船舶邊錨錨系放樣及現(xiàn)場作業(yè)指導(dǎo)

船舶邊錨錨系放樣及現(xiàn)場作業(yè)指導(dǎo)

0系泊系統(tǒng)和行車試驗檢驗系統(tǒng)船舶錨系是船舶裝置的重要系統(tǒng)，其運行直接影響到船舶鎖的安全性能。是船舶制造企業(yè)進行系泊和航行試驗檢驗的重要系統(tǒng)。隨著船舶噸位的不斷增大，滬東中華造船（集團）有限公司（簡稱“公司”）于1997年開始研制生產(chǎn)的AC-14大抓力錨已成為大型船舶的邊錨首選，并經(jīng)過多年實踐已完成標準化1生產(chǎn)方法1.1錨文本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邊錨錨臺由錨唇、錨臺面板、錨臺圍板和加強肘板組成1.2生產(chǎn)過程及安裝圖船舶錨系的設(shè)計技術(shù)一般基于母型船經(jīng)驗數(shù)據(jù)和相關(guān)規(guī)范約束，經(jīng)過多年的發(fā)展已完成大量的成功錨臺線型數(shù)據(jù)積累。國內(nèi)的部分船廠擁有獨立的設(shè)計研發(fā)部門進行船舶產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)，而另一部分船廠則向船舶設(shè)計總體所購買成品施工設(shè)計圖紙，經(jīng)過施工設(shè)計深化后完成生產(chǎn)資料的輸出。由于廠所之間數(shù)據(jù)傳輸多依靠二維施工圖紙，所以船廠進行錨系設(shè)計及建造的起點多為接手總體所施工設(shè)計圖紙開始。在制造端，由于錨唇多為鑄鋼件，所以船廠大多向?qū)ｉT的鑄鋼件廠家進行錨唇定制購買，錨臺其余部分則由船廠自身的鋼結(jié)構(gòu)制造部門制造生產(chǎn)，材料為高強度鋼，曲面部分利用水火彎板技術(shù)進行彎折基于CATIA直接輸出的生產(chǎn)資料為錨臺制造安裝圖和錨唇制造安裝圖。1）錨臺制造安裝圖即錨臺的結(jié)構(gòu)組成，包括各部件如錨臺面板、錨臺圍板的型線圖、錨臺肘板的外觀尺寸、各結(jié)構(gòu)材料及其板厚及錨臺安裝于舷側(cè)外板的定位信息。2）錨唇制造安裝圖即錨唇的結(jié)構(gòu)組成，包括錨唇各剖面的型線圖和相對于錨臺的定位信息，以指導(dǎo)錨唇廠家進行鑄鋼件模具制作和定位信息加工。2參數(shù)化編輯能力本文基于CATIA的曲面設(shè)計能力，結(jié)合軟件擁有的參數(shù)化編輯能力，以公司某產(chǎn)品為背景實現(xiàn)了基于本地數(shù)據(jù)的參數(shù)化錨唇建模和錨臺建模放樣，為數(shù)字樣機的實現(xiàn)和現(xiàn)場作業(yè)指導(dǎo)提供了生產(chǎn)資料準備。2.1基準面和放樣由總體所發(fā)至船廠的錨臺施工設(shè)計資料包括以下內(nèi)容：1）錨臺于船體的側(cè)視圖和俯視圖（見圖4);2）將錨臺沿指定方向進行剖切所得的剖切面詳圖（見圖5);3）垂直于錨臺面板的錨唇型線示意圖（見圖6);4）錨鏈筒結(jié)構(gòu)圖（見圖7）。由于施工資料的數(shù)據(jù)來源已經(jīng)過船級社認可及三維數(shù)字拉錨仿真，所以船廠在進行施工設(shè)計深化時，一方面要考慮到船廠自身制造精度誤差的限制，一方面又要滿足設(shè)計方的設(shè)計原則和船級社入級規(guī)范（本產(chǎn)品為CCS規(guī)范）的要求。因此，基于以上圖面數(shù)據(jù)，需要船廠在施工過程進行檢驗的數(shù)據(jù)如下：1）錨鏈筒與錨系甲板交點P、與船體外板交點S以及與錨臺面板交點O的定位坐標與設(shè)計方一致。