0 引言
数字化是制造业信息化的核心。随着数字化设计与制造技术的迅猛发展,特别是CAD 及相关信息化管理平台技术的日益普及,基于产品三维模型的数字化制造技术已经成为企业信息化发展的趋势。产品从基于功能的初步设计,到由原材料至最终零件状态的工艺设计过程,融入了加工、检验等组成工艺链的多种工序的设计和制造信息。各零部件的三维功能模型,以及在各道工序下的几何、工艺信息、工装信和资源设备等信息的零部件的三维制造模型,形成产品的三维数字样机。在现代数字化和集成化制造环境下,零部件的三维模型决定了产品设计到制造的质量和效率,并实现产品研制经验知识的积累。因此,在产品研制过程中,如何发挥三维数字样机的作用,是提高企业数字化制造能力的关键。
基于产品三维数字化设计制造,形成产品研制过程的三维的数字样机的形式, 已在航空、航天、汽车工业等行业的研制过程中得到广泛应用。由于船舶产品的相对复杂性,其三维数字化设计建造的应用程度相对落后,尚未定义完整的三维数字样船概念,更谈不上全面应用。参考航空等制造行业的数字样机发展应用经验,借鉴国外先进造船企业的三维数字化设计建造技术发展趋势与应用理念,提出造船行业三维数字样船概念,描述全三维数字样船的特征,结合船舶三维设计、数据管理、生产管理、虚拟建造、精度控制等,提出基于全三维数字样船的船舶产品信息集成研究解决方案。
1 全三维数字样船
1.1 通常意义下的数字样机概念与特征
数字样机是对机械产品整机或具有独立功能的子系统的数字化描述,这种描述不仅反映了产品对象的几何属性,还至少在某一领域反映了产品对象的功能和性能。
数字样机技术是以CAX/DFX技术为基础,融合虚拟现实、仿真技术、三维计算机图形技术,将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起,使产品的设计者、制造者和使用者在产品的早期可以直观形象地对数字化的虚拟产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真,为产品的研发提供全新的数字化设计方法。
狭义的数字样机从计算机图形学角度出发,认为数字样机是利用虚拟现实技术对产品模型的设计、制造、装配、使用、维护与回收利用等各种属性进行分析与设计,在虚拟环境中逼真地分析与显示产品的全部特征,以替代或精简物理样机。
广义的数字样机从制造的角度出发,认为数字样机是一种基于计算机的产品描述,是对产品设计、制造、服务、维护直至产品回收整个过程中全部所需功能的实时计算机仿真,通过计算机技术对产品的各种属性进行设计、分析与仿真,以取代或精简物理样机。
无论是狭义的还是广义的数字样机,都具有以下3个技术特点:
1)真实性。数字样机的存在目的是为了取代或精简物理样机,所以数字样机必须在仿真的重要方面具有同物理样机相当或者一致的功能、性能或者内在特性,即能够在几何外观、物理特性以及行为特性上与物理样机保持一致;
2)面向产品全生命周期。数字样机是对物理产品全方位的一种计算机仿真,而传统的工程仿真是对产品某个方面进行测试,使产品获得该方面的性能。数字样机是由分布的、不同工具开发的甚至是异构子模型的联合体,主要包括CAD模型、外观模型、功能和性能仿真模型、各种分析模型、使用维护模型以及环境模型;
3)多学科交叉性。复杂产品设计通常涉及机械、控制、电子、流体动力等多个不同领域。要想对这些产品进行完整而准确的仿真分析,必须将多个不同学科领域的子系统作为一个整体进行仿真分析,使得数字样机能够满足设计者进行功能验证与性能分析的要求。
1.2 全三维数字样船的概念与特征
全三维数字样船是一种基于全三维设计技术的船舶产品数字化描述,三维模型数据的产生和应用贯穿于船舶产品壳舾涂等各专业、多系统、跨阶段的设计、制造和管理过程。
