VS4616型三用工作船箱冷拆卸工藝仿真

楊 海，郭世君

(武昌船舶重工有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430060)

VS4616型三用工作船箱冷拆卸工藝仿真

楊 海，郭世君

(武昌船舶重工有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430060)

隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，在虛擬仿真研究平臺建設(shè)及技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，成功地運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)研究成果解決實際船舶建造中的重難點(diǎn)問題，實現(xiàn)了對VS4616AHTS型海洋平臺三用工作船箱形冷卻器(簡稱箱冷)拆卸工藝的仿真及驗證，基于三維模型對每個箱冷的拆卸路徑和運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行規(guī)劃，并對拆卸的全過程進(jìn)行動態(tài)干涉檢查，生成干涉檢查報告反饋給生成設(shè)計人員，設(shè)計人員對三維綜合布置進(jìn)行優(yōu)化，直至拆卸工藝順利通過仿真驗證，為該型船的建造和維護(hù)提供仿真及驗證的技術(shù)支持。

箱形冷卻器;拆卸工藝;仿真及驗證

0 引言

VS4616AHTS型海洋平臺三用工作船所有水冷設(shè)備均采用淡水箱式冷卻器(以下簡稱箱冷)進(jìn)行冷卻，全船共28個箱冷，分別位于機(jī)艙和尾側(cè)推艙中，雖然有銅離子犧牲陽極等措施對其進(jìn)行保護(hù)，但在船舶使用過程中，仍有可能受到海水腐蝕及海生物的附著而需要維修。為了打造讓顧客滿意的精品船，在建造階段就要考慮將來維修需求，保證VS4616AHTS型海洋平臺三用工作船箱冷可拆可維。

當(dāng)VS4616AHTS型海洋平臺工程船處于建造的前期時，設(shè)備和系統(tǒng)的完整性、艙室空間等方面與使用時的狀態(tài)有著天壤之別。如何在建造前期階段及時采取措施保證將來船舶使用過程中箱冷的可拆可維，即將工藝延伸至產(chǎn)品全生命周期，成為船舶建造中需要解決的問題。

計算機(jī)虛擬仿真具有構(gòu)造仿真環(huán)境、模擬物體運(yùn)動變化等強(qiáng)大功能，而對未來世界的仿真更是其優(yōu)勢。在VS4616AHTS型海洋平臺三用工作船全三維生產(chǎn)設(shè)計的基礎(chǔ)上，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，模擬船舶使用時箱冷所在艙室的狀態(tài)，對預(yù)定的拆卸工藝逐步進(jìn)行仿真，對每個箱冷的拆卸路徑和運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行規(guī)劃，并對拆卸的全過程進(jìn)行動態(tài)干涉檢查，為每個箱冷的順利拆卸出艙維護(hù)提供仿真及驗證的技術(shù)支持。

1 仿真策劃

在了解項目背景和需求的基礎(chǔ)上，明確預(yù)定的箱冷拆卸工藝路徑，完成箱冷拆卸工藝交底。針對該工藝的仿真要求，完成了仿真平臺選擇、仿真方案確定、項目實施計劃編寫及資源配置等策劃工作。

針對VS4616AHTS型海洋平臺三用工作船箱冷拆卸仿真需求，考慮到Division軟件在路徑規(guī)劃、動態(tài)干涉檢查等方面的工程應(yīng)用優(yōu)勢，選擇Division作為仿真及驗證平臺。

在確定仿真平臺的基礎(chǔ)上，制定可行的仿真方案。在Division環(huán)境中，主要以每個箱冷主體作為運(yùn)動仿真對象，其他相關(guān)模型作為運(yùn)動干涉檢查的約束條件，在仿真環(huán)境中為每個箱冷的順利拆卸規(guī)劃運(yùn)動路徑，并實現(xiàn)在虛擬環(huán)境中的工藝動態(tài)仿真和驗證。

VS4616AHTS型海洋平臺三用工作船箱冷拆卸工藝仿真的流程見圖1。

2 編寫仿真腳本

2.1 左舷各箱冷吊裝步驟

1)首部冷卻箱冷(共2個)吊裝步驟

如需吊出首部冷卻的2個箱冷中任意1個，首先需拆卸由尾至首的6個箱冷自身冷卻水管路，并拆卸4路由箱冷至主機(jī)之間180°彎的管路及箱冷上方相應(yīng)吹除管路以便于管路吊裝，之后再拆卸箱冷上方8根淡水冷卻管路等。待管路拆卸完后，將箱冷吊出移至箱冷與主機(jī)之間的通道內(nèi)(通道在#85～#89之間)，再將箱冷旋轉(zhuǎn)90°平行于主機(jī)方向，然后將箱冷移至主機(jī)大開口處吊出(以下左舷所有箱冷，均可由此通道吊出)。

