CN104504201A - 一种船舶分段吊装方案的自动化设计方法 - Google Patents

Abstract

一种船舶分段吊装方案的自动化设计方法，包括以下步骤：a、选择吊装分段模型；b、选取起吊设备模型；c、分段进行特征位置识别，生成初始化吊装方案；d、对吊点位置的干涉判定、工艺适应性评价及快速动态调整：e、根据各吊点所处的位置特征及吊运形式选择相应类型的眼板，并预估载荷自动选择合适眼板选型；f、对吊装方案进行快速力学分析；g.生成设计图纸并完成输出；本发明不同于常规吊装仿真系统，本发明提出的船舶分段吊装方案自动化设计方法主要用于吊装方案设计初期，相比目前技术设计效率更高、方案可靠性更好，在此方法上开发的软件系统可实现船舶分段吊装方案设计工作的完全自动化，彻底解决吊装方案人工设计上的不足。

Description

一种船舶分段吊装方案的自动化设计方法

技术领域

本发明涉及一种船舶分段吊装方案的自动化设计方法。

背景技术

船舶分段吊装是指施工单位使用起重设备对船体分段进行翻身或移位的作业工作。为保证吊装作业的顺利进行，大多施工单位均要在作业前进行严密的吊装方案设计。吊装方案设计是指在给定的几何、力学、工艺规则等约束中求解分段吊装可行性方案的过程，从几何意义上讲，也就是在特定的空间中，确定吊环的空间位置，并使方案满足稳定性和工艺适用性等要求。吊装方案设计是一个复杂的逐步寻优过程，方案的可行性与合理性，直接决定了吊装工作能否安全、高效的进行，从而影响整个船舶建造周期。

目前，国内大多数船厂可在Tribon等设计软件的辅助下完成分段吊装方案的设计工作。以Tribon系统为例，在先进PDM技术、可视化技术的支持下，用户可在系统中方便地提取分段的重量重心、结构尺寸等信息，并将吊环布置在分段模型的指定位置，按实际要求生成设计图纸。然而，调研发现：由于吊装设计需要反复考量分段尺寸、重量、重心位置、结构形式以及吊装设备参数等多方面因素，以Tribon等软件作为辅助工具进行吊装设计尚不能实现完全自动化，现阶段吊装方案设计工作存在以下问题：

a.设计过程繁琐，效率不高。

①吊运方案设计对人员的技术水平要求较高。设计人员需综合考虑分段结构特征、场地方向、吊车起吊能力、眼板复用性等各种约束条件的制约以完成吊运方案的设计。

②受实际作业的影响，吊运方案要进行多次修改。在方案修改过程中，往往对一个吊点的位置做出调整后，其余吊点也要逐个做出相应的调整。

③信息测算工作量大。吊运方案设计过程中大量的距离、载荷等信息需人工进行测量和计算，极大影响了设计效率。

b.经验估算为主，方案经济性、可靠性受到影响。

受主观经验影响，人工设计的方案在经济性、安全性和易操作性等多个目标之间的协调难以做到最优化，过于保守的设计方案会造成材料的浪费，相反一些过于追求经济性的方案会存在安全隐患。

c.以经验为基础的设计方法不利于科学培训体系的建立。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高船舶分段吊装方案的设计效率，增强船舶分段吊装方案的安全性和经济性的船舶分段吊装方案的自动化设计方法。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案：一种船舶分段吊装方案的自动化设计方法，包括以下步骤：

a、选择吊装分段模型：包括建立包含多个分段模型的模型库及与各个分段模型相关联的包括各类典型分段类型的初始化吊装算法的的初始算法库；从模型库中选择与待吊装的船舶分段相对应的分段模型，所述初始算法库中与所选择的分段模型相关联的初始化吊装算 法被选定；通过Tribon系统提取所选的分段模型中的结构参数信息，并将所述结构参数信息存储于后台数据库；所述结构参数信息包括结构尺寸参数及重量重心信息；

b、选取起吊设备模型：包括建立包含所有起吊设备模型的吊车模型库；依据待吊装分段建造场地，从吊车模型库中选择与待吊装分段建造场地相配适的起吊设备模型，并通过Tribon系统读取所选取的起吊设备模型的工艺参数，所述工艺参数包括：吊车起重能力、吊钩最大载荷；吊钩间最大载荷差值、吊钩间距范围、起重高度、吊绳角度、单钩跨距范围及最佳距离；

c、分段进行特征位置识别，生成初始化吊装方案：读取步骤a中存储于后台服务器中的结构参数信息，对该结构参数信息进行特征识别；所述特征识别包括特征板架和特征板架的特征位置的识别；

