CN115795969B - 一种基于离散数据的船体分段吊装工艺吊点布置设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离散数据的船体分段吊装工艺吊点布置设计方法，该方法包括获取数据、船体分段离散数据加工与坐标变换、分段吊点备选点集合与确定吊点布置分区结果、吊点数量计算、吊点布置方案集合计算、力学分析与应力计算的步骤，即通过离散数据的解析和对吊装工艺中涉及的主要生产要素进行分析，提出面向全部船体分段的吊装工艺吊点布置方法，该方法创新地提出了基于离散数据进行吊点备选点自识别；可为全部船型分段进行统一算法求解吊装工艺设计方案提供基础数据支持；此外，该方法还创新地引入平衡梁与吊装作业要求结合对干涉问题求解的方法；可不进行三维动态仿真即可避免吊点布置方案中存在吊绳与分段干涉出现的情况。

Description

一种基于离散数据的船体分段吊装工艺吊点布置设计方法

技术领域

本发明涉及一种船舶分段吊装技术领域，特别涉及一种基于离散数据的船体分段吊装工艺设计吊点布置设计方法。

背景技术

船体分段吊装工艺设计吊点布置是指施工单位使用起重设备对船体分段进行翻身或移位设计时的吊耳布置坐标选择问题，是船体分段吊装设计过程中的核心环节。为确保吊装工艺设计的顺利进行，施工单位要在船体分段吊装施工前进行吊装工艺设计吊点布置。吊装工艺设计吊点布置的优劣，直接决定了船体分段吊装工作能否安全、高效的进行。

目前，与本发明近似的实现方法是由船舶分段吊装工艺设计人员依据已有的吊装工艺设计经验进行吊点布置设计，从而完成该项工作。具体步骤如下：

1)设计人员获取设计参数

针对船体分段，设计人员获取开展吊装工艺吊点设计所需的数据，包括：船体分段的结构形式、结构尺寸、重量重心数据；

针对起重设备及其附属工器具，设计人员获取开展吊装工艺设计吊点布置所必须的设计参数，包括：起重设备类型与参数；

2)设计人员获取吊装工艺要求

吊装工艺要求包括：船体分段基平面朝向、船体分段与起重设备的相对方向、是否翻身、翻身角度；

3)设计人员进行吊装工艺设计

根据设计参数与吊装工艺要求，在满足现场实际生产建造环境下，依据已有经验或案例对船体分段吊装工艺吊点进行选择，通过有限元方法对吊点方案进行求解，判定吊点方案能否满足吊装工艺对安全性、稳定性和经济性原则的要求。如不满足要求，则需要重新对船体分段吊装工艺吊点进行选择。

在上述技术基础上，从解决不同技术问题的角度，还可以检索到下述多种文献，但也分别存在各种问题，具体如下：

专利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；该专利的技术点在于应用三维模型对船体分段吊装模型与三维作业指导，未涉及吊点备选点集合的自识别算法。

专利CN104504201A，一种船舶分段吊装方案的自动化设计方法；该专利的技术点在于对分段特征点进行判别、根据力学分析进行吊点自动布置、未涉及对吊机、吊耳对吊装工艺设计的约束问题进行解决。

论文[1]张帆，李瑞，刘玉君，等.基于能量法的船体分段翻身吊装方案优化设计方法[J].船舶工程,2019,41(05):54-59.该论文技术点在于进行了分段重构与吊点自动化布置算法，未涉及针对全部类型的船体分段吊装工艺吊点布置算法设计。

论文[2]李瑞，汪骥，韩小岗，等.基于粒子群算法的船体分段吊装方案优化设计方法研究[J].中国造船,2016,57(03):185-197.该论文技术点在于基于应变能最小进行优化、基于粒子群优化算法进行有限元求解船体分段吊装工艺设计。未阐明吊点备选点集合的自识别算法。

总之，现有技术中通常是以多种船体分段类型分别为研究对象，没有统一方法解决船体分段进行吊装工艺设计吊点布置，导致问题主要集中于下述几点：

a.设计过程繁琐，效率不高

①吊装工艺设计是设计人员基于对生产现场的施工条件、起重设备及其附属工器具、船体分段结构特征与工艺流程等进行综合考量后得到的吊装工艺设计。需要具备丰富的现场经验，对设计人员的技术水平要求高。

②受实际设计生产因素与船舶生产企业施工流程进度的影响，吊装工艺设计进行多次修改，变更吊装工艺方案往往会导致连锁的修改。

③基于应用到生产环节的吊装工艺设计，需要在吊装工艺设计前进行大量的数据测算、载荷信息的确认、有限元建模计算等环节，工作量大，严重影响设计效率。

b.经验为主的设计方法对方案的经济型与可靠性产生影响

受主观因素影响、不同生产单位或个人对吊装工艺设计存在不同的理解，很难平衡经济性、安全性、易操作性等多方面因素的影响，容易导致无法找到最优解，造成材料的浪费、安全性无法得到保障等问题。

