仿真系統(tǒng)中基于成組技術(shù)的柔性胎架三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

顧永鳳，楊 辰，佘建國(guó)

(1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 南京211170;2.江蘇科技大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

根據(jù)我國(guó)《船舶工業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2006 -2015 年)》和2009 年2 月11 日由溫家寶總理親自主持通過的《船舶工業(yè)振興規(guī)劃》要求，到2015年，我國(guó)將成為世界第一大造船國(guó)和強(qiáng)國(guó)。但是，我國(guó)造船總水平與世界先進(jìn)造船水平相差15 ～20年，落后于韓國(guó)和日本兩到三個(gè)臺(tái)階。這就要求我們不斷更新造船技術(shù)和造船裝備，讓造船模式日趨現(xiàn)代化。

成組技術(shù)是以船舶“中間產(chǎn)品”為導(dǎo)向的建造策略，代替以工種專業(yè)化為導(dǎo)向的組織原則而建立起來的一種生產(chǎn)體系。它把企業(yè)生產(chǎn)的各種產(chǎn)品和組成產(chǎn)品的各種部件、零件，按結(jié)構(gòu)和工藝上相似性原理進(jìn)行分類編組，并以“組”為對(duì)象組織和管理生產(chǎn)的運(yùn)作。

中國(guó)船舶工業(yè)總公司于1986 年便引了進(jìn)成組技術(shù)。但到目前為止，我國(guó)船舶建造中對(duì)成組技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐仍局限于局部范圍如管件族的制造生產(chǎn)過程，未能在船體分段建造、區(qū)域舾裝、區(qū)域涂裝領(lǐng)域全面展開，事實(shí)上仍未發(fā)揮成組技術(shù)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。

本文以成組技術(shù)為核心思想，匯集目前的現(xiàn)代造船經(jīng)驗(yàn)和數(shù)字化信息技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作能夠改變船廠造船模式的工裝設(shè)備，是現(xiàn)代化造船進(jìn)步的重要手段，是國(guó)際造船技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。

1 柔性胎架的設(shè)計(jì)思想

本文以中間產(chǎn)品-曲面分段為對(duì)象，對(duì)胎架展開研究，設(shè)計(jì)出的“柔”性胎架具有較強(qiáng)的通用性和靈活性，主要體現(xiàn)在柔性胎架不僅要可以縱向調(diào)節(jié)和橫向調(diào)節(jié)以滿足不同船段的型線變化，而且要能夠在整個(gè)廠區(qū)內(nèi)按一定軌道移動(dòng)，將船體分段直接運(yùn)到船臺(tái)進(jìn)行組裝避免以往缺乏一定規(guī)律過長(zhǎng)的物資運(yùn)輸。

船體分段由平面分段和曲面分段組成，曲面分段又可分為小曲度分段和大曲度分段，大曲度分段的制造是影響造船周期和造船精度的重要因素，基于成組技術(shù)的柔性胎架應(yīng)用將更好地貫徹和實(shí)施技術(shù)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化，長(zhǎng)時(shí)間的加工相似零件也有利于工人熟練程度的提高，這些對(duì)于實(shí)現(xiàn)縮短造船周期、提高造船精度有著深遠(yuǎn)意義。

工裝設(shè)備柔性胎架具有較強(qiáng)的通用性和靈活性，具體設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)表現(xiàn)在:

1)通過滾輪組的設(shè)置把傳統(tǒng)胎架改為可移動(dòng)式胎架，現(xiàn)代造船企業(yè)中分段制造完畢后，一般是通過大型拖車或吊車運(yùn)至船臺(tái)進(jìn)行組裝，存在許多高空作業(yè)，對(duì)船廠的吊運(yùn)能力要求也比較高，本裝置中只須將葫蘆鉤住剛性環(huán)孔通過卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引前進(jìn)，輕松地將其運(yùn)到指定的地點(diǎn)進(jìn)行船臺(tái)組裝。