所述特征板架的识别方法为：以投影面积识别板架为例，某分段由n个基本板架组成，其全部板架的板边几何特征值A可表示为：

$A=\left[\begin{array}{cccccc}{x}_{11}& x_{12}& y_{11}& y_{12}& z_{11}& z_{12}\\ x_{21}& x_{22}& y_{21}& y_{22}& z_{21}& z_{22}\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ x_{i1}& x_{i2}& y_{i1}& y_{i2}& z_{i1}& z_{i2}\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ x_{n1}& x_{n2}& y_{n1}& y_{n2}& z_{n1}& z_{n2}\end{array}\right]$

其中，x_i1,x_i2表示i板架在X方向尺寸跨度的最小值、最大值，y、z同理。

通过比较各板架在各方向投影面积的大小，识别出处于不同位置的平面板架p：

p＝{p_i|Max[(x_i2-x_i1)×(y_i2-y_i1)]} 

板架p表示了在XOY平面内投影面积最大的板架，用于识别底部板架和甲板板架；

特征位置的识别方法为：通过Tribon系统抽取被识别出的特征板架的结构中加强材信息对所述特征板架平面内的特征位置进行识别，其识别方法为：某板架由n个加强材组成，其全部加强材的重心信息B可表示为：

$B=\left[\begin{array}{ccc}{g}_{1x}& g_{1y}& g_{1z}\\ g_{2x}& g_{2y}& g_{2z}\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ g_{\mathrm{ix}}& y_{\mathrm{ix}}& g_{\mathrm{iz}}\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ g_{\mathrm{nx}}& g_{\mathrm{ny}}& g_{\mathrm{nz}}\end{array}\right]$

其中，g_ix,g_iy,g_iz表示某加强材重心在X、Y、Z三个方向上的坐标值；

通过对各加强材某个坐标系方向的重心坐标进行排序，即可确定加强材的位置及间距；即：

s＝{Max_gy,Max'_gy,...,Min'_gy,Min_gy} 

Δl＝Max_gy-Max'_gy，其中Max_gy≠Max'_gy

其中，s为所有加强材按其重心Y坐标值由大到小进行排序，表示板架的特征位置；

由特征板架及加强材位置在步骤a中所选定的初始化吊装算法中进一步确定与特征板架的特征位置相关联的初始化吊装算法，并根据该初始化吊装算法生成初始化吊装方案，记录所述初始化吊装方案中的吊点位置；

d、对吊点位置的干涉判定、工艺适应性评价及快速动态调整： 在由步骤a所确定的初始吊装方案的基础上，以吊装分段模型的吊环空间坐标位置为基点，检查其周围是否存在包含该基点的结构件，以判定是否存在干涉工况；具体的判定方法为：假设吊环空间位置坐标为(dx,dy,dz)，其附近有A₁,A₂...A_n等多个板架，判断存在干涉需满足：

dx∈(x_i1,x_i2)∩dy∈(y_i1,y_i2)∩dz∈(z_i1,z_i2) 

其中，x_i1,x_i2表示A_i板架在X方向尺寸跨度的最小值、最大值，y、z同理；同时以基点为中心呈放射状检查基点周围是否存在结构件，具体方法为：假设眼板与构件的可焊接的安全距离为△d,且眼板沿Z正方向布置，判断存在无法焊接工况需满足：

dx±Δd∈(x_i1,x_i2)∩dy±Δd∈(y_i1,y_i2)∩dz+Δd∈(z_i1,z_i2) 

若不满所有工况要求，则用逐步以新值替代旧值的迭代方法求解吊点位置动态调整问题，并在每次迭代完成时以吊车约束作为终止迭代的判定条件，即可快速获得最优解再以吊环空间坐标位置为基点，检查其周围是否存在包含该基点的结构件，以判定干涉工况，同时以基点为中心呈放射状检查其周围是否存在结构件，在未取得上述可行解的情况下发布初始化方案重生成指令并返回上一步；

e、根据各吊点所处的位置特征及吊运形式选择相应类型的眼板，并预估载荷自动选择合适眼板选型，通过计算每个吊环所承载的重量确定相应规格的眼板；

f、对吊装方案进行快速力学分析，通过Tribon二次开发和ANSYS二次开发技术手段，对吊装分段进行有限元模型重构，模拟吊装工况，后台调用ANSYS软件进行强度校核并输出计算结果，在 分析结果不满足设计要求情况下发布继续优化指令并返回步骤e；

