應用虛擬仿真技術推進數(shù)字化造船

2013-06-03 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

隨著信息技術和造船技術的融合發(fā)展,數(shù)字化造船是全球造船企業(yè)的必由之路,而艦船建造的技術經(jīng)濟特點決定了實施數(shù)字化造船迫切需要虛擬仿真技術。本文就虛擬仿真技術的內(nèi)涵和發(fā)展歷程、虛擬仿真造船技術實施途徑與關鍵技術、發(fā)展中遇到的問題及對策等問題展開了深入探討。
楊國兵李柏洲甘志霞來源:萬方數(shù)據(jù)
關鍵字:CAE 虛擬仿真技術數(shù)字化造船現(xiàn)代造船模式
世界造船強國從CAX開始,逐步由實施CIMS、應用敏捷制造技術向組建“虛擬企業(yè)”方向發(fā)展,形成船舶產(chǎn)品開發(fā)、設計、建造、驗收、使用、維護于一體的船舶產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化支持系統(tǒng),從而實現(xiàn)船舶設計全數(shù)字化、船舶制造精益化和敏捷化、船舶管理精細化、船舶制造裝備自動化和智能化、船舶制造企業(yè)虛擬化,從而大幅度提高生產(chǎn)效率和降低成本,使其具有較高的市場競爭力。我國造船業(yè)要想在國際競爭中立于不敗之地,也必須大力實施數(shù)字化造船。
1 實施數(shù)字化造船迫切需要虛擬仿真技術
艦船制造業(yè)環(huán)境不同于其他行業(yè),艦船工業(yè)所生產(chǎn)的巨大的艦船必須在訂貨合同簽訂后才能進行設計建造。在建造中為了充分利用船臺(塢)、加工裝配車間、棲裝車間、涂裝車間、碼頭等大型固定設施和大量生產(chǎn)人員,必須要有能適合施工的設計和均衡各作業(yè)場所生產(chǎn)能力的設備、維持設備良好運行的管理和工程管理技術。
艦船產(chǎn)業(yè)是總裝性質的產(chǎn)業(yè),在接受訂貨后,先要根據(jù)設計要求籌備各種各樣的部件、原材料、設備等,并按交船期制定造船方法、建造工藝、生產(chǎn)計劃、物資供應、生產(chǎn)管理和質量控制等各方面技術,需統(tǒng)籌各方面的技術,以便有效地使用材料、設備和人員。
艦船設計是一項專業(yè)面廣、綜合性強的專業(yè)工作,涉及到總體、船體、棲裝、涂裝,以及裝置、動力、系統(tǒng)、電氣、武備等幾百個專業(yè)。在現(xiàn)行的艦船設計階段中,包含大量的數(shù)據(jù)、圖紙和工藝文件標準等。設計中需要各專業(yè)相互配合、交叉和不斷深化,以及圖紙、資料、信息的共享和傳輸,復雜程度高,技術難度大。
艦船建造是一個龐大而復雜的系統(tǒng)工程,如何在有限空間內(nèi)設計布置和安裝各種裝置和設施,如:主輔機動力系統(tǒng)、設備、通訊、導航、控制、武備和特種裝置及各種生活設施、復雜管系和電纜等,需要在設計中和施工前進行綜合謀劃,但是,按照傳統(tǒng)的造船模式,施工中的碰撞、交叉和計劃實施只能通過圖紙和模型進行局部優(yōu)化,往往是顧此失彼,不能預見生產(chǎn)過程中的瓶頸和問題,以及風險的防范。而在信息技術基礎上發(fā)展起來的虛擬仿真造船技術能有效解決艦船建造中的這些難題,因此,虛擬仿真技術成為數(shù)字化造船技術發(fā)展的重要方向。
2 造船虛擬仿真技術的內(nèi)涵和發(fā)展歷程
2.1 虛擬仿真技術的概念、內(nèi)容以及在產(chǎn)品建造中的應用
虛擬仿真技術是將數(shù)字化信息技術和計算機技術應用于產(chǎn)品的設計與制造,相對于傳統(tǒng)的產(chǎn)品研制,它是一個全新的概念,是對真實產(chǎn)品制造的虛擬現(xiàn)實模擬,是利用計算機軟硬件技術、圖形、圖像處理與模式識別技術、智能接口技術、人工智能技術、多傳感器技術、語音處理與音響技術、網(wǎng)絡技術、并行處理技術等多種高新技術,在計算機上進行而不消耗真實物理資源的仿真制造軟技術。
