基于CATIA COMPOSER的虛擬仿真在造船工藝設計中的應用

鄧昂 陶國君 王燥春

摘 要：介紹了采用基于CATIA Composer的虛擬仿真技術輔助納期滯后的某型產品大型設備進艙方案設計，通過碰撞檢查優化方案設計，采用三維可視化虛擬仿真視頻指導生產。該方法對提高工藝設計的可靠性和降低設計方案的理解難度具有重要意義。

關鍵詞：進艙方案;CATIA COMPOSER;虛擬仿真

中圖分類號：U66? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）09-0091-04

近年來，造船發達國家紛紛利用信息技術給造船業帶來的各種機遇，積極開展船舶以數字化描述和虛擬技術相結合為特征的虛擬設計和制造仿真技術的研究，推動了建造虛擬仿真技術的快速發展和應用[1]。通過建造工藝虛擬仿真，事先對設計方案進行檢驗以及判斷，在設計階段消除由于設計問題而引起的工程修改，減少返工率，有效提高船舶產品施工工藝的可靠性[2]。但建造虛擬仿真技術目前在國內造船企業的實際應用較少，隨著設計端向建造端傳遞施工信息的方式由二維圖紙不斷向更加直觀清晰的三維作業指導轉變，提高船舶建造工藝設計虛擬仿真覆蓋率和采用虛擬仿真視頻指導施工成為了當下船舶行業的一種發展趨勢。

船舶在建造過程中，由于工期緊張的緣故，部分大型設備不能按照供貨納期交付。為不影響船體總組和船塢搭載計劃，保證產品建造進程以及產品質量，需在船體總組或者搭載結束后增加相關設備的吊裝開口，將納期滯后的船舶大型設備吊裝進艙，傳統的工藝文件是通過繪制二維圖紙來描述大型設備進艙路線，描述方式單一，展示效果不夠直觀，且不能提前暴露可能存在的設計問題。

采用CATIA Composer對納期滯后的船舶大型設備進艙方案虛擬仿真，并對大型設備在進艙路徑上進行碰撞測試檢查，輔助工藝設計，優化進艙方案，確保大型設備進艙過程安全可靠，總體方案如圖1所示。生成的三維可視化進艙虛擬仿真視頻用來指導施工部門組織和開展生產工作，大幅降低施工人員識圖難度，縮短理解時間，從而提高現場施工效率。

1納期滯后的船舶大型設備吊裝進艙方案設計

1.1大型設備吊裝開口設計

在船舶的建造中，經常出現大型設備納期與船體總組或搭載計劃不匹配的情況。為不影響總體建造搭載進度，通常提前完成分段/總段搭載，后續根據設備到貨情況，結合設備尺寸和所在艙室位置，設計合適的大型設備吊裝開口，將晚到的大型設備吊裝到位。在設備安裝結束后，大型設備吊裝開口區域的結構必須恢復原貌，并通過質量檢驗驗收。

大型設備吊裝開口位置的一般布置原則如下：

（1）大型設備吊裝開口應布置在大型機電設備裝船安裝位置的附近，并使設備進艙的路徑最短，設備進艙方便;

（2）應使大型設備吊裝開口區域的船體結構的連續性損害減少到最小，盡量避免切斷結構支柱等主要構件;

（3）在設備進艙前后，對大型設備吊裝開口區域的船體結構的切割，設備、管路和電纜等的移位及修復的工作量應減少到最少。

（4）在滿足設備進艙前提下，為了提高舾裝完整性，大型設備吊裝開口應力求不設在帶有艙口蓋的梯道開口周圍。

（5）吊裝開口應比須裝船的大型機電設備的外形尺寸略大，一般長寬均大100mm以上。大型設備吊裝開口的開孔尺寸大小有時需要考慮到多臺設備從同一開口進艙，這時應能保證最大一臺設備順利進艙安裝就位。