g.生成设计图纸并完成输出。

本发明的有益效果在于：本发明与现有的在Tribon等设计软件的辅助下完成分段吊装方案的设计工作的技术相比较，显著提高了设计效率和设计效果。其特征主要包括：1)自动在图纸上显示每个吊点的负荷、分段的重量与重心。2)可以根据吊运资源条件的不同进行配置。3)对于较为简单的结构或分段，如分段的小组立、中组立、直接合拢不参加总组且不翻身的分段，能够自动布置吊点。4)对于直接合拢不参加总组但需翻身的分段，能够自动提供方便施工的吊点布置方案。5)对于较为复杂的吊运过程应提供几套备选方案供选择。6)用颜色区分不同用途的吊环(下胎、翻身、吊运、总组、合拢)。7)自动布置的吊环应能在Tribon系统内自由的修改。8)具有力学分析性能，可对规则的型材(T型材、槽钢)进行力学分析。9)具有良好的人机交互界面，具备人工干预系统功能。

本发明不同于常规吊装仿真系统，本发明提出的船舶分段吊装方案自动化设计方法主要用于吊装方案设计初期，相比目前设计技术(在Tribon等设计软件的辅助下完成分段吊装方案的设计工作)设计效率更高、方案可靠性更好，在此方法上开发的软件系统可实现船舶分段吊装方案设计工作的完全自动化，彻底解决吊装方案人工设计上的不足。

附图说明

图1是本发明中通过Tribon系统提取的所选的分段模型中的结构参数信息。

图2是本发明特征板架的示意图。

图3是本发明初始化吊装方案的生成流程图。

图4是本发明总体流程图。

具体实施方式

以下对本发明的方法步骤进行说明：

如图1-4所示，一种船舶分段吊装方案的自动化设计方法，包括以下步骤：

第一步：选择吊装分段模型：包括建立包含多个分段模型的模型库及与各个分段模型相关联的包括各类典型分段类型的初始化吊装算法的的初始算法库；从模型库中选择与待吊装的船舶分段相对应的分段模型，初始算法库中与所选择的分段模型相关联的初始化吊装算法被选定；通过Tribon系统提取所选的分段模型中的结构参数信息，并将结构参数信息存储于后台数据库；所述结构参数信息包括结构尺寸参数及重量重心信息；

第二步：选取起吊设备模型：包括建立包含所有起吊设备模型的吊车模型库；依据待吊装分段建造场地，从吊车模型库中选择与待吊装分段建造场地相配适的起吊设备模型，并通过Tribon系统读取所选取的起吊设备模型的工艺参数，所述工艺参数包括：吊车起重能力、吊钩最大载荷；吊钩间最大载荷差值、吊钩间距范围、起重高度、吊绳角度、单钩跨距范围及最佳距离；如表1所示：

表1所选取的起吊设备模型的工艺参数表

第三步：分段进行特征位置识别，生成初始化吊装方案：读取第一步中存储于后台服务器中的结构参数信息，对该结构参数信息进行特征识别；所述特征识别包括特征板架的识别和特征位置的识别；

如图3所示，该步骤的实施流程为用户在第一步选择好吊装分段模型后，其与该类型分段相关联的几种初始化吊装算法已经被选定，通过Tribon系统读取第一步中存储于后台服务器中的结构参数信息，对吊装分段进行特征位置识别，然后进一步从已锁定的范围中匹配相应的初始化吊装算法，从而实现初始化吊装方案的快速生成。以常见的三种类型边底段为例，其横向构件为特征板架，如图2所示；

特征板架的识别方法为：以投影面积识别板架为例，某分段由n个基本板架组成，其全部板架的板边几何特征值A可表示为：

$A=\left[\begin{array}{cccccc}{x}_{11}& x_{12}& y_{11}& y_{12}& z_{11}& z_{12}\\ x_{21}& x_{22}& y_{21}& y_{22}& z_{21}& z_{22}\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ x_{i1}& x_{i2}& y_{i1}& y_{i2}& z_{i1}& z_{i2}\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ x_{n1}& x_{n2}& y_{n1}& y_{n2}& z_{n1}& z_{n2}\end{array}\right]$

