王 杰 楊 駿 朱明華 周妙玲 徐 昇

（江南造船（集團）有限責任公司 上海201913）

引 言

隨著航運技術迅猛發(fā)展，船舶設備功能日益增多。某些大型設備工作時間長，并且工況復雜，為了減小設備日常損耗對于船舶正常使用的影響，需要開展設備的定期維護維修；某些早期修建的船舶則需要更換大型設備，從而增加更多使用功能。在船舶維護維修中，由于其內(nèi)部結(jié)構復雜，空間狹小，更換大型設備時經(jīng)常需要拆除一些舾裝件來為設備出艙提供進出艙通道，而出艙路徑的規(guī)劃則是設備出艙過程中的痛點所在。出艙路徑規(guī)劃依賴個人經(jīng)驗，暫無有效驗證方案可行性的方法，從而導致更換大型設備時經(jīng)常出現(xiàn)“走一步，看一步”類型的方案，造成大量返工，非常不利于控制維護周期；而維護周期的長短則又決定了船舶的經(jīng)濟效益。因此，縮短設備維護周期是擺在船廠維護人員面前亟待解決的問題。

虛擬仿真技術是基于計算機系統(tǒng)的人機交互技術，其以計算機以及相應軟件為工具，創(chuàng)建虛擬仿真環(huán)境，在該環(huán)境中模擬實際作業(yè)過程，實時反映實體對象的狀態(tài)與變化，預判實際操作中可能出現(xiàn)的問題，完成關鍵技術方案的論證，從而實現(xiàn)對實施方案的全面分析，且不消耗物理資源。因此，虛擬仿真技術可以為船舶大型設備出艙提供解決方案。［1-6］

1 出艙方案仿真技術路線

本文基于法國達索公司的三維體驗平臺（以下簡稱3DEXP），通過指定制造工藝和資源規(guī)劃，實現(xiàn)船舶大型設備出艙方案的仿真可視化驗證：以出艙任務為仿真對象，參照實際情況建立船體結(jié)構、舾裝件、出艙設備等虛擬樣機模型，根據(jù)出艙方案確定仿真過程步驟，以求將整個出艙過程直觀的呈現(xiàn)出來。在整個過程中人員與系統(tǒng)采取交互的方式進行，同時獲取仿真過程中的各種信息以便進行可行性分析，提出整改意見并優(yōu)化。

圖1 仿真技術路線流程圖

仿真技術路線如圖1所示。技術路線分為工程問題分析、工藝仿真環(huán)境搭建、工藝仿真結(jié)果分析、工藝方案優(yōu)化等幾個關鍵要素。本文以某船發(fā)電機轉(zhuǎn)子出艙過程為研究對象，結(jié)合該技術路線，對其出艙進行方案仿真，并對結(jié)果進行可視化驗證。

2 工程問題分析

2.1 問題調(diào)研

根據(jù)船東要求，需要將某船原一體化發(fā)電機改為可拆卸發(fā)電機，發(fā)電機轉(zhuǎn)子可單獨拆卸，在船舶維護維修期間轉(zhuǎn)子能順利單獨出艙；同時需要對原設計船舶進行修改，并提供可行性方案。下頁圖2為某型船發(fā)電機，其轉(zhuǎn)子可拆卸，轉(zhuǎn)子幾何尺寸為2 200 mm ×1 950 mm ×2 516 mm。

該船型機艙位于8 000平臺，機艙內(nèi)有4臺發(fā)電機。12 000平臺甲板在每個主機正上方有結(jié)構開孔，16 000平臺與20 000平臺均有吊口，機艙后部為艉封板。設備吊出20 000平臺或移出艉封板及可視為出艙，詳見下頁圖3。

以1號發(fā)電機為例，其轉(zhuǎn)子出艙需要由結(jié)構開孔上升至12 000平臺，結(jié)構開孔寬度2 500 mm，轉(zhuǎn)子寬度1 950 mm，吊裝空間富余僅550 mm，非常狹小。此外12 000平臺布置有各類設備、控制柜、管路、風管、行車、欄桿、燈具等，艙室結(jié)構復雜，出艙方案設計難度大。

圖2 發(fā)電機及其轉(zhuǎn)子模型

圖3 發(fā)電機、結(jié)構開孔及吊口位置示意圖

2.2 出艙方案策劃

通過工程調(diào)研并與主師、船東共同商討，根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)子的尺寸大小和機艙實際的空間布局情況，制定了兩種出艙方案，參見下頁表1。