根據以上原則，以某船前主機艙大型設備進艙為例，在船體總組結束以后，前主機艙各大型設備需在1甲板和2甲板開孔后吊裝進艙，圖2所示為前主機艙主機和發電機進艙時1甲板和2甲板的開口圖。

1.2大型設備進艙路線圖

大型設備吊裝開孔設計完成以后，為確保設備安全順利地進艙安裝到指定的位置，需設計進艙路線圖，并按照該圖對大型設備進行吊裝，圖3所示為某型船前主機艙各大型設備進艙路線圖。

2 基于CATIA COMPOSER的納期滯后的船舶大型設備進艙虛擬仿真

CATIA COMPOSER是3DVIA COMPOSER的最新稱謂，是由法國達索公司開發的圖形軟件，軟件集成于CATIA V6設計軟件中，可以利用三維設計模型制作專業技術文檔和交互式動畫視頻，其支持的3D CAD系統和文件格式包括： CATIA V4和V5，Pro/ENGINEER以及其他船舶軟件生成的通用三維格式STEP和IGES等，并且可以通過XML交換與任何PLM系統實現集成。CATIA COMPOSER是一款簡單易用的三維軟件，可以在文檔編制、銷售、市場推廣、客戶服務、培訓、三維演示和制造等方面取得良好效果[3-4]，可廣泛地應用于船舶建造過程中的三維作業指導和工藝虛擬仿真當中。對大型設備進艙方案虛擬仿真的流程如圖4所示[5]。

2.1 制作虛擬仿真腳本

進行前主機艙大型設備進艙虛擬仿真，首先需要明確仿真的各個步驟，整理出虛擬仿真的一條清晰的思路。根據圖2所示進艙路線圖，可以制作如下虛擬仿真腳本：

（1）1甲板開孔結構吊離;

（2）2甲板開孔結構吊離;

（3）左發電機從甲板開孔垂直吊入前主機艙，然后平移至安裝位置;

（4）右發電機從甲板開孔垂直吊入前主機艙，然后平移至安裝位置;

（5）左側主機從甲板開孔垂直吊入前主機艙安裝位置;

（6）右側主機從甲板開孔垂直吊入前主機艙安裝位置;

（7）2甲板開孔結構復位;

（8）1甲板開孔結構復位。

2.2 模型數據導入

使用CATIA COMPOSER軟件對前主機艙大型設備進艙虛擬仿真，需導入的模型包括：船體結構機艙總段、發電機和主機。模型導入流程如下：

在SPD軟件中對相關模型進行非實時的三維瀏覽，系統后臺會生成3DV數據文件;使用SPD軟件中的IGES_IO轉換功能，將3DV文件轉換成3DDXF文件;使用AUTOCAD 2015打開相關模型的3DDXF文件，使用輸出功能輸出IGES格式文件;用CATIA COMPOSER軟件打開相關模型的IGES格式文件，則完成模型數據導入。

2.3 模型結構調整

相關模型數據導入CATIA COMPOSER軟件，所有的零件均在裝配樹根目錄下，根據大型設備進艙虛擬仿真腳本以及大型設備吊裝開口設計，對模型結構樹進行調整，將模型零件分別歸類于船體機艙總段、1甲板開孔結構、2甲板開孔結構、左發電機、左主機、右發電機、右主機七個不同的裝配樹下，如圖5所示，同時，各設備吊裝進入1甲板后，為便于發電機進艙仿真流程完整顯示出來，需隱藏部分船體結構，將這部分船體結構模型移動到裝配樹中船體機艙總段目錄下一個新建的子目錄中。

2.4 創建關鍵幀

在CATIA COMPOSER軟件中，剛性模型的每一個變動都可以被記錄為動畫，也稱為關鍵幀，通過設定模型運動（或變化）前后的起始幀和結束幀，并由計算機自動插值完成中間狀態的過渡變化，形成一系列的靜態連續動畫[6-7]，用于仿真船舶建造工藝過程。應用到大型設備進艙虛擬仿真的模型運動（或變化）的方式包括以下幾種：

