應用虛擬仿真技術推進數字化造船

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展,數字化造船是全球造船企業的必由之路,而艦船建造的技術經濟特點決定了實施數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涵和發展歷程、虛擬仿真造船技術實施途徑與關鍵技術、發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:萬方數據
關鍵字:CAE 虛擬仿真技術數字化造船現代造船模式
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”方向發展,形成船舶產品開發、設計、建造、驗收、使用、維護于一體的船舶產品全生命周期的數字化支持系統,從而實現船舶設計全數字化、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、船舶制造企業虛擬化,從而大幅度提高生產效率和降低成本,使其具有較高的市場競爭力。我國造船業要想在國際競爭中立于不敗之地,也必須大力實施數字化造船。
1 實施數字化造船迫切需要虛擬仿真技術
艦船制造業環境不同于其他行業,艦船工業所生產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人員,必須要有能適合施工的設計和均衡各作業場所生產能力的設備、維持設備良好運行的管理和工程管理技術。
艦船產業是總裝性質的產業,在接受訂貨后,先要根據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、生產計劃、物資供應、生產管理和質量控制等各方面技術,需統籌各方面的技術,以便有效地使用材料、設備和人員。
艦船設計是一項專業面廣、綜合性強的專業工作,涉及到總體、船體、棲裝、涂裝,以及裝置、動力、系統、電氣、武備等幾百個專業。在現行的艦船設計階段中,包含大量的數據、圖紙和工藝文件標準等。設計中需要各專業相互配合、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工程,如何在有限空間內設計布置和安裝各種裝置和設施,如:主輔機動力系統、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化,往往是顧此失彼,不能預見生產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字化造船技術發展的重要方向。
2 造船虛擬仿真技術的內涵和發展歷程
2.1 虛擬仿真技術的概念、內容以及在產品建造中的應用
虛擬仿真技術是將數字化信息技術和計算機技術應用于產品的設計與制造,相對于傳統的產品研制,它是一個全新的概念,是對真實產品制造的虛擬現實模擬,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品與造船系統的信息與數據,生產出來的是電子樣船。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;數據庫技術、人工智能技術、系統集成技術及協同求解技術等。目前,先進的造船計算機軟件和硬件系統已經能實現虛擬造船技術。
虛擬仿真技術在產品建造中的應用主要體現在兩個方面:一是建模,二是仿真。在設計階段,用戶能直接參與產品的交互設計,提出修改和優化設計的意見;在制造階段使用戶和參與者對產品制造全過程中的工藝、生產和管理等整個制造系統的功能進行有效的評價。因此,必須結合產品的設計生產過程、生產工藝、工程管理、物資配套等生產管理全過程的集成制造的真實環境,借助計算機將真實環境轉變為虛擬環境,通過仿真技術對產品設計、工藝和管理等進行優化,這樣就能在真實產品制造前,讓業主和制造商等產生諸如視覺、聽覺、觸覺等各種感覺信息,使參與者尤如身在其中,從而達到預測產品的功能及制造廠生產系統的狀況,預先了解制造過程及實時優化方案的目的。
2.2 虛擬仿真技術在國內外造船業的發展現狀
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“中間產品”為導向,實現多品種小批量,按區域、類型和階段,在三維圖面上解決優化造船問題,即實施生產設計技術,為施工提供盡可能優化、全面的細致的“工作圖”和“管理圖表”,達到設計、生產管理一體化合理組織造船生產。
隨著信息技術的飛速發展,進入02世紀09年代以來,造船發達國家紛紛利用信息技術給造船業帶來的各種機遇,積極開展船舶以數字化描述和虛擬現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——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境,即在計算機上實現設計和虛擬建造船舶。SBD中的關鍵技術是集成的開發環境(IPPD),它利用了虛擬現實技術、無縫集成CAE/CAD/CAM和數據庫,并在1994年給出了相應的原型系統。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,實現集成產品數據環境中可視化,提高造船企業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廠商正在聯合開發一個船舶設計制造軟件系統Virtual Design,目的是通過無縫的多學科集成(工程設計、生產、后勤及相應的商務系統),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)虛擬現實實驗室采用浸沉式虛擬現實技術(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還利用虛擬現實技術實現生產過程的仿真,通過CAE的技術預先檢查各分段組裝和船臺總裝過程,修改虛擬生產設計和生產計劃中的錯誤,美國海軍研究實驗室還進行了分布式仿真研究,針對不同的作戰情況實現艦艇訓練的虛擬化。
日本大力開展造船CIMS和CALS研究及原型系統的實施;韓國也大力開展了有關敏捷制造、電子采購系統、基于Agent造船設計和生產調度計劃系統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。
我國造船工業從20世紀70年代開始采用造船CAM技術使造船生產效率和加工質量有了較大地提高。80年代后期,船舶工業統一組織開發了OA-515、CADIs和MIS等造船造機系統,有力促進了船舶企業的信息化進程。隨著造船CAD/CAE和MIS技術的發展,產品設計開始丟掉圖版,新產品開發設計周期有效縮短,船舶企業現代化管理水平得到提高,船舶制造企業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系統開始引進應用,骨干船廠應用三維建模技術建立產品電子信息模型。新技術的應用使國內造船水平上了新的臺階,產品建造總周期得到了有效縮短,產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應用。CIMS的應用使產品制造和管理信息集成起來,從而能夠實現制造信息高度共享和企業制造資源優化,全面提高企業運行效率。