虛擬造船技術處理的對象是艦船產(chǎn)品與造船系統(tǒng)的信息與數(shù)據(jù),生產(chǎn)出來的是電子樣船。虛擬造船技術包括如下幾大部分:艦船產(chǎn)品和造船過程建模技術及虛擬車間建模技術、虛擬公司建模技術;運行和操作的仿真技術及綜合可視化技術;模型部件的組織技術、工作和信息流程控制技術、碰撞的求解技術及驗證技術;數(shù)據(jù)庫技術、人工智能技術、系統(tǒng)集成技術及協(xié)同求解技術等。目前,先進的造船計算機軟件和硬件系統(tǒng)已經(jīng)能實現(xiàn)虛擬造船技術。
虛擬仿真技術在產(chǎn)品建造中的應用主要體現(xiàn)在兩個方面:一是建模,二是仿真。在設計階段,用戶能直接參與產(chǎn)品的交互設計,提出修改和優(yōu)化設計的意見;在制造階段使用戶和參與者對產(chǎn)品制造全過程中的工藝、生產(chǎn)和管理等整個制造系統(tǒng)的功能進行有效的評價。因此,必須結合產(chǎn)品的設計生產(chǎn)過程、生產(chǎn)工藝、工程管理、物資配套等生產(chǎn)管理全過程的集成制造的真實環(huán)境,借助計算機將真實環(huán)境轉變?yōu)樘摂M環(huán)境,通過仿真技術對產(chǎn)品設計、工藝和管理等進行優(yōu)化,這樣就能在真實產(chǎn)品制造前,讓業(yè)主和制造商等產(chǎn)生諸如視覺、聽覺、觸覺等各種感覺信息,使參與者尤如身在其中,從而達到預測產(chǎn)品的功能及制造廠生產(chǎn)系統(tǒng)的狀況,預先了解制造過程及實時優(yōu)化方案的目的。
2.2 虛擬仿真技術在國內(nèi)外造船業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀
艦船制造仿真技術源于02世紀05年代的造船成組技術的應用,日本造船界借鑒汽車流水線的批量法則,以“中間產(chǎn)品”為導向,實現(xiàn)多品種小批量,按區(qū)域、類型和階段,在三維圖面上解決優(yōu)化造船問題,即實施生產(chǎn)設計技術,為施工提供盡可能優(yōu)化、全面的細致的“工作圖”和“管理圖表”,達到設計、生產(chǎn)管理一體化合理組織造船生產(chǎn)。
隨著信息技術的飛速發(fā)展,進入02世紀09年代以來,造船發(fā)達國家紛紛利用信息技術給造船業(yè)帶來的各種機遇,積極開展船舶以數(shù)字化描述和虛擬現(xiàn)實技術相結合為特征的虛擬設計和制造仿真技米的研究。
美國于20世紀90年代在國防部的領導下成立了海事敏捷研究組,該組織由來自Leigh大學、5家船廠、海軍、船東、船級社、供應商和設計部門的代表組成,從事有關造船的敏捷制造研究,包括如何從技術上、組織機構以及人力資源上使現(xiàn)有的船舶建造方式過渡到敏捷制造。1992年由ARPA資助進行了下一代船舶設計系統(tǒng)——基于設計仿真SBD(simulation Base Design)的項目研究,目標是建立一個能預先進行船舶設計、制造、運行和評價的虛擬環(huán)境,即在計算機上實現(xiàn)設計和虛擬建造船舶。SBD中的關鍵技術是集成的開發(fā)環(huán)境(IPPD),它利用了虛擬現(xiàn)實技術、無縫集成CAE/CAD/CAM和數(shù)據(jù)庫,并在1994年給出了相應的原型系統(tǒng)。最近美國通用動力公司下屬的Electronic Boat corp。采用Dassault system,CATIA/CATWEB解決方案,實現(xiàn)集成產(chǎn)品數(shù)據(jù)環(huán)境中可視化,提高造船企業(yè)中各個部門的合作能力,并將該方法應用到海狼級潛艇的設計中,極大地提高了效率。目前美國CAD/CAM廠商正在聯(lián)合開發(fā)一個船舶設計制造軟件系統(tǒng)Virtual Design,目的是通過無縫的多學科集成(工程設計、生產(chǎn)、后勤及相應的商務系統(tǒng)),來減少船舶設計50%以上的時間和成本。