絞吸挖泥船疏浚系統三維設計研究

于國躍

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

絞吸挖泥船具有可連續作業、適用土質范圍廣等優點，是應用最廣泛的疏浚船型之一。其設計階段大致分為：方案設計、詳細設計和生產設計三個階段。船舶的方案設計和詳細設計階段一般委托給船舶設計單位進行，設計的資料經船級社和船東審查認可后，再發送到船廠，由船廠進行生產設計，指導船舶建造［1-2］。

現今國內主流船舶設計院所進行方案設計和詳細設計仍以二維AutoCAD繪圖為主。三維設計只是作為輔助工具，多用于對主要受力部件的結構分析和校核。在設計過程中，二維圖紙不夠直觀、不易理解，無法簡易判斷出設備內外的干涉問題，不便于項目設計人員間相互協作［3］。并且，由于設計方案常出現反復修改的情況，因此圖紙修改工作量較大。面對這些問題，傳統的二維AutoCAD已無法提供更為有效的解決方法，并逐漸成為船舶設計能力進一步提升的瓶頸。鑒于船廠現多已通過三維手段進行生產設計，而設計院只能提供二維圖紙，船廠要根據圖紙再建立三維模型，使得設計院與船廠間設計銜接不暢，也在一定程度上影響了船舶建造周期。針對上述情況，三維設計可給予有效的解決方案，因此越來越多的設計院都在探索三維軟件在船舶設計過程中的應用效果。本文以某大型絞吸挖泥船為例，綜合考慮挖泥船疏浚系統專業設備多的特點，選用三維軟件PROE進行挖泥船疏浚系統的三維設計研究。此船疏浚系統建模工作已全部完成。

PROE是一個基于特征的參數化建模工具。它包含多個具有全相關性的功能模塊，同享單一數據庫。模塊之間可以自由切換，能夠滿足建模、裝配、分析、出工程圖、運動仿真和有限元分析等不同階段的設計需求［4-6］。

1 建立模型

任何復雜零件皆由一系列簡單特征經過相互之間疊加、切割或相交組合而成，PROE的建模過程就是零件特征相互之間疊加、切割或相交的操作過程［4］。要完成疏浚系統的三維設計，需要在PROE“零件”模塊中逐步建立所有設備的零件模型，然后在“組件”模塊中把零件虛擬裝配起來，組成設備模型。大型絞吸挖泥船疏浚系統功能復雜、設備種類多，初次建模工作量大，主要包括絞刀架、龍門架、泥泵、吸排泥管、裝駁裝置、起重設備、鋼樁臺車等設備系統。全船疏浚系統建模工作已經完成，其中以絞刀架模型最為復雜。

1.1 零件建模

進入PROE“零件”模塊，通過拉伸、旋轉、掃描、混合、可變剖面掃描等特征命令，輔以基準點、線、面等基準特征，先建立零件基本特征，再創建其他構造特征，逐步完成模型。建好的模型統一保存到指定零件庫中，方便后續裝配和布置調用。由于已建立模型較多，本文僅列舉部分示例，如圖1、圖2所示。

1.2 零件裝配

圖1 絞刀架本體

圖2 擺動鉸點架

完成設備零件模型之后，需要把零件虛擬裝配成設備。應用PROE“組件”模塊，導入零件庫中保存的零件模型，按照零件約束條件，把導入的零件定位。設備各零件之間通過關聯條件建立約束關系，以確定零件在裝配時的位置；零件與組件之間的關聯性可確保某個零件被修改時，引用它的組件會自動更新。這是PROE的參數化體現，可以大大減少設計過程中設計修改的工作量。通過模擬裝配可以檢查各個零件之間的相對位置，便于盡早發現設計中的不足之處。裝配后的設備模型如圖3所示。

圖3 擺動鉸點裝配模型

1.3 建模要點

（1）建模順序決定模型的可修改性。零件建模前，需要先深入進行特征分析，分解零件組成特征，明確每個特征形狀和特征之間的相互關系，然后根據特征主次關系，確立建模順序。建模時，合理選擇基準點、線、面，也是模型后期設計變更和理解的重要基礎。

（2）零件裝配方式關系設備后期運動仿真分析。裝配時采用兩種約束方式，一種是“放置”，給零件加入各種固定約束，限制零件所有自由度；另一種是“連接”，能夠限制零件部分自由度，給零件加入各種組合約束，如“銷釘”、“滑動桿”等，可以保留零件一個或多個自由度。通過“連接”方式裝配的設備能在運動分析時獲得特定運動，可用于運動仿真研究。

2 設備模型布置

挖泥船設計涉及船體、舾裝、特機等多個專業，根據各專業工作范圍，以及建立模型的需求和特點不同，適用的建模軟件也有區別。目前較為流行的船舶三維建模軟件有TRIBON、NAPA、CATIA等，已被廣泛應用于船廠的生產設計階段。這些專業船舶設計軟件各有特點，能提供多種兼容良好的數據傳輸接口，可以和PROE互相調用數據。本挖泥船船體結構建模選用TRIBON軟件。因此，疏浚設備模型布置可分為以下兩種情況：

（1）直接在PROE中進行設備模型布置。模型布置與零件虛擬裝配類似，也是在PROE的“組件”模塊中完成，PROE可以導入已經裝配好的設備組件，也可以導入零部件；如圖4所示，船首部疏浚設備布置，包括絞刀架、龍門架、維修平臺等。

