依據MBD的LNG船分段虛擬建造仿真技術

羅 金， 周 瑜， 慈元茂

(滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129)

0 引 言

虛擬建造技術為造船企業的精細化設計、精細化生產、精細化管理提供新的實現形式，對提高勞動生產效率和資源利用率、降低成本、改進產品質量具有重要意義。歐美先進造船國家在船舶正式投入生產前，一般會對船舶建造過程進行較詳細、細致、全面的建造流程預演，提前發現在生產建造過程中會出現的問題并及時解決[1]。國內少數造船企業基于達索公司的3DEXPERIENCE平臺，率先開展基于三維模型的完整性建模、虛擬建造設計、三維模型下車間等工作，逐步改變現有的“以二維圖紙為主、以三維實體模型為輔”的設計模式，為最終實現三維數字化造船積累經驗。借助國產船舶產品設計(Ship Product Design，SPD)軟件及達索公司DELMIA虛擬建造仿真軟件，依據基于模型定義(Model Based Definition，MBD)的虛擬建造技術，以液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)船為驗證對象，開展面向生產建造的船舶虛擬建造技術的研究與應用，以提高造船數字化設計技術水平，從而提升造船效率。

1 產品三維完整性建模和工程分解

1.1 產品三維完整性建模

完整性建模，即依據SPD三維建模軟件將船體結構、舾裝件、工裝件和工藝件(吊碼等)進行建模。完整性建模需要設計人員具備較豐富的經驗及發現問題的能力，在參照詳細設計圖紙建模過程中能夠及時發現詳細設計的不合理之處，并從有利于現場建造的角度進行優化。完整性建模解決的是船舶產品的功能形態問題。以LNG船某分段為例，利用SPD軟件進行結構和舾裝的建模和放樣，形象地建立工程物料清單(Engineering Bill of Material，EBOM)樹，樹中包含船體結構、管系、管支架、管附件、電舾件、鐵舾件、工藝加強件等，如圖1所示。

圖1 LNG船某分段完整性建模

1.2 基于組立劃分模塊的自動化裝配設計

船體分段裝配模型構建是進行虛擬裝配設計的基礎，傳統的手工組立劃分方式占用設計人員大量時間且較易出錯，而組立自動劃分模塊可有效解決問題。根據典型組立劃分模板及組立的重量、尺寸、基面、類型等劃分規則，歸納模板分段拆分組立規則，并進行程序編寫，利用組立自動劃分模塊可快速且合理地生成目標分段的裝配樹模型。圖2為利用模塊對LNG船的某分段進行組立自動劃分的過程。

1.3 分段中間產品的工程分解

EBOM解決船舶產品功能形態問題，接下來需要將EBOM文件導入CATIA軟件的裝配設計模塊

圖2 LNG船某分段組立自動劃分

進行中間產品劃分，為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，形成產品的制造物料清單(Manufacturing Bill of Material，MBOM)樹。與傳統的船舶設計方式不同，在構建MBOM的過程中，必須緊緊圍繞“中間產品”的設計理念，即將劃分好的中組立、小組立等船體結構作為中間產品的載體，將梯子、管子、支架、電舾件等作為附屬物歸入相應的各級結構組立。這樣，映射的MBOM樹不再是孤立的船體結構，而是包含各類舾裝信息的完整“中間產品”。

以LNG船某分段的A中組立為例，經MBOM設計后，中組立不僅包含外板板架、縱桁及肋板小組立，而且包含芯塊、壓載管系、測深管系、腳手眼板、吊碼等舾裝件和工藝件，如圖3所示。這種設計方式突破設計專業分工的限制，充分體現“通過中間產品有序組合疊加實現造船”的設計理念。

圖3 LNG船A中組立中間產品樹設計

2 資源設備模型構建

2.1 船廠生產區域建模

為使仿真效果更加真實，對船廠及相關設備建模時應采取實際長度單位。利用CATIA AEC PLANT LAYOUT 模塊先建立船廠區域劃分圖，劃分各車間、堆場、工場、船臺/塢的范圍，再利用裝配設計對各車間、堆場、工場等生產區域進行建模，最終在仿真時將各生產區域模型匯總合成整個船廠。例如，針對分段制造部門，可先單獨對切割、理料、部件、平面/曲面分段建造等場地分別進行建模，最后根據實際需要對其進行拆分和組合，典型場地區塊如圖4和圖5所示。

