基于数字样机的舰船维修性设计分析技术

方强，王松山，祝泓，张平

1中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064 2军械工程学院，河北石家庄050003



基于数字样机的舰船维修性设计分析技术

方强1，王松山2，祝泓1，张平1

1中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064 2军械工程学院，河北石家庄050003

摘要：针对传统维修性分析技术的准确性与直观性问题，结合舰船维修性设计的实际需求，基于虚拟样机建模、虚拟人建模与仿真、参数化维修动作建模与仿真、基于维修问题的维修性分析等关键技术，以包含界面层、应用层、对象层、技术支持层的系统框架为指导，在商业软件Jack 7.0的基础上，通过二次开发设计实现基于数字样机的舰船维修性设计分析系统。同时，以舱室内某型水质后处理设备更换滤芯维修任务为例，开展维修性设计分析、评价和改进，从技术上验证了该系统的可行性与有效性。

关键词：舰船；维修性；数字样机；设计；分析

0　引　言

舰船系统结构复杂，设备众多，维修的费用在寿命周期费用中占有较大的比例，而且其对战备完好性也具有重要影响，因此，舰船的维修性越来越受到重视，军方已明确提出，应在舰船设计的早期阶段同步开展维修性设计与分析［1］。

传统的维修性分析技术主要是通过分析设计图纸来对设计准则进行符合性检查，或者在实物样机上进行维修演示验证。由于舰船一般不建造样机，因此多数分析是利用图纸进行。在图纸上进行诸如设备（部件）的可达性、拆卸的便利性和维修空间等的分析，很难保证分析的准确性、直观性以及结果的可信性。尤其是舰船系统复杂巨大，要在图纸上全面、系统地分析可达性、维修安全性和人因工程等维修性特性，无论是对专业设计人员还是维修性设计人员来说，都有一定的难度，造成许多分析工作的内容得不到落实，而且分析结果也无法及时反馈到设计中［2］，从而影响舰船的维修性设计水平。为确保将良好的维修性特性落实到舰船设计中，必须解决维修性（如可达性、拆卸便利性、维修空间等）分析过程的直观性、分析时机的及时性以及分析结果的可信性等问题。

虚拟维修技术是解决该问题的有效途径［3-4］。通过仿真，维修人员可以在数字样机上完成维修操作，而基于仿真来进行维修性分析能够克服定性分析方法的不足，及时发现维修性设计问题，然后通过采取适当的纠正措施便可实现与舰船的同步设计和制造。本文将从原理、系统结构与关键技术及实例应用等方面对基于数字样机的舰船维修性分析技术进行系统的阐述。

1　基本原理

基于数字样机的舰船维修性设计分析是指以舰船CAD设计数据为基础，通过构建包括舰船、设备、维修工具、维修人员在内的虚拟维修仿真环境，并按预定的维修方案仿真维修过程，通过检测工具获得关于“虚拟维修人员—设备—工具”相互作用的数据。以维修性知识和经验为基础，对维修性设计进行分析，发现存在的维修问题，评价舰船的维修性水平，并提出改进的建议。其基本原理如图1所示。

图1基于数字样机的维修性分析评价原理Fig.1　 Principle of maintainability analysis and evaluation based on digital prototyping

通常，是在产品的不同层次来分析、定位和描述维修性问题，故采用分层模型来描述维修作业过程，以便建立维修仿真过程模型，并支持维修性分析。根据维修的可分解特点，将维修事件分解成维修作业、基本维修作业和动作单元3个层次。在动作单元层，能够支持参数化维修动作与数字样机维修特征的交互，完成基本维修作业的仿真。构建的虚拟维修仿真过程模型如图2所示。

在如图2所示的维修过程分解的基础上，通过仿真分析“虚拟维修人员—设备—工具”的相互作用对维修的影响，构建与产品层次结构之间的维修问题关联关系，并采用层次分析法进行综合评价，给出纠正措施建议。维修性分析评价原理如图3所示。

图2虚拟维修仿真过程模型Fig.2 Model of virtual maintenance simulation process

图3维修性分析与评价原理Fig.3　 Principle of maintainability design and analysis

2　系统总体结构

基于数字样机的舰船维修性设计分析系统采用层次框架结构（图4）［2，5］，包括：定义用户与系统接口的界面层；支撑系统建模、仿真与分析等核心功能的应用层；提供系统运行虚拟样机、维修过程模型等的对象层；提供系统运行软、硬件基础环境的技术支持层。