除了上述虛擬設計研究以外,美國海軍和一些大學還開展了有關虛擬現(xiàn)實及其在艦船設計和制造的應用研究。例如,密西根大學(UMICH)虛擬現(xiàn)實實驗室采用浸沉式虛擬現(xiàn)實技術(Immersive virtua reality)進行了游船設計和相關的船舶應用,使得來自不同領域的專家可同時進行并行設計,提高了效率。同時,UMICH還利用虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)生產(chǎn)過程的仿真,通過CAE的技術預先檢查各分段組裝和船臺總裝過程,修改虛擬生產(chǎn)設計和生產(chǎn)計劃中的錯誤,美國海軍研究實驗室還進行了分布式仿真研究,針對不同的作戰(zhàn)情況實現(xiàn)艦艇訓練的虛擬化。
日本大力開展造船CIMS和CALS研究及原型系統(tǒng)的實施;韓國也大力開展了有關敏捷制造、電子采購系統(tǒng)、基于Agent造船設計和生產(chǎn)調(diào)度計劃系統(tǒng)以及電子商務等的研究;歐盟也進行了G8-MARVEL等的研究,為新一輪的市場競爭做好技術儲備。
我國造船工業(yè)從20世紀70年代開始采用造船CAM技術使造船生產(chǎn)效率和加工質量有了較大地提高。80年代后期,船舶工業(yè)統(tǒng)一組織開發(fā)了OA-515、CADIs和MIS等造船造機系統(tǒng),有力促進了船舶企業(yè)的信息化進程。隨著造船CAD/CAE和MIS技術的發(fā)展,產(chǎn)品設計開始丟掉圖版,新產(chǎn)品開發(fā)設計周期有效縮短,船舶企業(yè)現(xiàn)代化管理水平得到提高,船舶制造企業(yè)初具國際競爭力并不斷壯大。90年代中后期,國際先進的造船軟件如TRIBON、CADDS5系統(tǒng)開始引進應用,骨干船廠應用三維建模技術建立產(chǎn)品電子信息模型。新技術的應用使國內(nèi)造船水平上了新的臺階,產(chǎn)品建造總周期得到了有效縮短,產(chǎn)品建造質量明顯提高。
CAD/CAM技術的深入應用為推進集成制造技術提供了信息源頭。GM技術和CIMS開始在滬東中華、渤海船廠和廣船國際等船廠開發(fā)應用。CIMS的應用使產(chǎn)品制造和管理信息集成起來,從而能夠實現(xiàn)制造信息高度共享和企業(yè)制造資源優(yōu)化,全面提高企業(yè)運行效率。

3 虛擬仿真造船技術的實施途徑與關鍵技術
(1)建立電子樣船模型。傳統(tǒng)的艦船建造通常采用實尺或比例放樣將設計圖紙變?yōu)槭┕D。船廠內(nèi)備有巨大的樣臺,而放樣工常年處于相當辛苦的狀態(tài)。他們主要工作是對艦船設計線型進行光順、并將二維平面圖通過放樣制成樣板、樣箱,供加工裝配或施工用。這種工作成本高、周期長、工作艱苦、效率低。近20多年來計算機技術發(fā)展迅速,計算機數(shù)學放樣在船體、棲裝(含船裝、管裝、機裝、電裝、內(nèi)裝)等三維建模已有突破,其電子樣船和三維機艙已成為現(xiàn)實。通過計算機和仿真、多媒體等建立的電子樣船,可以預先在電腦里看到船體外表和內(nèi)部結構、艙室、設備布置和性能,以便船東、船廠、建造師、船檢、設備廠商等提前了解如何建造和實時提出修改建議。同時,艙室尤其是機艙內(nèi)的管系、設備等可以實時進行干涉檢查,將建造安裝中產(chǎn)生的矛盾提前到設計階段解決。
