基于虚拟仿真的船舱大型部件维修通道分析

周橹君，朱晓军，杨铁军，闵少松

(1.海军工程大学，湖北武汉 430033;2.海军92957部队，浙江舟山 316000)

维修性是由装备设计赋予的使其维修简便、快速和经济的一种固有属性，是装备的质量特性，良好的维修性也是舰船安全使用的重要保证。实现维修及时、经济、有效，不仅是使用阶段应该考虑的问题，也是从装备全系统和全寿命周期应该考虑的问题。

对于舰船的设计而言，总体设计人员需要谨慎考虑如何在有限的空间内布设复杂的管系和电缆［1］，需结合全舰系统以及设备的使用和维修要求，布置各种装置和设施，以保证它们有机的集成并有效运行。为在总体设计阶段就能充分评估和解决舰船后续使用和维修过程中的问题，促进设计方案的改进，需要研究一种针对舰船产品使用和维修性设计验证的新方法［2］。

现在通用的是以虚拟仿真技术为基础构建的维修性评估指标体系以及评估方法。这种方法在国外发展的比较早，1995年，洛克希德·马丁公司取消了原有的金属模型，利用虚拟现实技术对F-16战斗机的CAD模型进行维修性分析。近年来国内也快速发展，并运用到高速列车［3］、车辆［4］、飞行器、船舶［2］的维修性设计验证。车辆和飞行器领域发展的较成熟，对于船舶虚拟维修的研究还未形成一套定量评估的方法，评估内容不够全面，特别是在通道方面。

对于船舶，尤其是如机舱，机电设备体积较大，在高级别等级修理中往往需要将设备转移到车间维修，会对设备的维修通道空间提出一定要求。为此在维修指标中需增加一项评价维修通道空间的指标，来评估通道设计的优劣。

1 大型部件的吊运通道分析方法

在大型部件的吊装工作中，吊装设备必须经过设计好的通道到达指定维修地点，这就需要建立一项评价维修通道空间的指标。基于虚拟仿真的大型部件吊装，能够借助虚拟样机对设计中涉及的大型部件的吊装过程进行演示验证，可结合演示过程对吊装通道进行分析，给出相应的通道分析结果，并将分析结果反馈给设计部门，以便在设计时就能够发现设计通道的不足，及时调整吊装方案。

吊运通道分析有4个主要内容:吊运通道空间分析、通道检测间隙分析、吊运方便性分析和通道复杂性分析。吊运通道空间分析可通过部件与通道的最大横截面面积之比进行分析。吊运通道检测间隙分析，则通过部件与通道之间的间隙来进行分析。而吊运方便性分析，可通过吊运过程中，部件需要旋转角度来分析。最后，通道复杂性分析，则通过转换吊运设备的次数来进行分析。

1.1 吊运通道空间分析

对于吊装通道中涉及舱口、可拆板等开口通道，通道口的横截面面积S1必须大于与吊装方向垂直的部件的横截面最小面积S2，即S1＞S2，才能保证部件的顺利进出。通过这种开口通道的难易程度可以对横截面面积之比来打分表示，如图1所示。

图1 横截面之比评分示意图

若S2/S1＞1，则表示不能通过通道，计分为0;若0.7＜S2/S1≤1，则表示勉强能够通过，计分为0.0～0.3;若0.5＜S2/S1≤0.7，则表示比较容易通过，计分为0.3～0.5;若S2/S1≤0.5，则表示非常容易通过，计分为0.5～1.0。对于吊装通道中不涉及舱口、可拆板开口等无开口通道，吊装部件可无阻碍通过，比值非常小，计分为1.0。评估分值如表1所示。

表1 横截面面积之比评估分值核对表

1.2 通道检测间隙分析

部件运输过程可能晃动或需要人员辅助作业，所以需要保留一定的间隙。对于吊装通道检测间隙分析，以通过通道时部件与通道边界之间的间隙来对通道进行评分。部件与通道边界之间的间隙是指部件上的任意一点与通道边界任意一点的距离的最小值，即假设R代表部件上的所有的点，r为部件上任一点，Q代表通道边界上的所有的点，q为边界上任一点，则它们之间的间隙δ=min d(r，q):r∈R∧q∈Q。

