面向大型吊裝的三維仿真系統(tǒng)

林遠(yuǎn)山,鄭亞輝,梁友國(guó),焦 博,王華盛

(1.大連理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧 大連 116023;2.大連益利亞工程機(jī)械有限公司,遼寧 大連 116025;3.中國(guó)石化集團(tuán)南京工程有限公司,江蘇 南京 210046)

移動(dòng)式起重機(jī)被廣泛地應(yīng)用在快速發(fā)展的石油化工、海洋工程、橋梁建設(shè)等行業(yè)的百?lài)嵓?jí)甚至千噸級(jí)的超大型設(shè)備的吊裝工程中.吊裝工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境日益復(fù)雜,使多臺(tái)起重機(jī)的協(xié)同作業(yè)也越來(lái)越普遍.負(fù)責(zé)吊裝行業(yè)的施工企業(yè)為能安全順利地完成吊裝工作,必須統(tǒng)籌安排起重機(jī)資源,精確詳細(xì)地設(shè)計(jì)吊裝方案,以保證吊裝工作可靠、合理和高效地進(jìn)行,因此吊裝方案的制定是吊裝作業(yè)的首要環(huán)節(jié),吊裝方案的好壞直接影響到吊裝作業(yè)的工作量、成本及可行性等.但目前吊裝方案設(shè)計(jì)仍停留在簡(jiǎn)單的手工計(jì)算、二維圖繪制等傳統(tǒng)模式,難以快速高效地適應(yīng)當(dāng)前復(fù)雜而大型的吊裝工程.由于平衡梁、索具、吊耳等輔助設(shè)備繁多、起重機(jī)的起重性能參數(shù)數(shù)據(jù)量巨大,手工進(jìn)行校核計(jì)算和選擇滿(mǎn)足工況要求的起重機(jī)成為一項(xiàng)非常繁瑣的工作,吊裝方案確定后不能馬上直觀地看到實(shí)施的效果,這直接影響吊裝工程師對(duì)方案的可行性分析的工作效率.為此,有必要結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)研制一套行之有效的三維虛擬仿真系統(tǒng).

為了輔助吊裝工程師快速選擇和使用起重機(jī),國(guó)外一些學(xué)者對(duì)起重機(jī)的選擇做了一些研究,并開(kāi)發(fā)了一些計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)[1～13].另外美國(guó)一公司開(kāi)發(fā)了專(zhuān)業(yè)的模擬吊裝軟件Lift Planner,該軟件產(chǎn)品側(cè)重于仿真但沒(méi)有校核計(jì)算功能.國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上所見(jiàn)到的相關(guān)的產(chǎn)品是浙江開(kāi)元安裝集團(tuán)有限公司研發(fā)的吊裝專(zhuān)家Vista系統(tǒng),該系統(tǒng)是面向吊裝行業(yè)的專(zhuān)用軟件,用于起重機(jī)吊裝工況核算和優(yōu)化,該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中取得了良好反響,但缺乏三維模擬演示的逼真效果.在三維模擬方面,文獻(xiàn)[13]利用OpenGL對(duì)船載特種起重機(jī)進(jìn)行三維圖形建模,實(shí)現(xiàn)了在各種海況下船載特種起重機(jī)工作狀態(tài)的仿真.大連理工大學(xué)工程機(jī)械研究中心也進(jìn)行了一定的嘗試,采用3DSM ax軟件取得了很好的吊裝模擬效果,但不能實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景設(shè)備的參數(shù)化及交互操作.為此,本文基于開(kāi)源的面向?qū)ο箐秩疽?OGRE)開(kāi)發(fā)了集計(jì)算、有限元分析、作業(yè)環(huán)境和吊裝設(shè)備參數(shù)化、三維模擬于一體的三維吊裝虛擬仿真系統(tǒng),本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)交互界面,提高了吊裝方案設(shè)計(jì)的可靠性,縮短了設(shè)計(jì)周期,并且可以提前排除不可行方案及預(yù)防可能出現(xiàn)的吊裝事故.

