基于船舶虛擬建造的工藝仿真研究

金偉家，劉 民，呂紅纓

（遼寧渤海造船廠集團船舶設計院，遼寧葫蘆島 125004）

0 引言

在工業4.0，中國制造2025的大背景下，各制造企業都在科技的引領下探索新的生產模式。未來船舶行業是基于虛擬建造技術為代表的船舶建造和管理模式，而虛擬建造技術為工藝仿真提供了必要的環境條件。工藝仿真技術與船舶建造的融合是船廠跨越式發展需要探索的重要途徑。

1 概述

數字化工藝仿真是虛擬建造的重要組成部分，是在深入分析仿真系統各要素的特性和邏輯關系的基礎上，按照仿真系統客觀實際情況，把所要研究的系統各組成要素抽象化，構造模型，然后按照系統時間和空間的要求，錄入軟件系統，由計算機演示該系統，用以分析和研究系統的性能，達到認識和調節系統性能的目的。

數字化工藝仿真通常用于方案比選和方案驗證，也可以用于研究事件發展的規律、趨勢及關聯程度。數字化工藝仿真在船舶建造過程中主要應用于工藝規劃、工藝流程優化和工藝驗證。

2 船廠在工藝方面存在的問題

目前制約國內造船廠發展的重要因素之一就是工藝問題，既有對工藝的重視程度不夠，也存在工藝技術的發展跟不上時代發展的步伐。主要問題總結如下：

2.1 工藝知識缺乏有效管理

先進工藝工法的傳承、記錄和創新發展存在瓶頸。船廠已有的先進工藝工法，隨著技術的發展、設備的更新以及人員的流失需要不斷更新迭代。船廠對工藝的管理還停留在工藝文件的編制和工藝的匯總。如何提高企業的工藝設計水平、如何驗證編制的工藝是否合理、如何對制造和裝配的工藝進行優化、如何提煉典型工藝、如何更有效的利用工藝資源、如何有效傳承工藝經驗等問題卻不在管理范圍內。隨著信息化時代帶來工業化的高速發展，信息化產品的結構、性能和復雜程度越來越高，工藝知識的積累和重用變得越來越重要。

2.2 工具工裝缺乏有效布置和管理

船廠工藝文件對工具工裝的布置，由于涉及到現場實際情況太多，不好在工藝文件中做出預判，很多關于工具工裝的布置位置的描述都有意忽略了，這部分工藝細節交給現場工作人員進行規劃。由于缺少通盤考慮，部分工具工裝的布置影響生產效率，并且易造成反復移位，導致吊車等資源和人工的浪費。

2.3 產品的裝配質量缺乏精細化控制

船舶總裝廠的制造周期長，制造工藝不穩定。在沒有數字化仿真驗證的情況下，新設備伴隨著新的工藝工法、新的加工技術、新的工具工裝，實驗驗證階段工藝人員和產品設計人員參與現場試驗，不斷發現問題和解決問題，對一些復雜的過程，要通過不斷試錯而找到正確的工藝方案，需要耗費大量的人力物力和財力，還有寶貴的時間成本。

2.4 缺少與數字化設計匹配的數字化仿真工藝

大部分船廠的設計和科研院的設計采用全三維的可視化設計，可是工藝三維可視化卻大多沒有實現。工藝主要依靠人員的經驗和成熟項目來進行規劃，靠空間想象力來想象工藝實施的情況。缺乏用計算機仿真技術來驗證工藝的正確性的手段。

總之工藝是設計實現的手段，是制造的根本。在產品更新換代越來越頻繁、產品結構越來越復雜的情況下，對制造工藝的要求越來越高。工藝人員對車間現場的制造能力缺乏直觀的了解和規劃，導致制造工藝難以規劃和優化?；谝陨蠁栴}，工藝仿真在船廠的應用就顯得重要和迫切。

3 船廠數字化工藝仿真方案

3.1 工藝仿真應用軟件（方案）簡介

目前國際主流的虛擬制造系統主要有 3個：Siemens PLMSoftware、Dassault System（達索）和PTC。3個系統各有專長。國內船舶企業通常選用達索公司的 CATIA設計軟件，并采用達索公司DELMIA軟件進行數字化工藝仿真設計。

DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application，數字企業精益制造交互式應用）是法國達索公司的產品，由DELMIA E5（DPE）、DELMIA V5（DPM）、DELMIA D5（QUEST）3部分組成。工藝仿真平臺見（圖1），最終數據都由VPM數據庫進行存儲管理。

圖1 工藝仿真平臺示意圖

工藝仿真流程為：工藝規劃（三維工藝文件、工藝流程圖→工藝仿真（驗證仿真、優化仿真）→工藝輸出（仿真視頻、報告、資源配套清單）。

數據管理平臺：實現產品設計與工藝規劃同步及版本追蹤，實現企業工藝知識的管理和使用；

工藝規劃及制造管理平臺：完成工藝規劃、工藝過程仿真、工時分析、物流仿真、工程布局等工作任務。

3.2 工藝仿真系統架構

工藝仿真系統架構見圖2。

圖2 工藝仿真架構示意圖

3.2.1 系統架構的信息流程

1）將用CATIA設計的CATIAPart/CATProduct，即產品文件，存入VPM應用服務器；

2）將VPM中的CATIAPart/CATProduct產品通過XML文件同步到DELMIA E5中；

3）DELMIA讀取PPR結構，并將完成的工藝規劃及裝配仿真內容存入到E5數據庫中；

4）DELMIA E5讀取Project制作的工藝文件，生成工藝流程；

5）DELMIA V5讀取VPM端的產品和資源數據；

6）DELMIA V5輸出裝配仿真或是人機仿真的動畫視頻；

7）DPM輸出的仿真動畫轉入Composer中編制的3D作業指導書；

8）將DPE中PPR結構導入到Composer中；

9）Composer輸出編制的3D作業指導書；10）CATIA設計模型更改，產生新版本數模，走變更流程。

3.2.2 系統架構的硬件描述

1）ENOVIA VPM數據庫服務器（DB2）：用于存儲產品、工裝工具數模等的原始數據；

2）ENOVIA VPM應用服務器：支持VPM設計協同等相關應用；

3）ENOVIA VPM文件服務器：用于存儲產品/工裝工具數模及相關文件等；

4）ENOVIA DPE數據庫服務器（DB2）：用于存儲工藝規劃及裝配仿真的數據；

5）ENOVIA DPE應用服務器：支持DELMIA進行裝配仿真的協同；

6）CATIA V5客戶端：完成產品三維設計；

7）DELMIA E5/V5客戶端：支持VPM設計協同的DPE客戶端，完成工藝規劃內容支持VPM裝配仿真的DPM客戶端，完成裝配、人機等仿真；

8）3DVIA Composer客戶端：3D作業指導書的編制及輸出。

4 數字化工藝仿真過程

4.1 數據準備

4.1.1 產品模型準備

產品模型來源于設計部門，是設計人員用三維設計軟件CATIA完成相關設計后產生的設計信息。工藝仿真即是對模型在時間域或空間域的運行和操作，模型對數字工藝仿真的重要性不言自明。

4.1.2 資源模型準備

資源模型是指在進行工藝規劃過程中所需如工裝、設備、場地等資源模型信息，主要以資源庫的形式存在。資源庫一共分為3級。

第一級：按工裝、設備和場地設施分類劃分；

第二級：按專業和通用類型劃分，如工裝庫可以進一步劃分為結構庫、機裝庫、電舾庫等專業庫和通用庫；

第三級：專業庫按工藝類型進行細分，通用庫按設備類型進行細分，如結構庫可以進一步劃分為焊機、胎架等；而通用庫進一步劃分為扳手、運輸設備等。

4.1.3 工藝信息準備

工藝信息主要是指工藝部門所編制的工藝步驟，主要是project格式的二維電子文檔，存儲于PDM系統中。工藝文件可以根據專業或是小組分開編制，導入DPE中后合并成統一的工藝流程。工藝規劃根據工藝要求盡可能細化到工序級。