c.现有技术缺乏对现场实际生产环节的整体把握

船舶设计生产建造企业中的吊装工艺设计受到约束条件多，但目前的研究与技术往往忽视了起重设备及其附属工器具、吊装作业流程对吊装工艺设计的影响。同时也没有形成针对全部船型与全部类型分段的吊装工艺设计吊点自动布置算法的开发。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明提出了一种基于离散数据的船体分段吊装工艺设计吊点布置设计方法，通过离散数据的解析和对吊装工艺中涉及的主要生产要素进行分析，提出面向全部船体分段的吊装工艺吊点布置方法，即一种新的基于离散数据的船体分段吊装工艺吊点布置设计方法。该方法创新地提出了基于离散数据进行吊点备选点自识别。实现吊装工艺设计最基础部分数据来源的求解方法。可为全部船型分段进行统一算法求解吊装工艺设计方案提供基础数据支持；此外，该方法还创新地引入平衡梁与吊装作业要求结合对干涉问题求解的方法。同时，可不进行三维动态仿真即可避免吊点布置方案中存在吊绳与分段干涉出现的情况。

本发明所述的基于离散数据的船体分段吊装工艺吊点布置设计方法，该方法包括下述步骤：

步骤1获取数据

导入船体分段信息离散数据；创建起重设备信息数据库、吊耳信息数据库、平衡梁信息数据库；交互式输入吊装工艺信息；

进一步优选地，上文所述的技术方案中：所述的步骤1获取数据的步骤包括：

①导入目标船体分段的离散数据库文件与船体分段有限元模型文件；

②创建起重设备信息数据库、吊耳信息数据库、平衡梁信息数据库；用于调用、自动提取相应数据；

③吊装工艺信息：交互式输入船体分段摆放基平面信息、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；

进一步优选地，上文所述的技术方案中：步骤②所述的创建起重设备信息数据库的过程，包括起重设备、平衡梁、吊耳等与船体分段吊装相关的起重设备数据；调用、自动提取起重设备信息数据库中的数据信息；

进一步优选地，上文所述的技术方案中：步骤②所述的创建吊耳信息数据库的过程，包括吊耳型号、吊耳类型、吊耳尺寸等与船体分段吊装相关的吊耳数据；调用、自动提取吊耳信息数据库中的数据信息；

进一步优选地，上文所述的技术方案中：步骤②所述的创建平衡梁信息数据库的过程，包括平衡梁型号、尺寸等与船体分段吊装相关的平衡梁数据调用、自动提取平衡梁信息数据库中的数据信息；

步骤2船体分段离散数据加工与坐标变换

对船体分段离散数据库文件中型材数据进行三角化处理；通过吊装工艺信息中关于船体分段摆放基平面信息、船体分段摆放与起重设备相对方向确定对船体分段离散数据中三维直角坐标或向量进行坐标变换，得到分段信息；

步骤3分段吊点备选点集合与确定吊点布置分区结果

对船体分段离散数据库文件进行解析，根据三维空间点、线、面、体之间的关系对船体分段的板架与型材进行分类处理；

进一步优选地，上文所述的技术方案中：步骤3所述的对船体分段的板架与型材进行分类处理包括：将平面板架×平面板架×平面板架创建为O类点与A类点，将平面板架×平面板架×型材腹板创建为B类点、将平面板架×腹板板架×腹板板架创建为C类点，将型材焊接基线点坐标创建为D类点，将平面板架×型材腹板交线顶点创建为E类线；

将O、A、B、C类点创建为移位吊点备选点集合、将D、E类点创建为翻身吊点备选点集合；二者组合为分段吊点备选点集合；

以船体分段离散数据库中船体重心坐标为参考系，划分4个象限区，并将步骤3中移位吊点备选点集合与翻身吊点备选点集合按照这4个象限区域进行分离；

步骤4吊点数量计算

根据步骤1中吊装工艺信息与步骤3中移位吊点备选点集合与翻身吊点备选点集合通过遍历方法求解所有可满足A型吊耳型号与T型吊耳型号的钩区吊点数量集合。

步骤5吊点布置方案集合计算

根据步骤3吊点布置分区结果、步骤4钩区吊点数量集合遍历满足吊装工艺信息的所有吊点布置方案集合，给出了移位吊装方案与翻身吊装方案的吊点布置约束方法，并通过平衡梁点到吊点的连线与基于离散数据组成的分段信息进行干涉判定；同时，根据A型吊耳与T型吊耳的布置条件给出了吊耳受力点计算方法；

进一步优选地，上文所述的技术方案中：吊点布置约束方法是根据分段在进行移位或翻身过程中吊点布置经验所遵循的原则给出的：满足船舶分段移位吊装施工时方便施工人员进行吊绳选择与防止船舶分段翻身吊装施工时吊点受力不均匀而导致的吊点受力陡然增加。

上文所述的技术方案中：通过平衡梁点到吊点的连线与基于离散数据组成的分段信息进行干涉判定的方法，不同于目前所使用的船体分段吊装过程中的吊绳与船体分段的干涉判定方法(是依据三维仿真的方法进行的)，而本发明中对于吊绳与船体分段的干涉判定方法是用三维空间线段与船体分段离散数据所进行的数学方法进行判断的，可在不进行三维仿真的情况下进行干涉判定。