（2）把已經建好的PROE模型另存為VRML格式文件，導入TRIBON后布置到船體結構上；導入TRIBON中的全船疏浚設備布置如圖5所示。

圖4 船首部疏浚設備布置

圖5 全船疏浚設備布置

在設備模型布置過程中，相對于二維CAD圖紙，三維設計可以更直觀地看出不同專業設備之間的干涉情況，便于發現問題，減少生產設計階段的返修工作。

3 繪制工程圖

為了方便設備設計細節討論和后續制造施工，需要更清楚的方式來展示模型細節。在三維環境中，無法直接在三維模型圖上完整標注施工時所需尺寸和符號等信息。PROE“繪圖”模塊可以直接把三維模型按照標準生成后續制造、安裝所需的二維工程圖，能清楚表達模型各個視角的形狀和局部構造。這種由三維模型實時投影生成的二維圖紙與三維模型尺寸相互關聯，系統會自動更新工程圖和三維模型的任一修改，確保工程圖始終能反映設計的最新改變。PROE工程圖的相關性是AutoCAD繪圖無法比擬的，可以大大減少設計修改工作量。PROE生成的擺動鉸點工程圖如圖6所示。

圖6 擺動鉸點工程圖

PROE創建工程圖，首先需建立模型表達所需要的各個視圖：主視圖、投影視圖、軸側視圖、剖視圖、詳細視圖等；然后按照制圖標準給各個視圖標注尺寸、表面粗糙度，添加焊接符號、注釋等信息；最后給視圖添加圖框，完成繪制工作。這與AutoCAD的繪圖步驟基本相同，但更為高效。PROE還提供了強大的編輯、圖層管理和模板應用功能，并且PROE中的模型視圖可以轉存為AutoCAD格式，供熟悉AutoCAD的設計人員協同編輯。

4 運動仿真和有限元分析

對于運動復雜和承受較大外載荷的重要疏浚設備，在建立其三維模型的基礎上，我們還需對設備模型作進一步運動仿真研究和有限元分析，校核設計正確無誤，確保疏浚設備安全可靠、經濟實用。

PROE提供兩個重要分析模塊Mechanism和Mechanica Structure，前者用于機構分析，能進行機構運動仿真演示、運動干涉檢測等；后者是集靜態、動態于一體的有限元模塊，能模擬真實工作環境，對模型進行靜態、動態、模態等多種分析［5］。它們有一個共同特點，可以將幾何建模和模型分析無縫集成，不需要通過IGES格式進行數據交換，避免格式轉換造成的數據丟失。PROE的參數化功能將疏浚設備的設計和分析有機結合起來，實現智能設計。

運動仿真的關鍵是運動模型的建立。我們在上述裝配過程中，已為設備模型的運動仿真準備就緒。通過“連接”方式裝配的模型與實際工作情況保持相同的自由度。在PROE中打開待分析的設備模型，進入Mechanism模塊：首先設置模型運動環境，定義模型運動分析類型，認真做好分析前的準備工作；分析任務完成后，運用回放、測量等功能觀察分析結果，直觀地了解其運動過程，檢測運動干涉區域，預先獲知設計中的干涉問題。

Mechanica Structure模塊的分析過程主要分為預處理、求解和后處理三個階段。預處理是給模型添加材料特性、載荷、約束條件以及模擬設備真實的工作環境，建立新的分析任務，設置收斂方式，即可進行求解。Mechanica Structure后臺對模型進行自動網格劃分、錯誤檢查、計算，生成計算結果數據；分析結果可以通過云圖、等值線、圖表等多種方式顯示變形和應力分布情況，用于核查設計的不合理之處。

5 結 論

隨著三維軟件功能不斷完善，三維設計的優點給傳統二維AutoCAD設計帶來較大沖擊，使原來在AutoCAD中很難解決的問題，在三維設計中迎刃而解。本文通過挖泥船疏浚系統的三維設計研究獲知：

（1）三維設計使船舶設計更為形象直觀，便于設計修改、干涉檢查、質量統計、產品展示，能夠較大程度提升設計水平；已建好的三維模型還可用于后續結構分析、運動仿真研究，從而為疏浚系統設計提供技術保障。

（2）現有三維軟件種類繁多，功能特點也各有不同，合理選用適合自己專業特色的三維軟件尤為重要。實踐證明，本文選用PROE非常適合絞吸挖泥船疏浚系統的設計工作。

（3）三維軟件一般配置多種接口，可滿足不同軟件間的連接和數據調用，便于不同專業設計人員間的相互協作。

（4）設計院所的三維設計可以與船廠生產設計相銜接，減少彼此重復建立模型的工作量，從而縮短船舶設計建造周期。

［1］ 王國水.TRIBON系統軟件在船體設計中的應用［J］.船舶，2012（3）：80-84.

［2］ 李彩霞，郭鋼.船舶三維生產設計現狀及二次開發技術的應用［J］.設計與研究，2008（7）：15-17.

［3］ 梁彥超，徐筱欣.基于PROE的船舶機艙三維布置設計研究［J］.船舶工程，2011（3）：69-71，74.

［4］ 彭萬波，張云靜，張然.Pro/ENGINEER 2001實例精解［M］.北京：清華大學出版社，2002.

［5］ 祝凌云，李斌.Pro/ENGINEER運動仿真和有限元分析［M］.北京：人民郵電出版社，2004.3.

［6］ 胡仁喜，劉昌麗，槐創鋒.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版工程圖從入門到精通［M］.北京：機械工業出版社，2009.