4.2 工藝規劃DPE

DPE（Digital Process Engineer）是后臺數據庫文件，主要用來進行工藝規劃，管理施工計劃，產品和輔助資源之間的相應關系，同時可以對施工工藝過程進行數據分析及工時成本統計。

4.2.1 項目創建

項目創建包括：1）新項目創建：選擇標準項目模板或自定義項目模板；2）組織及人員創建及任務分配；3）權限分配：根據角色分配權限，權限分為只讀權限和修改權限等；4）PPR（PROCESS/PRODUCT/RESOURCE）節點創建，分為Product view和Process view。

4.2.2 產品和資源數據導入

產品結構批量導入DPE中，由VPM與DPE的接口程序實現。

4.2.3 工藝計劃導入

工藝流程以Project格式導入DPE中（圖3），需要事先用Project完成工藝計劃的編制。并做PPR關聯。

圖3 工藝計劃導入示意圖

4.3 工藝仿真DPM

DPM（Digital Process Manufacture數字制造工藝）中提供集成接口，實現在DPM 中打開在DPE中所規劃的工藝內容，前提需要保證DPM 于DPE相同項目PPR結構樹的一致性。DPE中關聯的三維模型，以及產品、流程以及資源之間的關聯關系也會繼承到DPM中。

4.3.1 裝配軌跡制定

創建裝配軌跡的流程節點，在裝配模塊（Assembly Process Simulation）中，顯示與此流程節點相關聯的產品結構和資源結構，以及相應的三維模型。使用軌跡編輯（create a move activity）和相關輔助命令，完成流程節點下產品的軌跡創建（圖4）。

通過流程結構命令（pert chart），可以查看和修改目前流程節點下的流程以及操作結構（圖5）。

4.3.2 裝配仿真分析

在進行裝配仿真動畫播放過程中，打開碰撞分析命令，裝配仿真過程中如果發生干涉情況，裝配仿真會自動停下，以便裝配路徑創建者進行檢查和修改。

圖5 工藝流程節點編制示意圖

干涉分析步驟：先選擇分析類型，再選擇分析的產品或區域以紅色高亮顯示碰撞，最后碰撞干涉輸出，輸出碰撞干涉產品、類型以及碰撞干涉值。

干涉狀態分為：1）靜態干涉。仿真中產品、工裝模型導入后，工裝定位器在工作狀態上，進行仿真前的靜態干涉檢查。2）運動干涉。多用在裝配路徑干涉檢查、輔助裝配工具使用空間檢查及產品構件存在間隙要求時檢查。3）裝配干涉。多用在零部件進出工裝時可操作性檢查、內部零件安裝可視性和可達性檢查以及人機模型和動作干涉檢查。

距離分析：測量兩個產品間距離和最短距離，并且可以分析指定區域內的產品情況。

4.3.3 甘特圖分析

以甘特圖的形式展現流程結構（圖6），并且可以對單個操作的時間進行調整。

圖6 工藝流程甘特圖

4.3.4 各專業協同裝配仿真分析

通過裝配仿真分析命令，驗證裝配順序的合理性，保證裝配路徑的可行性，避免設備與設備以及設備與結構之間發生干涉。

4.3.5 仿真動畫多視角輸出

仿真軌跡制定過程中，可以采用插入視角的輔助命令，實現以特定視角去觀看仿真過程。

4.4 人機仿真

4.4.1 人體動作庫補充完善并定制必要的人體庫。

1）軟件自帶部分人體模型標準動作庫，如站、坐以及抓取等動作；

2）提供創建catalog庫的功能命令，事先設置人體模型庫的動作，或是在人機仿真過程中將已經創建好的動作保存到catalog庫中，在以后的動作設置過程中能夠快速調用。

4.4.2 人機仿真項目的應用

1）人體測量（圖7）：人體模型的所有活動自由度都與真實人體的活動關節自由度相匹配；人體模型有 104個可編輯的測量變量，可以對人體模型的尺寸進行調整；人體模型 148個自由度運動范圍編輯器，可以設置人體模型各個運動自由度的運動范圍。

