，將原始的計算機(jī)輔助設(shè)計(Computer Aided Design，CAD)格式文件壓縮為只有原格式1/10大小甚至更小的輕量化格式文件，使該模型的可視化與原來的三維軟件無關(guān)聯(lián)。在進(jìn)行虛擬仿真時，考慮在仿真過程中涉及的設(shè)備工裝資源模型多、數(shù)據(jù)量大，為減少對計算機(jī)硬件的占用并使仿真過程可流暢進(jìn)行，需要對模型進(jìn)行輕量化處理。

模型輕量化一般有2種方式。第一種是將零件保存為cgr格式。cgr格式是CATIA軟件的一種特殊的可視化文件[2]，只保存零件外形信息，不包含參數(shù)化數(shù)據(jù)，因此這種文件不能直接進(jìn)行編輯，但可顯著減少模型數(shù)據(jù)量。第二種是利用過濾產(chǎn)品數(shù)據(jù)功能模塊，將零件轉(zhuǎn)化為實(shí)體文件，從而減少零件幾何信息的數(shù)據(jù)量。

以油壓機(jī)設(shè)備為例，可將壓頭和機(jī)身分別保存為crg格式文件，然后將其插入油壓機(jī)Product設(shè)備文件，如圖7所示。這樣形成的設(shè)備模型大小僅有36 kB，有效減少模型的冗余度，為后續(xù)仿真工作提供便利。

圖7 制造部350 t油壓機(jī)模型輕量化處理

3 分段建造工藝規(guī)劃及仿真

3.1 基于拆卸法的裝配路徑工藝規(guī)劃

利用DELMIA軟件進(jìn)行船舶建造虛擬仿真，一般采用基于拆卸的逆向裝配路徑規(guī)劃方法[3]，如圖8所示。

圖8 船舶中間產(chǎn)品虛擬裝配工藝設(shè)計中的拆卸法流程

在船舶中間產(chǎn)品建造工藝流程正向策劃基礎(chǔ)上，先將船舶中間產(chǎn)品的建造工序進(jìn)行逆向處理，確定待拆卸零部件及其拆卸方向、拆卸平移量。拆卸方向與零件裝配結(jié)構(gòu)形式、工裝設(shè)備使用、托盤擺放有關(guān)；拆卸平移量即為單步分解，使零部件沿拆卸方向緩慢移出，并進(jìn)行動態(tài)干涉檢查，檢查零部件與船體結(jié)構(gòu)或工裝資源設(shè)備是否發(fā)生干涉。重復(fù)上述過程，直至所有船舶構(gòu)件均被拆卸。最后，將上述路徑“反向”，即可獲得船舶中間產(chǎn)品的虛擬裝配路徑。在此過程中，還可進(jìn)行人機(jī)工程分析，優(yōu)化裝配工藝。該方法既簡單又實(shí)用，使設(shè)計人員的經(jīng)驗(yàn)知識得到充分發(fā)揮，提高虛擬裝配工藝設(shè)計效率。

3.2 創(chuàng)建虛擬裝配工藝環(huán)境

以LNG船的某小組立制造過程為例，在開始正式仿真作業(yè)前，需要搭建制造部的部件作業(yè)區(qū)小組立工位施工環(huán)境，將制造小組立所需要的全部裝配工藝資源項目導(dǎo)入數(shù)字制造過程(Digital Process for Manufacturing，DPM)仿真環(huán)境，導(dǎo)入的船舶產(chǎn)品及工藝資源項目均處于設(shè)計狀態(tài)，調(diào)整產(chǎn)品的位置，使其與實(shí)際裝配要求的初始環(huán)境保持一致，如圖9所示。

圖9 調(diào)整產(chǎn)品或資源的空間位置

3.3 創(chuàng)建裝配仿真運(yùn)動

在可行的裝配工藝流程中，每個零部件均應(yīng)具有可行的裝配路徑，不會與其他中小組立或工藝設(shè)備資源發(fā)生碰撞，以保證裝配工作順利有序進(jìn)行。利用裝配仿真運(yùn)動，可對中間產(chǎn)品建造流程的可行性進(jìn)行反復(fù)分析與評估，一旦發(fā)現(xiàn)零部件出現(xiàn)碰撞干涉，應(yīng)及時對工藝流程進(jìn)行調(diào)整，直至虛擬建造工藝完全順暢可行。

在DELMIA軟件的DPM中，零部件仿真活動的設(shè)計主要通過為每個活動創(chuàng)建“MOVE”類型的活動實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)可在零部件活動的過程中記錄其運(yùn)動軌跡，如圖10所示。同時，可檢查其在運(yùn)動過程中是否與其他對象發(fā)生碰撞干涉，從而及時調(diào)整運(yùn)動軌跡。

圖10 LNG船某小組立拼板吊裝活動創(chuàng)建

虛擬建造仿真在原理上可做到現(xiàn)場建造實(shí)際情況的完全映射[4]。例如，針對半門吊拼板作業(yè)仿真，一般半門吊空程行走速度為1.0 m/s，吊裝物體行走速度為0.5 m/s，在虛擬建造仿真時可為半門吊的不同工藝活動創(chuàng)建不同的行走速度，圖11展示半門吊空程行走至鋼板堆放工位及半門吊吊裝鋼板行走的過程。