因此，選取方案二為出艙方案，規(guī)劃詳細的出艙路線及需拆除部件，并進行仿真驗證。

圖4 機艙設備平面圖

表1 出艙方案

3 仿真可視化驗證

創(chuàng)建三維模型是將實物在計算機上進行構建的一個實物數(shù)字化的過程［7］?；谌S模型及出艙工藝規(guī)劃創(chuàng)建的仿真模型為仿真過程提供了一個可視化的三維生產(chǎn)環(huán)境［8］。仿真環(huán)境力求盡可能多地反映出實際安裝過程的要素，達到真正預安裝的目的。在完成前述步驟后，將產(chǎn)品模型作為資源添加到仿真模塊，并基于仿真結(jié)構樹進行串聯(lián)，在此基礎上根據(jù)出艙方案過程添加仿真動作，從而將產(chǎn)品、工藝及布局規(guī)劃、動作仿真等環(huán)節(jié)協(xié)同考慮，形成一個集成的協(xié)同制造環(huán)境。［9］

3.1 仿真環(huán)境搭建

3.1.1 仿真結(jié)構樹搭建

在3DEXP中，仿真驗證過程基于PPR仿真結(jié)構樹，其包含：產(chǎn)品、資源以及流程。產(chǎn)品結(jié)構樹即為模擬對象，產(chǎn)品結(jié)構樹是由許多物理產(chǎn)品（Physical Product）組成，物理產(chǎn)品是仿真中最小可操作對象。根據(jù)問題調(diào)研分析，為了確保仿真驗證的正確性，需依照真實環(huán)境建立仿真環(huán)境，設備出艙過程中除了與船體結(jié)構發(fā)生干涉現(xiàn)象外，還與管系、鐵舾、設備等可能發(fā)生干涉。產(chǎn)品結(jié)構樹添加虛擬模型有：船體、鐵舾、管系、設備等。在添加虛擬模型時，需考慮模型精細程度規(guī)則如下：

（1）管件模型需拆分為管段，單一管段模型是一個物理產(chǎn)品；

（2）單一設備模型為整體模型，不需拆分；

（3）鐵舾船體模型拆分到部件級別。

根據(jù)上述規(guī)則，產(chǎn)品結(jié)構樹共涉及8個船體分段模型、4個風管模型、127個管件模型、328個設備模型以及1 011個鐵舾模型，搭建效果如圖5所示。

圖5 艙內(nèi)部件鳥瞰圖

3.1.2 仿真流程創(chuàng)建

本文針對發(fā)電機轉(zhuǎn)子出艙方案進行仿真模擬，重點關注轉(zhuǎn)子出艙路徑與出艙空間。以轉(zhuǎn)子為對象，在出艙路線上創(chuàng)建設備位置關鍵點。3DEXP可自動生成關鍵點之間的動畫，并可查看動畫過程中設備與其他部件之間的間隙距離或干涉情況。通過不斷微調(diào)關鍵點的空間位置對出艙路線進行優(yōu)化，盡量避免設備在出艙過程中與船體、設備等模型干涉。管系及鐵舾件由于部件數(shù)量多、體積小，為確保設備出艙空間充足，許多部件需要在出艙前進行拆除。故在出艙路徑選取時，應盡量避開不容易拆除的部件，方便施工。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子吊裝出艙運動軌跡為：將轉(zhuǎn)子吊起200 mm→向艏部移動700 mm→轉(zhuǎn)子水平面內(nèi)順時針旋轉(zhuǎn)45°→拆卸轉(zhuǎn)子內(nèi)軸→轉(zhuǎn)子水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)回原位→向艉部移動600 mm→向上吊起通過結(jié)構開孔到達12 000平臺→向艏部移動200 mm→向右舷移動至距縱艙壁（234-LB17A_R）1 200 mm處→向艉部移動至吊口下方→從吊口穿過2層甲板吊出。如圖 6所示紅色路線為出艙方案路線的模擬路徑。出艙仿真動作路徑不唯一，需對仿真結(jié)果進行分析優(yōu)化后確定最優(yōu)方案。

根據(jù)策劃方案出艙的順序及步驟，通過新建仿真方案并將該方案與上述模型相關聯(lián)，將模型在各個位置創(chuàng)建的路徑動作、視點、停頓、模型顯示/隱藏及顏色改變等直接拖曳到方案中，形成整個設備的安裝序列。

3.2 出艙方案仿真驗證

圖6 出艙路徑圖

仿真模型創(chuàng)建完成即可開展仿真驗證（參見圖7）。仿真驗證主要研究設備在出艙過程中與其他部件發(fā)生碰撞、接觸等現(xiàn)象，對方案可行性進行評估。3DEXP提供的碰撞干涉檢查可以完成該部分工作，在仿真過程中可以發(fā)現(xiàn)零部件之間的干涉現(xiàn)象，并生成仿真干涉報表。通過輸出地仿真干涉報表，可以直觀地了解干涉發(fā)生的位置與干涉程度。

