船舶虚拟装配系统研究及应用

蒋艳会  甄希金  韦乃琨  杨安海

摘  要：针对船舶建造具有个性化强、批量小、建造周期长、设备及系统集成化程度高、建造工序复杂不易控制的特点，分析了系统需要具备的功能，提出了技术架构。解决了交互式定义装配过程、自动生成装配过程等关键技术，开发了船舶虚拟装配系统，用于解决虚拟环境下船舶的建造与拆卸等问题，该系统已成功应用多艘船舶的装配，与传统的装配方法相比，具有明显的优势。

关键词：交互式装配自动装配船舶虚拟装配系统

1  引言

新世纪以来，我国虽然在船舶建造方面取得了一些新突破，技术能力快速提升，但总体来说，我国船舶设计、建造技术基础薄弱，缺乏设备配套和项目总承包能力，建造水平和效率与国外先进水平差距较大，在船舶建造市场的竞争能力弱。因此开展船舶装配虚拟装配技术研究，突破主流船舶建造的共性关键技术，对提高我国船舶建造企业的综合能力和整体竞争力，形成我国船舶专业化体系是十分必要的。

2船舶虚拟装配系统功能需求及技术架构

2.1 功能需求

2.1.1 数据转换

为了确保仿真数据的真实性，仿真数据都来源于开发常用的船舶设计系统，如TRIBON、CADDS、SPD及SB3DS与虚拟仿真接口。

2.1.2 交互式装配仿真

船舶虚拟装配软件中的交互式装配要求能够通过鼠标键盘或者数据手套配合位置跟踪器，控制虚拟环境中的虚拟手完成抓取、移动、约束识别和确认、释放等装配过程。支持单个零件、多个零件或一个组件的装配操作。

2.1.3 自动装配仿真

船舶虚拟装配软件中的自动装配要求能够按照选择的装配体节点自动生成其装配顺序，装配过程中如果顺序不合理，可以通过手动调整装配顺序，直至装配能够正确完成。能够显示零部件的属性，并且可以对属性值进行修改。

2.1.4 装配路径记录及编辑

船舶装配过程中存在由于装配路径不合理而出现零部件在装配过程中发生碰撞的问题，要求船

舶虚拟装配软件能够对装配路径进行记录和修改。本软件支持两种方式的装配路径记录：记录多个路径关键点，选择插值方式生成路径；按帧/时间记录操作路径的所有关键点，将关键点连接成路径。装配路径对应每一个操作序列，即每一个操作序列包含一个装配路径。对于第一种模式，通过在对象移动过程中多次点击关键点记录产生路径关键点；对于第二种模式，需要设置关键点之间的帧间隔和距离产生关键点。可以通过表格显示指定对象的装配路径编辑，支持通过该表格实现关键点的新建、删除、单独对关键点时间变更。

2.1.5 托盘自动划分

船舶生产设计中，托盘的管理是设计人员通过手工方式来确定的，这样需要花费很多的时间，由于零部件较多，出错的频率就很大，增加了建造成本。要求船舶虚拟装配软件能通过交互方式，按区域/阶段/专业对舾装的快速划分，实现托盘的自动划分，并具备生成管子、设备、阀门等各类管理表的功能。

2.2 技术架构

船舶虚拟装配软件分为在应用层次上可以分为两大功能模块，船舶建造过程自动生成及仿真模块（SAA）、交互式装配操作模块（IVA）。SAA提供船体、大型总段、分段等的装配建造过程自动生成及快速仿真。IVA模块提供交互式装配功能，对船体、大型总段等的建造工艺进行规划；系统框架及功能如图1所示。

图1  船舶虚拟装配系统软件技术框架及功能要求

3  船舶虚拟装配系统关键技术

3.1 托盘自动划分技术

按区域/阶段/类型，通过交互自动完成托盘划分，与生产设计电气模块实现无缝结合，自动生成各类托盘的明细表。

3.2 动态碰撞检测技术

对船舶系统来讲，碰撞检测分两类：系统/专业内部的碰撞检测；专业之间的碰撞检测，由于专人负责同一系统/专业的生产设计，系统内部的几何干涉较少，但需要精确的碰撞检测算法。基于精确面片的包围盒层次树算法^[1]完全能够满足专业之间模型的碰撞检测。

3.3 装配树管理技术

装配树能够支持各种类型的重构：按整船/区域/专业/系统；整船/总段/分段/小分段/单元等。船舶虚拟装配系统软件装配树按照后者构建的，采用的控件能够满足在结构树面板上交互式地修改层次结构，支持对同层次节点的顺序进行修改并保存。

4  工程应用

船舶虚拟装配系统软件主要用于船舶建造各个阶段的装配仿真，包括单元制作、小分段制作、小组立、中组立、大组立、总段合拢和船坞搭载等，检验各个阶段对象的可装配性以及部分工艺的可行性。根据建造工艺方案，建立相关的模型，对建造过程中的重要装配工艺和重要设备的可拆卸性进行虚拟实验验证、仿真、评估和优化。

图2为包含了各类舾装^[2]的某整船模型在交互式虚拟环境的装配仿真，该环境下能够对装配模型记录并显示其运动轨迹、对轨迹点编辑等。                                 

图2  某船在交互式虚拟装配环境

图3为某总段在自动装配环境下的装配仿真，图4为图3总段中的某一分段的在动画仿真^[3]环境下。                        

  图3  某总段在自动装配环境                                                                               图4  某分段在自动装配动画生成环境

5  结论

船舶虚拟装配系统为缩短船舶总装建造周期、提升建造质量和效率提供了一种十分有效益的方法和手段，船舶虚拟仿真系统利用虚拟仿真技术展示船舶的建造过程给船东，对船体建造、舾装过程进行仿真、验证建造的合理性，优化建造过程，船舶虚拟装配系统的开发可以减少设计的差错，降低建造的成本。