船舶分段吊裝工藝虛擬仿真實驗設計

劉 曉，李 瑞，張維平

（1. 大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116024；2. 大連理工大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116024）

船舶分段吊裝工藝設計是以安全性、經濟性、工藝適用性為目標，綜合考慮船舶分段參數、起重設備參數、作業工藝要求等要素的復雜設計問題，該問題的建模和求解具有鮮明的組合優化和多目標優化特征，且決策空間大、對象復雜、約束條件多[1-4]。船舶分段吊裝工藝是船舶與海洋工程專業“船舶建造工藝學”“現代造船技術”等主干課程的重要內容。

長期以來，課程教學中由于缺少有效的交互式學習和實驗驗證手段，導致學生對該項工藝的知識要點理解起來比較困難。針對這一問題，設計了船舶分段吊裝工藝虛擬仿真實驗，使學生能更直觀地了解認識船體分段吊裝工藝，并更深入理解掌握船體分段吊裝工藝設計要點，實現學生自主開展工藝設計、自主獲取工藝知識。

1 虛擬仿真實驗設計

基于虛擬仿真實驗，學生可自主進行船舶分段吊裝工藝設計，包括三維吊裝對象查看、設計要素測算、吊點空間布放、工裝部件選型等內容。基于自主設計的工藝方案，學生可執行靜力學仿真、運動學仿真及結構強度仿真校驗；根據仿真校驗結果，學生可對設計方案進一步優化完善，達到由學生自主控制實驗、自主分析實驗、自主獲得知識的目的。

該實驗設置了任務書下達、吊裝工藝設計、交互式工藝仿真、設計方案評定4 個功能模塊，各模塊具體功能如圖1 所示。

圖1 實驗方案及功能模塊設計

2 實驗平臺開發

船舶分段吊裝工藝虛擬仿真實驗平臺基于跨平臺的三維圖形引擎Unity3D 進行程序開發。前端三維分段模型以STEP 或DXF 文件格式導入并通過圖形程序自動執行簡化和渲染，其他三維模型基于 MAYA 和3D MAX 軟件制作；數據庫接口通過MySql 進行創建。平臺整體程序架構如圖2 所示。

圖2 船舶分段吊裝工藝虛擬仿真實驗平臺程序架構

3 實驗步驟

3.1 知識點學習

開始實驗之前，學生可基于虛擬仿真實驗進行船舶分段吊裝工藝知識點學習，知識點由吊裝基本概念、吊裝力學基礎、吊裝設計流程組成。其中吊裝力矩與力偶、吊裝力系平衡、吊裝強度與穩定性等概念性內容，學生可通過三維靜、動態模型進行輔助學習，便于學生準確掌握設計所需基礎知識。此外，該實驗設置了答題環節，可對學生知識點掌握情況進行評定。知識點學習界面如圖3 所示。

圖3 知識點學習界面

3.2 任務查看

該實驗集成了多年科研積累的船舶分段吊裝工藝設計案例，形成了數據庫[5-7]。綜合考慮船舶分段形式及結構特點、作業工藝具體要求，設計任務被劃分為簡單、中等、困難3 個難度等級。學生可自由選擇難度等級，對應等級的設計任務通過實驗平臺隨機下達。

每個設計任務由船舶分段信息、吊車設備信息、作業工藝信息組成，具體包含：①目標船舶分段結構形式、結構尺寸、質量及重心數據；②目標起重設備類型、總起重能力、鉤頭數量、各鉤頭起重能力、鉤頭最大起重差等數據；③船體分段基面朝向、船體分段擺放與起重設備相對方向、是否為翻身作業、翻身方向、翻身角度等數據。以上設計信息均可配合三維模型進行虛擬展示，便于學生準確理解設計任務。設計任務查看界面如圖4 所示。

圖4 設計任務查看界面

3.3 工藝設計

基于三維虛擬仿真模型，學生可進行工藝總體設計、工藝詳細設計、靜力學分析校驗等設計工作。

（1）工藝總體設計。根據目標任務要求，學生運用船舶分段吊裝工藝知識，進行吊點數量及布置區域初步確定。

（2）工藝詳細設計。根據目標任務中船舶分段結構特點，由學生確定各吊點位置坐標（支持特征點交互式點選及坐標值精確輸入2 種模式）；根據各吊點位置局部結構特點，由學生確定各吊點位置處吊環、卸扣等工裝類型，程序可同步調用部件庫完成工藝工裝三維快速建模；對于強度不足的吊點位置，由學生進行必要的臨時加強設計，程序可同步調用部件庫完成臨時加強三維快速建模。吊裝工藝詳細設計界面如圖5 所示。

圖5 吊裝工藝詳細設計界面

（3）靜力學分析校驗。學生運用吊裝力矩與力偶、吊裝力系平衡相關知識，進行各吊鉤、各吊點受力計算，確定是否滿足工藝設計要求；學生可根據分析校驗結果，返回來對設計方案進行修改完善；實驗后臺集成靜力學分析校驗求解器，以用于驗證學生提交計算結果正確性，并作為該任務考核評分依據。

3.4 仿真分析校驗

根據步驟 3.3 提出的工藝設計方案，學生可直接查看運動學及結構強度仿真結果，并基于結果進行方案分析評定，為設計方案進一步優化提供思路。

（1）運動學仿真分析校驗。基于前期科研成果——船舶分段吊裝工藝多體運動學模型，開發了該實驗運動學仿真物理引擎，實現“桁車—平衡梁—吊纜—吊環—分段”這一多體系統復雜關聯運動的三維動態仿真演示。在此基礎上，該仿真過程同步集成了對主對象碰撞、干涉的實時檢測功能及各吊點受力的實時計算功能，為方案的仿真校驗提供依據。運動學仿真分析校驗界面如圖6 所示。

（2）結構強度仿真分析校驗。基于前期科研成果，開發了用于該實驗典型吊裝工藝結構強度校核的有限元求解器[8-9]，實現對典型吊裝工藝吊點附近區域、吊環及船體結構強度指標的快速有限元分析。

圖6 運動學仿真分析校驗界面

3.5 實驗評價

學生完成設計任務后可申請進行實驗評價。基于該實驗平臺，任課教師可結合設計方案的安全性、工藝性及經濟性等方面進行綜合評定，并就其中出現的設計問題進行在線反饋。

4 結語

船舶分段吊裝工藝虛擬仿真實驗能夠實現學生自主進行船舶分段吊裝工藝設計，包括三維吊裝對象查看、設計要素測算、吊點空間布放、工裝部件選型等內容。基于學生自主設計的工藝方案，實驗可執行靜力學仿真、運動學仿真及結構強度仿真校驗；根據仿真校驗結果，學生可對設計方案進一步優化完善。該虛擬仿真實驗有助于加深學生對船舶分段吊裝工藝的認識，激發了學生進行主動思考的積極性，對于學生進行知識實踐和知識擴展以及創新能力提升具有積極作用。