船體結(jié)構(gòu)分段裝配研究

摘 要：通過對(duì)真實(shí)環(huán)境的仿真分析，利用數(shù)字化平臺(tái)構(gòu)建船體模型，通過操作3D模型，在船體的裝配中進(jìn)行分段組裝，從而實(shí)現(xiàn)方針處理船體分段裝配的整個(gè)過程。同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控裝配狀態(tài)，對(duì)各個(gè)級(jí)別配件進(jìn)行干涉檢查，從基礎(chǔ)上提高船體結(jié)構(gòu)構(gòu)建的基本操作以及運(yùn)算。

關(guān)鍵詞：分段裝配；結(jié)構(gòu)；數(shù)字化；仿真

引言

在船舶的建造中，構(gòu)件裝配質(zhì)量以及裝配效率是影響船舶制造質(zhì)量的重要影響因素，由于船舶制造是一個(gè)復(fù)雜龐大的系統(tǒng)性工程，因而現(xiàn)代造船工程中往往會(huì)應(yīng)用到數(shù)字信息化平臺(tái)，其中仿真裝配系統(tǒng)便是最為常用的新型制造技術(shù)。以數(shù)字化軟件構(gòu)建出的平臺(tái)為基礎(chǔ)，將船舶構(gòu)件在仿真環(huán)境中進(jìn)行操作分析，從而將船體的裝配、測試以及設(shè)計(jì)都在仿真環(huán)境中予以實(shí)現(xiàn)。在模擬環(huán)境中，能夠?qū)⑷康姆抡孢^程反應(yīng)出來，不但是對(duì)裝配過程，還會(huì)對(duì)產(chǎn)品的可裝配型進(jìn)行反應(yīng)，為后期的實(shí)際裝配提供理論依據(jù)。此外，后期的裝配以及維修和構(gòu)件的回收都可以此作為依據(jù)。我國船舶制造行業(yè)起步相對(duì)較晚，并且自主研發(fā)的制造技術(shù)也相對(duì)較少，分段建造仍舊是目前我國船舶制造的基礎(chǔ)模式，其構(gòu)建步驟主要有四，第一對(duì)制造船舶的板材進(jìn)行預(yù)處理；第二對(duì)零件以及組件進(jìn)行組合，使之成為平面分段以及部件等模塊；第三將部件和平面分段等構(gòu)件組合成分段以及總段；第四將分段、總段進(jìn)行組合，最終形成完整的船體。文章針對(duì)分段裝配相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了分析，詳細(xì)論述了基本裝配操作，以期能夠更好的降低船舶制造成本，并提高船舶裝配質(zhì)量。

1 建立分段構(gòu)件模型

對(duì)船體裝配前需要對(duì)船體各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行全面分析，通過構(gòu)件船體3D模型，將整個(gè)船體結(jié)構(gòu)劃分為若干模塊，并保證所構(gòu)件模型中每個(gè)模塊都是獨(dú)立的裝配體，依照功能以及位置建立起相關(guān)的結(jié)構(gòu)模型。而模型的建立首先需要的便是構(gòu)件的幾何特征，包含構(gòu)件的種類、所屬以及在船體的具體位置等，另外還需要注重構(gòu)件的開孔屬性和累加幾何特性等。在構(gòu)件船體分段模型中，需要依照船體結(jié)構(gòu)特征以及功能特征進(jìn)行劃分，常見的模塊主要為：特征結(jié)構(gòu)、外板結(jié)構(gòu)以及甲板結(jié)構(gòu)和艙室結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)模塊。其中肋骨和縱骨是船體的主構(gòu)件，在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意，應(yīng)當(dāng)首先完成主構(gòu)件的設(shè)計(jì)，在其基礎(chǔ)上完成從屬構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

