半潜平台推进器安装虚拟仿真

吴世豪 张 立 孟 梅

（哈尔滨工程大学 船舶工程学院（北京）船舶数字化工程研究室）

0 引言

深海半潜式钻井平台的建造是船舶与海工制造业中生产难度大、技术复杂度高的工程。在满足平台使用要求的前提下，缩短平台的建造周期、提高平台建造质量、降低建造成本，是一个值得长期研究的课题。半潜平台的建造，对一些关键设备的安装工作具有很高的技术要求，如何利用船厂有限的场地及施工设备资源安装好各种动力、导航、通信、控制等设备，保证其有机地集成并有效地运行，花费了设计人员大量的心血，却常常得不到非常满意的结果[1]。本文针对半潜平台推进器安装这一典型工程案例，使用达索公司的DELMIA软件对安装工艺过程进行仿真验证，为采用虚拟仿真技术解决船海工业问题进行了实践。

1 虚拟装配仿真

1.1 虚拟装配的定义

虚拟装配是指在虚拟环境中，利用虚拟现实技术将设计的产品三维模型进行预装配[5]，原理是按照给定的装配工艺顺序，通过对产品零部件的空间位置进行连续操作来达到预期的装配效果，同时将连续操作过程以动画的形式演示出来[6]。

1..2虚拟装配仿真工作流程

虚拟装配工作流程主要包括虚拟装配建模、虚拟装配工艺规划以及仿真结果输出三个阶段。首先在三维建模软件中创建几何实体模型，将几何实体模型通过模型数据转换导入到虚拟装配系统中 [1]。在虚拟装配系统中，对零部件模型、施工设备模型、场地环境模型等进行初始定位，完成仿真场景的创建。在无初始干涉的情况下，对装配零部件进行装配序列规划和装配路径规划，在路径规划过程中进行动态碰撞干涉检查，如发现干涉情况，及时修改装配路径或装配序列，直至工艺规划完成。工艺规划完成后，系统会对虚拟装配序列和装配路径进行记录，在此基础上，输出最后的虚拟装配仿真动画及干涉检测报告等文件。

2 基于CATIA的虚拟建模

虚拟建模需要基于一定的软件平台，来对半潜平台进行实物建模，最常用的3D建模软件是CATIA.CATIA是法国达索(Dassault Systems)公司研究开发的三维交互式工程设计、数控加工软件。CATIA软件以其强大的设计功能在飞机、汽车、船舶、电子设备等领域享有很高的声誉[2]。

针对半潜平台推进器安装工艺，把所需建立的模型分为装配零部件模型、施工设备模型、场地环境模型三类。装配零部件模型和施工设备模型使用CATIA的草图编辑模块、零件设计模块和创成式外形设计模块建立，场地环境模型使用AEC工厂模块的Plant layout模块建立。

3 基于DELMIA的半潜平台推进器虚拟安装

在CATIA建模的基础上，运用仿真软件对模型进行仿真。DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）是法国达索系统（DASSAULT SYSTEMS）公司研发的数字化设计制造软件，它为制造企业提供了从产品设计、工艺规划到生产过程的全生命周期精益设计制造解决方案[3]，，并且可以良好地实现与CATIA的数据互通。DELMIA的DPM Assembly Process Simulation模块将创建虚拟装配场景、装配序列规划、装配路径规划、碰撞干涉检测、仿真视频输出等功能整合在一个完整的系统内，提供给设计人员一个统一的、点到点的作业环境。

3.1 创建仿真场景

进行安装工艺规划，首先要将所建立的零部件模型、设备模型和场地资源模型导入到虚拟装配环境中，进行设备资源的初始布置，完成虚拟装配场景的创建，这是进行后续安装工艺仿真的基础。进入DELMIA的DPM模块，首先使用Insert Resource的命令，导入场地资源模型。在本文中，将设备和场地资源都定义为资源模型，即把履带式吊机、驳船、推进器支架、导向钩、锚链提升器、海洋、海床模型导入，再通过移动和旋转等方式对模型在环境中的位置进行初步定位。使用Insert Product的命令，以同样的方式把半潜平台、推进器、传动轴、锚链管、锚链管封堵、基座保护盖、推进器基座、推进器密封盖、推进器基座密封盖、推进器马达、推进器刹车盘等零部件模型导入。图2为DELMIA环境下的半潜平台推进器安装仿真场景。

图2 DELMIA环境下的半潜平台推进器安装仿真图

3.2 半潜平台推进器虚拟安装序列规划

3.2.1 分析安装序列

把半潜平台推进器安装工艺过程分为前期准备、安装过程和后续工作三个部分。分析三部分的工艺操作,可得到安装序列如下：

（1)前期准备

半潜平台下水前，半潜平台浮筒推进器舱室内的锚链管、推进器基座、基座密封盖等必须安装妥当。使用拆卸法，根据自顶向下的原则，可得到拆卸序列为：锚链管—基座密封盖—推进器基座，根据拆卸与装配互逆可得装配序列为：推进器基座—基座密封盖—锚链管。