进一步优选地，上文所述的技术方案中：根据A型吊耳与T型吊耳的布置条件给出了吊耳受力点计算方法，是根据A型吊耳与T型吊耳的类型与型号求解A型吊耳与T型吊耳所在的局部坐标系中所规定的吊耳受力点，通过对吊点布置方案集合中的各吊点布置方案中的每个吊点在分段的位置，将A型吊耳与T型吊耳的吊耳受力点在局部坐标系的坐标变换为船体分段坐标。

步骤6力学分析与应力计算

根据步骤5求解的吊点布置方案集合、吊耳信息、平衡梁信息、起重设备信息、分段信息、吊装工艺信息进行力学分析与应力计算；

进一步优选地，上文步骤6所述的技术方案的步骤包括：

①根据吊点布置方案集合中的吊耳受力点与分段重量、分段重心进行静力学，计算每个吊耳受力点的受力，判断吊耳受力点受力与吊耳类型与型号是否适配；

②根据船体分段有限元模型与吊点布置方案集合中的吊点布置方案进行有限元计算；

③根据分段重量、平衡梁重量、吊耳重量对吊点布置方案进行校核，判定是否满足起重设备正常运行；

④根据步骤①②③排除不能满足起重设备正常运行的方案后，对其余吊点布置方案中使用的吊点类型给出评分方法，通过变换矩阵将吊点坐标转换为以船体坐标系为参考系的坐标，得到可供实施的吊点布置方案。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

a.设计简单、效率高

实现船体分段离散数据自识别吊点备选点集合方法。不需人为辨识吊点备选点信息。实现吊装作业要求、起重机及其附属工器具作为约束条件对吊装工艺设计进行设计，实现一体化设计，不需要对单独某一设备或工具进行分析。

b.适用于全部船型分段的遍历方法

以经验为主的船体分段吊装工艺设计很难求解最优解，本发明中遍历所有情况，不需对船体分段结构形式进行识别，一套方案解决所有问题。

c.结合船体分段吊装工艺的起重机及其附属工器具现场生产条件

船体分段吊装工艺设计与现场设备及工具联系更为紧密，缩减了往复确认等环节。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于离散数据的船体分段吊装工艺吊点布置设计方法流程图；

图2是本发明实施例中翻身阶段示意图；

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作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。

参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于离散数据的船体分段吊装工艺吊点布置设计方法。

实施例1

图1位本发明实施例中一种基于离散数据的船体分段吊装工艺吊点设计方法流程图，如图1所示，一种基于离散数据的船体分段吊装工艺设计吊点布置设计方法，包括：

步骤101：获取船体分段信息、起重设备信息、吊耳信息、平衡梁信息、吊装工艺信息。

步骤101，具体包括：

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。具体包括：分段重量、分段重心、分段有限元模型、平面板架名称、平面板架在x,y,z方向极限值、平面板架板厚、平面板架板厚拉伸方向、平面板架特征面三角剖分数据、曲板名称、曲板在x,y,z方向极限值、曲板板厚、曲板特征面三角剖分数据、型材名称、型材所属平面板架名称、型材类型、型材型号、型材焊接基线顶点坐标、型材特征点坐标；

起重设备信息包括：设计人员选择实施该项船体分段吊装工艺的起重设备。具体包括：起重设备信息的总起重量、翻身重量、上小车起重能力、上小车两钩间的吊重差、上小车满载起升速度、下小车主钩起重能力、下小车满载起升速度、上小车起重单钩安全参数、上小车起重双钩安全参数、下小车起重主钩安全参数、上下小车三钩起重安全参数；

吊耳信息包括：设计人员导入固定数据格式、用于描述吊耳几何、物理、使用方式的数据。具体包括：吊耳类型、吊耳型号、吊耳尺寸、吊耳布置参数；

平衡梁信息包括：设计人员选择实施该项吊装工艺的平衡梁。具体包括平衡梁重量；

吊装工艺信息包括：设计人员手工输入船体分段摆放基平面、船体分段摆放与起重设备相对方向、是否翻身、翻身角度、翻身主钩；

其中：船体分段信息、吊装工艺信息中含三维直角坐标或向量的均以船体坐标系为参考系，即由船尾指向船首为X轴正方向、由右舷指向左舷为Y轴正方向、由船底指向甲板为Z轴正方向；起重设备信息、吊耳信息中含三维直角坐标系或向量的均以起重设备坐标系为参考系，即由起重设备靠近海侧指向起重设备靠近陆侧为U轴正方向、面向陆侧时左侧为V轴正方向、由地面垂直向上为W轴正方向。

步骤102，根据船体分段信息、吊装工艺信息确定分段信息。

步骤102，具体包括：

根据船体分段信息中的型材名称、型材类型、型材型号、型材焊接基线顶点坐标、型材特征点坐标对型材的腹板和翼板进行三角化处理，确定型材三角化顶点坐标并补充到船体分段信息中。

具体的，以L型材为例，根据L型材特征点坐标中的4个腹板特征点w₁，w₂，w₃，w₄与4个翼板特征点f₁，f₂，f₃，f₄确定腹板的三角剖分后的4个三角面片为Δw₁w₂w₃、Δw₁w₃w₄、Δf₁f₂f₃、Δf₁f₃f₄；