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。傳統的艦船建造通常采用實尺或比例放樣將設計圖紙變為施工圖。船廠內備有巨大的樣臺,而放樣工常年處于相當辛苦的狀態。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展迅速,計算機數學放樣在船體、棲裝(含船裝、管裝、機裝、電裝、內裝)等三維建模已有突破,其電子樣船和三維機艙已成為現實。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,艙室尤其是機艙內的管系、設備等可以實時進行干涉檢查,將建造安裝中產生的矛盾提前到設計階段解決。
(2)建立船廠制造系統虛擬生產線。目前在艦船建造過程中,已大量采用機械化、自動化生產線,如鋼材預處理流水線、型鋼自動號料切割線、板材數控切割線、NC彎肋骨機、平面(曲面)分段流水線、船臺(塢)作業生產線等。這些生產線有些自控技術也很先進,但大多數還是靠人工監視,往往在生產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品生產產生負面影響。因此,在電子化樣船的基礎上,對船廠的現實制造系統利用計算機建立艦船制造虛擬環境,即生產過程含管理的電子三維空間。該虛擬生產環境包括工廠生產環境的數字化數據轉換,以及各生產線、廠房布局、道路設施、車間內各流水線進行數字化建模,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境。這個虛擬環境給設計者和其他參與者一種身臨其境的感覺。
(3)建立艦船企業數據庫和數據信息交換標準。艦船企業內部建立健全的數據庫非常重要,它是形成企業數字化的信息共享構架平臺,是構造企業信息化的技術基礎,以便實現對產品全壽命周期內所涉及的設計、制造、生產管理、質量控制、成本控制等全過程的各類數據無縫整合,為企業生產全過程有關工作的組織計劃、監督和協調提供依據。
只有企業數據庫還不能開展全行業的虛擬仿真造船。因為對于一個行業或某一集團內部,如果各企業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、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、也就是產品模型數據交換標準(sTEP)。該標準不僅能描述產品的幾何信息,還包括參數化數據、特征和非幾何數據,如精度、計劃、工藝管理等信息。有了企業產品數據庫和數據交換標準,就可以在行業或一個集團內各企業間實現設計、生產、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、三維模型與虛擬現實系統的接口技術、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、虛擬環境技術、人機工程等都得到快速發展。
4 虛擬仿真技術在我國造船業發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,沒有與企業的業務流程、運營模式和管理變革有效結合,尚未有效地促進體制創新、管理創新。往往有了先進的造船信息系統和裝備卻以傳統的觀念和模式來運行,難以發展數字化應有的效益。
(2)產品設計、制造、管理信息一體化的集成度較低。船舶行業的零部件數量很龐大,目前國內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行的行業統一編碼,使得各企業之間、企業內部本身無法做到信息共享和集成。
(3)船舶數字化測試、虛擬設計、虛擬建造和產品數據管理等技術的應用尚為空白或剛起步,因此產品先期研制水平低、周期長,數字化管理缺乏完整信息資源。
(4)船舶制造資源優化配置技術的應用處于較低水平,企業的生產管理和協調仍以現場調度型為主,滿足精細管理要求的造船管理信息系統研究和應用尚處于初級階段,管理基本還處于粗放型。
(5)滿足船舶產品成本預算、核算、控制的成本管理集成信息系統尚處于起步階段,船舶企業成本失控現象時有發生。
(6)實現船舶產品生命周期的現代物流信息系統剛起步。
(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,難以掌握數字化造船主動權。
4.2 我國造船業要大力推進建立現代造船模式
世界造船業已經進入了更高層次的“數字化”階段,正在研究全球化的資源優化集成,以全面數字化、全面模塊化和網絡平臺等技術為支撐,建立動態的造船聯盟——虛擬企業。中國造船業要想在這個未來的動態聯盟中占有一席之地,應用虛擬仿真技術是中國造船業的一條必由之路,中國企業應該通過實施現代造船模式,利用數字化造船系統提升競爭力,以統籌優化原理為指導,應用成組技術原理;以中間產品為導向,按區域組織生產;殼、棲、涂作業在空間上分道、時間上有序;設計、生產、管理一體化,均衡、連續地總裝造船,并且改進管理體制與模式,完善與發展配套的上下游行業,從而使船廠縮短造船周期、提高生產效率和降低造船成本。
4.3 大力提高自主研發能力
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。但由于我國企業管理的環境、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、數據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。我國造船企業發展虛擬仿真技術還必須靠自主研發這條道路,例如滬東中華等廠自主開發了船體建造軟件三維棲裝管系設計,已在國內數十余家船廠應用。從長遠利益來看,我們必須開發具有自主知識產權的造船虛擬仿真軟件系統。為此,需要加大科研經費和基礎設施建設方面的投入,整合現有的開發成果,集中人力、物力、財力解決系統建設中的關鍵問題,盡快形成適合中國造船企業的虛擬仿真軟件產品,并努力推進虛擬仿真軟件的實施應用。
4.4 加強船舶數字化基礎體系建設
數字化制造技術以信息數字化的形式實現信息管理、傳輸、處理和共享,因此必須首先建立數字化的基礎體系。根據船舶企業的特點從基礎標準、數字化設計標準、制造標準、管理標準、數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實際以及發展需要的船舶制造數字化標準規范體系;建設相應的基礎性和通用性的數據庫、知識庫和模型庫;建立和研究船舶信息集成及數據交換標準和平臺,并建立一個通暢、穩定、安全的網絡通信平臺。