基于數字樣機的艦船維修性設計分析技術

方強，王松山，祝泓，張平

1中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064 2軍械工程學院，河北石家莊050003

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基于數字樣機的艦船維修性設計分析技術

方強1，王松山2，祝泓1，張平1

1中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064 2軍械工程學院，河北石家莊050003

摘要：針對傳統維修性分析技術的準確性與直觀性問題，結合艦船維修性設計的實際需求，基于虛擬樣機建模、虛擬人建模與仿真、參數化維修動作建模與仿真、基于維修問題的維修性分析等關鍵技術，以包含界面層、應用層、對象層、技術支持層的系統框架為指導，在商業軟件Jack 7.0的基礎上，通過二次開發設計實現基于數字樣機的艦船維修性設計分析系統。同時，以艙室內某型水質后處理設備更換濾芯維修任務為例，開展維修性設計分析、評價和改進，從技術上驗證了該系統的可行性與有效性。

關鍵詞：艦船；維修性；數字樣機；設計；分析

0　引　言

艦船系統結構復雜，設備眾多，維修的費用在壽命周期費用中占有較大的比例，而且其對戰備完好性也具有重要影響，因此，艦船的維修性越來越受到重視，軍方已明確提出，應在艦船設計的早期階段同步開展維修性設計與分析［1］。

傳統的維修性分析技術主要是通過分析設計圖紙來對設計準則進行符合性檢查，或者在實物樣機上進行維修演示驗證。由于艦船一般不建造樣機，因此多數分析是利用圖紙進行。在圖紙上進行諸如設備（部件）的可達性、拆卸的便利性和維修空間等的分析，很難保證分析的準確性、直觀性以及結果的可信性。尤其是艦船系統復雜巨大，要在圖紙上全面、系統地分析可達性、維修安全性和人因工程等維修性特性，無論是對專業設計人員還是維修性設計人員來說，都有一定的難度，造成許多分析工作的內容得不到落實，而且分析結果也無法及時反饋到設計中［2］，從而影響艦船的維修性設計水平。為確保將良好的維修性特性落實到艦船設計中，必須解決維修性（如可達性、拆卸便利性、維修空間等）分析過程的直觀性、分析時機的及時性以及分析結果的可信性等問題。

虛擬維修技術是解決該問題的有效途徑［3-4］。通過仿真，維修人員可以在數字樣機上完成維修操作，而基于仿真來進行維修性分析能夠克服定性分析方法的不足，及時發現維修性設計問題，然后通過采取適當的糾正措施便可實現與艦船的同步設計和制造。本文將從原理、系統結構與關鍵技術及實例應用等方面對基于數字樣機的艦船維修性分析技術進行系統的闡述。

1　基本原理

基于數字樣機的艦船維修性設計分析是指以艦船CAD設計數據為基礎，通過構建包括艦船、設備、維修工具、維修人員在內的虛擬維修仿真環境，并按預定的維修方案仿真維修過程，通過檢測工具獲得關于“虛擬維修人員—設備—工具”相互作用的數據。以維修性知識和經驗為基礎，對維修性設計進行分析，發現存在的維修問題，評價艦船的維修性水平，并提出改進的建議。其基本原理如圖1所示。

圖1基于數字樣機的維修性分析評價原理Fig.1　 Principle of maintainability analysis and evaluation based on digital prototyping

通常，是在產品的不同層次來分析、定位和描述維修性問題，故采用分層模型來描述維修作業過程，以便建立維修仿真過程模型，并支持維修性分析。根據維修的可分解特點，將維修事件分解成維修作業、基本維修作業和動作單元3個層次。在動作單元層，能夠支持參數化維修動作與數字樣機維修特征的交互，完成基本維修作業的仿真。構建的虛擬維修仿真過程模型如圖2所示。

在如圖2所示的維修過程分解的基礎上，通過仿真分析“虛擬維修人員—設備—工具”的相互作用對維修的影響，構建與產品層次結構之間的維修問題關聯關系，并采用層次分析法進行綜合評價，給出糾正措施建議。維修性分析評價原理如圖3所示。

圖2虛擬維修仿真過程模型Fig.2 Model of virtual maintenance simulation process

圖3維修性分析與評價原理Fig.3　 Principle of maintainability design and analysis

2　系統總體結構

基于數字樣機的艦船維修性設計分析系統采用層次框架結構（圖4）［2，5］，包括：定義用戶與系統接口的界面層；支撐系統建模、仿真與分析等核心功能的應用層；提供系統運行虛擬樣機、維修過程模型等的對象層；提供系統運行軟、硬件基礎環境的技術支持層。