型材腹板板厚与型材翼板板厚根据型材类型与型材型号确定；

型材的腹板板厚拉伸方向为：

其中：

u_k＝{f_i|f_i≠w_j，j＝1，2，3，4；i＝1，2，3，4}

v_l＝{f_i|f_i＝w_j，j＝1，2，3，4；i＝1，2，3，4}

L型材腹板单位法向量，通过L型材腹板特征点可求解；

型材的翼板板厚拉伸方向为

其中：

s为该型材焊接基线顶点坐标中的起点；

e为该型材焊接基线顶点坐标中的终点；

将每个三角面片的顶点坐标数据、型材腹板板厚、型材翼板板厚、型材腹板板厚拉伸方向、型材翼板板厚拉伸方向、型材腹板三角剖分数据、型材翼板三角剖分数据进行汇总，并补充到船体分段信息中。

根据船体分段信息、吊装工艺信息中的船体分段摆放基平面、船体分段摆放与起重设备相对方向确定坐标变换矩阵与分段信息。

具体的，根据吊装工艺信息中的船体摆放基平面、船体分段摆放与起重设备相对方向确定变换矩阵A，见表2。利用A矩阵将船体分段信息中的三维直角坐标或向量所在的船体坐标系变换为起重设备坐标系来表示：即(u，v，w)＝(x，y，z)A

表1：变换矩阵A

步骤103：根据分段信息、吊装工艺信息确定吊点备选点集合与吊点布置分区结果。

步骤103，具体包括：

根据分段信息中的所有平面板架在u，v，w的极限值、所有曲板在u，v，w方向的极限值、所有型材三角剖分数据在u，v，w方向极限值，求解分段在u，v，w方向的极限值，并计为：u_min，u_max，v_min，v_max，w_min，w_max。

将吊点备选点分为6类，分别为O A B C D E类点。

将平面板架×平面板架×平面板架创建为A类点与O类点：假设分段上第i各平面板架的第j个三角面片的单位法向量为对同一板架上所有三角面片的单位法向量进行比较，获取出现次数最多的单位法向量作为该平面板架的单位法向量/>求解第i个板架的平面公式：

A_iu+B_iv+C_iw+D_i＝0；

对n个平面板架的单位法向量进行组合，会产生组合方式；对每种组合方式中的3个平面板架的单位法向量进行比较，若3个平面板架的单位法向量两两互不相等且方向互不相反，则可根据3个平面板架的平面公式求解交点(u，v，w)。

求解该交点到3个平面板架的最小距离l_m，3个平面板架的板厚为t_m。

若满足与/>则保留该种组合方式，反之舍弃，其中/>为3个平面板架的板厚t_m的最大值、m＝1，2，3、w′为3个平面板架特征面三角剖分数据中在W方向上的极大值。

汇总每种组合方式中的交点，比较每种组合方式的交点(u，v，w)，有且仅出现一次的为A类点，出现次数多于1次的交点经过去重处理后即为O类点。

将平面板架×平面板架×型材腹板创建为B类点：根据分段信息中的型材腹板板厚拉伸方向与平面板架板厚拉伸方向为一类数据、型材腹板三角剖分数据与平面板架三角剖分数据位同一类数据；即可通过同样的方法将A类点与O类点的计算方法中的一个平面板架替换为一个型材腹板，得到与A类点与O类点同样情况的交点B₁类点与B₂类点，合并B₁类点与B₂类点得到B类点；

将平面板架×型材腹板×型材腹板创建为C类点，根据分段信息中的型材所述平面板架名称可以得到若干型材名称，同一平面板架上的若干型材焊接基线两两求解即可得到C类点。

D类点：由于船体分段吊装工艺设计中翻身分段的吊点常布置在型材端部附近。如第i根型材的腹板板厚拉伸方向为或(-1，0，0)，则令第i根型材对应的型材焊接基线顶点坐标为p_i1，p_i2。p_i1，p_i2两点需满足：

p_i∈V₂且

其中：

V₁：{u_min+100mm＜u＜u_max-100mm，v_min+100mm＜v＜v_max-100mm，w_min+100mm＜w＜w_max-100mm}；

V₂：{u_min≤u≤u_max，v_min≤v≤v_max，w_min≤w≤w_max}；

p_i＝p_i1，p_i2；

根据上述条件筛选出的型材焊接基线顶点坐标为D类点。

E类点：船体分段吊装工艺设计中对翻身分段吊点常布置在平面板架×平面板架的交点端点附近。假设分段上第i各平面板架的第j个三角面片的单位法向量为对同一板架上所有三角面片的单位法向量进行比较，获取出现次数最多的单位法向量作为该平面板架的单位法向量/>并求解第i个板架的平面公式：A_iu+B_iv+C_iw+D_i＝0。设：

或(-1，0，0)的板架为板架e0，板架e0的特征平面上任意一点为(U₀，V₀，W₀)；

或(0，0，-1)的板架为板架e1，板架e1的特征平面上任意一点为(U₁，V₁，W₁)；

或(0，-1，0)的板架为板架e2，板架e2的特征平面上任意一点为(U₂，V₂，W₂)；

则假设：

板架e0与板架e1交线顶点坐标为：p₀₁：(U₀，v_min，W₁)或(U₀，v_min，W₁)

