船舶軸舵系安裝設備的虛擬設計與裝配

李肖艷，張河利，朱 蘇，劉 鵬，顧 勝

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032； 2.上海中船臨港船舶裝備有限公司，上海 201306)

0 引 言

國外船廠對船舶制造關鍵工藝設備的研發起步比較早，持續進行基礎投入和滾動開發，對新技術關注度較高。近年來，隨著數字化造船技術的不斷發展，虛擬制造技術這種數字化研究制造模式成為業界的關注焦點。虛擬裝配(Virtual Assembly)是虛擬設計技術和虛擬制造技術的關鍵組成部分之一[1]。使用數字化方法對安裝設備的設計制造進行研究，對安裝工藝進行規劃，是船舶行業對虛擬裝配的一種探索。

1 軸舵系的安裝流程

軸舵系安裝的精度及質量直接影響船舶的航行性能和使用壽命，其安裝效率直接影響船舶的下水周期。圖1為我國船廠通用軸系的傳統安裝流程。由于艉部空間比較狹小，各軸的尺寸與重量較大，安裝過程缺少有效的安裝設備。在實際安裝過程中，預先在船體艉部鋼板上燒焊若干數量的吊碼用于懸掛手拉葫蘆，安裝時先利用起吊設備與模塊車將軸系運送至船體艉部，再利用吊碼上的手拉葫蘆對軸系進行固定，通過靠人工經驗調整手拉葫蘆受力點完成軸系移動與安裝。整個軸系安裝過程主要依靠人工經驗，存在很多安全隱患，很難保證精度和質量，且耗費時間較長。使用SolidWorks軟件，則可仿真分析針對軸系安裝的工藝普適性原理，研究符合其安裝工藝的設備，并適時進行安裝工藝革新。

圖1 通用軸系的傳統安裝流程

圖2為舵系的安裝流程。船舶的操控性能包含航向穩定性和回轉性，操控性能是否優異受舵系安裝的質量水平因素影響較大[2]。舵系一般包含舵葉、舵桿、舵軸、舵銷等零部件及其相關的控制系統，其安裝精度、安裝效率、安裝方法、安裝工藝對船舶設備設計非常重要。使用SolidWorks軟件，對于舵系設備及安裝工藝的設計來說，則是關鍵性的前置因素。

圖2 舵系的安裝流程

2 軸舵系的虛擬裝配技術

2.1 面向設備的虛擬建模技術

使用SolidWorks軟件對軸舵系安裝設備進行設計，非常有利于設計-生產-安裝的過程中各部門對設計要領直接且精準的把握。使用該軟件對零部件進行設計造型的過程為：首先選擇基準面，繪制生成具有零部件模型特征的基本草圖；然后使用各種基本特征命令，創建反映出基礎特征的零部件；最后使用修飾特征命令，在基本草圖中添加其他特征，進一步完成整個零部件的造型，完成對零部件的基本設計。隨著對設計技術的精進和對該軟件建模技巧的總結，得出一些優化設計的方法和設計技巧。在設計進行前，對零部件的基礎特征進行認真分析，提高設計效率；在設計進行中，對截面草圖盡可能使用實體轉換命令，盡可能使用已生成的實體特征中的圖線；在設計完成后，對零部件保存的命名盡可能合理直觀、存于同一目錄，方便查找。此外，根據舵軸系安裝設備的結構組成，對其零部件進行精確建模，并對建模后各零部件的裝配關系進行正確定義，生成圖片或視頻文檔，是完成軸舵系安裝設備設計及工藝規劃的關鍵。圖3是使用該軟件設計的船舶軸舵系安裝設備三維模型。

圖3 船舶軸舵系安裝設備三維模型

為保障設計的精準性、可追溯性，SolidWorks軟件具備相關的導出功能，例如，可使用同步設計導出工具，不僅可導出相對完整的工程圖數據，而且還具備導出完整三維立體模型的功能。此外，該軟件可對導出的三維立體模型的各個裝配體間的相互關系及各個零部件進行具體的描述。上述這些安裝數據的導出，有利于在設計轉生產時轉產信息的導出，有利于設備的投產。在設備安裝過程中，這些導出的設計信息也可順利地顯示安裝要求，有利于在設備的安裝過程中準確把握設備部件的性能。

2.2 干涉檢查

干涉問題歷來是設備設計中各部件間的重要問題，在設計一個復雜的裝配體時，如果僅僅靠經驗值來檢查和完善零部件間是否存在干涉，通常是非常困難的。使用SolidWorks軟件進行設計，可在設計過程中消滅或減少零部件的干涉問題。根據對象屬性分析，虛擬設備的干擾檢查可分為幾何可行性分析和機械可行性分析，根據對象觀察狀態可分為靜態干擾檢查和動態干擾檢查[2]。在使用該軟件完成設計組裝后，即可通過其自帶的功能模塊對整個裝配體或裝配中自選定的零部件執行靜態干涉檢查，從而獲知是否存在干涉及干涉的體積。同時，該軟件可完成基于靜態干涉檢查的動態干涉檢查，在點擊“旋轉”或“移動零部件”命令時，可對在該動態條件下的干涉進行自動檢查。此外，該軟件還具有動態計算零部件間隙的功能，可輔助設計人員計算零部件在運動過程中產生的最小干涉值。通過該軟件及其相關功能模塊的不斷優化，可幫助設計者找出零部件干涉和模塊干涉的最佳解決方案。