它们之间的间隙若不大于0.1 m［5］，即δ≤0.1 m，则认为不通畅，计分为0.0～0.3;若0.1＜δ≤0.2 m，则认为通道通畅，记为0.3～0.6;若0.2 m＜δ≤0.3 m，则认为通道比较通畅，记为0.6～1.0;若δ＞0.3 m，则认为通道很通畅，记为1.0。对于吊装通道中不涉及舱口、可拆板开口等无开口通道，若吊装部件与周围边界相距较远，也即间隙较大，计分为1.0，若吊装部件与周围边界的距离较近，间隙可参考有开口通道的间隙的分值进行打分，评估分值如表2所示。

表2 通道检测间隙评估分值核对表

1.3 吊运方便性分析

对于吊运通道方便性分析，可以通过部件旋转角度来进行评分。对于吊装通道中涉及舱口、可拆板开口等开口通道，为了部件可以通过或方便吊装，可能需要经过旋转。三维空间旋转轴有3个，所以旋转角度也有3个，记为α、β、γ，如图2。

图2 三维空间自由度

当部件以任意姿态都可通过通道时，则说明部件很容易通过，对通道计分为1.0;若部件需绕一轴旋转不超过30°即可通过通道，则对通道计分为0.7～1.0;若部件需绕轴旋转大于30°小于60°，则对通道计分为0.4～0.7;若部件需绕轴旋转超过60°，则对通道计分为0.0～0.4。评估分值如表3所示。3个角度重要性一致，最后将3个角度的评估分值相乘。

表3 旋转角度评估分值核对表

1.4 通道复杂性分析

对于吊运通道复杂性分析，可以用部件通过通道时转换吊运工具的次数来进行评分。设备在吊运到维修舱或吊运出船体时需要通过多个舱室，这就涉及到换用吊运工具的操作。转换吊运工具的次数越多，吊运过程越复杂，操作就越不方便。转换的次数为0～2，则认为吊运起来方便，计分为1.0;转换的次数为3～6次，则认为比较方便，记为0.7～1.0;转换的次数为7～10次，则认为一般，记为0.4～0.7;转换的次数为10次以上，则认为操作不方便，记为0.0～0.4，如表4所示。

表4 转换工具次数评估分值核对表

1.5 各指标权重的确定

运用层次分析法，确定各个子指标的的权重［6］。

通道空间、通道复杂性、方便性、预留检测间隙分别记为因素1、2、3、4。对指标进行两两比较，确定其相对重要程度。评定标度按A.L.Saaty提出的1～9标度方法，如表5。

表5 因素i与因素j比较结果的标度量化

则得到层次分析法 (AHP)的判断矩阵:

矩阵的最大特征值λmax为4.204 1，则维修通道的各子指标的权重如表6。判断矩阵的随机一致性比率CR=0.076，CR＜0.1，判断矩阵具有满意的一致性。

表6 各子指标的权重

1.6 通道评分评价

1)对部件的n个吊运过程的通道空间、方便性、预留检测间隙3个指标进行评分，3个指标分别得到n个值。

2)所得指标的评分按不同过程所占时间的比重加权平均，得到3个指标值。

3)分析部件整个吊运过程通道复杂性，得到评分。

4)将4个指标评分按表6加权汇总到通道指标上去，得到该部件通道的评分。

通道的分析可按最后的评分，并参照表7来给出评价。

表7 评价标准

2 辅机维修通道分析

辅机维修涉及到许多部件，本文选取典型的汽缸盖在辅机舱的吊运过程进行通道分析。

汽缸盖在辅机舱吊运过程采用DELMIA仿真，汽缸盖的吊运在无开口的通道中进行，整个吊运过程分为3个部分:第一部分，上升部分;第二部分，平移吊运;第三部分，下降部分。