图4系统结构框架Fig.4 Framework of system structure

以本框架为指导，在商业软件Jack 7.0的基础上，通过二次开发，设计实现了一个基于数字样机的舰船维修性设计分析系统，系统的功能结构如图5所示。其中：项目分析管理主要对维修性分析任务、仿真数据、分析数据进行组织管理。虚拟人建模实现典型百分位数中国人和着服特定虚拟人建模。虚拟维修样机建模主要对产品的CAD数据进行转换处理、装配关系重构和维修特征定义。虚拟维修仿真利用参数化维修动作建模技术实现“虚拟维修人员—设备—工具”的交互过程仿真，进行虚拟场景状态控制和仿真过程数据记录。维修性分析评价主要通过维修过程仿真，进行可达性、活动空间、维修人员受力、维修安全等方面的核查与检测分析，评估所发现的维修问题；统计分析维修作业的相关信息，并对维修作业时间进行估算，得出完成维修任务的总时间；最后，综合定性定量分析结果评价维修任务完成的难易程度。系统帮助维护则主要对维修工具设备、人体模型、维修知识等基础数据进行管理维护，提供系统的使用帮助。

图5系统功能结构Fig.5　 System function structure

3　关键技术

3.1虚拟维修样机技术

由于舰船结构巨大、复杂，故构建其虚拟样机的工作也比较困难。本文总结了以CAD设计数据为基础，建立舰船虚拟维修样机的一般方法。首先，对舰船三维模型进行轻量化处理。基本方法是根据虚拟维修实际需要，利用CAD软件对舰船的装配结构进行重构，以舱室为对象提取有关组件，包括舱室结构、需要维修的设备以及其他相关联的设备。对于需要维修拆卸的零部件，可能还需要视情进行重建。然后，通过格式转换和数据简化导入虚拟维修环境，建立初样机。最后，在初样机上定义交互特征［6］，以支持人机交互仿真。根据维修工作分析，确定维修的过程与技术特点，建立样机约束关系模型。虚拟维修人员、虚拟维修样机和工具等组成了一个特定维修任务的虚拟仿真场景。建模过程如图6所示［7］。

3.2虚拟人建模与仿真技术

图6虚拟维修样机建模过程Fig.6 Modeling process of virtual maintenance prototyping

虚拟人建模与仿真有着较为成熟可用的技术。但是，为了逼真地模拟维修过程仿真中虚拟人的动作，对虚拟人模型和仿真控制都有较高的要求，人体关节、测量尺寸与外貌都要尽可能接近真人。基于骨骼驱动的网格化虚拟人模型是一种较好的技术方法。本文以Jack7.0为例，首先创建一个由71个骨骼片段、69个关节，共135个自由度的人体骨骼拓扑结构（图7（左））；然后，利用三维建模软件，如3D MAX创建虚拟人的外表，即骨骼蒙皮，外形以某海军战士为模特，人体尺寸参照《中国成年人人体尺寸》（GB 1000-88）中的90百分位数据［8］；最后，将蒙皮与人体骨架模型进行绑定，使蒙皮能够被骨架模型驱动，支持人体关节运动。在绑定过程中，需要调整设定关节活动与蒙皮表面变形的权重系数，在关节运动时，实现周围皮肤自然、逼真的变形效果。建好的虚拟维修战士模型如图7所示。

图7虚拟维修战士模型Fig.7 Virtual model of a maintenance soldier

3.3参数化维修动作建模与仿真技术

3.3.1维修过程分解与分类

舰船装备的维修过程一般是按照“步骤—子步骤”的结构来描述，但它并不能完全包含关于维修人员操作、工具使用和零部件运动等的所有信息。维修人员往往是根据现场实际情况，通过结合自身经验以及对维修步骤的理解来完成具体的操作。因此，这种描述不能满足虚拟维修仿真要求，需要对维修过程予以进一步的分解，不仅要求在最低层需具有明确的维修动作语义，而且还要便于分类建立通用的维修动作模型［9］。为此，在现有维修分解方法的基础上，定义维修作业单元，该作业单元既指基本维修作业，又包括人的操作、移动和姿势调整等动素。维修作业单元具有一定的维修语义，即若干维修作业单元的组合可以描述一个完整的维修事件。为便于建立参数化动作函数，又定义了维修动素，它是构成维修动作的一个基本动作单位。由此，建立维修过程模型，包括维修事件、维修作业、维修作业单元和维修动素4个层次。图8［10］所示为某变速箱舰员级维修更换齿轮的分解层次结构。

