CN111737877B - 一种基于三维模型的船体分段吊装设计方法及设计平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维模型的船体分段吊装设计方法及设计平台。该方法根据船体分段信息和吊装作业要求确定吊点位置，根据吊点位置确定吊耳型号，根据吊点位置、吊耳型号、吊车信息和船体摆放位置信息建立船体分段吊装三维模型，根据所述船体分段吊装三维模型模拟吊装操作从而判断吊装设计是否符合吊装工艺要求，若符合吊装工艺要求，则根据吊装设计生成三维吊装作业指导文件。本发明基于三维模型进行船体分段吊装模拟，能够提高吊装工艺设计效率及可靠性，避免设计人员给出的吊装设计方案优化不足，经济性不高。

Description

一种基于三维模型的船体分段吊装设计方法及设计平台

技术领域

本发明涉及船体分段吊装领域，特别是涉及一种基于三维模型的船体分段吊装设计方法及设计平台。

背景技术

船体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，是船体建造流程中的重要作业环节。为确保吊装作业的顺利进行，施工单位(造船厂)均要在船体分段吊装作业前进行严密的船体分段吊装工艺设计。吊装工艺设计的优劣，直接决定了船体分段吊装工作能否安全、高效的进行。

现有的吊装工艺设计过程存在以下问题：

a.设计过程繁琐，效率不高。

①吊装工艺设计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、吊环复用性等各种约束条件的制约以完成吊装工艺方案的设计。

②受实际作业的影响，吊装工艺设计要进行多次修改。在修改过程中，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。吊装工艺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.以二维、静态图形为主的设计图纸在作业指导中不直观，图纸形式的线下指导效率低，问题反馈及解决不及时。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于三维模型的船体分段吊装设计方法及设计平台，基于三维模型进行船体分段吊装模拟，避免设计人员给出的吊装设计方案优化不足，经济性不高，能够提高吊装工艺设计效率及可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于三维模型的船体分段吊装设计方法，包括：

获取船体分段信息、吊车信息、船体摆放位置信息和吊装作业要求；

根据所述船体分段信息和所述吊装作业要求确定吊点位置；

根据所述吊点位置确定吊耳型号；

根据所述吊点位置、所述吊耳型号、所述吊车信息和所述船体摆放位置信息建立船体分段吊装三维模型；

根据所述船体分段吊装三维模型模拟吊装操作，判断吊装设计是否符合吊装工艺要求；若符合吊装工艺要求，则根据所述吊装设计生成三维吊装作业指导文件；若不符合吊装工艺要求，则返回步骤“根据所述船体分段信息和所述吊装作业要求确定吊点位置”。

可选的，所述根据所述船体分段信息和所述吊装作业要求确定吊点位置，具体包括：

获取分段重心坐标和分段框架结构信息；

根据所述船体分段信息中的板架结构数据和所述吊装作业要求进行吊平面识别；所述板架结构数据包括板架重心位置、板架结构边界和板架的投影面积；

根据所述分段重心坐标、所述分段框架结构信息和吊平面信息计算吊点位置坐标。

可选的，所述根据所述船体分段吊装三维模型模拟吊装操作，判断吊装设计是否符合吊装工艺要求，具体包括：

对所述船体分段吊装三维模型进行吊车平移运动和吊钩升降运动，得到吊缆和分段的关联运动计算结果；

根据所述关联运动计算结果确定模型的位置信息和姿态信息；

根据所述位置信息和姿态信息判断吊装设计是否符合吊装工艺要求。

可选的，所述根据所述位置信息和姿态信息判断吊装设计是否符合吊装工艺要求，具体包括：

根据所述位置信息和姿态信息判断吊钩和吊点承受的拉力是否发生超载情况；

根据所述位置信息和姿态信息判断吊缆和船体分段结构相对位置关系是否出现碰撞情况；

根据所述位置信息和姿态信息判断吊耳结构和分段结构的应力是否出现不满足预设强度情况。

本发明还提供一种基于三维模型的船体分段吊装设计平台，包括：

数据获取模块，用于获取船体分段信息、吊车信息、船体摆放位置信息和吊装作业要求；

吊点位置确定模块，用于根据所述船体分段信息和所述吊装作业要求确定吊点位置；

吊耳型号确定模块，用于根据所述吊点位置确定吊耳型号；

三维模型建立模块，用于根据所述吊点位置、所述吊耳型号、所述吊车信息和所述船体摆放位置信息建立船体分段吊装三维模型；

吊装工艺要求检测模块，用于根据所述船体分段吊装三维模型进行模拟吊装操作，判断吊装设计是否符合吊装工艺要求；若符合吊装工艺要求，则执行三维吊装作业指导文件生成模块；若不符合吊装工艺要求，则执行所述吊点位置确定模块；

