e-works数字化企业网  »  文章频道  »  产品创新数字化(PLM)  »  CAPP

2012年PLM征文:基于DELMIA的船厂吊装工艺仿真

2012/11/20    来源:e-works    作者:陈永新  刘闽东  胡广旭  孟梅      
关键字:DELMIA  工艺仿真  分段吊装  数字化造船  
DELMIA作为一款全3D数字化制造解决方案已经在汽车和飞机制造领域取得广泛应用,其向船舶制造业的推广虽起步时间晚但一直引起业界高度关注。本文结合一艘船舶的分段吊装过程,采用DELMIA进行吊装工艺仿真,分析总结了从建模、DMU运动分析到流程仿真全过程工作内容,针对一些问题提出应对措施,探讨了采用三维仿真技术可能对实现我国造船模式转变的促进作用。

0 前言

    分段吊装是船舶建造工艺中非常重要的环节,在实施中需要调动生产现场许多关键资源,如船台船坞、大型起重设备、指挥与作业人员,其完成效果与效率直接决定船厂经济效益,一些实践经验也表明,分段吊装中潜藏的一些安全隐患极有可能诱发严重生产事故。传统基于二维思路的吊装工艺设计存在一些不足:无法在虚拟环境下对吊装方案进行验证使其更加合理优化;二维表述方式使得设计人员与现场作业人员的工艺信息沟通成本较大,岗前培训与安全教育效果不佳;二维记录方式难以对吊装实践经验与知识很好总结,导致船厂对有经验的工程技术人员依赖性很大;当产品或船厂生产设施发生变化时,不能很好满足对工艺提出的快速应变要求,拖累了船厂的市场调整响应能力。

    由法国达索公司开发的DELMIA(数字化企业精益制造交互式应用)系统以其全3D特征,提供完善而强大的仿真验证功能,利用DELMIA生成的仿真结果既能预先检验船体分段吊装方案合理性,又提供了船舶设计人员与作业人员沟通的有效方式,仿真文件还能完整记录吊装工艺过程各个细节作为企业的经验积累,指导同型产品或新产品的工艺设计。本文论述了应用DELMIA的DPM与人机工程功能,对船厂分段吊装工艺进行仿真的技术工作,并初步探讨这项工作对船厂数字化转型的积极贡献。

1 吊装仿真的建模

    根据现实场景创建各实体的三维模型是工作开展的第一步,把分段吊装中涉及的模型分为产品和资源两类:产品模型有船体分段、上层建筑;资源模型有场地、龙门吊、门座式起重机、载运工人上下分段的登高车等。模型按其是否经过装配又分为零件(part)和产品(product)两类,例如船体分段是一个不可再分的“零件”,而龙门吊是由吊钩、吊索、主梁、起重小车等“零件”装配起来的“产品”。

    建模前先用AutoCAD草绘出俯视视角的吊装场地布局,如图(1),依据吊装方案在图纸中布置好产品与资源的初始位置,以此来了解龙门吊、门座式起重机、船坞以及分段堆放的位置关系,有助于从宏观上把握后续的场景构建及吊装仿真。

吊装方案

    图1 吊装方案

    1.1 模型轻量化

    根据仿真需要解决的具体问题,不需要追求船体吊装中所涉及所有环节和系统各属性统一精细程度的逼近,只需对所研究系统的某些关键属性精确逼近,所以在建模时要区分出模型的次要特征并对其简化。另一方面,船厂分段吊装仿真的工作涉及模型多且数据量大,为了精简工作量,并使最终生成的仿真结果能在一定计算机硬件环境下流畅运行,也对所建模型提出了轻量化要求。

    采用了以下方法简化模型,第一:尽可能减少曲面、多截面体数量,例如吊装场地模型用若干块规则六面体组合而成;船体各分段模型的创建,仅船艏和船艉使用了曲面建模功能,其余分段只须先画出横剖面的外轮廓草图,然后用凸台操作拉伸即可,不用通过曲面操作就可处理出舭部形状;对于门座式起重机,图2是一个细节逼真、结构较为完整的模型,其吊臂为四杆机构,这对于建模和后期的DMU机构运动定义来说都较为复杂,在吊装仿真中完全可以对这类模型简化,图3是精简后的起重机模型。第二:设法减少特征树的节点数量、精简特征树结构,例如优化建模思路,探寻步骤尽可能少的建模方法;自身内部不存在相对运动结构的模型都建为“零件”,内部存在相对运动部分的模型,为了下一步创建动作的需要,才将其用“零件”装配为“产品”,例如构成场地资源模型的各个六面体是“零件”中的“凸台”几何体,而不是“产品”中的“零件”,龙门吊的支腿与主梁合为一个“零件”,起重小车与吊索合为一个“零件”,再加上吊钩,使整个龙门吊“产品”仅由这三个“零件”装配而成。

    简化并不意味精度降低,此处对模型精度的强调与仿真逼真无关,而是源于两方面需要:一是组成“产品”的各个“零件”必须要有一致精度才能顺利装配,二是为下一步运动机构定义作准备。所以所建模型的细节要与设计方案完全相符。

较为逼真的门座式起重机模型

    图2 较为逼真的门座式起重机模型

简化后的门座式起重机

    图3 简化后的门座式起重机

 

分页

    1.2 吊装仿真的运动机构定义

    对于内部存在相对运动结构的模型,装配好后要在DMU数字化构件工作台中定义机构运动,为下一阶段动作编辑作准备。吊装仿真中要进行此项操作的模型有龙门吊、门座式起重机和登高车。

