絞吸挖泥船疏浚系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)研究

于國(guó)躍

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

絞吸挖泥船具有可連續(xù)作業(yè)、適用土質(zhì)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最廣泛的疏浚船型之一。其設(shè)計(jì)階段大致分為：方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)三個(gè)階段。船舶的方案設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段一般委托給船舶設(shè)計(jì)單位進(jìn)行，設(shè)計(jì)的資料經(jīng)船級(jí)社和船東審查認(rèn)可后，再發(fā)送到船廠，由船廠進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)船舶建造［1-2］。

現(xiàn)今國(guó)內(nèi)主流船舶設(shè)計(jì)院所進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)仍以二維AutoCAD繪圖為主。三維設(shè)計(jì)只是作為輔助工具，多用于對(duì)主要受力部件的結(jié)構(gòu)分析和校核。在設(shè)計(jì)過程中，二維圖紙不夠直觀、不易理解，無法簡(jiǎn)易判斷出設(shè)備內(nèi)外的干涉問題，不便于項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員間相互協(xié)作［3］。并且，由于設(shè)計(jì)方案常出現(xiàn)反復(fù)修改的情況，因此圖紙修改工作量較大。面對(duì)這些問題，傳統(tǒng)的二維AutoCAD已無法提供更為有效的解決方法，并逐漸成為船舶設(shè)計(jì)能力進(jìn)一步提升的瓶頸。鑒于船廠現(xiàn)多已通過三維手段進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)院只能提供二維圖紙，船廠要根據(jù)圖紙?jiān)俳⑷S模型，使得設(shè)計(jì)院與船廠間設(shè)計(jì)銜接不暢，也在一定程度上影響了船舶建造周期。針對(duì)上述情況，三維設(shè)計(jì)可給予有效的解決方案，因此越來越多的設(shè)計(jì)院都在探索三維軟件在船舶設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用效果。本文以某大型絞吸挖泥船為例，綜合考慮挖泥船疏浚系統(tǒng)專業(yè)設(shè)備多的特點(diǎn)，選用三維軟件PROE進(jìn)行挖泥船疏浚系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)研究。此船疏浚系統(tǒng)建模工作已全部完成。

PROE是一個(gè)基于特征的參數(shù)化建模工具。它包含多個(gè)具有全相關(guān)性的功能模塊，同享單一數(shù)據(jù)庫(kù)。模塊之間可以自由切換，能夠滿足建模、裝配、分析、出工程圖、運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析等不同階段的設(shè)計(jì)需求［4-6］。

1 建立模型

任何復(fù)雜零件皆由一系列簡(jiǎn)單特征經(jīng)過相互之間疊加、切割或相交組合而成，PROE的建模過程就是零件特征相互之間疊加、切割或相交的操作過程［4］。要完成疏浚系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)，需要在PROE“零件”模塊中逐步建立所有設(shè)備的零件模型，然后在“組件”模塊中把零件虛擬裝配起來，組成設(shè)備模型。大型絞吸挖泥船疏浚系統(tǒng)功能復(fù)雜、設(shè)備種類多，初次建模工作量大，主要包括絞刀架、龍門架、泥泵、吸排泥管、裝駁裝置、起重設(shè)備、鋼樁臺(tái)車等設(shè)備系統(tǒng)。全船疏浚系統(tǒng)建模工作已經(jīng)完成，其中以絞刀架模型最為復(fù)雜。

1.1 零件建模

進(jìn)入PROE“零件”模塊，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合、可變剖面掃描等特征命令，輔以基準(zhǔn)點(diǎn)、線、面等基準(zhǔn)特征，先建立零件基本特征，再創(chuàng)建其他構(gòu)造特征，逐步完成模型。建好的模型統(tǒng)一保存到指定零件庫(kù)中，方便后續(xù)裝配和布置調(diào)用。由于已建立模型較多，本文僅列舉部分示例，如圖1、圖2所示。

1.2 零件裝配

圖1 絞刀架本體

圖2 擺動(dòng)鉸點(diǎn)架

完成設(shè)備零件模型之后，需要把零件虛擬裝配成設(shè)備。應(yīng)用PROE“組件”模塊，導(dǎo)入零件庫(kù)中保存的零件模型，按照零件約束條件，把導(dǎo)入的零件定位。設(shè)備各零件之間通過關(guān)聯(lián)條件建立約束關(guān)系，以確定零件在裝配時(shí)的位置；零件與組件之間的關(guān)聯(lián)性可確保某個(gè)零件被修改時(shí)，引用它的組件會(huì)自動(dòng)更新。這是PROE的參數(shù)化體現(xiàn)，可以大大減少設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)修改的工作量。通過模擬裝配可以檢查各個(gè)零件之間的相對(duì)位置，便于盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不足之處。裝配后的設(shè)備模型如圖3所示。