全三维数字样船技术是采用三维建模系统进行数字化产品定义,以CAX、PDM、ERP和MES技术为基础,融合虚拟现实、工艺仿真技术、三维图形技术,将船舶产品船体、舾装、涂装各专业的开发和分析过程集成在一起,定义出能够为下游各应用环节所使用的准确、完整、规范和有效的产品信息,使三维实体模型作为生产制造过程中的唯一依据,改变了传统以工程图纸为主,而以三维实体模型为辅的船舶建造模式。
全三维数字样船以数字化的方式完整地表征了船舶产品的特性,是实现船舶产品研制体系转变的技术基础,具体见图1。
1)产品三维几何的表达。全三维数字样船完整表达了船舶产品船体结构、舾装区域三维几何模型,同时完整的表达了产品模型之间的拓扑关系,形成产品模型结构树,并描述了产品零部件之间的装配关系;
2)产品信息表达。全三维数字样船在几何表达的基础上,定义了船体分段、舾装托盘的属性信息,分段与托盘的零部件加工信息、装配信息,描述了产品的焊接工艺和涂装工艺;
3)具有船舶制造图纸的可生成性。根据全三维数字样船的三维模型及产品信息,可以生成船体生产、舾装作业、涂装作业等施工图与安装图,生产满足船体零件加工、舾装管系加工的零件图等,用于实际生产制造应用;
图1 全三维数字样船的特征
4)具有船舶产品生产信息的传递性。全三维数字样船的设计编码信息、设计BOM信息、设计计划管理信息等,通过样船的信息集成流转,由生产管理继承应用,进行生产计划安排、任务包的物量计算、生产效率与负荷分析等;
5)具有船舶产品制造信息的传递性。利用全三维数字样船的模型、产品信息等,可以生成产品零件的制造BOM,用以作为领料依据,进行制造计划的安排等;
6)具有船舶产品可制造性分析。根据全三维数字样船的模型和产品信息,可以进行设计评估仿真验证,对分段、区域、托盘等划分合理性和综合布置合理性进行分析,对各类零部件进行设计过程的干涉检测;通过三维虚拟装配及工艺流程仿真,对船体装配工艺和舾装工艺可行性进行验证分析,对船舶产品建造流程进行分析;
7)具有船舶产品精度性分析。利用全三维数字样船的模型和产品信息,对船体三维模型进行三维测量点的定义与标注,生成精度测量草图,进行三维精度测量与模拟搭载,针对三维精度测量结果进行分段制造精度分析,针对模拟搭载结果进行模拟搭载精度误差分析。
2 基于全三维数字样船的数字化造船技术体系
根据全三维数字样船的概念和特征,全三维数字样船的信息集成主要应用如下技术:三维建模技术、产品数据管理技术、产品生产管理技术、车间制造执行技术、虚拟仿真技术以及精度控制技术。具体的技术体系如图2所示。
1)三维建模技术。三维建模技术主要包括三维模型造型技术、三维标注技术、三维模型的工艺信息建库技术、装配工艺建模技术、焊接工艺建模技术、专业图纸生成技术等;
2)产品数据管理技术。产品数据管理技术主要包括产品结构管理技术、BOM 管理技术、产品协同设计管理技术、产品数据集成技术等;
3)产品生产管理技术。产品生产管理技术主要包括基础数据管理技术、生产计划管理技术、制造BOM管理技术、设计与物资关联技术等;
4)车间制造执行技术。车间制造执行技术主要包括车间作业指令分解技术、车间级生产管理反馈和控制技术、作业技术变更管理技术、零件加工跟踪分析技术等;
5)虚拟仿真技术。虚拟仿真技术主要包括设计数据转换技术、船舶大数据量处理技术、船舶三维数字化设计仿真评估技术、装配过程自动生成技术等;
6)精度控制技术。精度控制技术主要包括精度控制模型转换技术、基于PDA测量误差分析技术、模拟搭载三维标注技术、模拟搭载误差分析技术、精度数据分析技术等。
图2 基于全三维数字样船的数字化造船技术体系
3 基于全三维数字样船的信息集成研究与实施总体方案