(2)建立船廠制造系統(tǒng)虛擬生產(chǎn)線。目前在艦船建造過程中,已大量采用機械化、自動化生產(chǎn)線,如鋼材預處理流水線、型鋼自動號料切割線、板材數(shù)控切割線、NC彎肋骨機、平面(曲面)分段流水線、船臺(塢)作業(yè)生產(chǎn)線等。這些生產(chǎn)線有些自控技術也很先進,但大多數(shù)還是靠人工監(jiān)視,往往在生產(chǎn)過程中由于運行不當或者機械故障,而造成整機或整線癱煥,某一條線的瓶頸將會對整個產(chǎn)品生產(chǎn)產(chǎn)生負面影響。因此,在電子化樣船的基礎上,對船廠的現(xiàn)實制造系統(tǒng)利用計算機建立艦船制造虛擬環(huán)境,即生產(chǎn)過程含管理的電子三維空間。該虛擬生產(chǎn)環(huán)境包括工廠生產(chǎn)環(huán)境的數(shù)字化數(shù)據(jù)轉換,以及各生產(chǎn)線、廠房布局、道路設施、車間內(nèi)各流水線進行數(shù)字化建模,同時各加工流程加工信息形成信息流,并驅動物料流形成工序流,再輸入工藝、設備、人員、計劃、精度、質量等信息形成具有沉浸感受的信息化虛擬環(huán)境。這個虛擬環(huán)境給設計者和其他參與者一種身臨其境的感覺。
(3)建立艦船企業(yè)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)信息交換標準。艦船企業(yè)內(nèi)部建立健全的數(shù)據(jù)庫非常重要,它是形成企業(yè)數(shù)字化的信息共享構架平臺,是構造企業(yè)信息化的技術基礎,以便實現(xiàn)對產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)所涉及的設計、制造、生產(chǎn)管理、質量控制、成本控制等全過程的各類數(shù)據(jù)無縫整合,為企業(yè)生產(chǎn)全過程有關工作的組織計劃、監(jiān)督和協(xié)調(diào)提供依據(jù)。
只有企業(yè)數(shù)據(jù)庫還不能開展全行業(yè)的虛擬仿真造船。因為對于一個行業(yè)或某一集團內(nèi)部,如果各企業(yè)信息不能共享或者信息“孤島”嚴重,將會造成好不容易生成的大量的有價值的設計生產(chǎn)、管理信息在傳遞中被丟失,造成資源浪費和利用率低等問題。而“孤島”現(xiàn)象又會造成大量信息冗余和重復生成處理,同樣造成資源浪費。因此,迫切需要建立一個信息共享平臺,即必須采用國際標準來進行設計和生產(chǎn)、也就是產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標準(sTEP)。該標準不僅能描述產(chǎn)品的幾何信息,還包括參數(shù)化數(shù)據(jù)、特征和非幾何數(shù)據(jù),如精度、計劃、工藝管理等信息。有了企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)交換標準,就可以在行業(yè)或一個集團內(nèi)各企業(yè)間實現(xiàn)設計、生產(chǎn)、管理信息資源共享。
除了上述研究的進展,還有一些支持虛擬仿真關鍵技術,如臨境技術和擬實技術、三維模型與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的接口技術、零部件分段加工裝焊過程的仿真技術、物流仿真分析、視景仿真和主體顯示、虛擬環(huán)境技術、人機工程等都得到快速發(fā)展。
4 虛擬仿真技術在我國造船業(yè)發(fā)展中遇到的問題及對策
4.1 目前虛擬仿真技術在我國造船業(yè)應用中的問題
(1)應用的重點仍集中在解決技術與工程問題上,沒有與企業(yè)的業(yè)務流程、運營模式和管理變革有效結合,尚未有效地促進體制創(chuàng)新、管理創(chuàng)新。往往有了先進的造船信息系統(tǒng)和裝備卻以傳統(tǒng)的觀念和模式來運行,難以發(fā)展數(shù)字化應有的效益。
(2)產(chǎn)品設計、制造、管理信息一體化的集成度較低。船舶行業(yè)的零部件數(shù)量很龐大,目前國內(nèi)對船舶零部件標準化程度和日韓相比差距較大,同時也缺乏真正可執(zhí)行的行業(yè)統(tǒng)一編碼,使得各企業(yè)之間、企業(yè)內(nèi)部本身無法做到信息共享和集成。