在船體的分段裝配建模過程中，可以將結(jié)構(gòu)構(gòu)件分成兩大類。首先是同曲面相關(guān)的模型，其次則是同曲面不相關(guān)的構(gòu)件。例如肋骨以及肋板等構(gòu)件是同船體曲面相關(guān)的構(gòu)件，在建立模型時(shí)需要對(duì)了解船體的曲線，從而得到構(gòu)件輪廓，從而有效保證構(gòu)件模型的準(zhǔn)確性。而數(shù)據(jù)庫的構(gòu)件首先應(yīng)當(dāng)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)，其次則是對(duì)船體曲面信息獲取與否進(jìn)行判斷。如果構(gòu)件需要獲取船體曲面信息，則應(yīng)當(dāng)將曲面文件打開，并依照零構(gòu)件的位置，對(duì)3D曲線進(jìn)行放樣，建立起剖切面模型，以此獲得其同船體曲面相關(guān)構(gòu)件，通過計(jì)算得到構(gòu)建輪廓。從而為模塊的焊接提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。然后解除其作為交線的二階幾何約束，擬合并添加控制點(diǎn)，控制點(diǎn)的數(shù)量由擬合度決定。在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，大部分結(jié)構(gòu)都同曲面相關(guān)，因此需要著重予以關(guān)注。

2 設(shè)計(jì)分析

基本模型的建立是模型整體分段裝配的初始過程，圖形模型以及基本模型是構(gòu)成船舶分段結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)產(chǎn)品。船體分段構(gòu)建的成分、物理特性以及幾何信息等基本信息都是籍由基本模型進(jìn)行表述。船體分段的各個(gè)部件在圖形系統(tǒng)中通過點(diǎn)面的配合進(jìn)行組裝。在系統(tǒng)中可以查詢到構(gòu)成分段的所有構(gòu)件信息，另外構(gòu)建模型所需要的設(shè)計(jì)信息也可以在數(shù)據(jù)庫視圖中查詢到。分段構(gòu)件的所有信息都可以通過分段數(shù)據(jù)模塊予以查詢，系統(tǒng)還能夠?qū)λ袠?gòu)件質(zhì)量特性等相關(guān)信息進(jìn)行查詢，令工作人員充分了解構(gòu)件的重心、重量等。

在裝配模擬系統(tǒng)中，對(duì)構(gòu)件信息的儲(chǔ)存其實(shí)是對(duì)構(gòu)件保存錄井以及相關(guān)位置進(jìn)行保存，若設(shè)計(jì)中修改了構(gòu)件模型，則裝配模型也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的修正。文章所提到的構(gòu)件在分段裝配中，依照相應(yīng)順序進(jìn)行組裝，當(dāng)構(gòu)件模塊形成小模塊后在組裝成分段，最終將分段組裝成船體。船體結(jié)構(gòu)在組裝過程中首先需要將配件組裝為結(jié)構(gòu)模塊，繼而對(duì)結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行組裝，船艙壁以及肘板是組成船體框架結(jié)構(gòu)的重要分段模塊，完成主要結(jié)構(gòu)模塊的組裝后，在完成分段模型的組合。裝配后的分段信息利用SolidWorks的裝配文檔工具，開發(fā)參數(shù)化的零部件關(guān)聯(lián)材料明細(xì)表、創(chuàng)建裝配視圖及具有指引線的零部件編號(hào)。采用的裝配類型可分為構(gòu)件裝配、分組裝配和分段裝配等幾種類型。構(gòu)件分組裝配，可以選擇單個(gè)構(gòu)件進(jìn)行瀏覽，也可以選擇一組構(gòu)件進(jìn)行裝配，裝配時(shí)出現(xiàn)重疊情況會(huì)顯示紅色，點(diǎn)擊干涉檢查后會(huì)列出相應(yīng)構(gòu)件信息。當(dāng)裝配后，在配合組中，所有的裝配配合關(guān)系都會(huì)被分組存放，裝配信息也將被存入相應(yīng)裝配表中，所得到的模型也會(huì)被保存。

