基于MBD技術的隔艙分段三維工藝設計

羅 金， 夏勇峰， 瞿雪剛

(滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

0 引 言

船舶智能制造技術是以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為基礎，將設計、生產(chǎn)、管理與服務等進行有機融合的一種技術。由于傳統(tǒng)二維圖紙工藝信息表達不直觀，施工人員對圖紙信息的理解容易出現(xiàn)偏差，歐美、日韓等部分先進造船企業(yè)已將基于MBD(Model Based Definition)的三維數(shù)字化設計技術運用至船舶產(chǎn)品的方案設計、制造、管理及售后服務中[1]。目前，中國造船企業(yè)在船舶設計中利用三維模型進行工藝設計的水平還很低，設計人員一般很難連續(xù)考慮工藝方案中各方面的問題，通過虛擬仿真技術來驗證工藝的合理性更是處于起步階段。本文以建造工藝復雜的不銹鋼化學品船隔艙分段作為研究案例，借助國產(chǎn)SPD造船設計軟件、虛擬仿真軟件以及三維技術通信軟件，基于統(tǒng)一的三維模型，采用“所見即所得”的人機交互式設計手段，在設計的中間過程不斷迭代優(yōu)化，最終形成一套具備生產(chǎn)實踐意義的三維工藝設計解決方案。

1 基于MBD技術的三維工藝設計策劃

1.1 三維工藝設計流程框架

借鑒飛機制造領域三維工藝設計流程，建立船舶產(chǎn)品三維工藝設計流程框架，如圖1所示。利用SPD軟件對隔艙分段進行完整性建模，形成產(chǎn)品結構(EBOM)，解決船舶產(chǎn)品的功能形態(tài)問題，即造什么樣的船的問題；對船舶產(chǎn)品進行工程分解，得到中間產(chǎn)品的劃分方案以后，利用DELMIA進行隔艙中間產(chǎn)品的設計，包括船體結構、舾裝件、工藝加強件等內(nèi)容，形成產(chǎn)品的裝配結構(MBOM)，解決中間產(chǎn)品的分解設計問題；相對于傳統(tǒng)的設計，基于MBD的三維工藝設計還需增加一個工藝規(guī)劃(PBOM)的階段，即利用虛擬仿真手段對隔艙分段的建造過程進行流程設計和生產(chǎn)推演，最終形成三維作業(yè)指導文件，PBOM決定了中間產(chǎn)品何時、在哪、由誰來建造。通過MBOM與PBOM的結合，完整地解決怎樣設計造船的問題。三維作業(yè)指導文件設計結束后，以三維模型交付物的形式傳遞至車間現(xiàn)場，進行隔艙中間產(chǎn)品的實際建造。

圖1 船舶產(chǎn)品三維工藝設計流程框架

1.2 不銹鋼化學品船隔艙分段建造工藝流程

與傳統(tǒng)的二維工藝設計相比，三維工藝設計對工藝細節(jié)的描述更為清晰，但與此同時也對設計人員提出了更高的要求。對于一艘新設計的船舶，為了提升設計的效率和質量，可對它所包含的分段進行歸類，對于相似的分段，可提取出典型的分段預先進行建造策劃。由于三維工藝設計耗時較多，在正式開展三維工藝設計之前，需要利用前期策劃這一有力的工具，搭建起詳細設計與生產(chǎn)設計之間的橋梁，繪制一份典型的分段建造工藝流程圖，并由設計人員與生產(chǎn)部門共同評審，典型分段的建造工藝流程圖規(guī)定了該類型分段的建造工藝原則。

在分段建造工藝流程的策劃中，必須貫徹中間產(chǎn)品流程化設計的核心理念，因此，可以利用已有的EBOM模型，根據(jù)各個生產(chǎn)階段的要求，以中間產(chǎn)品完整性的思路來設計隔艙分段的建造工藝流程，如圖2所示，必須包括船體結構、舾裝、場地、工裝、設備、人員、工序等信息。這份圖紙定稿之后，作為一份原則性的工藝文件供設計人員使用，避免設計人員在后續(xù)更為詳細的三維工藝設計中出現(xiàn)原則性錯誤。

2 基于MBD技術的隔艙分段三維工藝設計

2.1 構建隔艙中間產(chǎn)品工藝模型

利用SPD軟件構建隔艙模型，建立一棵EBOM樹，該樹中包含隔艙結構、液貨管系、管支架、斜梯以及平臺。為了減少對計算機資源的無效占用，利用接口軟件對SPD模型及工藝加強模型進行輕量化處理，轉化成3D XML或CGR格式的輕量化面片模型，并將其導入到DELMIA的裝配設計模塊中進行中間產(chǎn)品的定義。中間產(chǎn)品是三維裝配設計的核心，前期工法策劃對各階段中間產(chǎn)品的范圍進行了明確的定義。在DELMIA中，利用裝配設計模塊對隔艙進行裝配劃分，將結構作為中間產(chǎn)品的載體，把鐵舾、管系、管支架以及工藝加強件作為附著物歸屬到中間產(chǎn)品中，在軟件中映射出了一顆新的MBOM樹，并將其存儲為PRODUCT文件，供后續(xù)交互式工藝仿真使用，如圖3所示。

