仿真系统中基于成组技术的柔性胎架三维结构设计

顾永凤，杨 辰，佘建国

(1.江苏海事职业技术学院 船舶与海洋工程学院，江苏 南京211170;2.江苏科技大学 机械与动力学院，江苏 镇江212003)

0 引 言

根据我国《船舶工业中长期发展规划(2006 -2015 年)》和2009 年2 月11 日由温家宝总理亲自主持通过的《船舶工业振兴规划》要求，到2015年，我国将成为世界第一大造船国和强国。但是，我国造船总水平与世界先进造船水平相差15 ～20年，落后于韩国和日本两到三个台阶。这就要求我们不断更新造船技术和造船装备，让造船模式日趋现代化。

成组技术是以船舶“中间产品”为导向的建造策略，代替以工种专业化为导向的组织原则而建立起来的一种生产体系。它把企业生产的各种产品和组成产品的各种部件、零件，按结构和工艺上相似性原理进行分类编组，并以“组”为对象组织和管理生产的运作。

中国船舶工业总公司于1986 年便引了进成组技术。但到目前为止，我国船舶建造中对成组技术的应用实践仍局限于局部范围如管件族的制造生产过程，未能在船体分段建造、区域舾装、区域涂装领域全面展开，事实上仍未发挥成组技术的强大优势。

本文以成组技术为核心思想，汇集目前的现代造船经验和数字化信息技术，设计并制作能够改变船厂造船模式的工装设备，是现代化造船进步的重要手段，是国际造船技术发展的总趋势。

1 柔性胎架的设计思想

本文以中间产品-曲面分段为对象，对胎架展开研究，设计出的“柔”性胎架具有较强的通用性和灵活性，主要体现在柔性胎架不仅要可以纵向调节和横向调节以满足不同船段的型线变化，而且要能够在整个厂区内按一定轨道移动，将船体分段直接运到船台进行组装避免以往缺乏一定规律过长的物资运输。

船体分段由平面分段和曲面分段组成，曲面分段又可分为小曲度分段和大曲度分段，大曲度分段的制造是影响造船周期和造船精度的重要因素，基于成组技术的柔性胎架应用将更好地贯彻和实施技术设计的标准化、通用化、系列化，长时间的加工相似零件也有利于工人熟练程度的提高，这些对于实现缩短造船周期、提高造船精度有着深远意义。

工装设备柔性胎架具有较强的通用性和灵活性，具体设计创新点表现在:

1)通过滚轮组的设置把传统胎架改为可移动式胎架，现代造船企业中分段制造完毕后，一般是通过大型拖车或吊车运至船台进行组装，存在许多高空作业，对船厂的吊运能力要求也比较高，本装置中只须将葫芦钩住刚性环孔通过卷扬机牵引前进，轻松地将其运到指定的地点进行船台组装。

2)原来管式胎架为点接触，船体支点处会有一定的变形，本装置采用电磁式弧形托板支撑船体，改点接触为面接触，船体变形小。

3)胎架面上通过滑槽设置，完成支点的横向调节，通过丝杠的调节完成支点的高度调节，以适应不同分段的曲度需求。

4)胎架面与地面呈一定角度，以减少丝杠调节的行程，减少调节时间。

2 柔性胎架的承载计算

为体现柔性胎架的“柔”性，现选用江苏金陵3 000 kW 全回转港作拖轮的船首作为模拟载荷。该船首部质量主要由外板、甲板、平台、骨材等组成，采用船首板材、型材质量叠加的方法，计算出船首质量，如表1 所示。

表1 船首质量估算Tab.1 Estimation of hull′ mass

质量叠加得出船首总质量约为54.658 t。因实际工作中船体分段的变化，载荷将会发生相应的变化，文中所设计的胎架针对1 000 ～5 000 kW 的船舶，故取上限值84 t。

利用Ansys 对应力集中区域如丝杠、胎架面、滚轮等进行应力分析，通过对网格的划分、应力的施加，优化胎架结构，得出合理的胎架结构。

3 基于Rhino 的柔性胎架的仿真建模

Rhino 是由美国Robert McNeel 公司于1998 年推出的一款基于NURBS 为主三维建模软件，其将CAD 的精确性与以自由曲线为基础的模型构建技术弹性的结合在一起，建模非常流畅，擅长于产品外观造型建模，随着程序相关插件的开发，比如渲染插件Keyshot、Flamingo 等，越来越多的被应用在各行各业。

Rhino 可以快速的创建，编辑，分析，导出，渲染，转译NURBS 曲线，曲面，实体和多边形网格。并且在精度，复杂性，角度以及大小上没有任何限制。

3.1 基于Rhino 的柔性胎架建模

利用Rhino 的快速建模工具，可以快速地完成柔性胎架、轨道等模型的建模，参数化有助于柔性胎架的设计调整，调整后的柔性胎架模型见图1。

图1 Rhino 中完成的柔性胎架建模Fig.1 Three-dimensional flexible bracket modeling with Rhino

3.2 基于插件的柔性胎架渲染

Rhino 插件是一个被编译为机器代码的软件模块，主要是对Rhino 的功能进行拓展。渲染插件主要是向Rhino 场景中添加灯光、材质和纹理并产生渲染图片，使用Rhino 自带或者第三方的渲染插件渲染胎架模型，使得原来的柔性胎架模型显得更逼真，最终渲染见图2。

图2 柔性胎架的仿真渲染Fig.2 Volume rendering of flexible bracket

4 结 语

本文以发展造船模式为目标，以成组技术为出发点，针对于目前一些大中型船厂的船舶生产任务重、交船周期短、造船精度不高等特点，设计出一种面向制造中心船体曲面加工柔性胎架系统，本文分4 步进行，在对柔性胎架进行结构设计的基础上对主要受力点进行受力分析，得出适用不同分段的合理胎架，并利用Rhino 软件对柔性胎架进行建模，以Rhino 的渲染插件对柔性胎架进行仿真渲染。

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