1 系統(tǒng)總體框架

三維吊裝仿真系統(tǒng)是一款面向吊裝行業(yè)的、用于輔助吊裝設(shè)計(jì)人員定制吊裝方案并對(duì)吊裝現(xiàn)場(chǎng)及吊裝過(guò)程進(jìn)行三維仿真模擬的系統(tǒng).本軟件集作業(yè)環(huán)境和吊裝設(shè)備參數(shù)化繪制、吊索具校核計(jì)算及有限元分析、起重機(jī)選擇、起重機(jī)建模、吊裝仿真模擬于一體,擁有智能的數(shù)據(jù)庫(kù)選型,交互式圖形渲染,準(zhǔn)確地分析計(jì)算和快捷輸出處理等功能,讓用戶(hù)直觀地看到該吊車(chē)實(shí)施吊裝作業(yè)的過(guò)程以及整個(gè)吊裝作業(yè)過(guò)程中的情況,并能夠提前排除不可行的吊裝方案,通過(guò)仿真和比較尋求最佳吊裝方案.系統(tǒng)總體框架如圖1所示.

圖1 三維吊裝仿真系統(tǒng)框架Fig.1 Arch itecture of 3D lifting simu lation system

(1)結(jié)果輸出模塊.主要包括方案基本信息、計(jì)算書(shū)、起重機(jī)的占位圖和立面圖、吊裝設(shè)備圖、各種吊裝設(shè)備附件圖(如平衡梁、索具、吊耳、吊蓋等)以及吊裝仿真結(jié)果(如仿真錄像、圖片等內(nèi)容)的輸出.該模塊為吊裝方案的制定提供各類(lèi)可靠的素材和依據(jù),從而指導(dǎo)吊裝作業(yè)的實(shí)施.方案基本信息和計(jì)算書(shū)的輸出是通過(guò)對(duì)Office二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的;起重機(jī)的占位圖和立面圖、吊裝設(shè)備圖是通過(guò)對(duì)AutoCAD二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的,輸出的CAD圖允許用戶(hù)進(jìn)行修改;而仿真錄像、圖片是通過(guò)對(duì)圖形幀緩存的操作實(shí)現(xiàn)的.仿真結(jié)果的輸出為吊裝方案的制定提供了依據(jù).

(2)理論計(jì)算及有限元分析.主要負(fù)責(zé)吊裝設(shè)備附件的設(shè)計(jì),包括理論計(jì)算和有限元分析兩部分.理論計(jì)算部分包括平衡梁、索具、吊耳和吊蓋等附件的理論設(shè)計(jì).有限元分析部分包含細(xì)長(zhǎng)吊裝設(shè)備、吊耳和吊蓋等附件的有限元分析.系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)功能取代了目前手工的理論設(shè)計(jì),減少了手工計(jì)算的錯(cuò)誤,節(jié)省了校核計(jì)算的時(shí)間,而系統(tǒng)的有限元分析功能是利用強(qiáng)大的有限元分析軟件ANSYS實(shí)現(xiàn)的,通過(guò)使用ANSYS的參數(shù)化編程語(yǔ)言APDL編程,實(shí)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)吊裝設(shè)備和輔助構(gòu)件的有限元分析,把細(xì)長(zhǎng)吊裝設(shè)備和輔助構(gòu)件的各個(gè)局部受力情況展現(xiàn)給用戶(hù),為用戶(hù)設(shè)計(jì)或選擇輔助構(gòu)件提供參考依據(jù).

(3)數(shù)據(jù)庫(kù)處理.數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)仿真所需數(shù)據(jù),其種類(lèi)繁多、并且數(shù)據(jù)量很大,數(shù)據(jù)主要包含起重機(jī)外形尺寸、起重機(jī)起重性能、起重機(jī)部件相對(duì)重心參數(shù)及輔助構(gòu)件參數(shù),數(shù)據(jù)庫(kù)處理模塊是其他模塊工作過(guò)程中所需數(shù)據(jù)的提供者.數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是本軟件的一項(xiàng)重要內(nèi)容.采用三層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)處理模塊,數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)層負(fù)責(zé)直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù),管理數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)的增加、更新、查詢(xún)等操作,為數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用層提供簡(jiǎn)單易用的接口.數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)起重機(jī)作業(yè)工況的選擇和后臺(tái)數(shù)據(jù)管理,起重機(jī)作業(yè)工況的選擇是根據(jù)用戶(hù)輸入的工況要求及一些限制條件,系統(tǒng)自動(dòng)地搜索起重機(jī)起重性能數(shù)據(jù)庫(kù)并生成一組滿(mǎn)足工況要求的起重機(jī)作業(yè)工況.后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理主要負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中各種參數(shù).交互系統(tǒng)層負(fù)責(zé)接收應(yīng)用程序的交互請(qǐng)求并進(jìn)行相應(yīng)的處理以及調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用層的相關(guān)功能.