圖1 箱冷拆卸工藝仿真流程圖Fig.1 Flow chart of simulation

2)拖纜機(jī)冷卻箱冷(共4個)吊裝步驟

如需吊出拖纜機(jī)冷卻箱冷中的任意1個箱冷，首先需拆卸周圍由尾至首的6個箱冷自身冷卻水管路及箱冷上方首部拖纜機(jī)冷卻水管路，并拆卸4路由箱冷至主機(jī)之間180°彎的管路及箱冷上方相應(yīng)吹除管路以便于管路吊裝。管路拆卸完移運(yùn)至通道后，可參照之前步驟將箱冷吊出。

3)主機(jī)冷卻箱冷(共4個)吊裝步驟

如需吊出靠近拖纜機(jī)冷卻箱冷的主機(jī)冷卻箱冷，首先需拆卸與箱冷自身連接的管路，之后再拆卸拖纜機(jī)冷卻箱冷與主機(jī)冷卻箱冷之間的冷卻水管路，并拆卸4路由箱冷至主機(jī)之間180°彎的管路及箱冷上方相應(yīng)吹除管路以便于管路吊裝。其余3個冷卻主機(jī)箱冷如需吊出，則拆卸與箱冷自身管路即可。管路拆卸完移運(yùn)至通道后，可參照之前步驟將箱冷吊出。

4)輔機(jī)冷卻箱冷(共1個)吊裝步驟

如需吊出輔機(jī)冷卻箱冷，只需將與箱冷自身連接的管路拆卸即可，并拆卸4路由箱冷至主機(jī)之間180°彎的管路及箱冷上方相應(yīng)吹除管路以便于管路吊裝。管路拆卸完移運(yùn)至通道后，可參照之前步驟將箱冷吊出。

5)主機(jī)高溫水冷卻箱冷(共2個)吊裝步驟

如需吊出主機(jī)高溫水冷卻箱冷，只需將與箱冷自身連接的管路拆卸即可。管路拆卸完移運(yùn)至通道后，可參照之前步驟將箱冷吊出。

2.2 右舷各箱冷吊裝步驟

1)首部冷卻箱冷(共2個)吊裝步驟

如需吊出首部冷卻箱冷中任意1個，首先需拆卸另1個箱冷自身的冷卻水管路，之后再拆卸箱冷上方艙底水排除舷外管路。將需吊出的箱冷管路拆卸完后，再將箱冷吊出，旋轉(zhuǎn)90°，移至主機(jī)與齒輪箱之間的過道處，經(jīng)過該處時箱冷需向尾方向傾斜45°左右，后再移至右舷兩主機(jī)之間的通道，然后將箱冷從該通道處吊出即可，以下右舷所有箱冷均可由此通道吊出。

2)拖纜機(jī)冷卻箱冷(共4個)吊裝步驟

如需吊出拖纜機(jī)冷卻箱冷中的任意1個，首先需拆卸其它3個相鄰箱冷上方管路及箱冷上方艙底水排除舷外管路，并拆卸箱冷上方的舷側(cè)閥。拆卸完后，可參照之前步驟將箱冷吊出。

3)主機(jī)冷卻箱冷(共4個)吊裝步驟

如需吊出靠近拖纜機(jī)箱冷的主機(jī)冷卻箱冷，首先需拆卸與箱冷自身連接的管路及箱冷上方艙底水排除舷外管路，并拆卸箱冷上方的舷側(cè)閥，之后再拆卸箱冷正上方冷卻水管路。其余3個主機(jī)冷卻箱冷如需吊出，則拆卸箱冷自身管路及箱冷正上方管路即可。管路拆卸完后，可參照之前步驟將箱冷吊出。