其中，x_i1,x_i2表示i板架在X方向尺寸跨度的最小值、最大值，y、z同理。

通过比较各板架在各方向投影面积的大小，识别出处于不同位置的平面板架。如：

p_＝{p_i|Max[(x_i2-x_i1)×(y_i2-y_i1)]} 

板架p表示了在XOY平面内投影面积最大的板架，用于识别底部板架和甲板板架；对公式进行变换，可快速识别横纵舱壁板架、舷侧板架等。

特征位置的识别方法为：通过Tribon系统抽取被识别出的特征板架的结构中加强材信息对所述特征板架平面内的特征位置进行识别，其识别方法为：某板架由n个加强材组成，其全部加强材的重心信息B可表示为：

$B=\left[\begin{array}{ccc}{g}_{1x}& g_{1y}& g_{1z}\\ g_{2x}& g_{2y}& g_{2z}\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ g_{\mathrm{ix}}& y_{\mathrm{ix}}& g_{\mathrm{iz}}\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ g_{\mathrm{nx}}& g_{\mathrm{ny}}& g_{\mathrm{nz}}\end{array}\right]$

其中，g_ix,g_iy,g_iz表示某加强材重心在X、Y、Z三个方向上的坐标值；

通过对各加强材某个坐标系方向的重心坐标进行排序，即可确定加强材的位置及间距；即：

s＝{Max_gy,Max'_gy,...,Min'_gy,Min_gy} 

Δl＝Max_gy-Max'_gy，其中Max_gy≠Max'_gy

其中，s为所有加强材按其重心Y坐标值由大到小进行排序，表示板架的特征位置；

根据特征位置在步骤a中所选定的初始化吊装算法中进一步确定一个与特征位置相关联的初始化吊装算法，并根据所确定的初始化吊装算法生成初始化吊装方案，记录所述初始化吊装方案中的吊点位置；

第四步：对吊点位置的干涉判定、工艺适应性评价及快速动态调整：在由第一步所确定的初始吊装方案的基础上，以吊装分段模型的吊环空间坐标位置为基点，检查其周围是否存在包含该基点的结构件，以判定是否存在干涉工况；具体的判定方法为：假设吊环空间位置坐标为(dx,dy,dz)，其附近有A₁,A₂...A_n等多个板架，判断存在干涉需满足：

dx∈(x_i1,x_i2)∩dy∈(y_i1,y_i2)∩dz∈(z_i1,z_i2) 

其中，xi1,xi2表示Ai板架在X方向尺寸跨度的最小值、最大值，y、z同理；同时以基点为中心呈放射状检查基点周围是否存在结构件，具体方法为：假设眼板与构件的可焊接的安全距离为△d,且眼板沿Z正方向布置，判断存在无法焊接工况需满足：

dx±Δd∈(x_i1,x_i2)∩dy±Δd∈(y_i1,y_i2)∩dz+Δd∈(z_i1,z_i2) 

若不满所有工况要求，则用逐步以新值替代旧值的迭代方法求解吊点位置动态调整问题，并在每次迭代完成时以吊车约束作为终止迭 代的判定条件，即可快速获得最优解再以吊环空间坐标位置为基点，检查其周围是否存在包含该基点的结构件，以判定干涉工况，同时以基点为中心呈放射状检查其周围是否存在结构件，在未取得上述可行解的情况下发布初始化方案重生成指令并返回上一步；

第五步：根据各吊点所处的位置特征及吊运形式选择相应类型的眼板，并预估载荷自动选择合适眼板选型，如平面板架上多采用A型眼板，贴附于强构件多采用C型眼板，平吊多采用A、C、D型眼板，翻身常用到T型眼板等，另外，根据静力学原理，通过计算每个吊环所承载的重量确定相应规格的眼板；

第六步：对吊装方案进行快速力学分析，通过Tribon二次开发和ANSYS二次开发技术手段，对吊装分段进行有限元模型重构，模拟吊装工况，后台调用ANSYS软件进行强度校核并输出计算结果，在分析结果不满足设计要求情况下发布继续优化指令并返回第五步；本发明也可实现分段及吊装方案APDL有限元命令流的转化，协助复杂吊装过程的有限元强度分析