圖4 某車間場地示例

圖5 某平臺場地示例

2.2 設備工裝資源建模

設備資源模型相當于船廠的數字資產，設備資源模型庫越充實，就越有利于在虛擬空間和物理空間之間搭建起橋梁，推動船廠向以信息物理系統(Cyber-Physical Systems，CPS)為核心、以數據為驅動、以數字空間與物理空間相互融合的數字孿生(Digital Twins，DT)智能船廠目標邁進。

為減少對計算機硬件資源的無效占用，在不影響仿真效果的前提下，設備模型無須過于追求細節，局部可作簡化處理。在建模時，可將一個設備的整體作為Product內容，對可能產生相對運動的構件分別裝入不同的Part文件，這樣可有效簡化產品的結構樹，大幅提升建模和仿真效率。

將龍門吊作為一個Product文件，2級部件為行走機構、上小車及吊索具、下小車及吊索具，2級部件均可在仿真時實現相對運動，如圖6所示。考慮吊排在仿真時也會出現相對上小車或下小車產生相對運動的情況，需要在2級部件下設置3級部件，將上、下小車及不同的吊排分別裝入不同的Part文件，以滿足在不同工況下龍門吊吊裝仿真的需求。

圖6 龍門吊設備建模

2.3 設備工裝資源模型輕量化

模型輕量化是指在保留三維模型基本信息和必要精確度的前提下，將原始的計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)格式文件壓縮為只有原格式1/10大小甚至更小的輕量化格式文件，使該模型的可視化與原來的三維軟件無關聯。在進行虛擬仿真時，考慮在仿真過程中涉及的設備工裝資源模型多、數據量大，為減少對計算機硬件的占用并使仿真過程可流暢進行，需要對模型進行輕量化處理。

模型輕量化一般有2種方式。第一種是將零件保存為cgr格式。cgr格式是CATIA軟件的一種特殊的可視化文件[2]，只保存零件外形信息，不包含參數化數據，因此這種文件不能直接進行編輯，但可顯著減少模型數據量。第二種是利用過濾產品數據功能模塊，將零件轉化為實體文件，從而減少零件幾何信息的數據量。

以油壓機設備為例，可將壓頭和機身分別保存為crg格式文件，然后將其插入油壓機Product設備文件，如圖7所示。這樣形成的設備模型大小僅有36 kB，有效減少模型的冗余度，為后續仿真工作提供便利。

圖7 制造部350 t油壓機模型輕量化處理

3 分段建造工藝規劃及仿真

3.1 基于拆卸法的裝配路徑工藝規劃

利用DELMIA軟件進行船舶建造虛擬仿真，一般采用基于拆卸的逆向裝配路徑規劃方法[3]，如圖8所示。

圖8 船舶中間產品虛擬裝配工藝設計中的拆卸法流程

在船舶中間產品建造工藝流程正向策劃基礎上，先將船舶中間產品的建造工序進行逆向處理，確定待拆卸零部件及其拆卸方向、拆卸平移量。拆卸方向與零件裝配結構形式、工裝設備使用、托盤擺放有關；拆卸平移量即為單步分解，使零部件沿拆卸方向緩慢移出，并進行動態干涉檢查，檢查零部件與船體結構或工裝資源設備是否發生干涉。重復上述過程，直至所有船舶構件均被拆卸。最后，將上述路徑“反向”，即可獲得船舶中間產品的虛擬裝配路徑。在此過程中，還可進行人機工程分析，優化裝配工藝。該方法既簡單又實用，使設計人員的經驗知識得到充分發揮，提高虛擬裝配工藝設計效率。

3.2 創建虛擬裝配工藝環境

以LNG船的某小組立制造過程為例，在開始正式仿真作業前，需要搭建制造部的部件作業區小組立工位施工環境，將制造小組立所需要的全部裝配工藝資源項目導入數字制造過程(Digital Process for Manufacturing，DPM)仿真環境，導入的船舶產品及工藝資源項目均處于設計狀態，調整產品的位置，使其與實際裝配要求的初始環境保持一致，如圖9所示。