4)輔機(jī)冷卻箱冷(1個)吊裝步驟

如需吊出輔機(jī)冷卻箱冷，只需將與箱冷自身連接的管路拆卸即可。管路拆卸完后，可參照之前步驟將箱冷吊出。

5)主機(jī)高溫水冷卻箱冷(共2個)吊裝步驟

如需吊出主機(jī)高溫水冷卻箱冷，只需將與箱冷自身連接的管路拆卸即可。管路拆卸完后，可參照之前步驟將箱冷吊出。

3 準(zhǔn)備仿真模型

在三維設(shè)計的基礎(chǔ)上，按照箱冷拆卸工藝步驟完成模型的準(zhǔn)備，模擬VS4616海洋平臺三用工作船使用中對箱冷進(jìn)行拆卸和維護(hù)時的產(chǎn)品狀態(tài)。經(jīng)過對工藝的分析，將模型劃分為背景模型和工藝仿真模型。

1)背景模型

對于每一個箱冷的拆卸，船體結(jié)構(gòu)、各類設(shè)備和電纜以及不需要拆除的管系等，均可作為工藝仿真的背景。這部分模型沒有任何動作，可從設(shè)計平臺直接轉(zhuǎn)換到仿真平臺，但需要注意的是:應(yīng)盡量模擬箱冷拆卸和維護(hù)時的環(huán)境和條件，使箱冷拆卸過程盡量接近真實，提高虛擬仿真的可信度。

2)工藝仿真模型

對于每一個箱冷的拆卸，根據(jù)其拆卸工藝將模型拆分為箱冷主體、箱冷蓋板、需拆除的管系等。

4 仿真步驟

在仿真腳本和仿真模型的基礎(chǔ)上，完成仿真步驟的實施，包括設(shè)置干涉檢查約束條件、設(shè)置仿真運(yùn)行條件及規(guī)劃仿真路徑等3部分。在仿真驗證的過程中，這3部分是相互關(guān)聯(lián)、相輔相成的，當(dāng)箱冷沿著預(yù)定的軌跡運(yùn)動時，一旦發(fā)生干涉，可能有2種結(jié)果:一種是在一定的工藝約束下，可以通過修正干涉檢查的約束條件或調(diào)整仿真路徑和姿態(tài)等方法消除干涉，通過仿真驗證的手段證明工藝可行;另一種是在滿足工藝施工條件的情況下，無法通過修正干涉檢查的約束條件或調(diào)整仿真路徑和姿態(tài)等方法消除干涉，通過仿真驗證的手段證明工藝不可行。

4.1 設(shè)置干涉檢查約束條件

工藝可行性驗證需要在仿真環(huán)境中設(shè)置干涉檢查約束條件。當(dāng)仿真驗證運(yùn)行時，只有在所有的干涉檢查約束條件都滿足的情況下，箱冷拆卸工藝才能通過仿真驗證，否則需要修正干涉檢查約束條件。

將每個箱冷在預(yù)定拆卸路徑上的相關(guān)模型均設(shè)置為干涉檢查約束條件，為每個相關(guān)模型加載Collision(碰撞)屬性，并選擇幾何碰撞類型。

作為干涉檢查約束條件的相關(guān)模型是仿真和驗證的基礎(chǔ)，其完整性、有效性、正確性直接影響仿真驗證的結(jié)果。為保證箱冷拆卸工藝仿真和驗證的準(zhǔn)確性，使得箱冷在仿真運(yùn)動過程中與任何一個相關(guān)模型發(fā)生干涉時系統(tǒng)都會響應(yīng)，應(yīng)保證干涉檢查約束條件的相關(guān)模型必須實時、完整、正確，盡可能地接近拆卸、維護(hù)時現(xiàn)場的工藝狀態(tài)和條件。只有這樣，才能使仿真環(huán)境盡量接近實際施工環(huán)境，虛擬仿真和驗證才能滿足工程應(yīng)用的要求，所得出的結(jié)論才是有價值的、可信的。

4.2 設(shè)置仿真運(yùn)行條件

第1步，為每個箱冷模型加載Pivot(軸)屬性，記錄其初始狀態(tài)，為路徑規(guī)劃中箱冷姿態(tài)調(diào)整做準(zhǔn)備。

第2步，為每個箱冷模型加載Collision(碰撞)屬性，并選擇幾何碰撞類型。

第3步，完成預(yù)定運(yùn)動路徑的動態(tài)干涉檢查。

在箱冷運(yùn)動仿真過程中，可視化的窗口界面只能看到1個特定的角度和距離，如果靠人眼判斷，則需要不斷切換角度和距離，而且往往由于視角盲點(diǎn)而產(chǎn)生偏差造成錯誤的判斷，得出錯誤的結(jié)論。