(4)吊裝仿真模塊.主要負(fù)責(zé)起重機(jī)模型的顯示及各種吊裝工況的模擬,包括單臺(tái)起重機(jī)的吊裝模擬、1臺(tái)起重機(jī)與溜尾小車(chē)協(xié)同吊裝模擬、主起重機(jī)與溜尾起重機(jī)對(duì)吊裝設(shè)備翻轉(zhuǎn)豎立的吊裝模擬、多臺(tái)起重機(jī)協(xié)同吊裝模擬等.該模塊也分為2層,起重機(jī)動(dòng)作仿真層通過(guò)相應(yīng)的力學(xué)和數(shù)學(xué)計(jì)算建立各種吊裝工況的仿真數(shù)學(xué)模型,并調(diào)用起重機(jī)建模模塊的接口顯示起重機(jī).

(5)起重機(jī)建模.這是起重機(jī)的虛擬生產(chǎn)工廠,負(fù)責(zé)建立各種起重機(jī)三維模型,包括履帶起重機(jī)、桁架臂汽車(chē)起重機(jī)、箱型臂汽車(chē)起重機(jī)、門(mén)式桅桿起重機(jī)等.起重機(jī)的種類(lèi)繁多,不僅尺寸不一樣,形狀類(lèi)型也有很大差別,該模塊建立各種起重機(jī)的部件并將這些部件組裝形成相應(yīng)的起重機(jī)整機(jī)模型,為吊裝仿真模塊提供了起重機(jī)模型基礎(chǔ).

(6)三維草繪建模.是用于創(chuàng)建吊裝行業(yè)各種作業(yè)環(huán)境和吊裝設(shè)備的專(zhuān)業(yè)建模工具,主要負(fù)責(zé)通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)交互式創(chuàng)建各種規(guī)則的基本幾何體(如長(zhǎng)方體、圓柱體、圓臺(tái)體等),并用這些基本幾何體組合形成復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境或吊裝設(shè)備,為吊裝仿真提供必要的三維的環(huán)境模型和被操作對(duì)象模型.該模塊需要OGREEX模塊的支持,該模塊本身只負(fù)責(zé)處理鼠標(biāo)和鍵盤(pán)事件,使得總體控制程序能從繁雜的輸入/輸出(I/O)事件處理中解脫出來(lái).它的工作流程是:從總體控制模塊中獲取相應(yīng)的事件,對(duì)所獲取的事件進(jìn)行處理,并調(diào)用OGREEX提供生成和修改幾何體的接口,然后通過(guò)OGRE渲染器將生成或修改后的圖形渲染出來(lái)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上.此外,該模塊內(nèi)置一個(gè)模板庫(kù),包括一些標(biāo)準(zhǔn)的、常用的物體或一些子場(chǎng)景.三維草繪建?？梢詮哪０鍘?kù)中調(diào)用這些物體并修改其相應(yīng)參數(shù)形成新的物體.

(7)OGRE模塊.OGRE是一個(gè)成熟,穩(wěn)定,可靠,靈活,跨平臺(tái),且擁有豐富功能的實(shí)時(shí)三維圖形庫(kù).它的目的是讓開(kāi)發(fā)者更方便和直接地開(kāi)發(fā)基于三維硬件設(shè)備的應(yīng)用程序或游戲.引擎中的類(lèi)庫(kù)對(duì)更底層系統(tǒng)庫(kù)的全部使用細(xì)節(jié)進(jìn)行了封裝,并提供了基于現(xiàn)實(shí)世界對(duì)象的接口和其他類(lèi).

