船舶分段吊装工艺虚拟仿真实验设计

刘 晓，李 瑞，张维平

（1. 大连理工大学 船舶工程学院，辽宁 大连 116024；2. 大连理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116024）

船舶分段吊装工艺设计是以安全性、经济性、工艺适用性为目标，综合考虑船舶分段参数、起重设备参数、作业工艺要求等要素的复杂设计问题，该问题的建模和求解具有鲜明的组合优化和多目标优化特征，且决策空间大、对象复杂、约束条件多[1-4]。船舶分段吊装工艺是船舶与海洋工程专业“船舶建造工艺学”“现代造船技术”等主干课程的重要内容。

长期以来，课程教学中由于缺少有效的交互式学习和实验验证手段，导致学生对该项工艺的知识要点理解起来比较困难。针对这一问题，设计了船舶分段吊装工艺虚拟仿真实验，使学生能更直观地了解认识船体分段吊装工艺，并更深入理解掌握船体分段吊装工艺设计要点，实现学生自主开展工艺设计、自主获取工艺知识。

1 虚拟仿真实验设计

基于虚拟仿真实验，学生可自主进行船舶分段吊装工艺设计，包括三维吊装对象查看、设计要素测算、吊点空间布放、工装部件选型等内容。基于自主设计的工艺方案，学生可执行静力学仿真、运动学仿真及结构强度仿真校验；根据仿真校验结果，学生可对设计方案进一步优化完善，达到由学生自主控制实验、自主分析实验、自主获得知识的目的。

该实验设置了任务书下达、吊装工艺设计、交互式工艺仿真、设计方案评定4 个功能模块，各模块具体功能如图1 所示。

图1 实验方案及功能模块设计

2 实验平台开发

船舶分段吊装工艺虚拟仿真实验平台基于跨平台的三维图形引擎Unity3D 进行程序开发。前端三维分段模型以STEP 或DXF 文件格式导入并通过图形程序自动执行简化和渲染，其他三维模型基于 MAYA 和3D MAX 软件制作；数据库接口通过MySql 进行创建。平台整体程序架构如图2 所示。

图2 船舶分段吊装工艺虚拟仿真实验平台程序架构

3 实验步骤

3.1 知识点学习

开始实验之前，学生可基于虚拟仿真实验进行船舶分段吊装工艺知识点学习，知识点由吊装基本概念、吊装力学基础、吊装设计流程组成。其中吊装力矩与力偶、吊装力系平衡、吊装强度与稳定性等概念性内容，学生可通过三维静、动态模型进行辅助学习，便于学生准确掌握设计所需基础知识。此外，该实验设置了答题环节，可对学生知识点掌握情况进行评定。知识点学习界面如图3 所示。

图3 知识点学习界面

3.2 任务查看

该实验集成了多年科研积累的船舶分段吊装工艺设计案例，形成了数据库[5-7]。综合考虑船舶分段形式及结构特点、作业工艺具体要求，设计任务被划分为简单、中等、困难3 个难度等级。学生可自由选择难度等级，对应等级的设计任务通过实验平台随机下达。

每个设计任务由船舶分段信息、吊车设备信息、作业工艺信息组成，具体包含：①目标船舶分段结构形式、结构尺寸、质量及重心数据；②目标起重设备类型、总起重能力、钩头数量、各钩头起重能力、钩头最大起重差等数据；③船体分段基面朝向、船体分段摆放与起重设备相对方向、是否为翻身作业、翻身方向、翻身角度等数据。以上设计信息均可配合三维模型进行虚拟展示，便于学生准确理解设计任务。设计任务查看界面如图4 所示。

图4 设计任务查看界面

3.3 工艺设计

基于三维虚拟仿真模型，学生可进行工艺总体设计、工艺详细设计、静力学分析校验等设计工作。

（1）工艺总体设计。根据目标任务要求，学生运用船舶分段吊装工艺知识，进行吊点数量及布置区域初步确定。

（2）工艺详细设计。根据目标任务中船舶分段结构特点，由学生确定各吊点位置坐标（支持特征点交互式点选及坐标值精确输入2 种模式）；根据各吊点位置局部结构特点，由学生确定各吊点位置处吊环、卸扣等工装类型，程序可同步调用部件库完成工艺工装三维快速建模；对于强度不足的吊点位置，由学生进行必要的临时加强设计，程序可同步调用部件库完成临时加强三维快速建模。吊装工艺详细设计界面如图5 所示。

图5 吊装工艺详细设计界面

（3）静力学分析校验。学生运用吊装力矩与力偶、吊装力系平衡相关知识，进行各吊钩、各吊点受力计算，确定是否满足工艺设计要求；学生可根据分析校验结果，返回来对设计方案进行修改完善；实验后台集成静力学分析校验求解器，以用于验证学生提交计算结果正确性，并作为该任务考核评分依据。

3.4 仿真分析校验

根据步骤 3.3 提出的工艺设计方案，学生可直接查看运动学及结构强度仿真结果，并基于结果进行方案分析评定，为设计方案进一步优化提供思路。

（1）运动学仿真分析校验。基于前期科研成果——船舶分段吊装工艺多体运动学模型，开发了该实验运动学仿真物理引擎，实现“桁车—平衡梁—吊缆—吊环—分段”这一多体系统复杂关联运动的三维动态仿真演示。在此基础上，该仿真过程同步集成了对主对象碰撞、干涉的实时检测功能及各吊点受力的实时计算功能，为方案的仿真校验提供依据。运动学仿真分析校验界面如图6 所示。

（2）结构强度仿真分析校验。基于前期科研成果，开发了用于该实验典型吊装工艺结构强度校核的有限元求解器[8-9]，实现对典型吊装工艺吊点附近区域、吊环及船体结构强度指标的快速有限元分析。

图6 运动学仿真分析校验界面

3.5 实验评价

学生完成设计任务后可申请进行实验评价。基于该实验平台，任课教师可结合设计方案的安全性、工艺性及经济性等方面进行综合评定，并就其中出现的设计问题进行在线反馈。

4 结语

船舶分段吊装工艺虚拟仿真实验能够实现学生自主进行船舶分段吊装工艺设计，包括三维吊装对象查看、设计要素测算、吊点空间布放、工装部件选型等内容。基于学生自主设计的工艺方案，实验可执行静力学仿真、运动学仿真及结构强度仿真校验；根据仿真校验结果，学生可对设计方案进一步优化完善。该虚拟仿真实验有助于加深学生对船舶分段吊装工艺的认识，激发了学生进行主动思考的积极性，对于学生进行知识实践和知识扩展以及创新能力提升具有积极作用。