2）錨臺面板所在平面B和錨鏈筒夾角與設(shè)計方一致。3）錨唇型線與設(shè)計方一致，錨唇各剖面夾角與設(shè)計輸入一致?；谝陨弦?，錨系放樣首先應(yīng)進行錨鏈筒建模以及錨臺面板所在平面B的確定，以此作為錨臺放樣的基準面。通過測量P點坐標、O點坐標、錨鏈筒中心線在側(cè)視圖與豎直方向的夾角α1、錨鏈筒中心線在俯視圖與船長方向的夾角α2、錨鏈筒內(nèi)徑R以及板厚D1與D2，依次進行點、線、面的創(chuàng)建即可完成錨鏈筒的建模和平面B的確定。考慮到輕量化，錨鏈筒采用了兩種板厚對接安裝的型式，需要保證較厚部分D1位于錨鏈運動軌跡范圍內(nèi)，與錨唇接觸區(qū)對接，以保證結(jié)構(gòu)強度。同時要保證錨鏈筒對接焊縫與船體舷側(cè)外板的焊縫避免干涉，因此要將錨鏈筒沿中心線進行相應(yīng)旋轉(zhuǎn)以保證要求。建立完成的錨鏈筒如圖8所示。2.2錨臺面板的確定為引導(dǎo)錨鏈順利運動，將錨唇剖面型線設(shè)計為月牙形。月牙內(nèi)端為錨鏈筒內(nèi)壁與錨臺面板交線，由于錨鏈筒為圓柱薄壁結(jié)構(gòu)，所以與錨臺面板交線為橢圓形；月牙外端為錨臺面板與錨臺圍板的交線，因此優(yōu)先進行錨唇建模，即可完成錨臺面板的確定，以此作為錨臺圍板的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。利用CATIA優(yōu)良的參數(shù)化能力，依靠其自身知識工程語言進行編程，完成錨唇的參數(shù)化建模，避免從AutoCAD圖紙至CATIA草圖的型線數(shù)據(jù)依靠人為數(shù)據(jù)輸入，大大提升了建模效率。2.2.1數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊CATIA基于知識工程的參數(shù)化驅(qū)動1）模型直接驅(qū)動：在三維模型建模階段可實現(xiàn)任意數(shù)據(jù)、元素的參數(shù)化，不局限于實數(shù)、整數(shù)、字符串、點、線、面、表格等，以上參數(shù)可直接與圖形約束進行關(guān)聯(lián)完成數(shù)據(jù)驅(qū)動。2）知識工程規(guī)則文件：基于知識工程語言進行的二次開發(fā)，可將模型結(jié)構(gòu)樹的樹形結(jié)構(gòu)、參數(shù)集等元素進行復(fù)雜規(guī)則編輯，也可依靠知識工程語言完成元素創(chuàng)建和外部元素調(diào)用。3）工程模板數(shù)據(jù)驅(qū)動：可實現(xiàn)實數(shù)、整數(shù)、字符串、點、線、面等參數(shù)的數(shù)字化驅(qū)動，可將參數(shù)作為發(fā)布元素進行輸出以作為使用者調(diào)用工程模板的交互輸入項目。4）動作及反應(yīng)：作為主動及被動控制開關(guān)，基于知識工程的規(guī)則文件完成必要的人員控制。5）資源表工程模板調(diào)用：將復(fù)數(shù)工程模板存入服務(wù)器資源表，以邏輯名稱作為標識，可作為被調(diào)參數(shù)用于知識工程中，完成復(fù)數(shù)工程模板的同時運行。2.2.2catia參數(shù)化型線建模錨唇型線為一條樣條曲線，在數(shù)學(xué)空間上一般采用加密關(guān)鍵點依靠線型二次差值進行描繪，雖然CATIA具有從AutoCAD導(dǎo)入二維圖元數(shù)據(jù)直接作為型線的數(shù)據(jù)輸入方式，但是每一個二維型線圖元缺乏數(shù)據(jù)驅(qū)動，難以完成后續(xù)型線精確定量修正的工作，且在船舶設(shè)計服務(wù)器上會造成多余數(shù)據(jù)冗余，不滿足數(shù)據(jù)資料儲存要求。