板架e0与板架e2交线顶点坐标为：p₀₂：(U₀，V₂，w_min)或(U₀，V₂，w_max)

求解p_0k到板架e0与板架ek的距离的较大值为l_0k，若l_0k＜50mm、l_0k∈V₂、则p_0k为E类点。

其中：

K＝1，2

V₁：{u_min+100mm＜u＜u_max-100mm，v_min+100mm＜v＜v_max-100mm，w_min+100mm＜w＜w_max-100mm}；

V₂：{u_min≤u≤u_max，v_min≤v≤v_max，w_min≤w≤w_max}；

汇总O A B C D E类点，并命名为吊点备选点集合。

根据分段信息与吊点备选点集合确定分区结果。

具体的，获取分段信息中的分段重心为p_G：(u_g，v_g，w_g)，吊点备选点集合中任意一点为：p_i：(u_i，v_i，w_i)；根据分段重心与吊点备选点集合进行分区：

1#象限区：{u_i>u_g，v_i>v_g}，p_i在1#象限区内则称p_i为1#点；

2#象限区：{u_i<u_g，v_i>v_g}，p_i在2#象限区内则称p_i为2#点；

3#象限区：{u_i＜u_g，v_i＜v_g}，p_i在3#象限区内则称p_i为3#点；

4#象限区：{u_i>u_g，v_i<v_g}，p_i在4#象限区内则称p_i为4#点；

其中：1#象限区与1#钩区对应、2#象限区域与2#钩区对应、3#象限区域和4#象限区域与3#钩区对应。

将上述1#象限区、2#象限区、3#象限区、4#象限区记录到吊点布置分区结果中。

步骤104，根据分段信息、吊装工艺信息、吊耳信息确定钩区吊点数量集合。

步骤104，具体包括：

根据吊装工艺信息是否翻身的信息：

若分段不进行翻身操作，则根据吊耳信息中吊耳类型、吊耳型号中的A型眼板的F_max，吊点数量i＝4，6，8，12，安全系数α＝1.2(适用于使用平衡梁的吊装工艺设计方案)，斜拉角极限值∠γ＝30°，需满足：

根据表2记录i值与满足上述公式中的F_max最小值到钩区吊点数量集合中。

其中G为分段信息中分段重量；

表2：吊点数量i分配原则

若分段进行翻身操作，则根据吊耳信息中吊耳类型、吊耳型号中的T型眼板的F_max，吊点数量i＝4,6,8,12，安全系数α(适用于使用平衡梁吊装工艺设计方案)，安全系数β＝2，斜拉角极限值∠γ＝30°；需满足：

根据表2记录i值与满足上述公式中F_max最小值到钩区吊点数量集合中。

其中G为分段信息中分段重量；

步骤105：根据分段信息、吊装工艺信息、钩区吊点数量集合、吊点布置分区结果确定吊点布置方案集合。

步骤105，具体包括：

根据吊装工艺信息是否翻身的信息：

若分段不进行翻身操作，根据钩区吊点数量集合中在1#象限区任选i₁个1#点组成1#钩区点集、2#象限区任选i₂个2#点组成2#钩区点集、3#象限区任选i₃个3#点与4#象限区任选i₄个4#点组成3#钩区点集。生成移位吊装方案集合。

移位吊装方案集合中任一方案中的吊点(u_i，j，v_i，j，w_i，j)应满足：

其中：i＝1,2,3，表示i#钩区点集；j代表第i#钩区点集中第j个吊点；

若无法满足上述公式则该移位吊装方案集合舍弃。

若分段进行翻身操作，根据钩区吊点数量集合中i与吊点布置分区结果与吊装工艺信息中的翻身主钩信息确定翻身吊装方案集合。

若翻身主钩信息为1#钩与2#钩，钩区吊点数量集合中i在1#象限区、2#象限区、3#象限区、4#象限区分配的吊点数量为i₁、i₂、i₃、i₄。

在1#象限区任选i₁个1#点组成1#钩区点集、2#象限区任选i₂个2#点组成2#钩区点集、3#象限区任选i₃个3#点与4#象限区任选i₄个4#点组成3#钩区点集，组成翻身吊装方案的翻身阶段1的吊点组合方案。

在3#象限区任选i₃个3#点与4#象限区任选i₄个4#点组成3#钩区点集，与翻身阶段1中1#钩区点集、2#钩区点集组成翻身吊装方案的翻身阶段2的吊点组合方案。

主钩旋转点P₁₂：(v₁₂，w₁₂)为1#钩区点集与2#钩区点集的吊点在VOW平面的投影点外接圆圆心；翻身阶段1中副钩旋转点P₃：(v₃，w₃)为3#钩区点集在VOW平面的投影点外接圆的圆心；翻身阶段2中副钩旋转点为3#钩区点集在VOW平面的投影点外接圆的圆心。

若翻身主钩信息为3#钩，钩区吊点数量集合中i在1#象限区、2#象限区、3#象限区、4#象限区分配的吊点数量为i₁、i₂、i₃、i₄。

在3#象限区任选i₃个3#点与4#象限区任选i₄个4#点组成3#钩区点集，在1#象限区任选i₁个1#点组成1#钩区点集、2#象限区任选i₂个2#点组成2#钩区点集，组成翻身吊装方案的翻身阶段1的吊点组合方案。