各部分的权重根据各个过程的维修作业时间来定。根据仿真过程，得出上升部分耗时9 s，平移吊运部分耗时4 s，下降部分耗时3 s，共计耗时16 s，按耗时所占的比重确定各个部分的分值权重分别为 0.563，0.250，0.187，如表 8。

表8 吊运部分权重分析

2.1 吊运通道的空间分析

对汽缸盖吊运的各过程进行通道空间分析并根据表1打分。上升部分中，无通道障碍，汽缸盖与通道的横截面面积之比会很小，趋近于零，根据核对表评估分值为1.0;平移部分和下降部分中，通道对汽缸盖没有管路和开口限制，因此横截面面积之比也很小，趋近于零，根据核对表评估分值为1.0。得到的评估分值如表9所示，最后将各个部分的综合得分相加得到的汽缸盖的通道空间分析总得分为1.0。

表9 汽缸盖通道空间分析评估表

2.2 吊运过程的检测间隙分析

按照表2对吊运过程进行检测间隙分析并评估其分值。上升部分开始时，汽缸盖需从周围其它组件拉出，在拉出汽缸之前间隙较小，其余间隙很大，但是拉出汽缸盖之前的路径很短，且周围组件对其影响不大，故得分0.8;平移部分，周围组件对其影响较小，间隙大于0.5 m，得分为1.0;下降部分，其它吊装部件对其有影响，导致在最后降落时需旋转90°，才不会与其它吊运部件发生碰撞，故得分0.6。各分值权重根据各个部分的维修作业时间来定。得到的评估分值如表10所示。最后将3个部分的综合得分相加得到汽缸盖吊运通道间隙总得分为0.813。

表10 汽缸吊运通道间隙分析评估表

2.3 吊运通道的方便性分析

按照表3对吊运过程进行旋转角度分析并评估其分值，结果见表11。

表11 汽缸吊运旋转角度分析评估分值表

上升部分中，汽缸盖受到自身组件的限制，在一个轴会有微小的旋转。但是小于30°，评估分值为0.7;平移部分中各旋转角度都为0，评估分值为1.0，下降部分绕一轴旋转角度为90°，评估分值为0.4。

2.4 吊运通道汇总分析

对于整个辅机维修通道分析，还需分析出各部件在不同舱室吊运环节的通道空间、方便性、预留检测间隙的评分，并根据各过程所占比重分别汇总成3个指标评分。最后加上整个通道的复杂性评分，按1.5节中给出的4个指标的权重，汇总求和。

本文的实例，由于只进行了辅机舱的仿真，只能给出辅机舱通道的评分。按1.5节中给出方法，辅机舱通道综合评分为0.958。辅机舱通道设计的非常好。

3 结束语

维修性是舰船安全使用的重要保证之一。良好的维修通道是实现舰船高效维修的保证之一。本文提出了大型部件吊运维修通道具体的分析评价方法，为维修性设计验证提供了一种有效地方法。虽然本文提出的方法，在合理性和精确性上还有待进一步改善，但本文采用的方法、建立的指标及指标的评估方法对通道的评估有着参考和借鉴价值。

［1］张玉梅，魏沁祺，曾俊.基于虚拟现实的舰船使用和维修性分析评价系统 ［J］.中国舰船研究，2013，8(2):6-12.

［2］李佳.基于虚拟现实技术的船舶维修性验证系统研究［J］.中国舰船研究，2008，3(2):70-73.

［3］谢凯.高速列车司机室设备可维修性评估方法研究［D］.北京:北京交通大学，2011.

［4］崔晓风，项昌乐，王战军，等.特种车辆维修视觉可达性评价方法研究 ［J］.计算机仿真，2011，28(3):349-352，409.

［5］王宏济.维修性设计指导 ［M］.北京:昆仑出版社，1988.

［6］李学全，李松仁，韩旭里.AHP理论与方法研究:一致性检验及权重计算 ［J］.系统工程学报，1997，12(2):111-117.