圖3 擺動(dòng)鉸點(diǎn)裝配模型

1.3 建模要點(diǎn)

（1）建模順序決定模型的可修改性。零件建模前，需要先深入進(jìn)行特征分析，分解零件組成特征，明確每個(gè)特征形狀和特征之間的相互關(guān)系，然后根據(jù)特征主次關(guān)系，確立建模順序。建模時(shí)，合理選擇基準(zhǔn)點(diǎn)、線、面，也是模型后期設(shè)計(jì)變更和理解的重要基礎(chǔ)。

（2）零件裝配方式關(guān)系設(shè)備后期運(yùn)動(dòng)仿真分析。裝配時(shí)采用兩種約束方式，一種是“放置”，給零件加入各種固定約束，限制零件所有自由度；另一種是“連接”，能夠限制零件部分自由度，給零件加入各種組合約束，如“銷釘”、“滑動(dòng)桿”等，可以保留零件一個(gè)或多個(gè)自由度。通過“連接”方式裝配的設(shè)備能在運(yùn)動(dòng)分析時(shí)獲得特定運(yùn)動(dòng)，可用于運(yùn)動(dòng)仿真研究。

2 設(shè)備模型布置

挖泥船設(shè)計(jì)涉及船體、舾裝、特機(jī)等多個(gè)專業(yè)，根據(jù)各專業(yè)工作范圍，以及建立模型的需求和特點(diǎn)不同，適用的建模軟件也有區(qū)別。目前較為流行的船舶三維建模軟件有TRIBON、NAPA、CATIA等，已被廣泛應(yīng)用于船廠的生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段。這些專業(yè)船舶設(shè)計(jì)軟件各有特點(diǎn)，能提供多種兼容良好的數(shù)據(jù)傳輸接口，可以和PROE互相調(diào)用數(shù)據(jù)。本挖泥船船體結(jié)構(gòu)建模選用TRIBON軟件。因此，疏浚設(shè)備模型布置可分為以下兩種情況：

（1）直接在PROE中進(jìn)行設(shè)備模型布置。模型布置與零件虛擬裝配類似，也是在PROE的“組件”模塊中完成，PROE可以導(dǎo)入已經(jīng)裝配好的設(shè)備組件，也可以導(dǎo)入零部件；如圖4所示，船首部疏浚設(shè)備布置，包括絞刀架、龍門架、維修平臺(tái)等。

（2）把已經(jīng)建好的PROE模型另存為VRML格式文件，導(dǎo)入TRIBON后布置到船體結(jié)構(gòu)上；導(dǎo)入TRIBON中的全船疏浚設(shè)備布置如圖5所示。

圖4 船首部疏浚設(shè)備布置

圖5 全船疏浚設(shè)備布置

在設(shè)備模型布置過程中，相對(duì)于二維CAD圖紙，三維設(shè)計(jì)可以更直觀地看出不同專業(yè)設(shè)備之間的干涉情況，便于發(fā)現(xiàn)問題，減少生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段的返修工作。

3 繪制工程圖

為了方便設(shè)備設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)討論和后續(xù)制造施工，需要更清楚的方式來展示模型細(xì)節(jié)。在三維環(huán)境中，無法直接在三維模型圖上完整標(biāo)注施工時(shí)所需尺寸和符號(hào)等信息。PROE“繪圖”模塊可以直接把三維模型按照標(biāo)準(zhǔn)生成后續(xù)制造、安裝所需的二維工程圖，能清楚表達(dá)模型各個(gè)視角的形狀和局部構(gòu)造。這種由三維模型實(shí)時(shí)投影生成的二維圖紙與三維模型尺寸相互關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)更新工程圖和三維模型的任一修改，確保工程圖始終能反映設(shè)計(jì)的最新改變。PROE工程圖的相關(guān)性是AutoCAD繪圖無法比擬的，可以大大減少設(shè)計(jì)修改工作量。PROE生成的擺動(dòng)鉸點(diǎn)工程圖如圖6所示。

圖6 擺動(dòng)鉸點(diǎn)工程圖

PROE創(chuàng)建工程圖，首先需建立模型表達(dá)所需要的各個(gè)視圖：主視圖、投影視圖、軸側(cè)視圖、剖視圖、詳細(xì)視圖等；然后按照制圖標(biāo)準(zhǔn)給各個(gè)視圖標(biāo)注尺寸、表面粗糙度，添加焊接符號(hào)、注釋等信息；最后給視圖添加圖框，完成繪制工作。這與AutoCAD的繪圖步驟基本相同，但更為高效。PROE還提供了強(qiáng)大的編輯、圖層管理和模板應(yīng)用功能，并且PROE中的模型視圖可以轉(zhuǎn)存為AutoCAD格式，供熟悉AutoCAD的設(shè)計(jì)人員協(xié)同編輯。