圖9 調整產品或資源的空間位置

3.3 創建裝配仿真運動

在可行的裝配工藝流程中，每個零部件均應具有可行的裝配路徑，不會與其他中小組立或工藝設備資源發生碰撞，以保證裝配工作順利有序進行。利用裝配仿真運動，可對中間產品建造流程的可行性進行反復分析與評估，一旦發現零部件出現碰撞干涉，應及時對工藝流程進行調整，直至虛擬建造工藝完全順暢可行。

在DELMIA軟件的DPM中，零部件仿真活動的設計主要通過為每個活動創建“MOVE”類型的活動實現。系統可在零部件活動的過程中記錄其運動軌跡，如圖10所示。同時，可檢查其在運動過程中是否與其他對象發生碰撞干涉，從而及時調整運動軌跡。

圖10 LNG船某小組立拼板吊裝活動創建

虛擬建造仿真在原理上可做到現場建造實際情況的完全映射[4]。例如，針對半門吊拼板作業仿真，一般半門吊空程行走速度為1.0 m/s，吊裝物體行走速度為0.5 m/s，在虛擬建造仿真時可為半門吊的不同工藝活動創建不同的行走速度，圖11展示半門吊空程行走至鋼板堆放工位及半門吊吊裝鋼板行走的過程。

圖11 半門吊在空程行走和吊裝鋼板工況下的速度定義

3.4 仿真干涉檢查技術

3.4.1 靜態干涉檢查技術

大型船舶的構件多達千萬數量級，如此多的結構和舾裝件建模，較易產生裝配位置錯誤、重疊等問題，靠設計人員的目視檢驗很難解決，這就需要用到靜態干涉檢查技術[5]。靜態干涉檢查是指在虛擬環境下，在靜態工位的布局中，檢驗船舶產品模型中的結構、鐵舾、設備、工藝件、工裝設備等的相對位置關系是否存在空間干涉，便于設計人員進行分析優化，以得到正確合理的設計結果。

通過DELMIA軟件的碰撞干涉檢查功能，可檢查吊碼與肋板之間出現的干涉現象，如圖12所示。在LNG船吊碼設計過程中，通過對干涉區域局部放大，系統將干涉區域進行突出顯示，從而可快速找到干涉區域和干涉類型，方便進行修改。

圖12 吊碼與船體結構的干涉檢查

3.4.2 動態干涉檢查技術

在船舶建造過程中，僅進行靜態干涉是不夠的，特別是結構和舾裝件密集、施工空間狹小的機艙和艏艉分段，較易發生因裝配順序不合理造成的施工困難，這就需要用到虛擬建造技術中的動態干涉檢查技術。動態干涉檢查主要是對船舶構件在裝配運動過程中的掃掠體是否產生干涉現象進行研究，一旦發現動態干涉，設計人員可通過修改、調整船舶結構件、舾裝件的裝配順序、裝配運動姿態等，得到正確的裝配設計方案。

在LNG船某分段的虛擬建造過程中，電纜扁鐵會在小組立階段進行安裝，散裝肘板在大組立階段進行安裝，需要將已安裝的電纜扁鐵拆除才能進行肘板裝配。動態干涉仿真可較好解決該問題。打開動態干涉檢查命令，利用反拆法對船舶構件進行虛擬裝配，在肘板與電纜扁鐵發生裝配干涉時，仿真過程就會自動停止，系統會給予警告，并突出顯示干涉區域(見圖13)，方便工藝人員查找干涉原因，調整舾裝件安裝階段或裝配路徑，優化裝配設計方案。

圖13 LNG船結構件與鐵舾件的動態干涉檢查

3.5 人機工程分析

3.5.1 快速上肢分析

快速上肢評估(Rapid Upper Limb Assessment， RULA)是面向人體操作姿態的重要分析方法，該方法利用主要關節自由度角度對應身體各部位的分數，每個身體部位的分數均以顏色方式顯示，再綜合身體各主要部位的分數給出整個姿勢的分數[6]。RULA評估的分數、顏色及應對措施如表1所示。

圖14展示LNG船某分段安裝截止閥的操作。該截止閥重量為2.4 kg，工人屬于間歇性操作，最終得分為4分。根據RULA評分表格，該姿勢基本可被接受。通過詳細的評分表可知：工人負載較嚴重的部分主要集中在腕關節和手臂關節，得分為5分，因此在進行這種操作時可建議工人在施工前先活動上述2個關節，做一些熱身活動，有利于工