(8)OGREEX模塊.OGRE僅是一個(gè)強(qiáng)大的三維渲染引擎,渲染之外僅提供極少的功能,具體的三維應(yīng)用程序所需的功能需要自己增加.OGREEX模塊是對(duì)OGRE的一個(gè)擴(kuò)展層,通過(guò)擴(kuò)展OGRE的功能使其更好地支持特殊的應(yīng)用而不用修改原有的OGRE代碼.該層包含碰撞檢測(cè)及距離計(jì)算、物理系統(tǒng)和規(guī)則幾何體模型.為了更好地支持交互式三維建模和手工參數(shù)化創(chuàng)建起重機(jī)模型,在該層增加了規(guī)則幾何體類(lèi)Geometry,該類(lèi)從ManualObject類(lèi)繼承,從它又派生出各種具體的幾何體類(lèi)(Box,Cy linder,Sphere,Taper等),這些類(lèi)代表了相應(yīng)的規(guī)則幾何體,這些幾何體除了存儲(chǔ)網(wǎng)格頂點(diǎn)等相關(guān)信息外還存儲(chǔ)該幾何體的表示(幾何大小尺寸參數(shù)),以方便用戶(hù)對(duì)幾何體的生成與修改.

2 案例

本文所提出的系統(tǒng)已經(jīng)交付中石化集團(tuán)使用.本文用一個(gè)實(shí)際的吊裝案例來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性和應(yīng)用價(jià)值.這個(gè)案例是福建泉州減壓塔安裝.吊裝現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜,建筑物、吊裝設(shè)備、地下管道和鋼架結(jié)構(gòu)相互交錯(cuò);被吊裝設(shè)備質(zhì)量為563 t,直徑為10 m,高為51.98m;吊裝過(guò)程需要2臺(tái)起重機(jī)協(xié)同吊裝,將被吊裝設(shè)備放置在高17 m,長(zhǎng)13m,寬13 m的鋼架上.根據(jù)這些吊裝限制因素,需要制定一個(gè)合適的吊裝方案,即一個(gè)技術(shù)上滿(mǎn)足要求同時(shí)高效的方案.為制定一個(gè)合適的吊裝方案,需要以下幾步:

第一步:根據(jù)實(shí)際吊裝情況,通過(guò)三維草繪模塊建立吊裝設(shè)備和作業(yè)環(huán)境的三維模型圖.

第二步:進(jìn)行吊耳的校核計(jì)算.當(dāng)在建立吊裝設(shè)備的三維模型時(shí)需要輸入吊裝設(shè)備的一些基本信息,比如吊耳位置、吊裝設(shè)備重量和重心位置等.這里選擇管式吊耳類(lèi)型.接下來(lái)就需要進(jìn)行吊耳的校核計(jì)算,校核計(jì)算截面圖如圖2a所示,吊耳的基本信息如下:能力等級(jí)為300 t,吊耳材料為16 MnR,雙十字加強(qiáng)板,通過(guò)計(jì)算,求得吊耳的最大受力為71.9 MPa,滿(mǎn)足材料許用應(yīng)力203.1 MPa.如果不滿(mǎn)足許用應(yīng)力要求,需要重新選擇和計(jì)算,直到滿(mǎn)足要求為止.在按下“有限元分析”按鈕后,系統(tǒng)啟動(dòng)有限元分析軟件ANSYS,自動(dòng)建立吊耳的三維參數(shù)化模型,加載幾何和物理約束,計(jì)算受力,并顯示受力云圖,吊耳受力圖見(jiàn)圖2b.從這些受力云圖可以看出,吊耳與吊裝設(shè)備連接處的壓力最大,為176.5 MPa,滿(mǎn)足要求.平衡梁與索具的校核計(jì)算和吊耳的校核計(jì)算相似,所以它們校核計(jì)算的細(xì)節(jié)不再詳細(xì)描述.

圖2 吊耳校核計(jì)算和有限元分析Fig.2 Check calcu lation and FEA of prim ary lifting lugs

第三步:進(jìn)行起重機(jī)工況選擇.單擊“工況選擇”菜單,進(jìn)入“方案選擇”界面,首先用戶(hù)需要根據(jù)吊裝作業(yè)的實(shí)際情況,輸入基本信息.起升高度為95 m,就位高度,即吊裝結(jié)束后吊裝設(shè)備底部離地高度為11 m,工作幅度為20 m,主起重機(jī)的起重量為663 t,溜尾起重機(jī)的起重量為267 t,如圖3所示.為了減少搜索結(jié)果項(xiàng),要求主起重機(jī)的起重量富裕率為50%,工作幅度富裕率為20%,臂架與吊裝設(shè)備之間的最小干涉距離為500 mm,如圖4所示.共顯示了25種不同起重機(jī)臂架組合的主起重機(jī)和43種不同臂架組合的溜尾起重機(jī).

