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1、船舶产品设计虚拟评估系统研究及工程应用韦乃琨 杨润党 徐东 谢子明摘 要为了在船舶设计阶段对船舶产品的设计结果进行评估，提出了开发船舶产品设计虚拟评估系统（SPNavis）。本文分析了系统需要具备的功能，提出了技术架构，解决了异构数据转换、虚拟装配、动态剖切等各种关键技术，开发了虚拟评估系统，用于解决虚拟环境下舱室布局评估与优化、建造过程可装配性与可维修仿真等问题。该系统已成功应用于多艘船舶的设计检查，与传统CAD软件相比，具有明显的优势。关键字：虚拟评估 船舶产品 海量数据 虚拟装配 动态剖切1 引言常用船舶设计系统主要用于船舶产品设计和生产设计，使用交互式手段实现数据输入完成设计。由于设计
2、系统本身包含了大量信息，产品设计信息与生产设计信息割裂，无法使用于多通道集群系统等特点，导致处理大规模数据时效率低、操作难度大、检查手段弱、扩展能力有限。船舶产品虚拟漫游系统就是为了解决船舶设计系统存在的不足而量身定制的，解决软大数据量组织、存储、保存技术，多通道集群管理技术，并行渲染技术等关键技术，开发船舶设计虚拟评估系统，能应用于大型图形工作站、图形集群、微机等硬件，为设计结果评估提供仿真环境。2 船舶产品设计虚拟评估系统功能需求及技术架构2.1 功能需求2.1.1 数据转换为了保证仿真的真实性，确保设计与仿真数据的一致性，仿真数据都源于船舶设计系统。开发常用船舶设计系统，如Tribon、
3、CADDS、SPD及SB3DS与虚拟仿真的接口，为船舶产品的设计和虚拟评估提供数据。2.1.2 海量数据处理能力船舶产品具有海量数据的特点，一艘七万吨的散货船包含的管子超过5,000根，电缆超过100千米，船体和铁舾件超过两万个零件，舰船包含的零件数目则更大。因此，为了满足实时、快速地完成船舶产品的设计和评估工作，要求系统具备处理海量数据的能力。2.1.3 设计虚拟评估船舶产品结构复杂，舱室众多，大型舰船的舱室多达数千个，还有其它许多如指挥塔、导航、通讯、探测、生命、推进等许多系统和模块，在前期初步设计的基础上，利用虚拟仿真技术，对大型船舶各个系统和模块的布置进行仿真和交互式漫游，验证这些系统
4、布置的合理性。船舶的舾装根据专业划为管系、电装、轮机、外舾、内舾和风管，分布在船体的各个区域，在不同的阶段进行安装。生产设计时，各专业的设计人员根据布置图和原理图等资料，分别进行设计，存在大量相互干涉的情况，要求设计虚拟评估软件按区域对各设计专业/系统进行综合评估，缩短设计周期，减少设计差错。船舶产品的分段/总段划分对于提高舰船的建造质量、缩短造船周期、现代化改装具有重要意义。在初步设计阶段，设计者就开始分段/总段划分设计，利用设计虚拟评估系统，结合划分原则，如舰船功能设计区域、船厂吊装能力和作业流程、同类系统在分段/总段的高耦合性、舱室完整性和结构特点等，支持船舶产品的分段/总段可视化划分仿
5、真和评价，提供直观的仿真方案。2.1.4 建造过程仿真现代船舶中，舾装作业面广，工程量大，为了提高建造质量，缩短建造周期，最大限度地把舾装作业提前到作业环境较好的车间，积极扩大单元和奋斗预舾装率，提高总段预舾装率。要求船舶设计虚拟评估系统不仅支持船舶建造各阶段的船体建造仿真，还支持舾装作业的交互式仿真，检验建造工艺的可行性和合理性，支持装焊顺序和装配路径的快速修改和仿真，为预舾装率的提高提供技术保障。2.1.5 维修和改装作业仿真现代舰船设计不仅要满足船舶的可制造性，还需要满足可维修和快速换装的要求。由于造船CAD系统中，不具有船舶产品的动态装配过程的设计，尤其是对狭小舱室设备的安装，零部件的
6、安装等，无法在设计过程中进行有效的检查，而虚拟制造和装配过程可以进行设计的验证。因此，要开展船舶产品主要设备可维性作业进行仿真，区域舾装零件拆装作业仿真，为船舶的快速维修和改装提供各种技术方案。2.1.6 托盘自动划分目前，生产设计中，各类托盘中的每个对象都是设计人员通过手工方式来确定的，花费大量的时间，且出错的频率很大，延长了设计时间，增加了建造成本。要求船舶产品设计虚拟评估软件通过交互方式，按区域/阶段/专业对舾装进行快速划分，并支持舾装对象属性的快速调整，实现托盘自动化划分，并具备生成管子零件明细表、管子支架制造明细表、阀件、附件托盘管理表、设备明细表、托盘管理表等各类报表的功能。2.2