表1 RULA最終評分表與應對措施

人的健康安全。

圖14 工人安裝截止閥過程中的快速上肢分析

3.5.2 舉放分析

圖15展示對工人安裝蝶閥進行的舉放分析。通過記錄工人的初始和最終位置，動作參數以每10.0 s執行1次動作，操作周期為最多1 h，最終

分析結果顯示在此勞動強度下舉升的重量不應超過4.5 kg，而最大的舉升重量不應超過13.6 kg。該蝶閥重量為40.0 kg，已超出工人安全操作范圍。因此，蝶閥安裝應盡可能安排在中組立階段，在該階段工人俯身作業，可確保施工安全性和便利性。

圖15 工人安裝蝶閥過程中的舉放分析

3.5.3 推拉分析

圖16展示在分段涂裝階段對工人推拉作業平臺進行的分析。定義推拉節拍(20.0 s/次)、推拉距離(2 100 mm)、人員采樣(50%)，分析結果顯示：工人最大啟動推力為360.821 N，最大啟動拉力為241.285 N。LNG船沖砂一般采用金屬磨料，摩擦因數取0.15，該平臺重量為185.528 kg，則最大摩擦力為254.545 N。通過人機工程分析可知：工人可推動平臺，但不適合維持推動作業，可對工裝進行輕量化設計。通過人機工程分析，可完成在分段建造過程中大多數工裝的優化設計工作。

圖16 涂裝作業過程中的推拉分析

3.5.4 搬運分析

DELMIA軟件對搬運動作分析提供Snook與Ciriello1991分析工具，如圖17所示。工人在搬運埋弧焊機時，定義搬運節拍、搬運距離及人員采樣，即可得到最大可接受重量不能超過29.0 kg。由此可知：在埋弧焊機重量大于29.0 kg時，應采用其他吊運工具對設備進行搬運。

圖17 工人作業過程中的搬運分析

4 三維作業文檔可視化應用

通過裝配現場可視化技術，利用企業內部網絡將船舶中間產品的三維裝配工藝文檔發送至裝配車間現場[7]，即可實現三維裝配工藝文檔現場應用。現場施工人員可通過裝配可視化系統現場終端，查詢分段名稱，查看其對應的裝配工藝文檔，獲取中間產品的零部件結構信息、裝配所需要的設備資源信息、零部件的定位及裝配尺寸等裝配工藝信息，查看裝配工序操作文字說明及分段的裝配動畫，全面直觀地了解分段的裝配流程和裝配工藝，最終完成分段的裝配工作。與傳統的裝配圖紙相比，三維裝配工藝文檔可形象生動地為工人提供施工指導，幫助現場施工人員迅速、準確地了解分段的裝配過程，不僅提高對工人的培訓效果，而且提高裝配施工效率和準確性。

圖18展示3DPDF形式的三維工藝文檔在工業平板(Portable Android Device，PAD)上的應用過程。利用工業PAD，工人可直觀看到中間產品的整個建造流程，可對中間產品進行三維旋轉、平移、縮放、隱藏等三維動態瀏覽操作，可展示或隱藏在裝配工藝樹上每一個層級的構件。三維工藝文檔還支持尺寸測量及三維注釋，從而實現生產意見的快速反饋。

圖18 三維裝配工藝文檔在工業PAD上的應用

5 結 語

依據SPD國產軟件，結合DELMIA虛擬仿真軟件，利用基于統一模型的理念，從產品完整性建模、建造虛擬仿真及三維工藝文檔設計角度，基本打通三維模型從產品設計到生產建造的數據鏈路。

在依據MBD的三維工藝設計過程中，統一的三維模型不僅代表一個新的設計載體，而且代表一種設計方式的轉變。

國外先進造船企業通過廣泛開展基于模型的設計、工藝仿真與設計優化，其虛擬建造仿真的深度，可大幅提升船舶建造效率和質量。在后續船舶生產設計中，國內造船企業需要逐步加深對虛擬建造工藝的投入力度，盡可能將各種生產問題消滅在萌芽階段。設計部門是船舶建造的0號車間，只有設計源頭做到足夠的準確和細化，才能從根本上提升船舶建造效率和質量。