因此，利用虛擬仿真平臺的動態(tài)干涉檢查、條件觸發(fā)機(jī)制和信息實時反饋功能，配合可視化效果和音效，完成箱冷拆卸過程的動態(tài)干涉檢查和仿真驗證。

1)為每個箱冷模型加載Behavior(行為)屬性;

2)在每個箱冷的Behavior(行為)屬性中設(shè)置觸發(fā)條件為Collide(干涉);

3)當(dāng)干涉發(fā)生時系統(tǒng)觸發(fā)2個事件，即dvAssemblyFlash(可視化效果為模型的閃動)和dvAssemblyAudio(指定的音效)并發(fā)。

在某個箱冷運(yùn)動仿真過程中一旦發(fā)生干涉，則該箱冷會閃動幾下，同時發(fā)出玻璃破碎的聲音。

通過上述仿真應(yīng)用的設(shè)置，借助虛擬仿真的技術(shù)優(yōu)勢，保證干涉檢查的準(zhǔn)確性、實時性、直觀性、高效性，滿足工程化應(yīng)用的要求。

4.3 規(guī)劃拆卸路徑，調(diào)整約束條件

按照箱冷拆卸工藝預(yù)定的拆卸步驟和路徑，運(yùn)用虛擬仿真平臺的路徑規(guī)劃功能，將每個箱冷的運(yùn)動過程進(jìn)行工程分解，形成離散的動作起止點(diǎn)，記錄箱冷每一步運(yùn)動的初始和終止坐標(biāo)(移動的X，Y，Z值以及旋轉(zhuǎn)的X，Y，Z值)，通過軟件系統(tǒng)的自動插值，形成箱冷的運(yùn)動軌跡序列，完成對其運(yùn)動軌跡和姿態(tài)的虛擬仿真。

在運(yùn)動仿真過程中，通過調(diào)整箱冷主體的軸心位置到預(yù)定旋轉(zhuǎn)軸上，實現(xiàn)箱冷精確的姿態(tài)調(diào)整。

在虛擬仿真的實施過程中，如果箱冷模型閃動和音效觸發(fā)，可知箱冷與其運(yùn)動路徑上的運(yùn)動約束模型之間發(fā)生了干涉，如圖2所示。這時，可運(yùn)行仿真軟件的干涉檢查功能直接鎖定發(fā)生干涉的模型而屏蔽其他不相關(guān)的模型(圖3)，并將干涉檢查結(jié)果以文本形式輸出干涉模型報告(圖4)，且在可視化窗口顯示干涉的具體部位，如圖4和圖5所示。

為了最大程度保護(hù)船東的利益，以“降低維修難度，節(jié)約維修成本，縮短維修周期，保證維修質(zhì)量”為原則，針對干涉檢查結(jié)果，采取以下步驟進(jìn)行調(diào)整:

第1步，在不修改約束條件的情況下，基于初始約束條件和運(yùn)動軌跡，在仿真環(huán)境中調(diào)整箱冷的運(yùn)動軌跡。經(jīng)過多次調(diào)整和測試發(fā)現(xiàn)，位于機(jī)艙上方的管路布置太低，影響箱冷順利拆卸出艙。

第2步，為了實現(xiàn)在箱冷拆卸出艙維修時盡量少拆管路，實現(xiàn)快速、保質(zhì)地維修，需要在工藝規(guī)劃時考慮產(chǎn)品可拆、可維等全生命周期的要求，對三維綜合布置進(jìn)行了調(diào)整。

圖6 干涉具體部位(另一角度)Fig.6 Position of interference(Another point of view)

在二甲板大開口兩主機(jī)之間增加主干電纜通道過橋，并將箱冷上方主干電纜移至過橋布置，將箱冷上方的空間全部讓給管系，并根據(jù)船體結(jié)構(gòu)的大小及具體情況在大結(jié)構(gòu)上開孔，將主機(jī)、輔機(jī)燃油及滑油管系走進(jìn)大結(jié)構(gòu)內(nèi)部，箱冷總管、二氧化碳、衛(wèi)生水、水霧消防等系統(tǒng)緊貼大結(jié)構(gòu)面板分層敷設(shè)，保證箱冷面板距管系附件最低點(diǎn)的最小高度在1 950 mm，保證箱冷能順利吊出海水箱本體。另外，將主機(jī)及齒輪箱之間的檢修平臺處層間高度進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，將主干電纜的敷設(shè)位置壓縮到最小，管系附件距檢修平臺的最低高度保證在1 950 mm以上，順利將箱冷出艙通道打通，并對機(jī)艙二甲板及主甲板上的機(jī)艙吊口進(jìn)行了增大處理，以滿足箱冷拆卸后出艙需要。