圖4系統結構框架Fig.4 Framework of system structure

以本框架為指導，在商業軟件Jack 7.0的基礎上，通過二次開發，設計實現了一個基于數字樣機的艦船維修性設計分析系統，系統的功能結構如圖5所示。其中：項目分析管理主要對維修性分析任務、仿真數據、分析數據進行組織管理。虛擬人建模實現典型百分位數中國人和著服特定虛擬人建模。虛擬維修樣機建模主要對產品的CAD數據進行轉換處理、裝配關系重構和維修特征定義。虛擬維修仿真利用參數化維修動作建模技術實現“虛擬維修人員—設備—工具”的交互過程仿真，進行虛擬場景狀態控制和仿真過程數據記錄。維修性分析評價主要通過維修過程仿真，進行可達性、活動空間、維修人員受力、維修安全等方面的核查與檢測分析，評估所發現的維修問題；統計分析維修作業的相關信息，并對維修作業時間進行估算，得出完成維修任務的總時間；最后，綜合定性定量分析結果評價維修任務完成的難易程度。系統幫助維護則主要對維修工具設備、人體模型、維修知識等基礎數據進行管理維護，提供系統的使用幫助。

圖5系統功能結構Fig.5　 System function structure

3　關鍵技術

3.1虛擬維修樣機技術

由于艦船結構巨大、復雜，故構建其虛擬樣機的工作也比較困難。本文總結了以CAD設計數據為基礎，建立艦船虛擬維修樣機的一般方法。首先，對艦船三維模型進行輕量化處理。基本方法是根據虛擬維修實際需要，利用CAD軟件對艦船的裝配結構進行重構，以艙室為對象提取有關組件，包括艙室結構、需要維修的設備以及其他相關聯的設備。對于需要維修拆卸的零部件，可能還需要視情進行重建。然后，通過格式轉換和數據簡化導入虛擬維修環境，建立初樣機。最后，在初樣機上定義交互特征［6］，以支持人機交互仿真。根據維修工作分析，確定維修的過程與技術特點，建立樣機約束關系模型。虛擬維修人員、虛擬維修樣機和工具等組成了一個特定維修任務的虛擬仿真場景。建模過程如圖6所示［7］。

3.2虛擬人建模與仿真技術

圖6虛擬維修樣機建模過程Fig.6 Modeling process of virtual maintenance prototyping

虛擬人建模與仿真有著較為成熟可用的技術。但是，為了逼真地模擬維修過程仿真中虛擬人的動作，對虛擬人模型和仿真控制都有較高的要求，人體關節、測量尺寸與外貌都要盡可能接近真人。基于骨骼驅動的網格化虛擬人模型是一種較好的技術方法。本文以Jack7.0為例，首先創建一個由71個骨骼片段、69個關節，共135個自由度的人體骨骼拓撲結構（圖7（左））；然后，利用三維建模軟件，如3D MAX創建虛擬人的外表，即骨骼蒙皮，外形以某海軍戰士為模特，人體尺寸參照《中國成年人人體尺寸》（GB 1000-88）中的90百分位數據［8］；最后，將蒙皮與人體骨架模型進行綁定，使蒙皮能夠被骨架模型驅動，支持人體關節運動。在綁定過程中，需要調整設定關節活動與蒙皮表面變形的權重系數，在關節運動時，實現周圍皮膚自然、逼真的變形效果。建好的虛擬維修戰士模型如圖7所示。

圖7虛擬維修戰士模型Fig.7 Virtual model of a maintenance soldier

3.3參數化維修動作建模與仿真技術

3.3.1維修過程分解與分類

艦船裝備的維修過程一般是按照“步驟—子步驟”的結構來描述，但它并不能完全包含關于維修人員操作、工具使用和零部件運動等的所有信息。維修人員往往是根據現場實際情況，通過結合自身經驗以及對維修步驟的理解來完成具體的操作。因此，這種描述不能滿足虛擬維修仿真要求，需要對維修過程予以進一步的分解，不僅要求在最低層需具有明確的維修動作語義，而且還要便于分類建立通用的維修動作模型［9］。為此，在現有維修分解方法的基礎上，定義維修作業單元，該作業單元既指基本維修作業，又包括人的操作、移動和姿勢調整等動素。維修作業單元具有一定的維修語義，即若干維修作業單元的組合可以描述一個完整的維修事件。為便于建立參數化動作函數，又定義了維修動素，它是構成維修動作的一個基本動作單位。由此，建立維修過程模型，包括維修事件、維修作業、維修作業單元和維修動素4個層次。圖8［10］所示為某變速箱艦員級維修更換齒輪的分解層次結構。

根據維修特點，對維修動作進行抽象和分類，共歸納為10類維修動素。以常見的手部抓取動作為例，介紹參數化動作函數的設計方法。用手抓取一般符合以下過程：觀察作用物—調整手形—手伸向目的物—手與目的物精確定位—抓握。