在1#象限区任选i₁个1#点组成1#钩区点集、2#象限区任选i₂个2#点组成2#钩区点集与翻身阶段1中在3#钩区点集组成翻身吊装方案的翻身阶段2的吊点组合方案。

主钩旋转点P₃：(v₃，w₃)为3#钩区点集的吊点在VOW平面的投影点外接圆圆心；翻身阶段1中副钩旋转点P₁₂：(v₁₂，w₁₂)为1#钩区点集与2#钩区点集的吊点在VOW平面的投影点外接圆圆心；翻身阶段2中副钩旋转点为1#钩区点集与2#钩区点集的吊点在VOW平面的投影点外接圆圆心；

以上翻身吊装方案集合中都需满足：

1#钩区点与2#钩区点应满足在VOW平面的投影点外接圆半径小于150mm；

3#钩区点应满足在VOW平面的投影点外接圆半径小于150mm；

根据吊点布置方案集合进行吊绳干涉判定，削减吊点布置方案集合中的方案数量。

具体的，根据吊装工艺信息中是否翻身信息：

若分段不需要进行翻身操作，根据移位吊装方案集合，各方案中各钩区点的坐标为(u_i，j，v_i，j，w_i，j)，设步长λ＝200mm，H_max＝30000mm，整数a_i，求解i#平衡梁点(u_i，v_i，w_i)：

其中：a_i*λ≤H_max，i＝1,2,3，表示i#钩区点集；

j代表第i#钩区点集中第j个吊点；

n_i表示i#钩区点集中的吊点数量，i＝1时，n_i＝i₁；i＝2时，n_i＝i₂；i＝3时，n_i＝i₃+i₄；

i#钩区点集第j个吊点指向i#平衡梁点的向量为：

求解与(0,0,1)的夹角θ，求解当θ<30°时a_i的最小值，并确定i#平衡梁点，若无解，则该移位吊装方案舍弃。

获取i#钩区点集内的吊点到i#平衡梁点相连的线段(不包含端点)，根据线段与分段信息中的平面板架特征面三角剖分数据、曲板特征面三角数据、腹板的三角剖分数据、翼板的三角剖分数据的三角面片进行相交求解，若无三角面片与上述线段存在交点，则判定该移位吊装放哪不存在干涉问题；反之该移位吊装方案舍弃。

若分段需要进行翻身操作，根据吊装方案集合、翻身主钩信息、翻身角度、分段重心得：

翻身角度为α；

吊装方案集合中的翻身吊装方案集合的i#钩区点集中的第j个吊点的坐标为：(u_i，j，v_i，j，w_i，j)，平衡梁高H＝20000mm。

翻身主钩为1#钩与2#钩：

1#平衡梁点运行轨迹：

2#平衡梁运行轨迹为：

翻身阶段1的3#平衡梁运行轨迹为：

翻身阶段2的3#平衡梁运行轨迹为：

翻身阶段1与翻身阶段2变换的临界角度θ求解方法：在VOW平面中满足(v₁₂+Hsinβ，w₁₂+cosβ)、(v₁₂，w₁₂)、(v_g，w_g)在一条直线上时候，β的非负最小值，θ即为大于等于β的最小正整数值。0～θ-1°为翻身阶段1，θ～α°时即为阶段2(假设θ<α，若θ≥α，则只存在翻身阶段1)。

翻身主钩为3#钩：

3#平衡梁运行轨迹为：

翻身阶段1的1#平衡梁运行轨迹：

翻身阶段1的2#平衡梁运行轨迹：

翻身阶段2的1#平衡梁运行轨迹：

翻身阶段2的2#平衡梁运行轨迹：

翻身阶段1与翻身阶段2变换的临界角度θ求解方法：在VOW平面中满足Hsinβ，w₃+cosβ)、(v₃，w₃)、(v_g，w_g)在一条直线上时候，β的非负最小值，θ即为大于等于β的最小正整数值。0～θ-1°为翻身阶段1，θ～α°时即为阶段2(假设θ<α，若θ≥α，则只存在翻身阶段1)。

翻身阶段1与反射阶段2中i#钩区点集中的吊点到i#平衡梁点(不包含端点)，根据线段与分段信息中的平面板架特征面三角剖分数据、曲板特征面三角数据、腹板的三角剖分数据、翼板的三角剖分数据的三角面片进行相交求解，若无三角面片与上述线段存在交点，则判定该翻身吊装不存在干涉问题；反之该翻身吊装方案舍弃。

根据吊点布置方案集合求解吊耳受力点。

具体的，根据吊装工艺信息中是否翻身信息：

若分段不需要进行翻身，根据吊点布置方案集合中各移位吊装方案中A型吊耳在起重设备坐标系中表示为：根据i#钩区点集第j个吊点(u_i，j，v_i，j，w_i，j)到i#平衡梁的单位向量/>中U,V两个位置上的元素求解B矩阵，得到吊耳受力点：