4 運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析

對(duì)于運(yùn)動(dòng)復(fù)雜和承受較大外載荷的重要疏浚設(shè)備，在建立其三維模型的基礎(chǔ)上，我們還需對(duì)設(shè)備模型作進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)仿真研究和有限元分析，校核設(shè)計(jì)正確無誤，確保疏浚設(shè)備安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

PROE提供兩個(gè)重要分析模塊Mechanism和Mechanica Structure，前者用于機(jī)構(gòu)分析，能進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真演示、運(yùn)動(dòng)干涉檢測(cè)等；后者是集靜態(tài)、動(dòng)態(tài)于一體的有限元模塊，能模擬真實(shí)工作環(huán)境，對(duì)模型進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、模態(tài)等多種分析［5］。它們有一個(gè)共同特點(diǎn)，可以將幾何建模和模型分析無縫集成，不需要通過IGES格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，避免格式轉(zhuǎn)換造成的數(shù)據(jù)丟失。PROE的參數(shù)化功能將疏浚設(shè)備的設(shè)計(jì)和分析有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)。

運(yùn)動(dòng)仿真的關(guān)鍵是運(yùn)動(dòng)模型的建立。我們?cè)谏鲜鲅b配過程中，已為設(shè)備模型的運(yùn)動(dòng)仿真準(zhǔn)備就緒。通過“連接”方式裝配的模型與實(shí)際工作情況保持相同的自由度。在PROE中打開待分析的設(shè)備模型，進(jìn)入Mechanism模塊：首先設(shè)置模型運(yùn)動(dòng)環(huán)境，定義模型運(yùn)動(dòng)分析類型，認(rèn)真做好分析前的準(zhǔn)備工作；分析任務(wù)完成后，運(yùn)用回放、測(cè)量等功能觀察分析結(jié)果，直觀地了解其運(yùn)動(dòng)過程，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)干涉區(qū)域，預(yù)先獲知設(shè)計(jì)中的干涉問題。

Mechanica Structure模塊的分析過程主要分為預(yù)處理、求解和后處理三個(gè)階段。預(yù)處理是給模型添加材料特性、載荷、約束條件以及模擬設(shè)備真實(shí)的工作環(huán)境，建立新的分析任務(wù)，設(shè)置收斂方式，即可進(jìn)行求解。Mechanica Structure后臺(tái)對(duì)模型進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分、錯(cuò)誤檢查、計(jì)算，生成計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)；分析結(jié)果可以通過云圖、等值線、圖表等多種方式顯示變形和應(yīng)力分布情況，用于核查設(shè)計(jì)的不合理之處。

5 結(jié) 論

隨著三維軟件功能不斷完善，三維設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)給傳統(tǒng)二維AutoCAD設(shè)計(jì)帶來較大沖擊，使原來在AutoCAD中很難解決的問題，在三維設(shè)計(jì)中迎刃而解。本文通過挖泥船疏浚系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)研究獲知：

（1）三維設(shè)計(jì)使船舶設(shè)計(jì)更為形象直觀，便于設(shè)計(jì)修改、干涉檢查、質(zhì)量統(tǒng)計(jì)、產(chǎn)品展示，能夠較大程度提升設(shè)計(jì)水平；已建好的三維模型還可用于后續(xù)結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)仿真研究，從而為疏浚系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)保障。

（2）現(xiàn)有三維軟件種類繁多，功能特點(diǎn)也各有不同，合理選用適合自己專業(yè)特色的三維軟件尤為重要。實(shí)踐證明，本文選用PROE非常適合絞吸挖泥船疏浚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

（3）三維軟件一般配置多種接口，可滿足不同軟件間的連接和數(shù)據(jù)調(diào)用，便于不同專業(yè)設(shè)計(jì)人員間的相互協(xié)作。

（4）設(shè)計(jì)院所的三維設(shè)計(jì)可以與船廠生產(chǎn)設(shè)計(jì)相銜接，減少彼此重復(fù)建立模型的工作量，從而縮短船舶設(shè)計(jì)建造周期。

［1］ 王國(guó)水.TRIBON系統(tǒng)軟件在船體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.船舶，2012（3）：80-84.

［2］ 李彩霞，郭鋼.船舶三維生產(chǎn)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及二次開發(fā)技術(shù)的應(yīng)用［J］.設(shè)計(jì)與研究，2008（7）：15-17.

［3］ 梁彥超，徐筱欣.基于PROE的船舶機(jī)艙三維布置設(shè)計(jì)研究［J］.船舶工程，2011（3）：69-71，74.

［4］ 彭萬波，張?jiān)旗o，張然.Pro/ENGINEER 2001實(shí)例精解［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［5］ 祝凌云，李斌.Pro/ENGINEER運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析［M］.北京：人民郵電出版社，2004.3.

［6］ 胡仁喜，劉昌麗，槐創(chuàng)鋒.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版工程圖從入門到精通［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.