所述三维吊装作业指导文件生成模块，用于根据所述吊装设计生成三维吊装作业指导文件。

可选的，所述吊点位置确定模块，具体包括：

数据获取单元，用于获取分段重心坐标和分段框架结构信息；

吊平面识别单元，用于根据所述船体分段信息中的板架结构数据和所述吊装作业要求进行吊平面识别；所述板架结构数据包括板架重心位置、板架结构边界和板架的投影面积；

吊点位置确定单元，用于根据所述分段重心坐标、所述分段框架结构信息和吊平面信息计算吊点位置坐标。

可选的，所述吊装工艺要求检测模块，具体包括：

关联运动计算结果确定单元，用于对所述船体分段吊装三维模型进行吊车平移运动和吊钩升降运动，得到吊缆和分段的关联运动计算结果；

所述位置和姿态信息确定单元，用于根据所述关联运动计算结果确定模型的位置信息和姿态信息；

吊装工艺要求检测单元，用于根据所述位置信息和姿态信息判断吊装设计是否符合吊装工艺要求。

可选的，所述吊装工艺要求检测单元，具体包括：

超载检测子单元，用于根据所述位置信息和姿态信息判断吊钩和吊点承受的拉力是否发生超载情况；

碰撞检测子单元，用于根据所述位置信息和姿态信息判断吊缆和船体分段结构相对位置关系是否出现碰撞情况；

强度检测子单元，用于根据所述位置信息和姿态信息判断吊耳结构和分段结构的应力是否出现不满足预设强度情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于三维模型的船体分段吊装设计方法及设计平台，根据船体分段信息和吊装作业要求确定吊点位置，根据吊点位置确定吊耳型号，根据吊点位置、吊耳型号、吊车信息和船体摆放位置信息建立船体分段吊装三维模型，根据所述船体分段吊装三维模型模拟吊装操作从而判断吊装设计是否符合吊装工艺要求，若符合吊装工艺要求，则根据吊装设计生成三维吊装作业指导文件。本发明基于三维模型进行船体分段吊装模拟，避免设计人员给出的吊装设计方案优化不足，经济性不高，能够提高吊装工艺设计效率及可靠性，有利于实现更直观、更高效的施工作业指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于三维模型的船体分段吊装设计方法流程图；

图2为本发明实施例中分段吊平面内吊点布置示意图；

图3为本发明实施例中总体方案流程图；

图4为本发明实施例中基于三维模型的船体分段吊装设计平台结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于三维模型的船体分段吊装设计方法及设计平台，基于三维模型进行船体分段吊装模拟，避免设计人员给出的吊装设计方案优化不足，经济性不高，能够提高吊装工艺设计效率及可靠性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

图1为本发明实施例中基于三维模型的船体分段吊装设计方法流程图，如图1所示，一种基于三维模型的船体分段吊装设计方法，包括：

步骤101：获取船体分段信息、吊车信息、船体摆放位置信息和吊装作业要求。

船体分段信息包括：设计人员导入固定数据格式的、用于描述目标船体分段几何、物理、结构信息的数据文件，设计平台依据预设数据结构解析该数据文件，提取目标船体分段类型、结构形式、结构尺寸、重量重心数据。

吊车信息包括：设计人员选择实施该项吊装工艺的吊车设备，设计平台依据预设数据结构解析选定吊车设备对应的数据文件，提取目标设备类型、总起重能力、钩头数量、各钩头起重能力、钩头最大起重差等数据。

船体摆放位置信息(工艺信息)包括：手工输入船体分段基面朝向、船体分段摆放与起重设备相对方向、是否翻身、翻身方向、翻身角度等数据。

根据步骤101的输入信息，由计算机程序进行设计信息比对，确认该设计任务是否是已在智能工艺库备案的典型任务。如已备案，建议设计人员使用一键式设计模式。如无备案，建议设计人员使用交互式设计模式。

设计信息比对是基于步骤101的输入信息中分段类型、是否翻身、翻身角度等信息，与“智能工艺库算法索引信息”进行匹配，输出结果为“已备案”或“无备案”。

智能工艺库用于存储若干典型分段吊装工艺的自动设计算法，每个算法通过分段类型、是否翻身、翻身角度等信息进行索引，如：双层底分段180度翻身吊装工艺自动设计算法。

一键式设计模式是基于自动算法程序实现。

三维交互式设计模式：基于步骤101输入的设计信息，由计算机图形程序建立目标船舶分段三维几何模型；设计人员可在船舶分段三维模型上进行吊点选取；并通过可视化界面对各吊点进行吊耳类型\型号定义、吊耳用途定义、吊耳装\拆阶段定义等。

