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2010产品创新数字化峰会征文: 虚拟装配技术在海洋工程装备建造中的应用探讨

2010/11/23    来源:e-works    特约撰稿人:孟梅  丁志成  刘旸      
关键字:虚拟装配  海洋工程装备  DELMIA软件  
随着我国制造业信息化技术的不断发展,虚拟装配技术在实际生产装配中的重要性日渐突出。本文以海洋工程大型设备为研究对象,分析了大型设备的建造装配特点,探讨了虚拟装配技术在该领域应用的可行性和具体实现路径与方法。

1、引言

    面对着当今市场激烈的竞争、迅速变化的形势,制造企业必须不断地缩短产品开发周期和提高产品的质量。传统的制造业已经进入到了一个巨大的变革时期,计算机和信息技术日益发展、成熟,越来越深入的应用到制造领域。现在我国正不断地引进消化吸收国外先进制造技术和经验,集成制造、敏捷制造、虚拟制造虚拟装配等先进技术正在深入普及。

    在产品设计、制造各环节中,产品装配是一个很重要环节,也是影响产品质量和建造周期的重要因素之一。因此虚拟装配技术的应用价值和重要性越来越受到制造企业的认可,它可以大幅缩短建造周期,提前发现并改进现场施工的不合理环节,减少返工率,降低建造成本。目前中国航空制造业在虚拟装配技术中的研究和应用有了长足的发展,而在船舶行业中的应用还处于初级阶段,尤其在海洋工程大型设备装配领域的研究还很少。本文借鉴在大飞机应用的经验和方法,结合海洋工程大型设备自身的特点,探讨虚拟装配技术在海洋工程船建造中的应用方法,希望对我国造船业的进步起到一定推动作用。

2、虚拟装配技术

    2.1 发展现状

    国外对虚拟装配的研究起步早,其中美国华盛顿州立大学开发“虚拟装配设计环境”的虚拟装配设计系统。设计人员在该系统中进行虚拟装配时可以直接操作虚拟的零件模型,通过模拟现实的装配场景,可验证并解决产品的可装配性问题,获得有关产品的设计和制造工艺信息。同时英国、日本和德国也相继开发出各自的虚拟现实装配系统,并在某些著名企业得到了很好的应用。

    我国虚拟装配技术起步晚,相对于发达国家还有一定的差距。近些年发展势头强劲,如清华大学国家CIMS工程技术研究中心在商品化CAD软件Pro/ENGINEER基础上二次开发而成的工具软件系统——虚拟装配支持系统(VASS),能够基于三维实体模型在计算机上开展产品及其部件的数字化预装配,进行装配工艺规划,验证产品可装配性,并生成能够指导实际装配作业的装配工艺规程和卡片等等。浙江大学CAD&CG国家重点实验室设计的虚拟装配设计系统VDVAS(Virtual Design and Virtual Assembly System)实现了在同一虚拟环境中修改零件的几何模型,无需在虚拟环境与CAD系统间进行数据转换和传输,提高了系统的可靠性;同时对基于语义的产品装配设计技术进行了研究,实现了基于语义的产品装配操作,对进一步提高产品装配效率与质量具有重要意义。西北工业大学CAD/CAM国家专业实验室结合飞机产品的设计开发,基于SolidWorks和CATIA软件平台开发实现了装配仿真系统。华中科技大学在Pro/E环境下,利用开发工具Pro/Develop成功开发了包括装配序列规划、装配路径规划及装配过程仿真等功能模块的虚拟装配系统。西飞公司开发的数字化产品设计制造系统能完成产品零部件的三维模型设计、数字化预装配、干涉检查等功能。

    2.2 虚拟装配的定义

    所谓的装配就是按一定的精度和技术要求,将一组零散的零件按一定的次序连接组合成产品的过程,其核心内容是装配序列和装配路径的规划。

    虚拟装配技术利用计算机仿真软件,通过分析、建立产品的数学模型,对产品进行数学描述和可视化,而不需要实物产品模型来支持。作为一个新兴的名词,不同人根据强调的方面给出了不同的定义:

    美国华盛顿州立大学Sankar Jayaram等人最早对虚拟装配系统进行的开发和研究,从整体上给出了虚拟装配的定义是:使用计算机,在没有物理实现产品或支持过程的情况下,作出或辅助作出与装配有关的工程决策。

    清华大学CIMS国家工程中心的肖田元、张林煊给出的虚拟装配的定义是:虚拟装配是装配过程在计算机上的本质实现,是基于产品的数字化实体模型,在计算机上分析与验证产品的装配性能及工艺过程,从而提高产品的可装配性。装配包括双重含义,一是由零部件组成的静态的装配体,二是该装配体的形成过程。

    总的来说,虚拟装配是以三维实体模型为基础,在计算机上模拟实体模型装配的全过程,分析操作过程及相关特性,实现产品的装配序列规划及装配路径,并生成指导实际装配现场的工艺文件。实现了两个层次的映射,一是底层用产品数字化模型映射了产品物理模型,实现工程分析、装配仿真,二是顶层用虚拟的装配仿真过程映射了真实的装配过程,实现了产品的装配规划、验证及评价装配的可行性及科学性。

3、海洋工程装备建造特点分析

    随着对能源需求的持续上升,深海石油蕴藏巨大开发潜力,石油作为战略资源有不可替代的作用。用来开发和运输海洋油气资源的海洋工程装备,主要包括用于开采石油的钻井装置有钻井船、坐底式钻井平台、自升式钻井平台和半潜式钻井平台,铺设海底输油管道的铺管船,海洋浮式生产设备有FPSO,FDPSO,专门针对天然气的生产设备有FLNG和FSRU及海洋石油存储与运输的设备油轮等。

 图一 深水钻井船

  图一 深水钻井船   

图二 钻井船上的井架

                  图二 钻井船上的井架

    3.1 设备特点

    目前各国都在开发深水油气资源,开发的步伐逐渐由浅海向深海进军,面对的海况也越来越复杂,这要求海洋工程设备的性能不断提升,设备不断朝着大型化巨型化的方向发展。如钻井的主要设备塔形双井架的尺寸为68.9m*24.4m*24.4m,在安装的过程中,不仅需要的起重设备起重能力要大,而且设备本身移动时扫过的面积也大,很容易与其他设备发生碰撞,同时还得考虑注意人员的安全,预留出设备组装的空间,吊车的位置和吊车回转半径内不得有任何障碍物。

    由于海洋工程船在海洋石油开采施工过程的需要,某些设备正朝着模块化集成化方向发展,这样便于快速安装及维护,因此造就了设备本身重量就非常大,如钻井船上的绞车、管子处理装置和管子输送装置,在安装这些设备的过程中,所需的起重设备的起重能力要足够大,还要考虑地基处理的问题,根据国内外的经验地基问题是造成大型设备吊装的主要原因,吊装设备基座的位置选取要综合考虑各方面因素,既要保证较快捷的吊装又要保证地基稳定。

责任编辑:许小倩
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