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，修正箱冷運(yùn)動的干涉檢查約束條件，實現(xiàn)箱冷在規(guī)劃路徑上的順利拆卸出艙，為高效率、高質(zhì)量、低成本完成箱冷的維修奠定基礎(chǔ)。

5 仿真運(yùn)行及驗證

完成了仿真步驟及相關(guān)條件的設(shè)置后，根據(jù)箱冷的運(yùn)動路徑，針對不同的關(guān)注點(diǎn)，設(shè)置并調(diào)整相機(jī)，以達(dá)到較好的可視化效果，能為專業(yè)技術(shù)人員提供多視角、全方位、重點(diǎn)突出的箱冷拆卸工藝審視環(huán)境。

將加載了碰撞及觸發(fā)條件的箱冷運(yùn)動仿真和相機(jī)的可視化仿真放在同一個時間軸上，實現(xiàn)以時間為驅(qū)動的仿真運(yùn)行，拆卸過程如圖7所示。在仿真平臺中，完成了對箱冷拆卸工藝的仿真，在滿足干涉檢查約束條件的情況下，該工藝通過了仿真驗證，為VS4616海洋平臺工作船箱冷拆卸工藝提供了虛擬仿真的技術(shù)支持。

6 結(jié)語

圖7 拆卸過程仿真Fig.7 Simulation ofdismantle

將虛擬仿真技術(shù)研究成果快速應(yīng)用于工程實踐，解決船舶實際建造中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。實現(xiàn)VS4616AHTS型海洋平臺三用工作船箱冷拆卸工藝的虛擬仿真，方便技術(shù)人員和管理人員對工藝進(jìn)行評估，判斷出箱冷拆卸過程的可行性、正確性及合理性，提出優(yōu)化意見，反饋到生產(chǎn)設(shè)計環(huán)節(jié)，對三維綜合布置進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，為船舶產(chǎn)品的維護(hù)提供技術(shù)保障。通過對VS4616AHTS型海洋平臺三用工作船箱冷拆卸工藝的虛擬仿真和工藝驗證，加強(qiáng)了工藝支撐的力度、延伸了工藝規(guī)劃的范圍、拓展了虛擬仿真的應(yīng)用領(lǐng)域、積累了工程應(yīng)用的成功經(jīng)驗，探索出一條為客戶提供產(chǎn)品全生命周期服務(wù)的新途徑。

［1］朱元峰，孟軍.一種基于混合包圍盒結(jié)構(gòu)的實時碰撞檢測的有效方法［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20(19):5099－5101.

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Simulation of cooler boxes dismantlement technology of VS4616(towing/anchor handling/supply vessel)

YANG Hai，GUO Shi-jun
(Wuchang Shipbuilding Industry Co.，Ltd，Wuhan 430060，China)

As development of simulation technology，based on simulation technology research and platform construction of simulation，use the production of simulation technology research to solve main problems during shipbuilding project，realize simulation and validation of cooler boxes dismantlement technology ofVS4616AHTS towing/anchorhandling/supplyvesselsuccessfully.And programming dismantle route and locomotion posture of each cooler box based on three-dimensional models，and also achieve dynamic interference check during entire dismantle process，create result reports about dynamic interference check of cooler boxes dismantlement，feed the reports of dynamic interference checking back to manufacturing designers，optimize the three-dimensional integrate dispose of this area by manufacturing designers according to the reports，do dynamic interference checking till each cooler box is dismantled and carry out of the cabin passing simulation and validation successfully.By this way，obtain a capability of presolving problems of equipments along dismantlement route of maintenance during working in the future，and provide simulation technology support of manufacture of this type vessel.

cooler box;dismantle technology;simulation and validation

TP391.9

A

1672－7649(2011)12－0120－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.029

2010－12－06;

2011－02－21

楊海(1967－)，女，工程師，從事虛擬仿真研究與應(yīng)用。