圖7 人體測量仿真示意圖

2）可達性分析（圖8）：人體模型結合虛擬的三維環境，可對部分設備、家具等三維模型尺寸合理進行驗證，以球體形式展現人體模型端部部位的活動范圍，能夠直觀判斷人體模型在特定環境中的活動范圍，對于后續動作設置具有很好的指導意義。模擬人通過艙口艙門的空間可達性，檢驗艙口艙門尺寸設計的合理性。依據類似的方法，能夠提前驗證其它結構設計的合理性。

圖8 人體可達性仿真示意圖

3）疲勞性分析（圖9）：通過模擬工人施工過程，分析人體施工的方便性以及人體施工過程的疲勞性，不僅讓設計人員對施工環境有一個直觀的認識，提前驗證艙室設計工藝的合理性，而且為改善施工條件提供依據。

圖9 人體疲勞性分析仿真示意圖

4）動作仿真分析（圖10）：人體模型結合虛擬環境進行各種動作設置，仿真驗證維護和維修操作。通過仿真維護操作，檢查可能存在的干涉，并驗證維護順序。

4.5 數據存儲

DPE與DPM之間的仿真數據同步，產品數據存儲在VPM中，通過接口將產品數據同步到DPE中。通過接口，將DPE的PPR同步到DPM中，在DPM中定義裝配路徑，并將仿真數據保存到DPE數據庫中。還包括產品資源狀態修改記錄、產品流程狀態修改記錄及產品流程版本更改記錄。

4.6 生成3D作業指導書，做工序說明

工序說明見圖11。

圖11 Composer 3D作業指導書示意圖

4.7 輸出作業清單及仿真報告

Composer支持多種輸出格式：.exe格式；圖片格式如.bmp、.jpg、.tif、.png；視頻格式如.avi；發布格式如HTM、PDF、Office。

5 數字化工藝仿真在實際應用的重要經驗

以DELMIA軟件應用船廠數字化工藝仿真為例探討工藝仿真的重要經驗。

5.1 根據流程落實仿真手段和人員

工藝仿真是一個驗證的過程同時也是一個表達的過程，工藝場景可以通過動畫、圖片、報表、文字等表現，對于仿真手段的選取有時可以節省時間和精力，避免簡單事情復雜化。仿真人員的確定對于項目邊界的確定、責任的劃分有著重要的作用。還可以通過任務細化把整體復雜的仿真項目細分成若干功能相對簡單、場景相同的子項目。

5.2 對資源數據的管理

工藝仿真的數據主要包括模型（產品模型和資源模型）、清單、工藝步驟等信息。工藝仿真的精確度有賴于模型的細化程度及準確程度。

數據導入前需進行資源數據的輕量化處理，以減少占用資源并方便在網絡上傳遞。輕量化的主要工作是：1）過濾掉不需要的信息，如模型的構造歷史注釋、結構特征注釋等非集合信息；2）對復雜曲線和曲面進行簡化；3）重新解構模型，重新合并模型，對包絡線內部的模型做刪減處理。輕量化后的模型無法再次修改需要做標注。

資源數據不只是輕量化模型，還需要完善資源庫，采用導入產品的方式導入資源，保證資源具有相關屬性。

5.3 建立標準模板

包括工藝仿真流程的標準模板、仿真報告標準模板、工藝仿真編碼等，實現工藝仿真的標準化，利于存檔和調取。

5.4 理論和實踐結合

工藝仿真還需要結合現場的具體情況進行修改，由于工藝仿真是在模型理論化、抽象畫的基礎上進行設計，工藝仿真設計人員還需要深入車間現場實地考察，不斷進行比對和完善。

6 結論

通過對總裝廠船舶虛擬建造的工藝仿真研究，可以解決船廠工藝流程優化、工藝迭代管理和傳承、工藝質量精細化、本質安全生產等生產瓶頸，可提高船舶設計質量，減少船舶建造費用，縮短船舶建造周期。

數字化工藝仿真可以涵蓋建造、維護、設備使用、客戶需求等傳統設計方法不易實現的領域，真正做到產品的全壽期服務。

基于以上論述，在虛擬建造環境下進行數字化工藝仿真是切實可行同時也是十分必要的。