2)原來管式胎架為點(diǎn)接觸，船體支點(diǎn)處會(huì)有一定的變形，本裝置采用電磁式弧形托板支撐船體，改點(diǎn)接觸為面接觸，船體變形小。

3)胎架面上通過滑槽設(shè)置，完成支點(diǎn)的橫向調(diào)節(jié)，通過絲杠的調(diào)節(jié)完成支點(diǎn)的高度調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同分段的曲度需求。

4)胎架面與地面呈一定角度，以減少絲杠調(diào)節(jié)的行程，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。

2 柔性胎架的承載計(jì)算

為體現(xiàn)柔性胎架的“柔”性，現(xiàn)選用江蘇金陵3 000 kW 全回轉(zhuǎn)港作拖輪的船首作為模擬載荷。該船首部質(zhì)量主要由外板、甲板、平臺(tái)、骨材等組成，采用船首板材、型材質(zhì)量疊加的方法，計(jì)算出船首質(zhì)量，如表1 所示。

表1 船首質(zhì)量估算Tab.1 Estimation of hull′ mass

質(zhì)量疊加得出船首總質(zhì)量約為54.658 t。因?qū)嶋H工作中船體分段的變化，載荷將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，文中所設(shè)計(jì)的胎架針對(duì)1 000 ～5 000 kW 的船舶，故取上限值84 t。

利用Ansys 對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域如絲杠、胎架面、滾輪等進(jìn)行應(yīng)力分析，通過對(duì)網(wǎng)格的劃分、應(yīng)力的施加，優(yōu)化胎架結(jié)構(gòu)，得出合理的胎架結(jié)構(gòu)。

3 基于Rhino 的柔性胎架的仿真建模

Rhino 是由美國(guó)Robert McNeel 公司于1998 年推出的一款基于NURBS 為主三維建模軟件，其將CAD 的精確性與以自由曲線為基礎(chǔ)的模型構(gòu)建技術(shù)彈性的結(jié)合在一起，建模非常流暢，擅長(zhǎng)于產(chǎn)品外觀造型建模，隨著程序相關(guān)插件的開發(fā)，比如渲染插件Keyshot、Flamingo 等，越來越多的被應(yīng)用在各行各業(yè)。

Rhino 可以快速的創(chuàng)建，編輯，分析，導(dǎo)出，渲染，轉(zhuǎn)譯NURBS 曲線，曲面，實(shí)體和多邊形網(wǎng)格。并且在精度，復(fù)雜性，角度以及大小上沒有任何限制。

3.1 基于Rhino 的柔性胎架建模

利用Rhino 的快速建模工具，可以快速地完成柔性胎架、軌道等模型的建模，參數(shù)化有助于柔性胎架的設(shè)計(jì)調(diào)整，調(diào)整后的柔性胎架模型見圖1。

圖1 Rhino 中完成的柔性胎架建模Fig.1 Three-dimensional flexible bracket modeling with Rhino

3.2 基于插件的柔性胎架渲染

Rhino 插件是一個(gè)被編譯為機(jī)器代碼的軟件模塊，主要是對(duì)Rhino 的功能進(jìn)行拓展。渲染插件主要是向Rhino 場(chǎng)景中添加燈光、材質(zhì)和紋理并產(chǎn)生渲染圖片，使用Rhino 自帶或者第三方的渲染插件渲染胎架模型，使得原來的柔性胎架模型顯得更逼真，最終渲染見圖2。

圖2 柔性胎架的仿真渲染Fig.2 Volume rendering of flexible bracket

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以發(fā)展造船模式為目標(biāo)，以成組技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)于目前一些大中型船廠的船舶生產(chǎn)任務(wù)重、交船周期短、造船精度不高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種面向制造中心船體曲面加工柔性胎架系統(tǒng)，本文分4 步進(jìn)行，在對(duì)柔性胎架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)主要受力點(diǎn)進(jìn)行受力分析，得出適用不同分段的合理胎架，并利用Rhino 軟件對(duì)柔性胎架進(jìn)行建模，以Rhino 的渲染插件對(duì)柔性胎架進(jìn)行仿真渲染。

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