(2)安装过程

半潜平台推进器安装的主要工序为：推进器下水—半潜平台移位—移除基座保护盖—移除锚链管封堵—锚链下水—导向钩连接到推进器—提升推进器—锚链复位。

(3)安装检查

推进器的安装需要进行安装干涉检查，以防止出现安装器件或者设备与周围环境发生碰撞。

(4)后续工作

在推进器安装就位后，需要封堵锚链管、移除基座密封盖和推进器密封盖，再安装安装传动轴、刹车盘和推进器马达，所以后续工作的工序为：封堵锚链管—移除基座密封盖—移除推进器密封盖—安装传动轴—安装刹车盘—安装推进器马达。

3.2.2 装配序列规划

在分析得到半潜平台推进器安装序列后，使用DELMIA的DPM模块的PERT技术和GANT图对安装序列进行编辑和控制。

PERT（Project Evaluation and Review Technique）是用于分析制定计划并对计划予以评价的技术。PERT图是一种箭线形式的流程图，PERT图直观的表达出项目各事件的先后顺序。根据前面分析所得到的半潜平台推进器安装工序，使用DELMIA中的PERT Chart工具对推进器安装过程中的各道工序进行设计编排。

图3 半潜平台推进器安装序列规划PERT图和GANTt图

甘特图（Gantt Chart）是展现项目各事件开展进度的工具。DELMIA中的甘特图是DPM的活动时间安排表，从甘特图上可以看到每一道工序所占用的时间及所参与的零件和资源。图3为半潜平台推进器安装序列规划完成的PERT图和GANT图。

3.3 半潜平台推进器装配路径规划

装配路径规划作为装配序列规划的后续步骤，是装配工艺规划的一个关键环节，是连接装配工艺规划和装配仿真验证的桥梁。在DELMIA的DPM模块中，按照装配顺序，逐个定义半潜平台推进器安装过程各参与部件的装配路径。在装配过程中，需要使用履带式吊机对推进器进行吊装。为了实现吊装过程的模拟仿真，可使用DELMIA的Device Building模块对履带式吊机各零部件间的运动关系进行定义。在安装路径规划过程中，开启DELMIA的碰撞检测功能，当出现碰撞情况时，系统自动提出警告，以红色高亮显示出碰撞区域，根据碰撞显示结果对零件装配路径或装配序列进行调整，直至干涉消除。图4为半潜平台推进器安装路径规划完成图。

图4 半潜平台推进器安装路径规划完成图

4 装配干涉检查和仿真结果输出

图5 半潜平台推进器安装完成图

在半潜平台推进器安装工艺规划完成后，可以输出安装工艺过程仿真视频和碰撞干涉报告。DELMIA软件自动地将虚拟场景捕捉成图像文件，然后将每一个图像文件作为一帧添加到“.avi”文件中就形成了仿真视频文件，后期还可使用视频编辑软件（如绘声绘影）对仿真视频进行完善[4]。半潜平台推进器安装工艺仿真视频和干涉检测报告对生产实施具有重要的意义，生产人员可通过视频对装配过程有一个直观的认识，规避生产中一些不安全的操作行为，通过干涉报告可提醒操作人员注意装配过程中容易产生碰撞干涉的环节及装配到目标位置后零部件间的配合情况。如图5所示为所完成的半潜平台推进器安装工艺仿真视频（包括前期准备、安装过程、后续工作三部分）和推进器安装完成图。

图6 半潜平台推进器安装工艺仿真视频

5 结论

本文结合半潜平台推进器安装这一实际工程案例，分析推进器安装序列及装配路径规程。选择达索公司的CATIA软件建立半潜平台推进器安装所需的零部件模型、施工设备模型和场地环境模型，并将模型导入到DELMIA软件中进行装配工艺规划，最后输出装配仿真视频和碰撞干涉检测报告等工艺文件，输出文件对实际工程施工具有一定的指导作用。

[1]杨润党，谢子明.虚拟仿真技术在船舶建造过程中的应用概述[J].中国造船工程学会2008年MIS/S&A学术交流会论文集

[2]罗天龙.基于CATIA/CAA平台的虚拟装配信息模型研究与应用.南京航空航天大学硕士学位论文.2005年

[3]邢莉.基于DELMIA的虚拟装配技术研究及其在LED分拣机中的应用.浙江工业大学硕士学位论文.2008年

[4]王树青，李天侠，成斌.DELMIA在海洋钻井平台建造中的应用[J].船舶工程.2009年12月第6期.P61-63

[5]姚竞争，韩端锋，李健, 基于 CATIA 系统的虚拟装配仿真研究[J],船舶工程，2011年第一期，P49-P52

[6]张晓伟,原思聪,林艳,耿素花, 基于DELMIA的船体虚拟装配过程仿真研究[J], 起重运输机械,2010年第2期,P65-P67