根据维修特点，对维修动作进行抽象和分类，共归纳为10类维修动素。以常见的手部抓取动作为例，介绍参数化动作函数的设计方法。用手抓取一般符合以下过程：观察作用物—调整手形—手伸向目的物—手与目的物精确定位—抓握。

手抓取的函数为hand_get（lhuman，goal，handshape，get_duration，jfrom，duration，poweight，type，start）。

其中：

goal指目标物上的抓握点，此参数确定了手与目标物精确定位的位置和方向。

handshape为抓握时手的基本形态，也是grasp动素的预手形，根据作用物的类型，可以将常用的hand_get手形分为5大类21种，形成一个应用手型库。

get_duration指动作完成后终端效应器与目标点距离的控制值，默认为0。

jfrom指运动的起算关节，即采用逆向算法计算各关节运动量时从该关节开始计算，其决定了动作涉及到的人体关节范围，一般取值为肩“shoulder”或腰“waist”。

duration为动作持续的时间。

poweight指位置与方向之间的权值，0为方向定位，1为位置定位，默认为0.5，即同时考虑方向与位置的定位。

type指左、右手臂的选择，默认为右手的抓取动作。

3.3.2参数化维修动作建模

采用面向对象技术将上述维修动素参数化，建立维修动作参数化模型，并在Jack 7.0环境下设计开发维修动作函数库。用户根据输入的维修过程描述，建立维修步骤，调用维修动作函数，编辑实现维修过程仿真。动作库界面如图9所示。

图8某变速箱维修过程分解Fig.8 Break down of gear-box maintenance process

图9参数化维修动作函数库Fig.9 Parameterization function library for maintenance action

3.4维修性分析评价技术

基于仿真的维修性分析采用维修问题分析法。即通过分析产品维修时可能发生的各种维修问题及其对维修的影响，并将维修问题对维修任务的影响程度进行评估，提出对应的补救措施来提高产品维修性。通过维修问题分析，将系统各个层次上的维修问题进行确认，从维修难度、维修时间和维修费用等方面进行综合评价［11］。

基于仿真的维修性分析评价的基本思路是：首先，在维修过程分解结构和产品层次结构的基础上，针对维修动作层仿真检测到的维修问题进行描述与确认，分析对维修的影响程度，提出补救措施；然后，在维修作业层对发现的维修问题进行综合分析，并考虑维修作业的其他影响因素，对维修难度进行评价，包括作业工具、紧固类型、作业时间等；最后，在维修事件层，利用底层包含的维修作业分析结果，输入到综合评价模型，以评价整个维修事件的维修性水平。基本的思路如图10所示。

该方法的特点是自底向上逐层在子系统、系统、整机上做出维修性评价，而问题的描述则与具体的结构、具体的维修、乃至细微的操作直接关联。这样既可以从宏观上给出评价，判定是否满足设计要求，又可以准确定位与描述存在的问题，便于设计人员理解和分析原因，进行设计改进。

图10基于数字样机的维修性分析与评价思路Fig.10　 The idea of maintainability analysis and evaluation based on digital prototyping

4　实例分析

本文以某型水质后处理设备更换滤芯为例，创建了维修环境和维修任务，通过虚拟人在虚拟舱室环境下的维修仿真任务的动作定义，对设备滤芯更换过程进行了仿真。结合维修作业时间标准和过程仿真，估算了任务的拆装时间，对可达性、可视性、姿势舒适度等进行了分析，对维修难度进行了综合评价。其中，维修时间估算界面如图11所示，舒适度分析界面如图12所示。

图11维修时间估算界面Fig.11　 Interface of maintenance time estimation

图12工作姿势分析界面Fig.12　 Interface of working posture analysis

通过仿真分析发现，在目前的舱室环境中，虚拟人能够完成滤芯更换过程，但因为设备横梁较高，手的姿势稍显不舒适，维修空间略显狭小。为了改善该设备的维修性，对设备产品设计和布置进行了调整，将设备的横梁降低了300 mm，维修通道宽度增加了100 mm，调整后，对维修任务再次进行仿真，发现人体手部关节的不适得到了明显的改善，舒适度指标也相应提高。

5　结　语

本文以虚拟现实技术为基础，对基于数字样机的舰船维修性分析评价系统及其关键技术进行了讨论，应用该系统，对某型水质后处理设备进行了维修性设计分析，初步验证了系统技术的可行性和有效性。但目前的分析主要针对的还是可达性、可视性与人素等方面，未来还需要对舰船维修性设计准则、评估指标等进行深入研究，对基于维修问题的维修性综合评价模型进行验证与修改完善，对维修时间的估算模型与验证方法进行深入研究，以便进一步提高系统分析的能力和分析评价结果的可信度。

参考文献：

［1］甘茂治.维修性设计与验证［M］.北京：国防工业出版社，1995.

