船舶吊裝工藝虛擬仿真實驗設計

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摘要：為使學生更好地理解船舶分段吊裝工藝，設計了船舶分段吊裝工藝虛擬仿真實驗?；谠搶嶒灒瑢W生可自主學習船舶分段吊裝工藝知識，進行船舶分段吊裝工藝設計，并通過執(zhí)行靜力學仿真、運動學仿真及結(jié)構(gòu)強度仿真校驗對工藝設計方案進行改進完善。該虛擬仿真實驗激發(fā)了學生進行主動思考的積極性，對于學生進行知識實踐、知識擴展以及創(chuàng)新能力提升具有積極作用。

關鍵詞：船舶分段；吊裝工藝；虛擬仿真

船舶分段吊裝工藝設計是以安全性、經(jīng)濟性、工藝適用性為目標，綜合考慮船舶分段參數(shù)、起重設備參數(shù)、作業(yè)工藝要求等要素的復雜設計問題，該問題的建模和求解具有鮮明的組合優(yōu)化和多目標優(yōu)化特征，且決策空間大、對象復雜、約束條件多[1-4]。船舶分段吊裝工藝是船舶與海洋工程專業(yè)“船舶建造工藝學”“現(xiàn)代造船技術(shù)”等主干課程的重要內(nèi)容。長期以來，課程教學中由于缺少有效的交互式學習和實驗驗證手段，導致學生對該項工藝的知識要點理解起來比較困難。針對這一問題，設計了船舶分段吊裝工藝虛擬仿真實驗，使學生能更直觀地了解認識船體分段吊裝工藝，并更深入理解掌握船體分段吊裝工藝設計要點，實現(xiàn)學生自主開展工藝設計、自主獲取工藝知識。

1虛擬仿真實驗設計

基于虛擬仿真實驗，學生可自主進行船舶分段吊裝工藝設計，包括三維吊裝對象查看、設計要素測算、吊點空間布放、工裝部件選型等內(nèi)容?；谧灾髟O計的工藝方案，學生可執(zhí)行靜力學仿真、運動學仿真及結(jié)構(gòu)強度仿真校驗；根據(jù)仿真校驗結(jié)果，學生可對設計方案進一步優(yōu)化完善，達到由學生自主控制實驗、自主分析實驗、自主獲得知識的目的。該實驗設置了任務書下達、吊裝工藝設計、交互式工藝仿真、設計方案評定4個功能模塊，各模塊具體功能如圖1所示。

2實驗平臺開發(fā)

船舶分段吊裝工藝虛擬仿真實驗平臺基于跨平臺的三維圖形引擎Unity3D進行程序開發(fā)。前端三維分段模型以STEP或DXF文件格式導入并通過圖形程序自動執(zhí)行簡化和渲染，其他三維模型基于MAYA和3DMAX軟件制作；數(shù)據(jù)庫接口通過MySql進行創(chuàng)建。平臺整體程序架構(gòu)如圖2所示。

3實驗步驟

3.1知識點學習

開始實驗之前，學生可基于虛擬仿真實驗進行船舶分段吊裝工藝知識點學習，知識點由吊裝基本概念、吊裝力學基礎、吊裝設計流程組成。其中吊裝力矩與力偶、吊裝力系平衡、吊裝強度與穩(wěn)定性等概念性內(nèi)容，學生可通過三維靜、動態(tài)模型進行輔助學習，便于學生準確掌握設計所需基礎知識。此外，該實驗設置了答題環(huán)節(jié)，可對學生知識點掌握情況進行評定。知識點學習界面如圖3所示。

3.2任務查看

該實驗集成了多年科研積累的船舶分段吊裝工藝設計案例，形成了數(shù)據(jù)庫[5-7]。綜合考慮船舶分段形式及結(jié)構(gòu)特點、作業(yè)工藝具體要求，設計任務被劃分為簡單、中等、困難3個難度等級。學生可自由選擇難度等級，對應等級的設計任務通過實驗平臺隨機下達。每個設計任務由船舶分段信息、吊車設備信息、作業(yè)工藝信息組成，具體包含：①目標船舶分段結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量及重心數(shù)據(jù)；②目標起重設備類型、總起重能力、鉤頭數(shù)量、各鉤頭起重能力、鉤頭最大起重差等數(shù)據(jù)；③船體分段基面朝向、船體分段擺放與起重設備相對方向、是否為翻身作業(yè)、翻身方向、翻身角度等數(shù)據(jù)。以上設計信息均可配合三維模型進行虛擬展示，便于學生準確理解設計任務。設計任務查看界面如圖4所示。