步骤102：根据船体分段信息和吊装作业要求确定吊点位置。

步骤102，具体包括：

获取分段重心坐标和分段框架结构信息；

根据船体分段信息中的板架结构数据和吊装作业要求进行吊平面识别；板架结构数据包括板架重心位置、板架结构边界和板架的投影面积；

根据分段重心坐标、分段框架结构信息和吊平面信息计算吊点位置坐标。

具体的，以双层底分段180度翻身吊装工艺(双层底分段为板架结构数据，180度翻身为吊装作业要求)自动设计算法为例，应用该自动设计算法程序生成的吊装工艺设计方案一般涉及2个吊平面(内底平面、外底平面)、6或12个吊点(2×2×2或4×4×4吊点布置形式)、2种类型(A型、C型)共12种型号吊耳。

首先进行吊平面识别，遍历分段文件中的板架结构数据，根据板架重心位置、结构边界、三向投影面等几何特征值信息，进行吊平面识别。如：外底吊平面应同时满足“船长X/船宽Y方向尺寸远大于高度Z方向尺寸”、“XOY投影面面积远大于另两个方向投影面面积”、“重心高度方向坐标Z约为0”等特征，下面举例说明：

假设某双层底分段由n个板架组成，其板架结构边界特征值A可表示为：

其中，x_i1，x_i2分别表示板架i在X方向尺寸跨度的最小值、最大值，y_i1，y_i2分别表示板架i在Y方向尺寸跨度的最小值、最大值，z_i1，z_i2分别表示板架i在Z方向尺寸跨度的最小值、最大值。

通过比较各板架在各方向投影面积的大小，可识别出板架三向投影面信息。如下式，板架p表示了在XOY平面内投影面积最大的板架，可用于识别内底或外底板架。

p＝{p_i|Max[(x_i2-x_i1)×(y_i2-y_i1)]}

进一步的，通过比较以上特征板架的垂向坐标值，可准确区分内底板架和外底板架。

其次进行吊点布置，自动算法程序读取分段重心坐标、分段框架结构信息及已识别的吊平面信息，通过后台程序以吊点的分散性和均匀性为优化目标，以吊装过程中的吊索斜拉角度限制、力与力矩平衡和吊缆最大拉力约束为约束条件，建立吊点布置的多目标优化模型并求解得到吊点位置坐标。

目标函数如下：

f＝max f₁(L)+min f₂(L)

(1)吊点的分散性通过以吊点为顶点的多边形面积函数来进行评价。

分散性目标函数如下：

式中，L_i表示第i个吊点的位置向量，n_i为吊点的数量，D为任意向量，D的顶点一般选为船体坐标系的原点；依次叉乘D指向吊点的位置向量，求得以吊点为顶点的多边形的面积。

(2)吊点的均匀性基于势函数的均匀性来度量，通过计算吊点与吊点间的距离评价吊点之间的分散性，以吊点为顶点构成一个空间体为凸多面体，以凸多面体的边为对称轴，将凸多面体对称复制，通过吊点与吊点在面外的对称点的距离评价吊点与边界的距离。

均匀性目标函数如下：

式中，L_i，L_j为吊点的位置向量，U(L_i)为单个吊点的势函数值，n表示凸多面体的边的总数量，

表示L_i关于凸多面体第l条边的面外对称点，n_i为吊点的数量，d(L_i,L_j)表示L_i与L_j间的距离，

表示L_i与

间的距离。

为L_i与凸多面体面内除L_i外其他吊点向量的势函数的计算值，

为L_i与所有吊点向量的面外对称点的势函数的计算值。通过求和凸多面体面内、面外的势函数值，得到吊点的位置向量L_i的最终势函数值，最后对所有吊点的位置向量进行计算，求得整体的势函数值。

约束条件如下：

(1)吊索斜拉角度限制约束：吊点位置处的吊点与吊车通过吊缆相连，为保证吊装过程的稳定性，平衡梁上的吊缆应始终垂直于地面，吊平面与平衡梁下的吊缆形成的夹角不应该超过规定的最大斜拉角度。