第七步：生成设计图纸并完成输出。可支持自定义格式CAD图纸的自动输出。

以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种船舶分段吊装方案的自动化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、选择吊装分段模型：包括建立包含多个分段模型的模型库及与各个分段模型相关联的包括各类典型分段类型的初始化吊装算法的的初始算法库；从模型库中选择与待吊装的船舶分段相对应的分段模型，所述初始算法库中与所选择的分段模型相关联的初始化吊装算法被选定；通过Tribon系统提取所选的分段模型中的结构参数信息，并将所述结构参数信息存储于后台数据库；所述结构参数信息包括结构尺寸参数及重量重心信息；

b、选取起吊设备模型：包括建立包含所有起吊设备模型的吊车模型库；依据待吊装分段建造场地，从吊车模型库中选择与待吊装分段建造场地相配适的起吊设备模型，并通过Tribon系统读取所选取的起吊设备模型的工艺参数，所述工艺参数包括：吊车起重能力、吊钩最大载荷；吊钩间最大载荷差值、吊钩间距范围、起重高度、吊绳角度、单钩跨距范围及最佳距离；

c、分段进行特征位置识别，生成初始化吊装方案：读取步骤a中存储于后台服务器中的结构参数信息，对该结构参数信息进行特征识别；所述特征识别包括特征板架和特征板架的特征位置的识别；

所述特征板架的识别方法为：以投影面积识别板架为例，某分段由n个基本板架组成，其全部板架的板边几何特征值A可表示为：

其中，xi1,xi2表示i板架在X方向尺寸跨度的最小值、最大值，y、z同理；

通过比较各板架在各方向投影面积的大小，识别出处于不同位置的平面板架p：

p＝{p_i|Max[(x_i2-x_i1)_×(y_i2-y_i1)]} 

板架p表示了在XOY平面内投影面积最大的板架，用于识别底部板架和甲板板架；

特征位置的识别方法为：通过Tribon系统抽取被识别出的特征板架的结构中加强材信息对所述特征板架平面内的特征位置进行识别，其识别方法为：某板架由n个加强材组成，其全部加强材的重心信息B可表示为：

其中，g_ix,g_iy,g_iz表示某加强材重心在X、Y、Z三个方向上的坐标值；

通过对各加强材某个坐标系方向的重心坐标进行排序，即可确定加强材的位置及间距；即：

s＝{Max_gy,Max'_gy,…,Min'_gy,Min_gy} 

Δl＝Max_gy-Max'_gy，其中Max_gy≠Max'_gy

其中，s为所有加强材按其重心Y坐标值由大到小进行排序，表示板架的特征位置；

由特征板架及加强材位置在步骤a中所选定的初始化吊装算法中进一步确定与特征板架的特征位置相关联的初始化吊装算法，并根据该初始化吊装算法生成初始化吊装方案，记录所述初始化吊装方案中的吊点位置；

d、对吊点位置的干涉判定、工艺适应性评价及快速动态调整：在由步骤a所确定的初始吊装方案的基础上，以吊装分段模型的吊环空间坐标位置为基点，检查其周围是否存在包含该基点的结构件，以判定是否存在干涉工况；具体的判定方法为：假设吊环空间位置坐标为(dx,dy,dz)，其附近有A₁,A₂...A_n等多个板架，判断存在干涉需满足：

dx∈(x_i1,x_i2)∩dy∈(y_i1,y_i2)∩dz∈(z_i1,z_i2) 

其中，x_i1,x_i2表示A_i板架在X方向尺寸跨度的最小值、最大值，y、z同理；同时以基点为中心呈放射状检查基点周围是否存在结构件，具体方法为：假设眼板与构件的可焊接的安全距离为△d,且眼板沿Z正方向布置，判断存在无法焊接工况需满足：

dx±Δd∈(x_i1,x_i2)∩dy±Δd∈(y_i1,y_i2)∩dz+Δd∈(z_i1,z_i2) 

若不满所有工况要求，则用逐步以新值替代旧值的迭代方法求解吊点位置动态调整问题，并在每次迭代完成时以吊车约束作为终止迭代的判定条件，即可快速获得最优解再以吊环空间坐标位置为基点，检查其周围是否存在包含该基点的结构件，以判定干涉工况，同时以基点为中心呈放射状检查其周围是否存在结构件，在未取得上述可行解的情况下发布初始化方案重生成指令并返回上一步；

e、根据各吊点所处的位置特征及吊运形式选择相应类型的眼板， 并预估载荷自动选择合适眼板选型，通过计算每个吊环所承载的重量确定相应规格的眼板；

f、对吊装方案进行快速力学分析，通过Tribon二次开发和ANSYS二次开发技术手段，对吊装分段进行有限元模型重构，模拟吊装工况，后台调用ANSYS软件进行强度校核并输出计算结果，在分析结果不满足设计要求情况下发布继续优化指令并返回步骤e；

g.生成设计图纸并完成输出。