羅 金, 周 瑜, 慈元茂
(滬東中華造船(集團)有限公司,上海 200129)
虛擬建造技術(shù)為造船企業(yè)的精細化設(shè)計、精細化生產(chǎn)、精細化管理提供新的實現(xiàn)形式,對提高勞動生產(chǎn)效率和資源利用率、降低成本、改進產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。歐美先進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行較詳細、細致、全面的建造流程預演,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、以三維實體模型為輔”的設(shè)計模式,為最終實現(xiàn)三維數(shù)字化造船積累經(jīng)驗。借助國產(chǎn)船舶產(chǎn)品設(shè)計(Ship Product Design,SPD)軟件及達索公司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。
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)進行建模。完整性建模需要設(shè)計人員具備較豐富的經(jīng)驗及發(fā)現(xiàn)問題的能力,在參照詳細設(shè)計圖紙建模過程中能夠及時發(fā)現(xiàn)詳細設(shè)計的不合理之處,并從有利于現(xiàn)場建造的角度進行優(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、工藝加強件等,如圖1所示。
圖1 LNG船某分段完整性建模
船體分段裝配模型構(gòu)建是進行虛擬裝配設(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分段的裝配樹模型。圖2為利用模塊對LNG船的某分段進行組立自動劃分的過程。
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
進行中間產(chǎn)品劃分,為減少對計算機資源的無效占用,利用接口軟件對SPD模型及工藝加強模型進行輕量化處理,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
為使仿真效果更加真實,對船廠及相關(guān)設(shè)備建模時應(yīng)采取實際長度單位。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,可先單獨對切割、理料、部件、平面/曲面分段建造等場地分別進行建模,最后根據(jù)實際需要對其進行拆分和組合,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
設(shè)備資源模型相當于船廠的數(shù)字資產(chǎn),設(shè)備資源模型庫越充實,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)智能船廠目標邁進。
為減少對計算機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現(xiàn)相對運動,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
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,為減少對計算機硬件的占用并使仿真過程可流暢進行,需要對模型進行輕量化處理。
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)化為實體文件,從而減少零件幾何信息的數(shù)據(jù)量。
以油壓機設(shè)備為例,可將壓頭和機身分別保存為crg格式文件,然后將其插入油壓機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油壓機模型輕量化處理
利用DELMIA軟件進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,還可進行人機工程分析,優(yōu)化裝配工藝。該方法既簡單又實用,使設(shè)計人員的經(jīng)驗知識得到充分發(fā)揮,提高虛擬裝配工藝設(shè)計效率。
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入數(shù)字制造過程(Digital Process for Manufacturing,DPM)仿真環(huán)境,導入的船舶產(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
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行。利用裝配仿真運動,可對中間產(chǎn)品建造流程的可行性進行反復分析與評估,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”類型的活動實現(xiàn)。系統(tǒng)可在零部件活動的過程中記錄其運動軌跡,如圖10所示。同時,可檢查其在運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
3.4.1 靜態(tài)干涉檢查技術(shù)
大型船舶的構(gòu)件多達千萬數(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)件在裝配運動過程中的掃掠體是否產(chǎn)生干涉現(xiàn)象進行研究,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行安裝,散裝肘板在大組立階段進行安裝,需要將已安裝的電纜扁鐵拆除才能進行肘板裝配。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
3.5.1 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)身體各部位的分數(shù),每個身體部位的分數(shù)均以顏色方式顯示,再綜合身體各主要部位的分數(shù)給出整個姿勢的分數(shù)[6]。RULA評估的分數(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。通過詳細的評分表可知:工人負載較嚴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),可對工裝進行輕量化設(shè)計。通過人機工程分析,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 搬運分析
DELMIA軟件對搬運動作分析提供Snook與Ciriello1991分析工具,如圖17所示。工人在搬運埋弧焊機時,定義搬運節(jié)拍、搬運距離及人員采樣,即可得到最大可接受重量不能超過29.0 kg。由此可知:在埋弧焊機重量大于29.0 kg時,應(yīng)采用其他吊運工具對設(shè)備進行搬運。
圖17 工人作業(yè)過程中的搬運分析
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,幫助現(xiàn)場施工人員迅速、準確地了解分段的裝配過程,不僅提高對工人的培訓效果,而且提高裝配施工效率和準確性。
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
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確和細化,才能從根本上提升船舶建造效率和質(zhì)量。