船舶管系復雜支架柔性設計方法

雷洪濤，蔡乾亞，張 欣，唐 能

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引 言

當前，我國各造船企業都在推進智能化、數字化造船，但基于二維圖紙設計交付物的形式決定了其很難向智能制造方向發展[1-2]。為推動船舶向智能化、數字化設計制造方向發展，江南造船（集團）有限責任公司（以下簡稱“江南造船”）以用戶體驗為核心，在船舶設計過程中全面推行三維設計和仿真技術，使設計人員在三維環境下協同開展相關設計工作。但是，目前船舶管支架三維柔性設計與其他結構設計相比還處于落后的狀態[3]，不能實現對管支架的快速、柔性化三維設計建模，該問題是制約企業推進三維數字化設計應用的瓶頸問題之一[4]。目前，國內外針對管支架三維柔性設計的研究還處于空白狀態，可借鑒的研究較少[5]。為解決該問題，對船舶管支架柔性設計方法進行研究，突破管支架三維建模技術難題，滿足復雜支架的創建、修改和檢查等功能需求。該方法已在實船設計中推廣應用，能極大地提高建模的效率和設計的自動化程度。

1 管支架柔性設計需求分析

1.1 功能需求分析

船舶管系復雜支架柔性設計應保證設計人員能靈活便捷地進行可視化設計交互，不僅需實現設計過程中所需的創建、修改和檢查等功能，而且需具有高效便捷的操作流程和簡潔易懂的操作界面。針對船舶管支架設計應用需求，通過調研分析的方式對管支架柔性設計功能需求進行分類匯總，共整理出支架建模、支架編輯、管夾編輯、型材編輯和支架后處理等5種功能，以及16項具體功能需求，表1為完整功能需求匯總。

表1 管支架功能需求匯總

1.2 結構和類型分析

為實現復雜支架柔性設計，首先需對支架結構和類型進行分析，明確支架的組成和通用管支架的類型。目前，船舶通用管支架主要由管夾、型材、腹板和緊固件等4部分組成，在特殊情況下還包含墊塊和隔振器等部件[6]。結合以往的船舶設計經驗，根據支架安裝位置、安裝環境和安裝作用的不同，常用的支架組合共13種，圖1為幾種典型支架組合形式。管夾主要由卡環和緊固件2部分組成，目前所需的管夾有單管形式、多管形式、夾環支架一體/單管形式和夾環支架一體/多管形式等4種（見圖2）。型材主要分為角鋼和扁鋼2種，根據建模需求，目前常用的角鋼主要有12種規格，扁鋼有3種規格[7]。

通過對支架的結構和類型進行分析，可明確以下支架三維快速建模方法：

1) 針對13種通用支架類型，可分別創建對應的骨架模型，通過調用骨架模型實現管支架模型快速創建。

2) 根據設計經驗，可通過自定義知識規則實現支架部件模型快速匹配和自動裝配。

3) 由于管夾的規格和形式較為固定，管夾模型可作為標準件處理，通過創建部件庫統一管理，在實際建模過程中，直接通過識別管子的外徑實現快速匹配調用。型材作為變形件，在創建支架過程中，其實際規格和長度通過環境匹配并計算來確定。

圖1 幾種典型支架組合形式

圖2 典型管夾示意

4) 復雜支架可基于13種通用支架，通過組合或修改型材及管夾等方式實現快速創建。

5) 針對不同結構件，分別進行質量或密度賦值，在快速生成支架過程中，自動計算支架的總質量和各部件的質量，并賦值相應的質量屬性，實現對支架質量的嚴格管控。

2 管支架柔性設計關鍵技術

2.1 基于骨架模型的建模技術

實現支架各部件的自動快速生成是管支架柔性設計研究的難點之一[8]。研究發現，采用骨架設計方法可快速實現支架創建[9]。骨架模型是基于參數化建模方法創建的參數化模型集，根據支架結構類型創建各部件的自定義參數化模板，并將其集成在骨架模型上。在創建支架過程中，通過識別發布的參數，動態調整支架的屬性，并為支架的各部件提供定位發布元素。通過定位發布元素，可驅動型材自動生成，并為管夾和墊塊的安裝提供定位信息。以B型支架骨架模型（見圖 3）為例，針對該類型支架的特點，將型材和管夾的參數化模板集成在骨架模型上，當骨架模型被調用時：