吊索斜拉角度限制约束公式如下：

α_i-α_max≤0

式中，α_i表示第i个吊点的吊缆与吊平面法向量的夹角，α_max表示最大的斜拉角度。

(2)力与力矩平衡约束：吊装过程中，分段的起升速度和运行速度较慢并且在整个吊装过程保持匀速直线运动，因此针对吊装过程进行应用静力学分析，使其受力平衡。

力与力矩平衡约束公式如下：

式中，F表示船舶分段所受拉力的总和，即分段的重力，t_i表示第i个吊点所受拉力，L_i表示第i个吊点的位置向量，n_i表示吊点的数量。

(3)吊缆最大拉力约束：针对吊车，要保证吊钩上每一根吊索承受的拉力不能超过吊索拉力的极限。

吊缆最大拉力约束公式如下：

式中，t_max表示吊缆最大许用拉力。

图2为模型求解得到的分段吊平面内吊点布置示意图。如图所示，G为分段重心，d₁₁、d₁₂、d₁₃、d₁₄为与1号钩相连接的4个吊点，d₂₁、d₂₂、d₂₃、d₂₄为与2号钩相连接的4个吊点，d₃₁、d₃₂、d₃₃、d₃₄为与3号钩相连接的4个吊点。根据吊装工艺设计相关要求，该方案吊点布置间距适宜且分布均匀，满足设计要求。

步骤103：根据吊点位置确定吊耳型号。

根据吊点位置确定吊耳型号。根据吊点位置特点，对各吊点处吊耳进行类型选择。根据吊点位置坐标，估算各吊点受力情况，按2倍安全系数选择吊耳型号。

步骤104：根据吊点位置、吊耳型号、吊车信息和船体摆放位置信息建立船体分段吊装三维模型。船体分段吊装三维模型包括分段三维模型、吊车三维模型、吊耳模型和吊缆模型。

基于步骤102-103的设计结果，进行方案信息完整性校验，由计算机程序校验是否存在必要信息缺失，如存在必要信息缺失，提示设计人员进行完善。完整性校验通过后，由计算机程序生成三维工艺方案文件，文件包含以下信息；分段信息、吊车信息、工艺信息、吊装工艺设计信息(总体方案信息、各吊点位置、各吊点吊耳类型\型号\用途\装拆阶段信息等)。

基于三维仿真设计平台，解析三维工艺设计文件，生成三维模型及三维工艺方案。

步骤105：根据所述船体分段吊装三维模型模拟吊装操作，判断吊装设计是否符合吊装工艺要求；若符合吊装工艺要求，则执行步骤106；若不符合吊装工艺要求，则返回步骤102。

步骤105，具体包括：

对船体分段吊装三维模型进行吊车平移运动和吊钩升降运动，得到吊缆和分段的关联运动计算结果；

根据关联运动计算结果确定分段三维模型的位置信息和姿态信息；

根据位置信息和姿态信息判断吊装设计是否符合吊装工艺要求。

基于三维仿真设计平台及步骤104生成的三维工艺方案，由设计人员操作模型进行吊车平移运动、吊钩升降运动，计算机实时记录运动数据并传送给仿真算法程序；由计算机后台运行仿真算法程序，对运动数据进行运算处理，得到吊缆、分段等对象关联运动计算结果；仿真算法程序将结果反馈给三维仿真设计平台，计算机图形程序根据结果更新三维模型位置、姿态，实现工艺动态仿真。该多体系统运动方程基于多体系统牛顿运动方程进行推导。

其中，根据位置信息和姿态信息判断吊装是否符合吊装工艺要求，具体包括：

1)根据位置信息和姿态信息判断吊钩和吊点承受的拉力是否发生超载情况。

判断是否发生超载情况即是进行静力学仿真验证：由计算机后台运行静力学仿真算法程序，对实时反馈的三维模型姿态数据进行运算处理，得到各吊钩及吊点实时承受拉力大小，超载情况发生时向设计人员发出提示。

2)根据位置信息和姿态信息判断吊缆和船体分段结构相对位置关系是否出现碰撞情况。

判断是否出现碰撞情况即是进行碰撞体仿真验证：由计算机后台运行碰撞体仿真算法程序，对实时反馈的三维模型姿态数据进行运算处理，得到各吊缆与船舶分段结构的相对位置关系数据，解析得到碰撞结果，碰撞发生时由计算机向设计人员发出提示。

将船体分段拆分成相对独立的单个板架，使用有向包围盒(OBB)的方式逐个添加网格碰撞体组件，从而实现对分段和吊索的完全覆盖。利用碰撞体的触发器功能来进行碰撞体检测，该方法要求被检测物体都必须带有碰撞体，其中一个物体还必须带有刚体组件。碰撞体监测通过以下三个触发器实现：