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

其中：

goal指目標物上的抓握點，此參數確定了手與目標物精確定位的位置和方向。

handshape為抓握時手的基本形態，也是grasp動素的預手形，根據作用物的類型，可以將常用的hand_get手形分為5大類21種，形成一個應用手型庫。

get_duration指動作完成后終端效應器與目標點距離的控制值，默認為0。

jfrom指運動的起算關節，即采用逆向算法計算各關節運動量時從該關節開始計算，其決定了動作涉及到的人體關節范圍，一般取值為肩“shoulder”或腰“waist”。

duration為動作持續的時間。

poweight指位置與方向之間的權值，0為方向定位，1為位置定位，默認為0.5，即同時考慮方向與位置的定位。

type指左、右手臂的選擇，默認為右手的抓取動作。

3.3.2參數化維修動作建模

采用面向對象技術將上述維修動素參數化，建立維修動作參數化模型，并在Jack 7.0環境下設計開發維修動作函數庫。用戶根據輸入的維修過程描述，建立維修步驟，調用維修動作函數，編輯實現維修過程仿真。動作庫界面如圖9所示。

圖8某變速箱維修過程分解Fig.8 Break down of gear-box maintenance process

圖9參數化維修動作函數庫Fig.9 Parameterization function library for maintenance action

3.4維修性分析評價技術

基于仿真的維修性分析采用維修問題分析法。即通過分析產品維修時可能發生的各種維修問題及其對維修的影響，并將維修問題對維修任務的影響程度進行評估，提出對應的補救措施來提高產品維修性。通過維修問題分析，將系統各個層次上的維修問題進行確認，從維修難度、維修時間和維修費用等方面進行綜合評價［11］。

基于仿真的維修性分析評價的基本思路是：首先，在維修過程分解結構和產品層次結構的基礎上，針對維修動作層仿真檢測到的維修問題進行描述與確認，分析對維修的影響程度，提出補救措施；然后，在維修作業層對發現的維修問題進行綜合分析，并考慮維修作業的其他影響因素，對維修難度進行評價，包括作業工具、緊固類型、作業時間等；最后，在維修事件層，利用底層包含的維修作業分析結果，輸入到綜合評價模型，以評價整個維修事件的維修性水平。基本的思路如圖10所示。

該方法的特點是自底向上逐層在子系統、系統、整機上做出維修性評價，而問題的描述則與具體的結構、具體的維修、乃至細微的操作直接關聯。這樣既可以從宏觀上給出評價，判定是否滿足設計要求，又可以準確定位與描述存在的問題，便于設計人員理解和分析原因，進行設計改進。

圖10基于數字樣機的維修性分析與評價思路Fig.10　 The idea of maintainability analysis and evaluation based on digital prototyping

4　實例分析

本文以某型水質后處理設備更換濾芯為例，創建了維修環境和維修任務，通過虛擬人在虛擬艙室環境下的維修仿真任務的動作定義，對設備濾芯更換過程進行了仿真。結合維修作業時間標準和過程仿真，估算了任務的拆裝時間，對可達性、可視性、姿勢舒適度等進行了分析，對維修難度進行了綜合評價。其中，維修時間估算界面如圖11所示，舒適度分析界面如圖12所示。

圖11維修時間估算界面Fig.11　 Interface of maintenance time estimation

圖12工作姿勢分析界面Fig.12　 Interface of working posture analysis

通過仿真分析發現，在目前的艙室環境中，虛擬人能夠完成濾芯更換過程，但因為設備橫梁較高，手的姿勢稍顯不舒適，維修空間略顯狹小。為了改善該設備的維修性，對設備產品設計和布置進行了調整，將設備的橫梁降低了300 mm，維修通道寬度增加了100 mm，調整后，對維修任務再次進行仿真，發現人體手部關節的不適得到了明顯的改善，舒適度指標也相應提高。

5　結　語

本文以虛擬現實技術為基礎，對基于數字樣機的艦船維修性分析評價系統及其關鍵技術進行了討論，應用該系統，對某型水質后處理設備進行了維修性設計分析，初步驗證了系統技術的可行性和有效性。但目前的分析主要針對的還是可達性、可視性與人素等方面，未來還需要對艦船維修性設計準則、評估指標等進行深入研究，對基于維修問題的維修性綜合評價模型進行驗證與修改完善，對維修時間的估算模型與驗證方法進行深入研究，以便進一步提高系統分析的能力和分析評價結果的可信度。

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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

作者簡介：方強，男，1978年生，博士，高級工程師。研究方向：艦船綜合保障工程理論與應用。E-mail：blacktwo78@163.com王松山（通信作者），男，1976年生，博士，講師。研究方向：維修性理論與應用，虛擬維修。E-mail：Roger_ssw@163.com

收稿日期：2015 - 06 - 29網絡出版時間：2016-1-19 14:55

中圖分類號：U672.7

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.01.015

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160119.1455.032.html期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：方強，王松山，祝泓，等.基于數字樣機的艦船維修性設計分析技術［J］.中國艦船研究，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.