圖11 半門吊在空程行走和吊裝鋼板工況下的速度定義

3.4 仿真干涉檢查技術(shù)

3.4.1 靜態(tài)干涉檢查技術(shù)

大型船舶的構(gòu)件多達(dá)千萬數(shù)量級，如此多的結(jié)構(gòu)和舾裝件建模，較易產(chǎn)生裝配位置錯誤、重疊等問題，靠設(shè)計人員的目視檢驗(yàn)很難解決，這就需要用到靜態(tài)干涉檢查技術(shù)[5]。靜態(tài)干涉檢查是指在虛擬環(huán)境下，在靜態(tài)工位的布局中，檢驗(yàn)船舶產(chǎn)品模型中的結(jié)構(gòu)、鐵舾、設(shè)備、工藝件、工裝設(shè)備等的相對位置關(guān)系是否存在空間干涉，便于設(shè)計人員進(jìn)行分析優(yōu)化，以得到正確合理的設(shè)計結(jié)果。

通過DELMIA軟件的碰撞干涉檢查功能，可檢查吊碼與肋板之間出現(xiàn)的干涉現(xiàn)象，如圖12所示。在LNG船吊碼設(shè)計過程中，通過對干涉區(qū)域局部放大，系統(tǒng)將干涉區(qū)域進(jìn)行突出顯示，從而可快速找到干涉區(qū)域和干涉類型，方便進(jìn)行修改。

圖12 吊碼與船體結(jié)構(gòu)的干涉檢查

3.4.2 動態(tài)干涉檢查技術(shù)

在船舶建造過程中，僅進(jìn)行靜態(tài)干涉是不夠的，特別是結(jié)構(gòu)和舾裝件密集、施工空間狹小的機(jī)艙和艏艉分段，較易發(fā)生因裝配順序不合理造成的施工困難，這就需要用到虛擬建造技術(shù)中的動態(tài)干涉檢查技術(shù)。動態(tài)干涉檢查主要是對船舶構(gòu)件在裝配運(yùn)動過程中的掃掠體是否產(chǎn)生干涉現(xiàn)象進(jìn)行研究，一旦發(fā)現(xiàn)動態(tài)干涉，設(shè)計人員可通過修改、調(diào)整船舶結(jié)構(gòu)件、舾裝件的裝配順序、裝配運(yùn)動姿態(tài)等，得到正確的裝配設(shè)計方案。

在LNG船某分段的虛擬建造過程中，電纜扁鐵會在小組立階段進(jìn)行安裝，散裝肘板在大組立階段進(jìn)行安裝，需要將已安裝的電纜扁鐵拆除才能進(jìn)行肘板裝配。動態(tài)干涉仿真可較好解決該問題。打開動態(tài)干涉檢查命令，利用反拆法對船舶構(gòu)件進(jìn)行虛擬裝配，在肘板與電纜扁鐵發(fā)生裝配干涉時，仿真過程就會自動停止，系統(tǒng)會給予警告，并突出顯示干涉區(qū)域(見圖13)，方便工藝人員查找干涉原因，調(diào)整舾裝件安裝階段或裝配路徑，優(yōu)化裝配設(shè)計方案。

圖13 LNG船結(jié)構(gòu)件與鐵舾件的動態(tài)干涉檢查

3.5 人機(jī)工程分析

3.5.1 快速上肢分析

快速上肢評估(Rapid Upper Limb Assessment， RULA)是面向人體操作姿態(tài)的重要分析方法，該方法利用主要關(guān)節(jié)自由度角度對應(yīng)身體各部位的分?jǐn)?shù)，每個身體部位的分?jǐn)?shù)均以顏色方式顯示，再綜合身體各主要部位的分?jǐn)?shù)給出整個姿勢的分?jǐn)?shù)[6]。RULA評估的分?jǐn)?shù)、顏色及應(yīng)對措施如表1所示。

圖14展示LNG船某分段安裝截止閥的操作。該截止閥重量為2.4 kg，工人屬于間歇性操作，最終得分為4分。根據(jù)RULA評分表格，該姿勢基本可被接受。通過詳細(xì)的評分表可知：工人負(fù)載較嚴(yán)重的部分主要集中在腕關(guān)節(jié)和手臂關(guān)節(jié)，得分為5分，因此在進(jìn)行這種操作時可建議工人在施工前先活動上述2個關(guān)節(jié)，做一些熱身活動，有利于工

表1 RULA最終評分表與應(yīng)對措施

人的健康安全。

圖14 工人安裝截止閥過程中的快速上肢分析

3.5.2 舉放分析

圖15展示對工人安裝蝶閥進(jìn)行的舉放分析。通過記錄工人的初始和最終位置，動作參數(shù)以每10.0 s執(zhí)行1次動作，操作周期為最多1 h，最終