圖2 不銹鋼隔艙分段的建造工藝流程

圖3 隔艙設計模型到中間產(chǎn)品建造模型的轉化

利用三維設計軟件對仿真過程中涉及的虛擬胎架、門架等工裝設備進行建模，利用DELMIA中的DPM模塊，導入前期設計好的隔艙中間產(chǎn)品PRODUCT文件，再導入資源設備模型。根據(jù)工法策劃設定的工藝階段，在產(chǎn)品樹、資源樹和工藝樹中對應的節(jié)點建立聯(lián)結，完成PBOM樹的構建。在具體的施工工藝設計中，建立隔艙結構、舾裝件、工裝件和作業(yè)工序的關聯(lián)關系，形成了“產(chǎn)品-資源-工藝”[2]的一體化遞進式工藝設計體系，如圖4所示。

圖4 隔艙中間產(chǎn)品、資源和工藝的聯(lián)結關系

2.2 人機交互式工藝仿真設計

人機交互式工藝仿真設計是指利用隔艙分段的工藝模型，對每個工序的工藝節(jié)點進行細化，在虛擬環(huán)境下對零部件、設備的運動以及人體模型的動作進行模擬，檢驗施工過程的可行性，并完成對工藝方案的評估和優(yōu)化。如圖5所示，通過ACE的Plant layout模塊對不銹鋼車間的預埋鐵位置進行建模并設計不銹鋼隔艙的專用胎架。在工序1中，根據(jù)隔艙分段槽型構件相對于胎架的位置，逐個進行零件的裝配及靠艉面焊縫的焊接，由于受到門寬的限制及橋式起重機類型的影響，焊接結束后，繼續(xù)安裝靠艉面的工藝加強件和吊環(huán)，并將其平吊出不銹鋼車間。在工序2中，隔艙兩側橫向翻身的吊馬須在外場進行安裝，翻身結束后，須對吊馬進行割除，以便隔艙順利通過車間大門。在工序3中，槽型隔艙的艏端面安裝橋式起重機平吊吊環(huán)，為進一步減少拆除連接板給不銹鋼板帶來的損壞，可將吊環(huán)設置成艏端面加強可以利用的連接板形式。在工序4中，進入內(nèi)場車間以后，隔艙重新落胎，完成靠艏面焊縫的焊接及加強的安裝，利用加強上的吊馬，將其吊運出車間。在工序5中，繼續(xù)安裝橫向的翻身吊馬，將隔艙進行翻身，使其艉面朝上，艏面擱置在門架上，方便艉面斜梯、平臺的安裝以及艏面液貨管、管子支架的安裝。三維工藝設計突破了設計專業(yè)的限制，以一種新的中間產(chǎn)品思路有序進行。

圖5 隔艙分段三維工藝設計過程

一項完善的工藝必定是逐步迭代優(yōu)化的。在人機交互式的三維虛擬環(huán)境下，基于中間過程的遞進式優(yōu)化設計，可以有效減少設計人員考慮不周等問題。如圖6所示，利用動態(tài)干涉檢查功能，可以檢查工藝件與舾裝件的干涉情況，在發(fā)現(xiàn)液貨管與工藝件干涉時，可以移動工藝件的位置或者修改管段的長度。此外，檢驗后道工序是否會影響前道舾裝件的完整性安裝也十分重要，如隔艙總組過程中，檢查門座式起重機的鋼絲繩與隔艙上斜梯平臺的干涉情況，若總組過程的確會造成分段階段安裝的斜梯平臺的損壞，那么就調(diào)整吊點布置或者將鐵舾件的安裝階段由分段階段移至總段階段，從而實現(xiàn)整個工藝流程的優(yōu)化。

圖6 隔艙工藝流程的動態(tài)干涉檢查

2.3 人機工程評估

考慮到船舶行業(yè)的特點，目前在船舶的實際建造過程中，人是一項非常重要的生產(chǎn)資源，工人的心理及生理狀態(tài)在很大程度上影響著施工的效率和質量，因此，利用虛擬仿真技術分析建造工藝過程中的人機工程要素非常有必要。人機工程技術運用生理學、心理學和其他相關知識，把工人、機器、環(huán)境視為一個統(tǒng)一的整體，并對該系統(tǒng)進行整體的研究和改善，使“人-機-環(huán)境”達到最佳匹配狀態(tài)，保證工人在一個安全、高效的環(huán)境下工作[3]。

在不銹鋼隔艙的舾裝施工過程中，由于部分液貨管及其支架處于槽型隔艙與門架之間，因此可以通過DELMIA中的Vision Window(視野窗口)和Reach Envelope(可達膜)來進行工藝合理性檢驗[4]。如圖7所示，視野窗口可以模擬施工工人的視野范圍，可達膜用球狀面模擬工人手持焊槍所能觸及的范圍。借助上述工具，設計人員完全可以站在虛擬工人的角度來確認液貨管的安裝工藝是否合理，如果裝焊操作空間太小，可進一步調(diào)高隔艙與門架之間墊木的高度，從而設計出合理的舾裝施工工藝。