(1)第一个触发器：用于吊索与分段开始碰撞的情况

(2)第二个触发器：用于吊索与分段停止碰撞的情况

(3)第三个触发器：用于吊索与分段持续碰撞的情况

通过脚本编程控制，分别给船体分段和吊索添加碰撞体，然后将触发器脚本挂载在吊索上。当干涉开始发生时，激活OnTriggerEnter函数，获取并输出吊索和被干涉板架的编号信息，修改其渲染材质，同时暂停仿真运动。点击继续仿真按钮，将执行OnTriggerStay函数，在短时间内忽略软件内部所有的碰撞，继续进行仿真，一段时间后若仍有碰撞则再次暂停仿真。当干涉结束时，执行OnTriggerExit函数，将吊索和被干涉板架的渲染材质恢复至初始状态。

3)根据位置信息和姿态信息判断吊耳结构和分段结构的应力是否出现不满足预设强度情况。

判断是否出现不满足预设强度情况即是进行结构强度仿真校核：由计算机后台运行结构强度仿真算法程序，对实时反馈的三维模型姿态数据进行运算处理，得到吊耳结构、分段局部结构应力及位移结果，强度不足时向设计人员发出提示。

步骤106：根据吊装设计生成三维吊装作业指导文件。

图3为本发明实施例中总体方案流程图，如图3所示，给出了作业指导文件生成判定、作业指导文件生成并发布、作业指导文件查看和吊装工艺实施。

其中，

作业指导文件生成判定是基于步骤105验证结果，由设计人员判定该方案是否为最终方案，“是”则进行作业指导文件生成并发布，“否”返回交互式设计模式修改设计方案。

作业指导文件生成并发布是按吊装作业指导要求生成三维吊装作业指导文件，包括作业要领、三维工艺设计方案及动态仿真作业流程，在线发布给现场施工部门。

作业指导文件查看是应用电子设备(计算机、智能手机等)、通过WEB方式，施工部门在线查看已发布的三维吊装作业指导文件，包括作业要领、三维工艺设计方案及动态仿真作业流程；针对设计问题，施工部门、设计部门可进行在线沟通确认。

吊装工艺实施是施工部门按作业指导文件中已沟通确认的三维吊装作业指导文件实施吊装作业；作业过程中记录作业信息，在线反馈给设计部门。

本发明简化了设计过程，提高设计效率，实现设计参数的自动提取、三维模型自动构建；通过三维仿真形式输出设计结果，节省出图环节；针对部分典型船体分段结构形式，通过匹配吊装工艺设计自动化算法，实现船体分段吊装工艺自动化设计。本发明使得工艺设计结果更为优化，针对部分典型船体分段结构形式，通过匹配吊装工艺设计优化算法，实现船体分段吊装工艺优化设计，实现方案经济性、可靠性协调优化。并且作业指导方式更为直观高效，现场吊装工艺作业前，通过查看吊装工艺设计三维模型及作业动态仿真，实现更为直观、高效的施工作业指导。

图4为本发明实施例中基于三维模型的船体分段吊装设计平台结构图。如图4所示，一种基于三维模型的船体分段吊装设计平台，包括：

数据获取模块201，用于获取船体分段信息、吊车信息、船体摆放位置信息和吊装作业要求。

吊点位置确定模块202，用于根据船体分段信息和吊装作业要求确定吊点位置。

吊点位置确定模块202，具体包括：

数据获取单元，用于获取分段重心坐标和分段框架结构信息；

吊平面识别单元，用于根据船体分段信息中的板架结构数据和吊装作业要求进行吊平面识别；板架结构数据包括板架重心位置、板架结构边界和板架的投影面积；

吊点位置确定单元，用于根据分段重心坐标、分段框架结构信息和吊平面信息计算吊点位置坐标。

吊耳型号确定模块203，用于根据吊点位置确定吊耳型号。

三维模型建立模块204，用于根据吊点位置、吊耳型号、吊车信息和船体摆放位置信息建立船体分段吊装三维模型。

吊装工艺要求检测模块205，用于根据船体分段吊装三维模型模拟吊装操作，判断吊装设计是否符合吊装工艺要求；若符合吊装工艺要求，则执行三维吊装作业指导文件生成模块206；若不符合吊装工艺要求，则执行吊点位置确定模块202。