    定义登高车机械臂运动时,因为被输送人员站在登高车作业平台上,所以平台在两节机械臂转动时要始终保持水平,车身、一级机械臂、二级机械臂、作业平台四个构件在运动中须保持特定角度约束,为此采用的方法是:使用“齿轮接合”进行定义,如图5。虽然零件间不存在物理上的啮合,但不妨把它们视为两两组成的“齿轮”结构,在齿轮啮合比率处输入计算好的参数值,即可让作业平台时刻保持水平。

登高车

    图4 登高车

“齿轮接合”定义

    图5 “齿轮接合”定义

2 吊装仿真的仿真编辑

    完成建模后的下一步工作是根据吊装工艺方案来编辑仿真,包含内容有场景构建、模型动作编辑、人机工程定义、流程结构编辑,仿真动画在这些步骤完成后便最终产生。

    2.1 吊装场景构建

    进入DELMIA的DPM-Assembly Process Simulation工作台,DELMIA结构树中有三个列表——流程列表、产品列表和资源列表,将船体分段、上层建筑模型插入Productlist中,将厂地、人员、起重机、登高车模型插入Resourcelist中。使用layout工具栏把其它模型摆放到场地模型之上,按照AutoCAD图在场地平面上移动各模型,构建出分段吊装开始前的场景,保存这一场景为仿真动画的初始状态。

    2.2 动作编辑

    分为机械动作编辑和人的动作编辑,每创建的一个动作都是流程列表(Productlist)中的一个节点(或step)。

    2.2.1 机械动作编辑

    模型整体移动通过move activity命令编辑,如龙门吊沿轨道平移至指定位置、登高车平移到分段旁边;内部结构的动作通过device move命令编辑,如龙门吊起重小车沿主梁移动、吊钩沿吊索移动、登高车升起机械臂使作业平台到指定高度、门座式起重机平台旋转、吊臂旋转等。通过crab activity命令创建抓取动作,使两个对象固连在一起,例如吊钩“抓取”分段使分段随吊钩一起上下运动,被吊起或放下,当分段吊到合拢位置后,通过release activity命令解除二者的固连,吊钩放开被吊分段。

    2.2.2 人机工程定义

    在这一环节编辑人(worker)的动作,进入Human Task simulation workbench工作台,在此工作台还可以编辑机械的部分动作,实现人机工程效果,例如用crab activity命令将人和登高车作业平台固连,当人被抬升到分段边,用release activity命令“释放”人,再编辑人的行走动作,于是人就从作业平台走上了分段,起重小车放下吊钩,人走上前去用一系列动作表现挂吊索、整理吊索的过程。

    由于每一个worker动作需要新建一个process,即每一个process中仅包含一个人的系列动作,在多人多任务的情况下,为减少process数量,精简结构树,可在每一个process的动作列表(TaskList)里多设置一些动作,根据需要在前后动作间插入延时命令,例如工人甲先走到吊钩旁站定,他通过延时原地等待工人乙,与稍后就位的工人乙合作挂吊索,这就避免了把工人甲挂吊索的动作建入新的process里,等工人乙就位后再激活。

结构树中人的多动作

    图6 结构树中人的多动作

作业人员挂吊索

    图7 作业人员挂吊索

    除了动作外,视角变换(View)和文字说明(Text)也是流程中的节点,通过它们的创建可以更好表现吊装细节,镜头变换配合文字解说使观者更方便领会仿真所表达的吊装工艺信息。

 

分页

    2.3 流程编辑

    完成所有的动作编辑后,在PERT chart 中,按照吊装工艺方案编辑各动作之间的逻辑关系和时间顺序,应尽量使流程图简明、美观,在节点错综复杂处把它们排列成规则图形,如矩形、三角形、菱形。至此,分段吊装仿真创建完成,点击Process Simulation就可运行仿真。

吊装仿真全貌

    图8 吊装仿真全貌

3 展望

    传统制造业中工艺设计须在产品设计完成之后才能进行,由于两种设计无法并行协同开展导致设计周期长,难以实现工艺设计对产品设计的反演优化;另一方面,工艺设计合理与否要在实体试制、试验环节才能检验,增加了设计的时间和资源投入。例如在海洋平台或军用舰艇狭小空间安装密集布置的设备时,高效合理的吊装、装配工艺方案非常难以形成。具有全三维特征和完善工艺辅助功能的DELMIA系统能与上游CAD良好互动、有效集成,不仅有力解决了上述设计阶段存在的问题,对于大型复杂装备制造业造船业而言,工艺仿真凸显的意义还在于促进科学决策提升现场管理水平,完善员工岗前培训与安全教育,减少企业对员工知识经验的过度依赖,提高企业的产品快速应变能力、市场需求快速响应能力。因此在我国船舶工业转型升级背景下,研究造船工艺问题的三维仿真验证具有示范意义,值得继续深入,以助推企业三维数字化革命,转变造船模式。

4 结论

    应用DELMIA对一型船舶的分段吊装进行三维形式仿真,最终生成的仿真动画统筹考虑了各种工艺要求,完整呈现吊装过程中所有静态与动态要素;紧密围绕仿真层次性、相对性思想,提取所研究系统主次特征对建模、场景构建等工作合理化简;研究庞大工作量、数据量的规律性摸索出提高效率方法,系统总结了以上工作内容与经验,为后续分析验证工作奠定基础,并据此展望DELMIA的应用对数字化造船的贡献,是仿真技术应用于船舶建造问题的有益探索。

责任编辑:程玥
本文为e-works原创投稿文章,未经e-works书面许可,任何人不得复制、转载、摘编等任何方式进行使用。如已是e-works授权合作伙伴,应在授权范围内使用。e-works内容合作伙伴申请热线:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