圖7 出艙方案仿真驗證

如圖7（a）所示，創(chuàng)建設備出艙路徑空間包絡體；生成與其他部件的干涉示意圖，見圖7（b），顯示黃色的部件為發(fā)生干涉部件。將方案中需拆除的30處零部件與該包絡體進行干涉檢查并生成干涉報表，報表顯示有28處發(fā)生干涉，2處零部件未發(fā)生干涉，說明該方案中存在2處冗余作業(yè)。

將方案中不需拆除的零部件與包絡體進行干涉檢查，報表顯示該方法仍有16處干涉情況，說明該方案存在出艙空間不足的情況，其原因為出艙路徑不合理、遺漏作業(yè)或船型設計存在問題，需在后續(xù)過程中進行優(yōu)化。

4 仿真結(jié)果分析及優(yōu)化

對于出艙方案中存在問題的部件，需逐一進行具體分析及優(yōu)化。經(jīng)分析歸納，存在以下4種問題。

4.1 出艙路徑不合理

設備出艙空間不足且是由于出艙路徑上存在一些不可拆除的部件所造成的，需要重新規(guī)劃出艙路徑以避免干涉。例如：發(fā)電機轉(zhuǎn)子高度2 516 mm，12 000平臺頂行車距12 000平臺甲板高度2 500 mm，故轉(zhuǎn)子與行車干涉（見圖8）。因吊裝過程中需要利用行車，故行車不能拆除。根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)子尺寸大小，發(fā)電機轉(zhuǎn)子在8 000平臺吊起后向艏部進行翻轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)子正面朝上，翻轉(zhuǎn)之后其高度為2 200 mm。通過再次仿真驗證及分析，可順利通過12 000平臺行車處。

圖8 轉(zhuǎn)子高度與行車高度對比

4.2 遺漏作業(yè)

對于一些細小部件，在出艙方案設計時容易產(chǎn)生遺漏。例如：如圖9所示，轉(zhuǎn)子出艙時會與該處管路發(fā)生干涉，干涉深度為58 mm（圖8中紅色為干涉邊界），此處是由于考慮不充分產(chǎn)生的遺漏作業(yè)，相同干涉情況管路一共有4處，方案中需添加對這4處管路的拆除工作。

圖9 管路干涉情況

4.3 冗余作業(yè)

在已拆出部件干涉報告中中，有2處部件不與出艙路徑空間包絡體發(fā)生干涉。其表明，部件在實際出艙過程中，不會與設備產(chǎn)生干涉，故在方案中不需拆除。

4.4 與船型設計存在沖突

由于船型設計，導致設備出艙空間不足。例如：船體甲板吊口處與設備干涉（見圖10紅色為干涉輪廓），由于船型設計時，未考慮設備出艙問題，故該處吊口偏小，設備無法出艙，需對船體結(jié)構進行修改。與船體專業(yè)協(xié)調(diào)后，在保證甲板結(jié)構強度不受影響的前提下根據(jù)轉(zhuǎn)子尺寸，需將吊口擴大至2 300 mm×2 050 mm。

圖10 甲板干涉情況

通過不斷對出艙方案進行“仿真→分析→優(yōu)化”，得到一套具有可行性的出艙方案。該方案出艙路徑必須需拆除35處部件：管系10處、燈具6處、風管5處、欄桿14處，并在設備出艙前還需對2處船體結(jié)構進行修改。

5 結(jié) 語

針對新形勢下船舶行業(yè)大型設備出艙維修方案設計優(yōu)化面臨的困難，我們提出基于仿真的船舶大型設備出艙方案設計優(yōu)化的技術路線，并以某船發(fā)電機轉(zhuǎn)子出艙過程為對象，利用三維體驗平臺集成的仿真模塊對該轉(zhuǎn)子出艙過程開展仿真可視化驗證工作，詳細闡述通過三維模型及出艙路徑規(guī)劃創(chuàng)建仿真模型的方法及要點，并根據(jù)仿真結(jié)果開展出艙方案的優(yōu)化改進。

研究表明：在設備出艙前對出艙方案進行仿真模擬，為出艙方案提供了驗證性手段以及優(yōu)化依據(jù)。通過方案仿真可視化驗證，充分考慮設備吊裝過程中所需要的空間。分析吊裝過程中需要拆除的部件，可以全面、直觀地評估出艙方案，不再依賴于設計人員個人經(jīng)驗，并且提前暴露出艙方案潛在的問題，防止發(fā)生作業(yè)空間不足、遺漏作業(yè)、冗余作業(yè)等現(xiàn)象，從而確保出艙方案的準確性、可行性和科學性，同時可以顯著縮短方案設計優(yōu)化時間，提高維修效率，降低維修成本。