吊装工艺要求检测模块205，具体包括：

关联运动计算结果确定单元，用于对船体分段吊装三维模型进行吊车平移运动和吊钩升降运动，得到吊缆和分段的关联运动计算结果。

位置和姿态信息确定单元，用于根据关联运动计算结果确定模型的位置信息和姿态信息。

吊装工艺要求检测单元，用于根据位置信息和姿态信息判断吊装设计是否符合吊装工艺要求。

吊装工艺要求检测单元，具体包括：

超载检测子单元，用于根据位置信息和姿态信息判断吊钩和吊点承受的拉力是否发生超载情况。

碰撞检测子单元，用于根据位置信息和姿态信息判断吊缆和船体分段结构相对位置关系是否出现碰撞情况。

强度检测子单元，用于根据位置信息和姿态信息判断吊耳结构和分段结构的应力是否出现不满足预设强度情况。

三维吊装作业指导文件生成模块206，用于根据吊装设计生成三维吊装作业指导文件。

对于实施例公开的设计平台而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于三维模型的船体分段吊装设计方法，其特征在于，包括：

获取船体分段信息、吊车信息、船体摆放位置信息和吊装作业要求；

根据所述船体分段信息和所述吊装作业要求确定吊点位置；

所述根据所述船体分段信息和所述吊装作业要求确定吊点位置，具体包括：

获取分段重心坐标和分段框架结构信息；

根据所述船体分段信息中的板架结构数据和所述吊装作业要求进行吊平面识别；所述板架结构数据包括板架重心位置、板架结构边界和板架的投影面积；

根据所述分段重心坐标、所述分段框架结构信息和吊平面信息通过自动算法程序计算吊点位置坐标；

平台包含智能工艺库，用于存储自动算法，基于船体分段信息、吊车信息、船体摆放位置信息和吊装作业要求中分段类型、是否翻身和翻身角度，与智能工艺库算法索引信息进行匹配，每个算法通过分段类型、是否翻身、翻身方向和翻身角度进行索引；

所述自动算法程序的基本原理是：读取分段重心坐标、分段框架结构信息及已识别的吊平面信息，通过后台程序以吊点的分散性和均匀性为优化目标，以吊装过程中的吊索斜拉角度限制、力与力矩平衡和吊缆最大拉力约束为约束条件，建立吊点布置的多目标优化模型并求解得到吊点位置坐标；

所述自动算法程序的数学模型由目标函数和约束条件构成，目标函数为：

f＝max f₁(L)+min f₂(L)

分散性目标函数如下：

均匀性目标函数如下：

分散性目标函数式中，L_i表示第i个吊点的位置向量，n_i为吊点的数量，D为任意向量，D的顶点一般选为船体坐标系的原点；依次叉乘D指向吊点的位置向量，求得以吊点为顶点的多边形的面积；吊点的分散性通过以吊点为顶点的多边形面积函数来进行评价；

均匀性目标函数式中，L_i，L_j为吊点的位置向量，U(L_i)为单个吊点的势函数值，n表示凸多面体的边的总数量，

表示L_i关于凸多面体第l条边的面外对称点，n_i为吊点的数量，d(L_i,L_j)表示L_i与L_j间的距离，

表示L_i与

间的距离；

为L_i与凸多面体面内除L_i外其他吊点向量的势函数的计算值，

为L_i与所有吊点向量的面外对称点的势函数的计算值；通过求和凸多面体面内、面外的势函数值，得到吊点的位置向量L_i的最终势函数值，最后对所有吊点的位置向量进行计算，求得整体的势函数值；吊点的均匀性基于势函数的均匀性来度量，通过计算吊点与吊点间的距离评价吊点之间的分散性，以吊点为顶点构成一个空间体为凸多面体，以凸多面体的边为对称轴，将凸多面体对称复制，通过吊点与吊点在面外的对称点的距离评价吊点与边界的距离；

约束条件如下：

吊索斜拉角度限制约束：吊点位置处的吊点与吊车通过吊缆相连，为保证吊装过程的稳定性，平衡梁上的吊缆应始终垂直于地面，吊平面与平衡梁下的吊缆形成的夹角不应该超过规定的最大斜拉角度；

吊索斜拉角度限制约束公式如下：

α_i-α_max≤0

式中，α_i表示第i个吊点的吊缆与吊平面法向量的夹角，α_max表示最大的斜拉角度；

力与力矩平衡约束：吊装过程中，分段的起升速度和运行速度较慢并且在整个吊装过程保持匀速直线运动，因此针对吊装过程进行应用静力学分析，使其受力平衡；

力与力矩平衡约束公式如下：

式中，F表示船舶分段所受拉力的总和，即分段的重力，t_i表示第i个吊点所受拉力，L_i表示第i个吊点的位置向量，n_i表示吊点的数量；

吊缆最大拉力约束：针对吊车，要保证吊钩上每一根吊索承受的拉力不能超过吊索拉力的极限；

吊缆最大拉力约束公式如下：

式中，t_max表示吊缆最大许用拉力；

根据所述吊点位置确定吊耳型号；

根据所述吊点位置、所述吊耳型号、所述吊车信息和所述船体摆放位置信息建立船体分段吊装三维模型；

基于设计结果，进行方案信息完整性校验，由计算机程序校验是否存在必要信息缺失，如存在必要信息缺失，提示设计人员进行完善；完整性校验通过后，由计算机程序生成三维工艺方案文件，文件包含以下信息：分段信息、吊车信息、工艺信息、吊装工艺设计信息；