因此，本節(jié)采用了將AutoCAD圖紙中的型線數(shù)據(jù)提取至EXCEL表格文件中作為中轉(zhuǎn)，通過CATIA的知識工程語言編程，同步將數(shù)據(jù)提取至CATIA完成參數(shù)化型線建模。在AutoCAD中，錨唇的型線數(shù)據(jù)保存在每個垂直于平面B的剖切面中，且每個線型與錨臺面板的交點均在錨鏈筒與錨臺面板交線的橢圓形上?；诖耍瑱E圓作為現(xiàn)有的引導(dǎo)線可將各個型線之間的空間關(guān)系確定?；诟髌是忻嬷芯€型曲線與錨鏈筒內(nèi)壁的交點，分別建立經(jīng)過這幾個剖切面的局部平面坐標系，并將線型圖形按x-y軸水平擺放。先后經(jīng)過定數(shù)等分、數(shù)據(jù)提取的操作，可將各線型離散成等距點并將坐標提取至EXCEL表格中，完成線型數(shù)據(jù)提取。具體見圖9。在CATIA端，需要根據(jù)施工圖的設(shè)計要求完成各型線圖剖面的生成，明確各個型線與錨鏈筒、錨臺面板橢圓交線的交點，依此作為參數(shù)化線型的基點拾取點。如圖10所示。2.2.3錨唇型線的生成CATIA不具備直接提取電腦本地EXCEL文件的能力，所以基于CATIA的二次開發(fā)能力，結(jié)合錨唇參數(shù)化建模的需求，文章提出結(jié)合錨臺面板型線拾取點的人工交互二次開發(fā)方案，如圖11所示。該方案的思路是基于圖10所示的錨唇型線拾取基點，將每一個錨唇型線制作為參數(shù)化工程模板，依次按照順序裝配在對應(yīng)的拾取基點上，通過編程和動作腳本解決EXCEL線型數(shù)據(jù)對參數(shù)化模型的驅(qū)動以及按順序裝配。1）錨唇型線的工程模板：通過讀取本地EXCEL文件數(shù)據(jù)，利用循環(huán)語句逐行將型線樣條點的坐標賦值給離散的點上，最后用一條樣條曲線將這些參數(shù)化的離散點連接并進行曲線光順，這樣就完成一個錨唇型線的生成。利用CATIA的工程模板功能將驅(qū)動型線參數(shù)的EXCEL文件路徑參數(shù)“FilePath”、定位基點“point”、安裝面“M＿plane”、剖切面“C＿plane”進行發(fā)布，即可以在整體坐標系（實船空間）下調(diào)用此工程模板，分別輸入對應(yīng)的發(fā)布數(shù)據(jù)完成實際錨唇型線的創(chuàng)建和定位。此時，錨唇型線內(nèi)部的型線創(chuàng)建是基于基點、安裝面及與其垂直的剖切面的局部坐標系生成的，只在法向方向上需要手動調(diào)整正反位置。工程模板的調(diào)用情況如圖12所示。2）資源表：資源表中的數(shù)據(jù)可以利用知識工程編程語句“InstantiateTemplate”進行調(diào)用，所以將錨唇型線工程模板加入至資源表，與邏輯名稱“Curve＿MC”進行綁定，搭配動作腳本循環(huán)語句，可通過調(diào)用邏輯名稱實現(xiàn)工程模板的循環(huán)調(diào)用。如圖13所示。3）元素列表集：在整體坐標系（實船空間）中，各錨唇型線的安裝面統(tǒng)一。為了保證循環(huán)調(diào)用工程模板時，定位基點、剖切面及對應(yīng)線型數(shù)據(jù)的一致性，分別通過拾取的辦法創(chuàng)建這些元素的列表集，根據(jù)相同的拾取順序來保證數(shù)據(jù)的一致性。如圖14所示。4）動作腳本：通過創(chuàng)建聲明列表的型式建立與資源表的邏輯名稱及元素列表集對應(yīng)的虛擬物理產(chǎn)品“ob”及虛擬元素列表集“Pl”等，通過循環(huán)語句不斷將邏輯名稱“Curve＿MC”賦值給“ob”實現(xiàn)工程模板的循環(huán)調(diào)用，順次將各列表集的數(shù)據(jù)賦值給虛擬列表集，完成工程模板參數(shù)的確定。