其中变换矩阵B见表3，S₂、R、H均为吊耳信息中A型眼板对应的数值表3：

若分段需要翻身，根据吊点布置方案集合中各翻身吊装方案中T型吊耳在起重设备坐标系中表示为：(0，50，R)，根据根据i#钩区点集第j个吊点(u_i，j，v_i，j，w_i，j)满足的情况求解C矩阵得到吊耳受力点：

(u_i，j′，v_i，j′，w_i，j′)＝(u_i，j，v_i，j，w_i，j)+(0，100，R)C

其中变换矩阵C见表4，R为吊耳信息中T型吊耳对应的数值。

表4中情况1：i#钩区点集第j个吊点(u_i，j，v_i，j，w_i，j)。

以(u-u_i，j)²+(u-v_i，j)²＝(L+S₂-100)²为底，w_max-w_i，j为高的区域为V_i，j。若分段信息中的平面板架特征平面三角剖分数据、曲板特征三角剖分数据、腹板的三角剖分数据、翼板的三角剖分数据中没有存在于V_i，j，则为情况1；

表4中情况2：i#钩区点集第j个吊点(u_i，j，v_i，j，w_i，j)。

以(u-u_i，j)²+(w-w_i，j)²＝(L+S₂-100)²为底，v_max-v_i，j为高(该种情况为1#和2#钩区的吊点，3#和2#钩区吊点处为v_i，j-v_min的区域为V_i，j。若分段信息中的平面板架特征平面三角剖分数据、曲板特征三角剖分数据、腹板的三角剖分数据、翼板的三角剖分数据中没有存在于V_i，j，则为情况2；

表4中情况3：i#钩区点集第j个吊点(u_i，j，v_i，j，w_i，j)。

以(u-u_i，j)²+(v-v_i，j)²＝(L+S₂-100)²为底，w_i，j-w_min为高的区域为V_i，j。若分段信息中的平面板架特征平面三角剖分数据、曲板特征三角剖分数据、腹板的三角剖分数据、翼板的三角剖分数据中没有存在于V_i，j，则为情况3；

若分段信息中的平面板架特征平面三角剖分数据、曲板特征三角剖分数据、腹板的三角剖分数据、翼板的三角剖分数据中的点数据均不满足以上表4中的3种情况，则该种翻身吊装方案舍弃。

L、S₂为T型吊耳中T型吊耳对应的数值。

将上述求解得到的吊耳受力点补充到吊点布置方案集合中。

步骤106，根据分段信息、起重设备信息、吊点布置方案集合、吊耳信息、平衡梁信息进行有限元计算与静力学计算，确定吊装方案。

步骤106，具体包括：

根据静力学代替动力学计算求解各吊耳受力点的受力。

吊点受力点代替吊耳受力点受力作为施加载荷的依据，通过吊点布置方案集合传递吊点信息，调用有限元模型进行有限元计算，求解各吊点位置最大应力值。

根据吊耳受力点静力学计算结果确定各吊点适配的吊耳类型与吊耳型号。根据平衡梁信息、分段重量、吊耳重量、起重设备信息通过静力学计算求解各吊耳受力点受力结果判定起重设备能否安全运行。

结合求解得到的结构应变能单元最大应力对吊装布置方案集合进行删减：

基于吊点备选点集合是由O A B C D E类点组成的。

根据吊装工艺信息中是否翻身信息对吊点布置方案集合中的各吊点布置方案吊点进行评分：

若分段不需要翻身：O＝10分，A＝8分，B＝4分，C＝1分，对各吊点布置方案各点的分数进行加和，求解得到的结果除以i，即得到最后的分数结果。

若分段需要翻身：D＝5分，E＝1分，对各吊点布置方案各点的分段进行加和，求解得到的结果除以i，即得到最后的分数结果。

根据各吊点布置方案集合中各吊点布置方案吊耳位置最大应力值，若不满足小于许用应力，则舍弃该吊点布置方案。

针对保留的吊点布置方案取最大应力值最小的前20个方案，对其进行吊点打分，根据分数最高的情况作为吊装方案。吊装方案通过坐标变换矩阵A的逆矩A^-1变换吊点坐标为船体坐标系。并给出该吊点位置处的吊耳类型、吊耳型号。

综上，本发明实施例所提供的基于离散数据的船体分段吊装工艺设计吊点布置设计方法，通过构建船体分段信息、起重设备信息、吊耳信息、平衡梁信息、吊装工艺信息之间的关系，并利用船体分段信息中的离散数据的板架与型材的几何特征，计算得到涉及船体分段信息、起重设备信息、吊耳信息、平衡梁信息、吊耳工艺信息，充分考虑船体分段多类离散数据与多参考系统一的问题、适用于全部船型的全部分段的吊点自识别算法与分区方法、利用吊耳信息与船体分段信息确定吊点数量方法，综合考虑干涉判定问题、吊耳布置方干涉问题，基于静力学求解与有限元求解的船体分段吊装工艺设计吊点布置设计方法。由此可见，本发明方法充分考虑了实际中船体分段结构几何特征、起重设备、吊耳、平衡梁吊耳工艺信息5类生产要素对船体分段吊装工艺设计吊点布置设计的影响、船体分段多类离散数据与多个参考系统一、现有船体分段吊装工艺设计吊点布置设计方法无法满足适用于全部船型的全部分段、干涉判定、吊耳布置干涉的情况，使得船体分段吊装工艺设计吊点布置设计结果更准确，同时本发明提高了目前船舶建造企业中对于船体分段吊装工艺设计的效率。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于离散数据的船体分段吊装工艺吊点布置设计方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