圖3 B型支架骨架模型

1) 識別輸入的外部條件，主要包括管子、支撐結構和控制參數等，可根據識別的建模環境替換掉管夾和型材的定位參考元素。

2) 根據配置的匹配規則實現零件模型調用，其中：型材作為變形模型，根據骨架的參考元素進行自適應更改；管夾、腹板和緊固件作為標準件，在部件庫根據識別參數進行匹配調用。

3) 根據定義裝配的規則實現零部件自動裝配，完成支架模型創建。

2.2 零部件自動裝配技術

通過采用骨架模型建模方法可實現支架各部件快速識別和定位，但對于零部件模型的正確選型和裝配，則需通過制定有效的匹配規則來實現。通過分析可知，選型和裝配的信息主要有建模環境輸入、零部件發布參考和用戶自定義參數等3個來源。

1) 建模環境輸入主要指創建支架過程中輸入管子和支撐面，并提取管子外徑和支撐面距管子中心距離等參數作為支架創建的參考參數，同時匹配選用符合尺寸要求的零件；

2) 零部件發布參考主要指在管夾和型材等零部件上發布點、線、面等元素，用于實現零部件快速準確定位和裝配；

3) 用戶自定義參數主要指用戶外部輸入參數，根據實際建模需求，手動控制建模樣式。

在創建支架時4種支架結構部件的匹配方式有所不同，其中：管夾匹配主要有類型確定、規格選型和裝配形式等3部分內容；型材匹配主要有型材材質、型材規格、型材左右端距和端切形式等4部分內容；腹板匹配主要有無腹板、腹板規格和裝配形式等3部分內容；緊固件匹配主要有緊固件選型和緊固件組合形式2部分內容。以腹板匹配為例，在創建管支架過程中，實現快速匹配并裝配的規則如下。

1) 有無腹板：信息輸入方式為用戶自定義，默認有腹板。

2) 安裝形式：信息輸入方式為識別零部件發布特征，通過定義指定名稱的發布點特征進行零部件定位。

3) 腹板規格：信息輸入方式為建模環境輸入，根據型材規格進行匹配；每種型材默認對應1種規格的腹板，對于端部削斜的型材，按較長一端匹配大規格的腹板（見圖4）。

圖4 腹板規格匹配規則

3 設計方法應用實現

三維體驗平臺能為用戶提供豐富的二次開發接口，可基于C++開發語言和組件應用架構對設計方法和三維體驗平臺進行功能集成，使設計人員便捷、準確地完成支架柔性設計任務[10]。針對梳理出的16項具體功能，分別分析并提出其開發實現方法和實現流程。以標準支架創建為例，實現過程主要由輸入、執行和輸出等3部分組成（見圖5）。

圖5 標準支架創建實現

輸入主要指創建支架時需滿足的參數輸入條件，參數主要來源于二次開發的可視化交互界面輸入和環境模型點選（見圖6）。執行主要指一系列建模創建計算行為，主要包括參數計算、骨架模型調用、經驗規則匹配、結構部件裝配和屬性寫入等。通過調用三維體驗平臺提供的開發功能接口，將基于骨架模型的建模技術和零部件自動裝配技術融入開發功能，實現骨架模型快速調用和支架部件快速裝配。另外，在創建支架過程中，通過匹配自定義經驗知識規則，可實現支架部件快速過濾篩選，提高部件模型調用的敏捷性。在此基礎上，實現三維實體模型的創建和輸出。

圖6 支架創建功能交互界面

4 結 語

本文對船舶管系支架柔性設計方法進行了研究，解決了支架柔性建模方法和基于自定義規則的快速裝配等方面的多項技術難題，實現了復雜支架創建、修改和交付物輸出等功能需求。應用驗證結果表明，該設計方法有效可行，能提高建模的自動化程度，有效管控建模質量，推動三維設計和仿真技術在船舶生產設計中的應用與推廣。本文研究的管系復雜支架柔性設計方法具有一定的參考價值，可供船舶其他通用類型部件的三維自動化建模參考。