根据全三维数字样船的特征和数字化造船技术体系,结合高技术船舶研制的需求(以液化天然气船LNG为例),船舶产品全三维数字样船的信息集成研究与实施采用如下方案:开展国内外造船企业数字化技术发展趋势研究,进行数字化造船理念的提升和技术的储备;结合典型船舶以及高技术船舶LNG船研制需求,开展全三维数字样船的业务需求分析;根据业务分析,进行全三维数字样船功能建模,建立相应的实施基础标准;最后进行整体实施规划,结合LNG 船的研制,形成信息完整的全三维数字样船。整个研究与实施总体方案如图3所示:
1)国内外趋势分析。收集其他制造行业(如航空、汽车等)三维数字样机的研究、应用与发展趋势资料,类比目前造船行业三维数字样船的研究与应用情况;研究国内外数字化造船现状与发展趋势,重点析船舶CAD技术、三维建模技术、产品数据管理技术、船舶生产管理技术、虚拟制造技术、精度测量控制技术、数据集成技术、模型重用技术、数据建库技术等;
2)业务需求分析。结合LNG船研制情况,从设计、产品数据管理、生产管理、建造等船舶研制主要业务进行业务现状和需求分析,包括造船三维设计、产品数据管理、基于任务包的生产管理、三维设计仿真评估与三维建造工艺评估等虚拟建造、三维精度测量与控制等精益造船等各方面业务现状与存在问题,归纳相关的业务需求;
3)功能分析与基础标准建立。在业务需求分析的基础上,进行三维设计、设计管理、生产管理、虚拟仿真和精度控制的功能建模, 同时归纳建立相应的基础规范与标准;
4)整体实施规划。从信息集成的角度,结合软件工程,根据上述分析研究结果,开展系统功能需求分析和技术攻关,建立软件体系与集成框架,进行相应的集成开发与测试,最后结合LNG研制进度,形成LNG全三维数字样船。
图3 基于全三维数字样船的信息集成研究与实施总体方案
4 结语
通过基于全三维数字样船的信息集成技术研究,突破了船舶产品全三维数字样船建模技术、基于产品结构的船舶产品数据管理技术、基于三维数字样船的船舶建造任务包管理技术、船舶三维设计与虚拟仿的数据重用性技术、造船精度补偿值的设定技术、船舶产品制造信息集成应用基础技术等六项关键技术,取得了造船三维设计、产品数据管理、生产管理、虚拟仿真和精度控制等六方面共七项具有自主知识产权的软件系统,形成了一批标准规范。
同时,结合沪东中华造船(集团)有限公司17.2万m3 LNG船进行各项研制成果的相关应用,基本实现了全三维数字样船定义与特征表述:在设计中,采用船舶三维设计系统SPD实现了船体和舾装的全三维数字化设计,并进行三维标注和工艺信息建库;通过船舶产品数据管理系统SPDM 实现设计数据的有效管理和并行协同设计管理,并通过与SPD以及后续的ERP及生产制造等系统的有效集成,初步实现设计BOM与制造BOM 的有效转换以及POR(Purchase Order Requirements)采购需求有效管理;通过三维模型有效复用技术,进行三维设计仿真评估、三维装配与建造主流程工艺仿真,实现虚拟建造;通过三维测量和造船精度补偿技术,进行三维精度测量与模拟搭载,实现精益造船。
研究与应用结果表明,基于全三维数字样船的信息集成总体方案切实可行。通过研究,使我国造船企业及新造船基地高技术船舶设计与建造水平跃上一个新的台阶,提升我国船舶行业高技术船舶设计与建造在国际市场上的竞争力,形成船舶行业先进的设计模式、建造模式和管理模式,缩短与国际先进造船国家的差距。通过对船舶产品全三维数字化系统和集成系统的自主研发,形成一批具有自主的知识产权软件系统,打破国外软件长期对国内船舶企业的垄断,引领船舶行业数字化技术的发展;同时锻炼和培养技术队伍,促进我国数字化造船可持续的全面自主开发和应用,取得较大的经济和社会效益,具备较强的行业示范效果和应用推广基础。
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