(3)船舶數(shù)字化測試、虛擬設計、虛擬建造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等技術的應用尚為空白或剛起步,因此產(chǎn)品先期研制水平低、周期長,數(shù)字化管理缺乏完整信息資源。
(4)船舶制造資源優(yōu)化配置技術的應用處于較低水平,企業(yè)的生產(chǎn)管理和協(xié)調(diào)仍以現(xiàn)場調(diào)度型為主,滿足精細管理要求的造船管理信息系統(tǒng)研究和應用尚處于初級階段,管理基本還處于粗放型。
(5)滿足船舶產(chǎn)品成本預算、核算、控制的成本管理集成信息系統(tǒng)尚處于起步階段,船舶企業(yè)成本失控現(xiàn)象時有發(fā)生。
(6)實現(xiàn)船舶產(chǎn)品生命周期的現(xiàn)代物流信息系統(tǒng)剛起步。
(7)船舶制造裝備自動化程度較低,造船機器人的應用基本處于空白。
(8)船舶核心軟件基本從國外引進,難以掌握數(shù)字化造船主動權。
4.2 我國造船業(yè)要大力推進建立現(xiàn)代造船模式
世界造船業(yè)已經(jīng)進入了更高層次的“數(shù)字化”階段,正在研究全球化的資源優(yōu)化集成,以全面數(shù)字化、全面模塊化和網(wǎng)絡平臺等技術為支撐,建立動態(tài)的造船聯(lián)盟——虛擬企業(yè)。中國造船業(yè)要想在這個未來的動態(tài)聯(lián)盟中占有一席之地,應用虛擬仿真技術是中國造船業(yè)的一條必由之路,中國企業(yè)應該通過實施現(xiàn)代造船模式,利用數(shù)字化造船系統(tǒng)提升競爭力,以統(tǒng)籌優(yōu)化原理為指導,應用成組技術原理;以中間產(chǎn)品為導向,按區(qū)域組織生產(chǎn);殼、棲、涂作業(yè)在空間上分道、時間上有序;設計、生產(chǎn)、管理一體化,均衡、連續(xù)地總裝造船,并且改進管理體制與模式,完善與發(fā)展配套的上下游行業(yè),從而使船廠縮短造船周期、提高生產(chǎn)效率和降低造船成本。
4.3 大力提高自主研發(fā)能力
近年來,骨干船廠、設計院所和大學相繼引進國外大型船舶設計制造軟件TRIBON、CADDSS、CATIA/ENOVIA等。但由于我國企業(yè)管理的環(huán)境、理念、體制上的特殊性,使得花重金引進的國外軟件不能簡單套用,引進后有大量的本土化工作要做,而本地化開發(fā)的難度則大大超出了預想的難度。同時由于我國“世界第一造船大國”目標的提出,日韓政府已加緊限制包括軟件、數(shù)據(jù)標準等先進造船技術對我國的輸出。所以,真正一流的技術是買不來的。我國造船企業(yè)發(fā)展虛擬仿真技術還必須靠自主研發(fā)這條道路,例如滬東中華等廠自主開發(fā)了船體建造軟件三維棲裝管系設計,已在國內(nèi)數(shù)十余家船廠應用。從長遠利益來看,我們必須開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的造船虛擬仿真軟件系統(tǒng)。為此,需要加大科研經(jīng)費和基礎設施建設方面的投入,整合現(xiàn)有的開發(fā)成果,集中人力、物力、財力解決系統(tǒng)建設中的關鍵問題,盡快形成適合中國造船企業(yè)的虛擬仿真軟件產(chǎn)品,并努力推進虛擬仿真軟件的實施應用。
4.4 加強船舶數(shù)字化基礎體系建設
數(shù)字化制造技術以信息數(shù)字化的形式實現(xiàn)信息管理、傳輸、處理和共享,因此必須首先建立數(shù)字化的基礎體系。根據(jù)船舶企業(yè)的特點從基礎標準、數(shù)字化設計標準、制造標準、管理標準、數(shù)字化試驗與評價標準等方面進行研究,制定出符合船舶企業(yè)實際以及發(fā)展需要的船舶制造數(shù)字化標準規(guī)范體系;建設相應的基礎性和通用性的數(shù)據(jù)庫、知識庫和模型庫;建立和研究船舶信息集成及數(shù)據(jù)交換標準和平臺,并建立一個通暢、穩(wěn)定、安全的網(wǎng)絡通信平臺。