［2］郝建平.虚拟维修仿真理论与技术［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［3］BADLER N，ERIGNAC C，BINDIGANAVALE R，et al. Technology for maintenance procedure validation：ADA 395888［R］.［S.l.：s.n.］，2001.

［4］BADLER N I，ERIGNAC C A，LIU Y. Virtual humans for validating maintenance procedures［J］. Communica⁃tions of the ACM，2002，45（7）：57-63.

［5］郝建平，蒋科艺，王松山，等.基于虚拟维修仿真的维修性分析技术研究及系统实现［J］.数字制造科学，2004，2（3）：1-55. HAO Jianping，JIANG Keyi，WANG Songshan，et al. Virtual maintenance simulation based maintainability analysis and system implementation［J］. Digital Manu⁃facture Science，2004，2（3）：1-55.

［6］KALLMANN M. Object interaction in real-time virtual environments［D］. Zurich：Swiss Federal Institute of Technology，2001.

［7］王松山，郝建平.虚拟维修样机系统及建模技术［J］.系统仿真学报，2005，17（5）：1132-1136. WANG Songshan，HAO Jianping. System of virtual maintenance prototype and modeling technology［J］. Journal of System Simulation，2005，17（5）：1132-1136.

［8］孙林岩，崔凯，孙林辉.人因工程［M］.北京：科学出版社，2001.

［9］KIM Y. Methods for assembly hierarchy reorganization of CAD models for assembly［D］. Washington：Wash⁃ington State University，2002.

［10］李星新，郝建平，柳辉.虚拟维修仿真中维修动素的设计与实现［J］.中国机械工程，2005，16（2）：156-160. LI Xingxin，HAO Jianping，LIU Hui. Design and real⁃ ization of maintenance therblig model in virtual main⁃tenance simulation［J］. China Mechanical Engineer⁃ing，2005，16（2）：156-160.

［11］高明君，郝建平.一种新的维修性分析方法——维修障碍分析法［J］.军械工程学院学报，2005，17 （4）：27-29，46. GAO Mingjun，HAO Jianping. A New maintainability analysis method—maintenance trouble analysis［J］. Journal of Ordnance Engineering College，2005，17 （4）：27-29，46.

Ship maintainability design analysis technology based on digital prototyping

FANG Qiang1，WANG Songshan2，ZHU Hong1，ZHANG Ping1

1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China 2 Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China

Abstract：Aiming at the actual requirement of ship maintainability design and the shortcoming of veracity and intuition of traditional maintainability analysis techniques, a ship maintainability design analysis sys⁃tem is proposed in this paper based on digital prototyping through secondary development on Jack. The de⁃velopment is accomplished under instruction of the system structure, which includes interface layer, appli⁃cation layer, object layer, and technical support layer, and through the key technology of virtual prototyping modeling, virtual human modeling and simulation, parameterization maintenance operation modeling and simulation, the maintainability analysis based actual maintenance troubles is conducted. Finally, a certain maintenance task of replacing the filter element of one type of water quality after-treatment equipment in cabins is selected, where the maintainability design analysis is performed, and the feasibility and effective⁃ness of the system are verified.

Key words：ship；maintainability；digital prototyping；design；analysis

作者简介：方强，男，1978年生，博士，高级工程师。研究方向：舰船综合保障工程理论与应用。E-mail：blacktwo78@163.com王松山（通信作者），男，1976年生，博士，讲师。研究方向：维修性理论与应用，虚拟维修。E-mail：Roger_ssw@163.com

收稿日期：2015 - 06 - 29网络出版时间：2016-1-19 14:55

中图分类号：U672.7

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.01.015

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160119.1455.032.html期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：方强，王松山，祝泓，等.基于数字样机的舰船维修性设计分析技术［J］.中国舰船研究，2016，11（1）：114-120. FANG Qiang，WANG Songshan，ZHU Hong，et al. Ship maintainability design analysis technology based on digital prototyping［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（1）：114-120.