（1）視角調整：通過旋轉模型控制相機拍攝視角來鎖定最佳拍攝角度;

（2）模型隱藏：去除或添加裝配樹中模型前的勾選項即可隱藏或顯示該部分模型，通過此功能可以在設備進入1甲板后隱藏部分結構來觀察仿真情況;

（3）位置變化：通過幾何變換窗口的自由拖動、平移、旋轉功能來模擬設備進艙路徑。

使用以上功能，結合虛擬仿真腳本，逐步完成虛擬仿真中所有關鍵幀的創建。

2.5 虛擬仿真過程生成及視頻輸出

前主機艙大型設備進艙方案虛擬仿真所需的關鍵幀的創建完成后，將各個關鍵幀按照虛擬仿真腳本的順序放置到時間軸上，調整好虛擬仿真的時間、顯示效果等因素。點擊播放即可生成大型設備進艙方案虛擬仿真動畫。在文件菜單中，通過另存為菜單，設置好壓縮比，輸出對應清晰度的.AVI視頻文件。

3 碰撞測試檢查

實現對納期滯后的大型設備進艙方案的虛擬仿真，可以在虛擬仿真的基礎上進行碰撞測試來檢查大型設備進艙方案，在菜單欄中選擇交互式沖突檢測，在工作間對話框做如下設置：選擇集1下拉框中選中正在移動，選擇集2選中全部，勾選“僅在可視角色上進行”。進行計算，計算完成后激活應用程序。然后運行大型設備進艙方案虛擬仿真動畫，即可進行碰撞測試。若出現模型碰撞情況，仿真動畫會暫停，如圖6所示，高亮的模型是左發電機在進艙路徑上出現了干涉情況。

由圖1所示原理圖可知，若碰撞測試時出現了干涉問題，則說明進艙方案不夠合理，需通過調整設備進艙路徑、進艙順序或者吊裝開口位置大小等來優化方案，然后再虛擬仿真并進行碰撞檢查，直至進艙方案可行。

4小結

通過采用CATIA COMPOSER軟件對納期滯后的某型產品前主機艙大型設備進艙方案進行虛擬仿真，并開展碰撞測試檢查，在設計階段就可以驗證方案的可靠性，提前對設計方案進行優化改進，減少工程修改問題的發生;生成的三維仿真視頻指導施工現場進行生產，解決了二維圖紙展示施工工藝不直觀的問題。該虛擬仿真技術可廣泛應用到各類船舶建造工藝設計中，對提升船舶建造工藝設計水平，降低建造成本、推廣船舶建造工藝三維數字化設計具有一定的參考價值和意義。

參考文獻：

[1] 楊潤黨，范秀敏，王文榮. 虛擬仿真技術在船舶建造過程中的研究與應用[J].艦船科學技術 2008（01）：11-12

[2]魯雄飛，鄧中軍，船舶智能制造技術的應用及發展[J].船舶物資與市場2020（06）：1-2.

[3]張志航，程廣偉，門清毅等.基于3DVIA Composer的變速箱主動軸三維可視化裝配工藝研究[J].現代信息科技2019（08）：144-147

[4]沈剛，官雄明，馮衛星等.基于Catia Composer的三維模型Web瀏覽平臺開發[J].軟件工程2019（04）：37-39

[5]楊羲昊，趙文軍，馬濤等.基于3DVIA Composer的大型結構件裝焊三維可視化表達[J]新技術新工藝2017（06）：72-74

[6]牛鵬輝，劉救世，李大磊.基于3DVIA Composer 3D動畫在機床夾具CAI中的應用研究[J].科教導刊（上旬刊）2017（12）：32-33.

[7]馬慶恒，萬永麗，姜貴中等.基于3DVIA Composer的制藥外包裝線后端智能化生成三維仿真動畫制作[J].機電產品開發與創新2020（11）68-70.

基金項目：該論文受科研項目JCKY2018206A001支持。