基于三维仿真设计平台，解析三维工艺设计文件，生成三维模型及三维工艺方案；

根据所述船体分段吊装三维模型模拟吊装操作，判断吊装设计是否符合吊装工艺要求；若符合吊装工艺要求，则根据所述吊装设计生成三维吊装作业指导文件；若不符合吊装工艺要求，则返回步骤“根据所述船体分段信息和所述吊装作业要求确定吊点位置”；

判断吊装设计是否符合吊装工艺要求包括根据位置信息和姿态信息判断吊缆和船体分段结构相对位置关系是否出现碰撞情况；

判断是否出现碰撞情况即是进行碰撞体仿真验证：由计算机后台运行碰撞体仿真算法程序，对实时反馈的三维模型姿态数据进行运算处理，得到各吊缆与船舶分段结构的相对位置关系数据，解析得到碰撞结果，碰撞发生时由计算机向设计人员发出提示。

2.根据权利要求1所述的基于三维模型的船体分段吊装设计方法，其特征在于，所述根据所述船体分段吊装三维模型模拟吊装操作，判断吊装设计是否符合吊装工艺要求，具体包括：

对所述船体分段吊装三维模型进行吊车平移运动和吊钩升降运动，得到吊缆和分段的关联运动计算结果；

根据所述关联运动计算结果确定模型的位置信息和姿态信息；

根据所述位置信息和姿态信息判断吊装设计是否符合吊装工艺要求。

3.根据权利要求2所述的基于三维模型的船体分段吊装设计方法，其特征在于，所述根据所述位置信息和姿态信息判断吊装设计是否符合吊装工艺要求，具体包括：

根据所述位置信息和姿态信息判断吊钩和吊点承受的拉力是否发生超载情况；

根据所述位置信息和姿态信息判断吊耳结构和分段结构的应力是否出现不满足预设强度情况。

4.一种基于三维模型的船体分段吊装设计平台，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于获取船体分段信息、吊车信息、船体摆放位置信息和吊装作业要求；

吊点位置确定模块，用于根据所述船体分段信息和所述吊装作业要求确定吊点位置；

所述吊点位置确定模块，具体包括：

数据获取单元，用于获取分段重心坐标和分段框架结构信息；

吊平面识别单元，用于根据所述船体分段信息中的板架结构数据和所述吊装作业要求进行吊平面识别；所述板架结构数据包括板架重心位置、板架结构边界和板架的投影面积；

吊点位置确定单元，用于根据所述分段重心坐标、所述分段框架结构信息和吊平面信息通过自动算法程序计算吊点位置坐标；

平台包含智能工艺库，用于存储自动算法，基于船体分段信息、吊车信息、船体摆放位置信息和吊装作业要求中分段类型、是否翻身和翻身角度，与智能工艺库算法索引信息进行匹配，每个算法通过分段类型、是否翻身、翻身方向和翻身角度进行索引；

所述自动算法程序的基本原理是：读取分段重心坐标、分段框架结构信息及已识别的吊平面信息，通过后台程序以吊点的分散性和均匀性为优化目标，以吊装过程中的吊索斜拉角度限制、力与力矩平衡和吊缆最大拉力约束为约束条件，建立吊点布置的多目标优化模型并求解得到吊点位置坐标；

所述自动算法程序的数学模型由目标函数和约束条件构成，目标函数为：

f＝max f₁(L)+min f₂(L)

分散性目标函数如下：

均匀性目标函数如下：

分散性目标函数式中，L_i表示第i个吊点的位置向量，n_i为吊点的数量，D为任意向量，D的顶点一般选为船体坐标系的原点；依次叉乘D指向吊点的位置向量，求得以吊点为顶点的多边形的面积；吊点的分散性通过以吊点为顶点的多边形面积函数来进行评价；