步骤1获取数据：

导入船体分段信息离散数据；创建起重设备信息数据库、吊耳信息数据库、平衡梁信息数据库；交互式输入吊装工艺信息；

步骤2船体分段离散数据加工与坐标变换:

对船体分段离散数据库文件中型材数据进行三角化处理，通过吊装工艺信息中关于船体分段摆放基平面信息、船体分段摆放与起重设备相对方向确定对船体分段离散数据中三维直角坐标或向量进行坐标变换，得到分段信息；

步骤3分段吊点备选点集合与确定吊点布置分区结果:

对船体分段离散数据库文件进行解析，根据三维空间点、线、面、体之间的关系对船体分段的板架与型材进行分类处理；

步骤3所述的对船体分段的板架与型材进行分类处理包括：将平面板架×平面板架×平面板架创建为O类点与A类点，将平面板架×平面板架×型材腹板创建为B类点、将平面板架×腹板板架×腹板板架创建为C类点，将型材焊接基线点坐标创建为D类点，将平面板架×型材腹板交线顶点创建为E类线；

将O、A、B、C类点创建为移位吊点备选点集合、将D、E类点创建为翻身吊点备选点集合；二者组合为分段吊点备选点集合；

以船体分段离散数据库中船体重心坐标为参考系，划分4个象限区，并将步骤3中移位吊点备选点集合与翻身吊点备选点集合按照这4个象限区域进行分离；

步骤4吊点数量计算:

根据步骤1中吊装工艺信息与步骤3中移位吊点备选点集合与翻身吊点备选点集合通过遍历方法求解所有可满足A型吊耳型号与T型吊耳型号的钩区吊点数量集合；

步骤5吊点布置方案集合计算:

根据步骤3吊点布置分区结果、步骤4钩区吊点数量集合遍历满足吊装工艺信息的所有吊点布置方案集合，给出移位吊装方案与翻身吊装方案的吊点布置约束方法，并通过平衡梁点到吊点的连线与基于离散数据组成的分段信息进行干涉判定；同时，根据A型吊耳与T型吊耳的布置条件给出吊耳受力点计算方法；

步骤6力学分析与应力计算:

根据步骤5求解的吊点布置方案集合、吊耳信息、平衡梁信息、起重设备信息、分段信息、吊装工艺信息进行力学分析与应力计算；得到可供实施的吊点布置方案。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1获取数据的步骤包括：

①导入目标船体分段的离散数据库文件与船体分段有限元模型文件；

②创建起重设备信息数据库、吊耳信息数据库、平衡梁信息数据库；用于调用、自动提取相应数据；

③吊装工艺信息：交互式输入船体分段摆放基平面信息、船体分段摆放与起重设备相对方向、是否翻身、翻身方向、翻身角度数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤②所述的创建起重设备信息数据库的过程，包括起重设备、平衡梁、吊耳与船体分段吊装相关的起重设备数据；调用、自动提取起重设备信息数据库中的数据信息。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤②所述的创建吊耳信息数据库的过程，包括吊耳型号、吊耳类型、吊耳尺寸与船体分段吊装相关的吊耳数据；调用、自动提取吊耳信息数据库中的数据信息。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤②所述的创建平衡梁信息数据库的过程，包括平衡梁型号、尺寸与船体分段吊装相关的平衡梁数据调用、自动提取平衡梁信息数据库中的数据信息。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤5中吊点布置约束方法是根据分段在进行移位或翻身过程中吊点布置经验所遵循的原则给出的：满足船舶分段移位吊装施工时方便施工人员进行吊绳选择与防止船舶分段翻身吊装施工时吊点受力不均匀而导致的吊点受力陡然增加。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤5中通过平衡梁点到吊点的连线与基于离散数据组成的分段信息进行干涉判定，是用三维空间线段与船体分段离散数据所进行的数学方法进行判断。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤5中根据A型吊耳与T型吊耳的布置条件给出吊耳受力点计算方法，是根据A型吊耳与T型吊耳的类型与型号求解A型吊耳与T型吊耳所在的局部坐标系中所规定的吊耳受力点，通过对吊点布置方案集合中的各吊点布置方案中的每个吊点在分段的位置，将A型吊耳与T型吊耳的吊耳受力点在局部坐标系的坐标变换为船体分段坐标。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤6包括：

①根据吊点布置方案集合中的吊耳受力点与分段重量、分段重心进行静力学计算，计算每个吊耳受力点的受力，判断吊耳受力点受力与吊耳类型与型号是否适配；

②根据船体分段有限元模型与吊点布置方案集合中的吊点布置方案进行有限元计算；

③根据分段重量、平衡梁重量、吊耳重量对吊点布置方案进行校核，判定是否满足起重设备正常运行。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤6包括：根据步骤①②③排除不能满足起重设备正常运行的方案后，对其余吊点布置方案中使用的吊点类型给出评分方法，通过变换矩阵将吊点坐标转换为以船体坐标系为参考系的坐标，得到可供实施的吊点布置方案。