仿真系統中基于成組技術的柔性胎架三維結構設計

顧永鳳，楊 辰，佘建國

(1.江蘇海事職業技術學院 船舶與海洋工程學院，江蘇 南京211170;2.江蘇科技大學 機械與動力學院，江蘇 鎮江212003)

0 引 言

根據我國《船舶工業中長期發展規劃(2006 -2015 年)》和2009 年2 月11 日由溫家寶總理親自主持通過的《船舶工業振興規劃》要求，到2015年，我國將成為世界第一大造船國和強國。但是，我國造船總水平與世界先進造船水平相差15 ～20年，落后于韓國和日本兩到三個臺階。這就要求我們不斷更新造船技術和造船裝備，讓造船模式日趨現代化。

成組技術是以船舶“中間產品”為導向的建造策略，代替以工種專業化為導向的組織原則而建立起來的一種生產體系。它把企業生產的各種產品和組成產品的各種部件、零件，按結構和工藝上相似性原理進行分類編組，并以“組”為對象組織和管理生產的運作。

中國船舶工業總公司于1986 年便引了進成組技術。但到目前為止，我國船舶建造中對成組技術的應用實踐仍局限于局部范圍如管件族的制造生產過程，未能在船體分段建造、區域舾裝、區域涂裝領域全面展開，事實上仍未發揮成組技術的強大優勢。

本文以成組技術為核心思想，匯集目前的現代造船經驗和數字化信息技術，設計并制作能夠改變船廠造船模式的工裝設備，是現代化造船進步的重要手段，是國際造船技術發展的總趨勢。

1 柔性胎架的設計思想

本文以中間產品-曲面分段為對象，對胎架展開研究，設計出的“柔”性胎架具有較強的通用性和靈活性，主要體現在柔性胎架不僅要可以縱向調節和橫向調節以滿足不同船段的型線變化，而且要能夠在整個廠區內按一定軌道移動，將船體分段直接運到船臺進行組裝避免以往缺乏一定規律過長的物資運輸。

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，基于成組技術的柔性胎架應用將更好地貫徹和實施技術設計的標準化、通用化、系列化，長時間的加工相似零件也有利于工人熟練程度的提高，這些對于實現縮短造船周期、提高造船精度有著深遠意義。

工裝設備柔性胎架具有較強的通用性和靈活性，具體設計創新點表現在:

1)通過滾輪組的設置把傳統胎架改為可移動式胎架，現代造船企業中分段制造完畢后，一般是通過大型拖車或吊車運至船臺進行組裝，存在許多高空作業，對船廠的吊運能力要求也比較高，本裝置中只須將葫蘆鉤住剛性環孔通過卷揚機牽引前進，輕松地將其運到指定的地點進行船臺組裝。

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

3)胎架面上通過滑槽設置，完成支點的橫向調節，通過絲杠的調節完成支點的高度調節，以適應不同分段的曲度需求。

4)胎架面與地面呈一定角度，以減少絲杠調節的行程，減少調節時間。

2 柔性胎架的承載計算

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

表1 船首質量估算Tab.1 Estimation of hull′ mass

質量疊加得出船首總質量約為54.658 t。因實際工作中船體分段的變化，載荷將會發生相應的變化，文中所設計的胎架針對1 000 ～5 000 kW 的船舶，故取上限值84 t。

利用Ansys 對應力集中區域如絲杠、胎架面、滾輪等進行應力分析，通過對網格的劃分、應力的施加，優化胎架結構，得出合理的胎架結構。

3 基于Rhino 的柔性胎架的仿真建模

Rhino 是由美國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的模型構建技術彈性的結合在一起，建模非常流暢，擅長于產品外觀造型建模，隨著程序相關插件的開發，比如渲染插件Keyshot、Flamingo 等，越來越多的被應用在各行各業。

Rhino 可以快速的創建，編輯，分析，導出，渲染，轉譯NURBS 曲線，曲面，實體和多邊形網格。并且在精度，復雜性，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，參數化有助于柔性胎架的設計調整，調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 插件是一個被編譯為機器代碼的軟件模塊，主要是對Rhino 的功能進行拓展。渲染插件主要是向Rhino 場景中添加燈光、材質和紋理并產生渲染圖片，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 語

本文以發展造船模式為目標，以成組技術為出發點，針對于目前一些大中型船廠的船舶生產任務重、交船周期短、造船精度不高等特點，設計出一種面向制造中心船體曲面加工柔性胎架系統，本文分4 步進行，在對柔性胎架進行結構設計的基礎上對主要受力點進行受力分析，得出適用不同分段的合理胎架，并利用Rhino 軟件對柔性胎架進行建模，以Rhino 的渲染插件對柔性胎架進行仿真渲染。

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