均匀性目标函数式中，L_i，L_j为吊点的位置向量，U(L_i)为单个吊点的势函数值，n表示凸多面体的边的总数量，

表示L_i关于凸多面体第l条边的面外对称点，n_i为吊点的数量，d(L_i,L_j)表示L_i与L_j间的距离，

表示L_i与

间的距离；

为L_i与凸多面体面内除L_i外其他吊点向量的势函数的计算值，

为L_i与所有吊点向量的面外对称点的势函数的计算值；通过求和凸多面体面内、面外的势函数值，得到吊点的位置向量L_i的最终势函数值，最后对所有吊点的位置向量进行计算，求得整体的势函数值；吊点的均匀性基于势函数的均匀性来度量，通过计算吊点与吊点间的距离评价吊点之间的分散性，以吊点为顶点构成一个空间体为凸多面体，以凸多面体的边为对称轴，将凸多面体对称复制，通过吊点与吊点在面外的对称点的距离评价吊点与边界的距离；

约束条件如下：

吊索斜拉角度限制约束：吊点位置处的吊点与吊车通过吊缆相连，为保证吊装过程的稳定性，平衡梁上的吊缆应始终垂直于地面，吊平面与平衡梁下的吊缆形成的夹角不应该超过规定的最大斜拉角度；

吊索斜拉角度限制约束公式如下：

α_i-α_max≤0

式中，α_i表示第i个吊点的吊缆与吊平面法向量的夹角，α_max表示最大的斜拉角度；

力与力矩平衡约束：吊装过程中，分段的起升速度和运行速度较慢并且在整个吊装过程保持匀速直线运动，因此针对吊装过程进行应用静力学分析，使其受力平衡；

力与力矩平衡约束公式如下：

式中，F表示船舶分段所受拉力的总和，即分段的重力，t_i表示第i个吊点所受拉力，L_i表示第i个吊点的位置向量，n_i表示吊点的数量；

吊缆最大拉力约束：针对吊车，要保证吊钩上每一根吊索承受的拉力不能超过吊索拉力的极限；

吊缆最大拉力约束公式如下：

式中，t_max表示吊缆最大许用拉力；

吊耳型号确定模块，用于根据所述吊点位置确定吊耳型号；

三维模型建立模块，用于根据所述吊点位置、所述吊耳型号、所述吊车信息和所述船体摆放位置信息建立船体分段吊装三维模型；

基于设计结果，进行方案信息完整性校验，由计算机程序校验是否存在必要信息缺失，如存在必要信息缺失，提示设计人员进行完善；完整性校验通过后，由计算机程序生成三维工艺方案文件，文件包含以下信息：分段信息、吊车信息、工艺信息以及吊装工艺设计信息；

基于三维仿真设计平台，解析三维工艺设计文件，生成三维模型及三维工艺方案；

吊装工艺要求检测模块，用于根据所述船体分段吊装三维模型进行模拟吊装操作，判断吊装设计是否符合吊装工艺要求；若符合吊装工艺要求，则执行三维吊装作业指导文件生成模块；若不符合吊装工艺要求，则执行所述吊点位置确定模块；

所述吊装工艺要求检测模块包括碰撞检测子单元，碰撞检测子单元用于根据位置信息和姿态信息判断吊缆和船体分段结构相对位置关系是否出现碰撞情况；

判断是否出现碰撞情况即是进行碰撞体仿真验证：由计算机后台运行碰撞体仿真算法程序，对实时反馈的三维模型姿态数据进行运算处理，得到各吊缆与船舶分段结构的相对位置关系数据，解析得到碰撞结果，碰撞发生时由计算机向设计人员发出提示；

所述三维吊装作业指导文件生成模块，用于根据所述吊装设计生成三维吊装作业指导文件。

5.根据权利要求4所述的基于三维模型的船体分段吊装设计平台，其特征在于，所述吊装工艺要求检测模块，具体包括：

关联运动计算结果确定单元，用于对所述船体分段吊装三维模型进行吊车平移运动和吊钩升降运动，得到吊缆和分段的关联运动计算结果；

所述位置和姿态信息确定单元，用于根据所述关联运动计算结果确定模型的位置信息和姿态信息；

吊装工艺要求检测单元，用于根据所述位置信息和姿态信息判断吊装设计是否符合吊装工艺要求。

6.根据权利要求5所述的基于三维模型的船体分段吊装设计平台，其特征在于，所述吊装工艺要求检测单元，具体包括：

超载检测子单元，用于根据所述位置信息和姿态信息判断吊钩和吊点承受的拉力是否发生超载情况；

强度检测子单元，用于根据所述位置信息和姿态信息判断吊耳结构和分段结构的应力是否出现不满足预设强度情况。

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