5）腳本執(zhí)行及后處理：執(zhí)行腳本，將生成的各錨唇型線通過掃掠功能相連，與錨臺面板合攏形成包絡(luò)體，完成錨唇建模，如圖15所示?；诮Y(jié)構(gòu)輕量化要求和強度要求，可以對生成的包絡(luò)體進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)修改，完成錨唇結(jié)構(gòu)確定，后續(xù)可利用BIM完成重量重心輸出以進行鑄造廠家資料的重量審核。2.3錨冠的下緣接觸通過提取錨唇和錨鏈筒模型的邊緣輪廓進行填充拉伸可直接完成錨臺面板的建立，而錨臺的建模重點在于錨臺圍板。多年的經(jīng)驗及動力學(xué)仿真結(jié)果說明，當大抓力錨背面與錨臺接觸時，錨冠多優(yōu)先與錨臺圍板下緣接觸，隨后完成大角度翻轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)至正面。圍板曲面不光順會直接影響到錨冠在錨臺上的運動軌跡。因此，本節(jié)將重點討論錨臺圍板的建模，并對曲面展開的傳統(tǒng)方法和基于CATIA的外板展開功能進行結(jié)果對比，經(jīng)過實船制造和系泊拉錨試驗完成方法驗證。2.3.1直紋面元素的利用在設(shè)計方的施工資料中，A-1～A-4的4個錨臺剖面的錨臺圍板線型均為直線。船廠的施工設(shè)計深化工作是以現(xiàn)有的直紋面元素逆推至直紋面的過程，此時錨臺圍板與船體舷側(cè)的交線需要保證圍板曲面在每一處直紋面元素的曲率均勻。CATIA不支持直線元素圍繞閉合引導(dǎo)線建立閉合曲面，需要將引導(dǎo)線切割為至少2部分，基于此進行掃掠的曲面會出現(xiàn)邊界曲率奇異的問題考慮到錨臺圍板與船舷側(cè)交線線型未知，且直紋面剖面元素為直線，具有可延伸性，將現(xiàn)有4個剖面的直紋面元素延伸至統(tǒng)一的平面C上，以平面C的交點元素連接為閉合曲線并進行曲線光順，以此作為輔助引導(dǎo)線。在掃掠過程中，CATIA軟件的內(nèi)部算法會進行網(wǎng)格劃分，由于引導(dǎo)線均為光順曲線，所以邊界條件更容易使曲率計算收斂，最終生成近似直紋面的曲面，將與船舷側(cè)線型相交部分切除后，余下部分為錨臺圍板曲面，最大程度減小了直紋面的誤差。如圖17所示。2.3.2錨臺與船殼側(cè)交線上加密點的展開由于錨臺圍板與平面B的交線已知，因此曲面展開的目的是將錨臺圍板與船舷外板的交線展開至同一平面。船廠的傳統(tǒng)放樣手段是基于二維AutoCAD圖紙的點線數(shù)據(jù)逆推空間三維坐標，利用插值法進行手工放樣完成曲面的近似展開將錨臺圍板側(cè)視圖切分為4個部分以便于板材套料和運輸。切割元素需要避開安裝有肘板的位置，以避免焊接能量過高。通過迭代切分將切割部分進行逐步加密，求解得到錨臺與船舷側(cè)交線上加密點的空間坐標。由于加密點間隔較近，交線上經(jīng)過每2個點的部分可近似等效于直線。因此，通過計算相鄰兩點的距離即完成了展開曲面末端的關(guān)鍵點位置確定。加密切割部分即形成了微小的平面單元，最終將這些平面單元展開至同一平面，利用樣條線將末端曲線相連完成曲面展開。具體的操作流程及結(jié)果如圖18所示。2.3.3錨臺整體展開后的輪廓對比基于2.3.1節(jié)建立的錨臺圍板模型是一個近似于直紋面的非規(guī)則曲面，因此其外板展開不遵循直紋面可展開的原則利用CATIA將錨臺圍板按照2.3.2節(jié)的切割方式進行切割，隨后利用CATIA的曲面展開功能將錨臺的圍板每個切割部分進行展開，將展開后的輪廓與2.3.2節(jié)手工放樣的輪廓進行比對，發(fā)現(xiàn)二者輪廓基本吻合，如圖20所示。