3 管理模型

通過使用分段裝配模型進(jìn)行船體的裝配模擬，在模擬過程中就能直觀的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中不合理的地方，以裝配關(guān)系為基礎(chǔ)能夠在模型中進(jìn)行關(guān)聯(lián)修改。例如可以對(duì)不適當(dāng)一個(gè)構(gòu)件進(jìn)行以此修改，也可以針對(duì)同類型成批的構(gòu)件進(jìn)行批量修改，也能夠有選擇的對(duì)一個(gè)構(gòu)件的關(guān)聯(lián)構(gòu)件進(jìn)行修改。在進(jìn)行關(guān)聯(lián)修改過程中，只需要對(duì)所需修改的主構(gòu)件進(jìn)行修改，例如修改設(shè)計(jì)參數(shù)，便能夠進(jìn)行關(guān)聯(lián)修改，同主構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的子構(gòu)件參數(shù)以及模型都會(huì)隨之修改。在關(guān)聯(lián)修改中，對(duì)位置約束以及特征進(jìn)行改變，在刷新構(gòu)件后，同該修改相關(guān)的特征以及所修改的特征都會(huì)發(fā)生改變。

4 顯示裝配順序

在裝配作業(yè)中，最為關(guān)鍵的便是規(guī)劃裝配順序，只有保證裝配順序合理、科學(xué)，才能更大程度降低裝配成本，提高裝配效率。在設(shè)計(jì)中可以利用CAD工具通過計(jì)算機(jī)對(duì)裝配順序進(jìn)行有效計(jì)算，計(jì)算機(jī)可以生成多種裝配方案。設(shè)計(jì)系統(tǒng)以設(shè)計(jì)條件和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在虛擬裝配系統(tǒng)中，對(duì)裝配分段進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題，并判斷是否需要予以修正，直至確定設(shè)計(jì)沒有問題，并選出最佳裝配方案。通過CAD工具，可以在裝配的過程中以模型的狀態(tài)顯示出來，令操作用戶可以看到裝配整個(gè)過程，通過軟件的演示功能可以觀看模擬裝配的整體過程，針對(duì)構(gòu)件的重疊可以通過配裝檢測予以監(jiān)測。

通過裝配過程可以發(fā)現(xiàn)由于設(shè)計(jì)不當(dāng)在實(shí)際裝配時(shí)可能出現(xiàn)的問題，如間隙過小或過大，零件之間的干涉等。分段裝配后可以查看一個(gè)總段的組裝信息，由那些小的分段組裝而成，也可以看到組裝的這些分段的進(jìn)行工序狀況，裝配后的模型通過干涉檢查，可檢查有無干涉情況，對(duì)干涉部分高亮顯示，如對(duì)甲板裝配模型進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查后發(fā)現(xiàn)在艙口圍板和橫梁處有干涉現(xiàn)象，則顯示此干涉區(qū)域的長、寬、高，并對(duì)所涉及構(gòu)件加亮顯示。對(duì)裝配后干涉部分構(gòu)件程序提供結(jié)構(gòu)修改功能，選擇關(guān)聯(lián)構(gòu)件進(jìn)行關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)修改，修改時(shí)通過數(shù)據(jù)庫查詢顯示主要建立參數(shù)，設(shè)計(jì)者更改設(shè)計(jì)參數(shù)來更改建立的構(gòu)件信息，保證了模型與數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)的同步修改。

5 結(jié)束語

文章針對(duì)目前所使用的虛擬分段裝配相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了研究，首先對(duì)船舶制造過程中結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)件進(jìn)行了分析，并針對(duì)分段裝配中，模型的管理、信息的管理等內(nèi)容進(jìn)行了論述。詳細(xì)分析了船舶分段裝配首先需要將虛擬裝配信息存入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中，并驗(yàn)證可能生成的裝配路徑、順序。繼而對(duì)裝配路徑、信息進(jìn)行規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)虛擬干涉檢查以及裝配，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題。由此提供了從船體結(jié)構(gòu)建模到結(jié)構(gòu)裝配仿真的基本操作與運(yùn)算，為船舶數(shù)據(jù)產(chǎn)品模型的信息化集成設(shè)計(jì)與管理奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]何援軍.計(jì)算機(jī)輔助造船集成系統(tǒng)中的圖形平臺(tái)[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2014，6（3）：213.

[2]楊雷，劉英，李海濱，等.基于SolidWorks的機(jī)床產(chǎn)品虛擬裝配[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2005，33（11）：31.