本案例中,主起重機(jī)選擇為DEMAG CC8800,最大起重量為1250 t,臂架長(zhǎng)度為96m,工作幅度為22 m,額定起重量為700 t.溜尾起重機(jī)的選擇的臂架長(zhǎng)度為35 m,工作幅度為12 m,額定起重量為345 t.系統(tǒng)可以對(duì)方案選擇結(jié)果中的起重機(jī)工況按照起重量、幅度和臂架長(zhǎng)度進(jìn)行排序.

接下來(lái),就要進(jìn)行吊裝仿真.在仿真過(guò)程中,首先需要根據(jù)吊裝設(shè)備的位置確定起重機(jī)的站位,然后用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)控制起重機(jī)進(jìn)行移動(dòng)、回轉(zhuǎn)和起升等操作.另外,提前預(yù)定了起重機(jī)的操作序列后,系統(tǒng)可以自動(dòng)地執(zhí)行仿真動(dòng)作.全部的吊裝過(guò)程是在三維視圖空間進(jìn)行的.系統(tǒng)提供了所有視角視圖,允許用戶(hù)從各個(gè)角度觀察吊裝狀態(tài).系統(tǒng)還可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前吊裝狀態(tài)的相關(guān)信息,比如起升高度、工作幅度、當(dāng)前起重量、負(fù)載率、接地比壓等.圖5為吊裝仿真過(guò)程的截面圖.如果當(dāng)前的吊裝方案不滿(mǎn)足要求或者需要制作多個(gè)吊裝方案進(jìn)行比較,可以保存當(dāng)前吊裝方案的所有信息,然后選擇另外的起重機(jī)重新進(jìn)行仿真.

最后,當(dāng)仿真結(jié)束后,系統(tǒng)可以將吊裝方案和校核計(jì)算結(jié)果保存為.doc格式的文檔.另外,系統(tǒng)也可以將起重機(jī)和吊裝設(shè)備的站位圖和立面圖保存為.dwg格式并輸出.也可以截取仿真過(guò)程的錄像.通過(guò)調(diào)用AutoCAD生成的起重機(jī)的站位圖如圖6所示.

3 結(jié)論

對(duì)吊裝動(dòng)作建模仿真的主要目的是讓吊裝工程師更容易觀察、理解方案中的操作和評(píng)估每個(gè)方案的安全性、可行性.對(duì)于吊裝工程師而言,仿真模塊應(yīng)該是可信的并且易于理解的.本文對(duì)吊裝現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹,并結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)了一款面向大型吊裝的三維仿真系統(tǒng),該系統(tǒng)集作業(yè)環(huán)境和吊裝設(shè)備參數(shù)化繪制、吊索具校核計(jì)算及有限元分析、起重機(jī)選擇、起重機(jī)建模、吊裝仿真模擬于一體.最后以石化的一個(gè)實(shí)際案例驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性并展示其主要特點(diǎn).

本文著重研究了作業(yè)環(huán)境及吊裝設(shè)備的建模、吊索具的校核計(jì)算以及吊裝的可視化模擬,該系統(tǒng)為進(jìn)一步研究提供了一個(gè)很好的基礎(chǔ).目前,該系統(tǒng)的吊裝仿真模塊可以模擬單臺(tái)起重機(jī)吊裝、主副溜尾起重機(jī)吊裝,隨著研究的不斷深入,該系統(tǒng)將包括以下幾方面內(nèi)容:

(1)多臺(tái)起重機(jī)協(xié)同吊裝仿真.

(2)在復(fù)雜吊裝環(huán)境中自動(dòng)識(shí)別起重機(jī)的最佳站位.

(3)為移動(dòng)式起重機(jī)自動(dòng)生成優(yōu)化的吊裝路徑.

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