3.3工藝設計

基于三維虛擬仿真模型，學生可進行工藝總體設計、工藝詳細設計、靜力學分析校驗等設計工作。（1）工藝總體設計。根據(jù)目標任務要求，學生運用船舶分段吊裝工藝知識，進行吊點數(shù)量及布置區(qū)域初步確定。（2）工藝詳細設計。根據(jù)目標任務中船舶分段結(jié)構(gòu)特點，由學生確定各吊點位置坐標（支持特征點交互式點選及坐標值精確輸入2種模式）；根據(jù)各吊點位置局部結(jié)構(gòu)特點，由學生確定各吊點位置處吊環(huán)、卸扣等工裝類型，程序可同步調(diào)用部件庫完成工藝工裝三維快速建模；對于強度不足的吊點位置，由學生進行必要的臨時加強設計，程序可同步調(diào)用部件庫完成臨時加強三維快速建模。吊裝工藝詳細設計界面如圖5所示。（3）靜力學分析校驗。學生運用吊裝力矩與力偶、吊裝力系平衡相關知識，進行各吊鉤、各吊點受力計算，確定是否滿足工藝設計要求；學生可根據(jù)分析校驗結(jié)果，返回來對設計方案進行修改完善；實驗后臺集成靜力學分析校驗求解器，以用于驗證學生提交計算結(jié)果正確性，并作為該任務考核評分依據(jù)。

3.4仿真分析校驗

根據(jù)步驟3.3提出的工藝設計方案，學生可直接查看運動學及結(jié)構(gòu)強度仿真結(jié)果，并基于結(jié)果進行方案分析評定，為設計方案進一步優(yōu)化提供思路。（1）運動學仿真分析校驗?；谇捌诳蒲谐晒胺侄蔚跹b工藝多體運動學模型，開發(fā)了該實驗運動學仿真物理引擎，實現(xiàn)“桁車—平衡梁—吊纜—吊環(huán)—分段”這一多體系統(tǒng)復雜關聯(lián)運動的三維動態(tài)仿真演示。在此基礎上，該仿真過程同步集成了對主對象碰撞、干涉的實時檢測功能及各吊點受力的實時計算功能，為方案的仿真校驗提供依據(jù)。運動學仿真分析校驗界面如圖6所示。（2）結(jié)構(gòu)強度仿真分析校驗?；谇捌诳蒲谐晒_發(fā)了用于該實驗典型吊裝工藝結(jié)構(gòu)強度校核的有限元求解器[8-9]，實現(xiàn)對典型吊裝工藝吊點附近區(qū)域、吊環(huán)及船體結(jié)構(gòu)強度指標的快速有限元分析。

3.5實驗評價

學生完成設計任務后可申請進行實驗評價?；谠搶嶒炂脚_，任課教師可結(jié)合設計方案的安全性、工藝性及經(jīng)濟性等方面進行綜合評定，并就其中出現(xiàn)的設計問題進行在線反饋。

4結(jié)語

船舶分段吊裝工藝虛擬仿真實驗能夠?qū)崿F(xiàn)學生自主進行船舶分段吊裝工藝設計，包括三維吊裝對象查看、設計要素測算、吊點空間布放、工裝部件選型等內(nèi)容?；趯W生自主設計的工藝方案，實驗可執(zhí)行靜力學仿真、運動學仿真及結(jié)構(gòu)強度仿真校驗；根據(jù)仿真校驗結(jié)果，學生可對設計方案進一步優(yōu)化完善。該虛擬仿真實驗有助于加深學生對船舶分段吊裝工藝的認識，激發(fā)了學生進行主動思考的積極性，對于學生進行知識實踐和知識擴展以及創(chuàng)新能力提升具有積極作用。

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作者：劉曉 李瑞 張維平 單位：大連理工大學