測量統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過CATIA曲面展開的輪廓與手工放樣的尺寸最大誤差為10mm，屬于火工矯正可修正范圍之內(nèi)，符合制造要求。將CATIA放樣的結(jié)果進行套料生產(chǎn)，經(jīng)過縮尺比木模試驗和實船拉錨試驗（圖21），均成功實現(xiàn)拉錨運轉(zhuǎn)無卡錨，驗證了CATIA外板展開的有效性。3錨臺安裝及定位錨臺結(jié)構(gòu)的組成結(jié)構(gòu)較多，一般在內(nèi)場制造階段進行錨臺結(jié)構(gòu)的組裝，然后在船臺施工現(xiàn)場依次安裝錨鏈筒、錨臺結(jié)構(gòu)、最后將錨唇安裝于錨臺面板上，每個零件的空間定位多采用參照物輔助劃線法。在傳統(tǒng)造船模式下，錨臺結(jié)構(gòu)的安裝會受到以下問題的制約。1復(fù)雜空間運算的定位誤差分析錨臺結(jié)構(gòu)是由面板、肘板、圍板等散裝件分別組裝而來，三者之間的定位關(guān)系涉及到空間角度、曲面定位等復(fù)雜空間運算，傳統(tǒng)計算方式設(shè)計周期長，錯誤率高，并且難以應(yīng)對設(shè)計變更。2提前定位安裝錨鏈筒、錨臺相對于船體的定位信息存在于船體外板上，定位劃線工作多在反造分段或為船塢階段進行，此階段涉及腳手架及高臺作業(yè)，施工環(huán)境差，缺乏空間坐標系參照，不利于準確完成定位樣沖或劃線標記，最終容易影響錨唇的安裝精度進而導(dǎo)致卡錨故障。綜上所述，利用CATIA的三維數(shù)字樣機圖形數(shù)據(jù)和計算能力提前定位劃線的工作階段，提高劃線精度，成為解決問題的關(guān)鍵。本節(jié)依靠CATIA的曲面剖切技術(shù)3.1錨臺樣箱的制造錨臺的面板、肘板、圍板需要在內(nèi)場制造階段按照理論位置進行組裝固定，之后運至分段部門進行安裝。由于圍板需要利用水火彎板技術(shù)進行彎折，以及需要優(yōu)先完成各肘板的安裝以作為圍板與面板之間的定位參考，考慮到基于空間角度完成各肘板相對錨臺面板的理論定位操作難度較大，根據(jù)錨臺面板、肘板、圍板之間的理論定位關(guān)系，利用CATIA軟件設(shè)計并制造了與錨臺具有相同尺寸的木質(zhì)錨臺樣箱作為輔助工裝，可同時滿足錨臺面板、肘板的定位需求以及錨臺圍板彎板到位的調(diào)校工作，如圖22所示。錨臺樣箱的制造需要滿足以下要求：1）樣箱的圍板需要進行外板展開，包含與面板、肘板之間的定位信息；2）樣箱的支撐腹板需要避開實體錨臺的肘板位置，以便于實體肘板定位；3）樣箱的各部件尺寸應(yīng)進行控制，以避免運輸通行困難。木質(zhì)樣箱的組成包括：1）平面B：即錨臺面板所在平面，反面標記有錨臺圍板及各肘板的定位線信息，可拆裝。2）支撐板：作為樣箱的結(jié)構(gòu)支撐，外部輪廓與錨臺圍板的線型一致，按照制造要求避開了錨臺肘板的實際位置。3）座板：在設(shè)計上為平面B的平移面，作為樣箱底座落地，保證擺放固定后平面B的水平。4）圍板邊線：基于錨臺圍板與船體外板的交線制作，標記有錨臺圍板與船體外板的定位位置。5）木質(zhì)圍板：按照錨臺圍板展開后的平面形狀制造，為散裝件，標記有肘板的定位線信息與船體外板的定位信息。在CAITA中，基于樣箱的制造要求進行木質(zhì)樣箱的建模以及圍板曲面展開，可同時將肘板定位信息和與船體外板的定位點信息同步映射至展開的輪廓中，在平面套料階段完成定位元素的輸入。由此制造出來的木質(zhì)圍板利用可彈性彎折的特點圍繞著樣箱支撐板曲面彎折后進行臨時固定，利用木