圖7 虛擬人的視野范圍及裝焊操作空間檢驗

船舶建造屬于高強度的體力勞動，為保證工人的工作效率，使工人能夠舒適、自然、持久地工作，有必要在設計施工工藝時將工人動作的舒適度納入考慮范圍，進行舒適性分析，即主要對工人的操作姿勢或動作是否舒適，操作次數(shù)是否過于頻繁，承受的載荷是否過大等[5]進行分析。如圖8所示，在進行槽型隔艙拼板焊縫打磨作業(yè)時，利用RULA Analysis工具對工人的姿勢進行分析，該姿勢的綜合評分為7，說明不適合長時間保持，否則容易導致人體疲勞損傷。通過評分表還可以看出，分值較高的部位集中在頸部、軀干以及腿部，即意味著這些身體部位的負荷比較大，因此在詳細的車間作業(yè)指導中，可以建議施工人員在打磨作業(yè)過程中，每隔15～20 min，站立活動腰部、腿部和頸椎，緩解累積疲勞。只有改善工人的施工狀態(tài)，才能最終保證產(chǎn)品的施工質量。

圖8 工人打磨姿勢以及RULA分析結果

2.4 三維工藝文檔設計

基于MBD技術的三維工藝設計要求最終能交付現(xiàn)場三維工藝模型，因而三維工藝標注極為重要。虛擬仿真結束后，形成了一個經(jīng)過工藝優(yōu)化和校驗好的MBOM模型，將該模型導入3D VICOMPOSER中可以對其進行三維標注，三維標注包含設計、制造、管理中的各種尺寸、工藝、精度、物量等信息。如圖9所示，通過Create Callouts功能，對隔艙中間產(chǎn)品的不同構件進行自動標注并生成BOM表格，該表中包含結構、舾裝、工藝件等信息，通過軟件將其轉換為SVG格式，還可對隔艙中間產(chǎn)品的構件信息進行動態(tài)跟蹤查看。例如，在三維環(huán)境下，當鼠標移動到某個液貨管子零件時，可對該管段的編號、三維模型的位置以及BOM表中零件的名稱進行綠色高亮顯示，這種設計表達方式極大地提升了圖紙傳遞的信噪比，方便現(xiàn)場施工人員快速準確地找到該零件的工藝信息。

圖9 隔艙分段三維標注設計

相對于利用二維圖紙從事生產(chǎn)制造，人的大腦更適合在三維模型下直觀地獲取工藝信息進行生產(chǎn)作業(yè)。三維作業(yè)指導文件可有效避免工人對二維圖紙理解和信息重構的偏差，從而極大地提升設計信息傳遞的質量及效率。如圖10所示，利用3D VICOMPOSER可設計出PDF或HTML格式的三維工藝模型文件。該文件包含裝配樹，可展示不同施工階段下所有的結構件、舾裝件、工藝件等信息，工人還可對隔艙中間產(chǎn)品進行旋轉、平移，縮放、隱藏等三維動態(tài)瀏覽操作。該三維工藝文檔還能支持尺寸的測量及三維注釋，從而實現(xiàn)生產(chǎn)意見的快速反饋。通過開發(fā)專用的三維作業(yè)書模板，還可嵌入施工動畫、BOM、工時、HSE、精度、檢驗、物流、場地、人員、開工完工時間等信息，從而讓現(xiàn)場施工人員快速理解施工工藝流程，真正實現(xiàn)“傻瓜造船”。

圖10 隔艙分段三維作業(yè)指導文件設計

3 結 論

基于MBD技術的三維工藝設計采用一種“所見即所得”的遞進式設計手段來處理工藝規(guī)劃問題。這種設計模式可突破人腦短期記憶的限制，將設計人員的創(chuàng)造性思維進行拓展，利用虛擬仿真等技術，對各種設備資源及施工人員進行建模和建造流程預演，讓工藝更為貼近生產(chǎn)實際。由于設計人員在一個可記錄中間過程的三維環(huán)境下工作，通過逐次迭代優(yōu)化，能夠對施工的工藝流程進行科學的設計。

本文以不銹鋼化學品船隔艙分段設計為例，基于SPD國產(chǎn)軟件，結合虛擬仿真軟件，利用三維工藝設計的理念，對產(chǎn)品完整性建模、建造虛擬仿真以及三維工藝文檔設計進行闡述。經(jīng)實踐證明，三維工藝設計基本上打通了三維模型從產(chǎn)品設計到生產(chǎn)建造的數(shù)據(jù)鏈路。在基于MBD技術的三維工藝設計過程中，統(tǒng)一的三維模型不僅代表了一個新的設計載體，更代表了一種在不同階段可由不同設計人員對統(tǒng)一模型進行定義的設計思路的轉變，從而實現(xiàn)了工藝模型的逐步完善與優(yōu)化。