分析結(jié)果顯示在此勞動強(qiáng)度下舉升的重量不應(yīng)超過4.5 kg，而最大的舉升重量不應(yīng)超過13.6 kg。該蝶閥重量為40.0 kg，已超出工人安全操作范圍。因此，蝶閥安裝應(yīng)盡可能安排在中組立階段，在該階段工人俯身作業(yè)，可確保施工安全性和便利性。

圖15 工人安裝蝶閥過程中的舉放分析

3.5.3 推拉分析

圖16展示在分段涂裝階段對工人推拉作業(yè)平臺進(jìn)行的分析。定義推拉節(jié)拍(20.0 s/次)、推拉距離(2 100 mm)、人員采樣(50%)，分析結(jié)果顯示：工人最大啟動推力為360.821 N，最大啟動拉力為241.285 N。LNG船沖砂一般采用金屬磨料，摩擦因數(shù)取0.15，該平臺重量為185.528 kg，則最大摩擦力為254.545 N。通過人機(jī)工程分析可知：工人可推動平臺，但不適合維持推動作業(yè)，可對工裝進(jìn)行輕量化設(shè)計。通過人機(jī)工程分析，可完成在分段建造過程中大多數(shù)工裝的優(yōu)化設(shè)計工作。

圖16 涂裝作業(yè)過程中的推拉分析

3.5.4 搬運(yùn)分析

DELMIA軟件對搬運(yùn)動作分析提供Snook與Ciriello1991分析工具，如圖17所示。工人在搬運(yùn)埋弧焊機(jī)時，定義搬運(yùn)節(jié)拍、搬運(yùn)距離及人員采樣，即可得到最大可接受重量不能超過29.0 kg。由此可知：在埋弧焊機(jī)重量大于29.0 kg時，應(yīng)采用其他吊運(yùn)工具對設(shè)備進(jìn)行搬運(yùn)。

圖17 工人作業(yè)過程中的搬運(yùn)分析

4 三維作業(yè)文檔可視化應(yīng)用

通過裝配現(xiàn)場可視化技術(shù)，利用企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)將船舶中間產(chǎn)品的三維裝配工藝文檔發(fā)送至裝配車間現(xiàn)場[7]，即可實(shí)現(xiàn)三維裝配工藝文檔現(xiàn)場應(yīng)用?，F(xiàn)場施工人員可通過裝配可視化系統(tǒng)現(xiàn)場終端，查詢分段名稱，查看其對應(yīng)的裝配工藝文檔，獲取中間產(chǎn)品的零部件結(jié)構(gòu)信息、裝配所需要的設(shè)備資源信息、零部件的定位及裝配尺寸等裝配工藝信息，查看裝配工序操作文字說明及分段的裝配動畫，全面直觀地了解分段的裝配流程和裝配工藝，最終完成分段的裝配工作。與傳統(tǒng)的裝配圖紙相比，三維裝配工藝文檔可形象生動地為工人提供施工指導(dǎo)，幫助現(xiàn)場施工人員迅速、準(zhǔn)確地了解分段的裝配過程，不僅提高對工人的培訓(xùn)效果，而且提高裝配施工效率和準(zhǔn)確性。

圖18展示3DPDF形式的三維工藝文檔在工業(yè)平板(Portable Android Device，PAD)上的應(yīng)用過程。利用工業(yè)PAD，工人可直觀看到中間產(chǎn)品的整個建造流程，可對中間產(chǎn)品進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、隱藏等三維動態(tài)瀏覽操作，可展示或隱藏在裝配工藝樹上每一個層級的構(gòu)件。三維工藝文檔還支持尺寸測量及三維注釋，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)意見的快速反饋。

圖18 三維裝配工藝文檔在工業(yè)PAD上的應(yīng)用

5 結(jié) 語

依據(jù)SPD國產(chǎn)軟件，結(jié)合DELMIA虛擬仿真軟件，利用基于統(tǒng)一模型的理念，從產(chǎn)品完整性建模、建造虛擬仿真及三維工藝文檔設(shè)計角度，基本打通三維模型從產(chǎn)品設(shè)計到生產(chǎn)建造的數(shù)據(jù)鏈路。

在依據(jù)MBD的三維工藝設(shè)計過程中，統(tǒng)一的三維模型不僅代表一個新的設(shè)計載體，而且代表一種設(shè)計方式的轉(zhuǎn)變。

國外先進(jìn)造船企業(yè)通過廣泛開展基于模型的設(shè)計、工藝仿真與設(shè)計優(yōu)化，其虛擬建造仿真的深度，可大幅提升船舶建造效率和質(zhì)量。在后續(xù)船舶生產(chǎn)設(shè)計中，國內(nèi)造船企業(yè)需要逐步加深對虛擬建造工藝的投入力度，盡可能將各種生產(chǎn)問題消滅在萌芽階段。設(shè)計部門是船舶建造的0號車間，只有設(shè)計源頭做到足夠的準(zhǔn)確和細(xì)化，才能從根本上提升船舶建造效率和質(zhì)量。