7、 技术架构船舶产品设计虚拟评估系统的技术架构如图1所示，系统包含文件操作、交互设备接入、虚拟装配等功能模块。数据转换集成平台实现异构数据的转换，并导入设计虚拟评估系统，是设计评估的基础。虚拟评估系统能够访问、修改、更新设计系统的数据库，从而实现设计和工艺数据的同步修改，减少设计返工时间，充分发挥两种系统的优势。图1 船舶产品设计虚拟评估系统技术架构3 船舶产品设计虚拟评估系统关键技术3.1 异构系统数据转换对常用船舶设计系统（TRIBON、CADDS5、SB3DS等）的产品结构、几何造型、颜色、材质信息以及各类属性信息进行解密、抽取盒转换。根据船舶设计系统与虚拟仿真系统数据匹配的原则，对数据进
8、行重构，制定数据转换技术方案，实现数据转换，数据转换的基本处理流程如图2所示。图2 船舶产品虚拟仿真数据转换解决方案3.2 海量数据的动态与静态碰撞检测技术碰撞检测技术用于检查操作者、设备及零部件之间的动态干涉，该技术是虚拟评估系统的基本功能。在船舶模型数据量极大，常规的碰撞检测技术已不能满足要求，必须解决海量数据的快速、精确、可控精度碰撞检测问题。静态碰撞检测技术采用层次包围盒技术，最底层的精确模型检测提供两种技术：基于特征和基于高精度的面片。基于特征是精确检测，需要虚拟评估系统访问设计系统的底层模型信息，目前支持国内自行开发的SB3DS和SPD。Tribon、CADDS5设计的模型，由于设
9、计数据保密和技术封锁，只能通过面片显示。对于船舶系统，碰撞检测分两类：系统/专业内部的碰撞检测；专业之间的碰撞检测，是碰撞检测的重点。由于专人负责同一系统/专业的生产设计，系统内部模型的几何干涉较少，但需要精确碰撞检测算法。基于精确面片的包围盒层次树算法完全能够满足专业之间模型的碰撞检测。3.3 动态剖切技术在船体结构生产设计基本结束后，各舾装专业的设计人员按区域分别对各专业进行舾装生产设计。由于设计系统在设计过程的沟通方面相对薄弱，机装综合布置时，管系、风管、电气、铁舾存在干涉的现象非常多。动态剖切功能提供肋位、水线、船宽方向动态输入，实现指定区域的快速检查，排除其它结构的干扰。3.4 多通
10、道管理技术多通道管理技术是构建高沉浸感虚拟现实环境所必需的一个基本要素，包括多通道立体显示系统设置、图像输入输出、视锥划分、图像边缘融合、几何变形算法校正、仿真控制任务分配、节点间数据通讯、帧同步锁定等。3.5 托盘自动划分按区域/阶段/类型，通过交互方式，自动完成托盘划分，与生产设计电气模块实现无缝结合，自动生成各类托盘的明细表。3.6 虚拟装配技术船舶虚拟仿真模块为船舶建造仿真应用提供统一的开发框架、工具库和程序界面。在平台中集成进行虚拟仿真开发所必须的文件输入输出接口、场景管理接口，显示和声音输入输出接口，外围设备输入输出接口和事件仿真控制等基本功能。虚拟装配的主要优势体现在方便的交互手
11、段上，自然的人机交互方式及先进的外围虚拟交互设备的应用将有利于提高虚拟装配系统的可操作性和实用性。精确定位是虚拟装配的重要部分，是验证船体、设备等可装配性的前提，特别是在交互式虚拟装配中，能够实现吊装设备和其它进舱设备的精确控制，为精度造船的虚拟仿真提供技术支撑。3.7 设计和工艺库访问与修改船舶产品设计虚拟评估系统作为生产设计的后续软件，支持访问与修改设计与工艺库。在设计检查过程，发现结构设计问题，在不改变拓扑结构的条件下，对设计数据进行修改，并保持生产设计数据的同步更新。对于工艺数据，能够增加、修改和更新工艺数据库中所有相关的信息。4 工程应用船舶产品设计虚拟评估系统主要用于船舶产品设计和
12、生产设计阶段船舶总布置、舱室布置、管系布置和敷设、电缆布置和敷设以及各类系统、装置和设备的布置仿真作业评估，以及船舶建造各阶段的仿真。借助此软件，工程师可以在虚拟环境下快速设计、分析和比较多种设计方案，从而明显减少真实船舶建造后出现的各种问题，提高船舶产品设计水平，大幅度缩短船舶开发周期和建造成本。虚拟评估系统能够支持大规模数据的船舶模型虚拟评估的需求。图3为某化学品船的整船模型，包含了各类舾装模型，普通微机、主动立体显示帧率达20帧/秒。图4是4400T铺管船机舱区域的设计虚拟评估环境。图3 某型船舶在设计虚拟评估环境图4 4400T铺管船机舱总段区域的设计虚拟评估5 结论虚拟仿真技术的出现和不断发展，无疑为探索船厂布局规划、船舶设计、建造和维护的新方法提供了一种十分有益的思路和手段。船舶产品的设计虚拟评估系统利用虚拟仿真技术展示船舶的设计结果给船级社和船东、进行船舶总体布置以及船舶机舱船、机、电三维综合布置的虚拟仿真与评估；对船体建造、舾装过程进行仿真、验证建造工艺的合理性、优化建造流程。设计虚拟评估工作的开展，将可以提高设计质量，减少设计差错，降低建造成本。40