圖4 軸舵系安裝設備干涉檢查

2.3 裝配約束

零部件間的相互約束及相互位置關系限制零部件間的相互自由度。因此在設計中，可將2個或多個裝配模型插入裝配文件中，在SolidWorks軟件中定義各裝配模型間的平行、重合、垂直或角度等的相互關系。通常，相互約束關系有4個：同軸心，分別選取2個或多個零部件的圓形面，該軟件會自動選取其同軸心的中心線；平行，即零部件面與面之間的相互平行關系；接觸，即2個面相互接觸的關系；距離，即2個基準面間的相對距離關系。零部件間的約束關系可確保組件的設計正確，并相對簡化裝配設計的過程。在該軟件的二維或三維草圖中即可定義約束，即在設計階段就指定零部件設計必須滿足的條件，使得零部件中各種點、面、線的關系變得穩定，從而使得零部件不論是部分或是整體，其形狀大小不會隨著其他關系的改變而改變。

3 軸舵系的虛擬裝配

虛擬裝配流程的核心思想是使用虛擬技術與現實進行相互比對，并利用其沉浸式、交互性和想象力的特征來建立與實際裝配環境高度接近的裝配工藝過程環境。設計人員基于經驗在虛擬環境中交互地建立產品的裝配序列和裝配路徑，確定工裝、夾具和裝配方法，并可視化地編輯產品部件裝配工藝過程信息[3]。對軸舵系安裝設備，主要內容是基于對安裝過程的科學表示和對運動變換與實現的正確模擬，通過對關鍵節點之間的詳細干涉檢查及動態調整，可確保裝配路徑的有效性。

3.1 舵葉的虛擬裝配

在舵槳安裝平臺設備設計時，針對舵葉的安裝，使用SolidWorks軟件放置舵葉的主平臺，并對主平臺結構功能模塊進行三維建模。在舵葉移動安裝的過程中，使用該軟件的Motion插件完成對各調整機構在水平方向、橫向、縱向和橫向轉角上進行舵葉安裝位置調整的運動仿真，初步驗證整個舵葉裝配工藝方案的可行性，可確保舵葉的精準安裝。舵葉裝配流程如圖5所示。

圖5 舵葉裝配流程

對舵葉的設備及安裝工藝進行數字化虛擬研究，需要對安裝現場工況進行把握，并在此基礎上使用SolidWorks軟件的在線模擬，以完成對設備的虛擬裝配和設計優化。舵葉安裝設備及安裝機構虛擬裝配如圖6所示。最后保存運動動畫。

圖6 舵葉安裝設備及安裝機構虛擬裝配

3.2 尾軸和槳軸的虛擬裝配

使用SolidWorks軟件放置舵葉及兼顧軸系安裝的主平臺，并對主平臺結構功能模塊進行三維建模。使用該軟件的Motion插件對尾軸和槳軸的安裝過程進行虛擬運動仿真，通過數字化手段優化設備的設計，完善整個虛擬安裝過程。槳軸虛擬裝配流程如圖7所示。

圖7 槳軸虛擬裝配流程

在軸系運動仿真過程中，軸系安裝全過程必須保證尾軸和槳軸在運送導軌上有穩定的支承，且始終保障其在移動過程中有2個液壓頂升支承，并對軸的水平方向、橫向、縱向和傾斜角度進行調整。在尾軸和槳軸安裝到有傾角位置時，需要在調整機構中安裝上鎖緊軸套，以防止其由于自重而產生下滑摩擦力導致軸相對移動，并保持對尾軸和槳軸從水平位置0°不斷進行調整，確保其在傾角調整時不會發生傾覆和滑動，直到整個尾軸和槳軸安裝到位。在整個安裝過程中，尾軸和槳軸不可與軸承座孔發生碰撞和干涉。槳軸安裝設備及安裝機構虛擬裝配如圖8所示。最后保存運動動畫。

圖8 槳軸安裝設備及機構虛擬安裝

舵槳安裝設備在滿足軸舵系安裝的工藝要求下設計完成，使用SolidWorks軟件的Simulation插件將設計仿真一體化，對在載荷作用下的舵槳安裝設備的關鍵零部件進行有限元分析，利用數學近似方法對基于實物的物理系統進行模擬，用有限數量的未知量單元去逼近無限未知量的真實系統，最后基于仿真分析結果對關鍵零部件進行設計優化。

4 結 論

使用SolidWorks軟件進行船舶軸舵系安裝設備及安裝工藝的虛擬設計，主要意義如下：

(1) 使用SolidWorks軟件的設計和建模功能，完成對船舶軸舵系安裝設備中主要零部件的設計和三維建模，分析各零部件之間的配合關系，完成安裝設備的設計和安裝建立；并在設計過程中，對安裝設備各零部件進行干涉檢測，約束定義其裝配關系，可在設計階段將設計誤差及裝配不良降到最低。

(2) 使用SolidWorks軟件的Motion插件，完成船舶軸舵系安裝的運動仿真，對安裝過程進行動畫輸出，保存成視頻，并使用該軟件的Simulation插件對在載荷作用下的舵槳安裝設備的關鍵零部件進行有限元分析，以便對其進行優化。