应用虚拟仿真技术推进数字化造船

2013-06-03 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

随着信息技术和造船技术的融合发展,数字化造船是全球造船企业的必由之路,而舰船建造的技术经济特点决定了实施数字化造船迫切需要虚拟仿真技术。本文就虚拟仿真技术的内涵和发展历程、虚拟仿真造船技术实施途径与关键技术、发展中遇到的问题及对策等问题展开了深入探讨。
杨国兵李柏洲甘志霞来源:万方数据
关键字:CAE 虚拟仿真技术数字化造船现代造船模式
世界造船强国从CAX开始,逐步由实施CIMS、应用敏捷制造技术向组建“虚拟企业”方向发展,形成船舶产品开发、设计、建造、验收、使用、维护于一体的船舶产品全生命周期的数字化支持系统,从而实现船舶设计全数字化、船舶制造精益化和敏捷化、船舶管理精细化、船舶制造装备自动化和智能化、船舶制造企业虚拟化,从而大幅度提高生产效率和降低成本,使其具有较高的市场竞争力。我国造船业要想在国际竞争中立于不败之地,也必须大力实施数字化造船。
1 实施数字化造船迫切需要虚拟仿真技术
舰船制造业环境不同于其他行业,舰船工业所生产的巨大的舰船必须在订货合同签订后才能进行设计建造。在建造中为了充分利用船台(坞)、加工装配车间、栖装车间、涂装车间、码头等大型固定设施和大量生产人员,必须要有能适合施工的设计和均衡各作业场所生产能力的设备、维持设备良好运行的管理和工程管理技术。
舰船产业是总装性质的产业,在接受订货后,先要根据设计要求筹备各种各样的部件、原材料、设备等,并按交船期制定造船方法、建造工艺、生产计划、物资供应、生产管理和质量控制等各方面技术,需统筹各方面的技术,以便有效地使用材料、设备和人员。
舰船设计是一项专业面广、综合性强的专业工作,涉及到总体、船体、栖装、涂装,以及装置、动力、系统、电气、武备等几百个专业。在现行的舰船设计阶段中,包含大量的数据、图纸和工艺文件标准等。设计中需要各专业相互配合、交叉和不断深化,以及图纸、资料、信息的共享和传输,复杂程度高,技术难度大。
舰船建造是一个庞大而复杂的系统工程,如何在有限空间内设计布置和安装各种装置和设施,如:主辅机动力系统、设备、通讯、导航、控制、武备和特种装置及各种生活设施、复杂管系和电缆等,需要在设计中和施工前进行综合谋划,但是,按照传统的造船模式,施工中的碰撞、交叉和计划实施只能通过图纸和模型进行局部优化,往往是顾此失彼,不能预见生产过程中的瓶颈和问题,以及风险的防范。而在信息技术基础上发展起来的虚拟仿真造船技术能有效解决舰船建造中的这些难题,因此,虚拟仿真技术成为数字化造船技术发展的重要方向。
2 造船虚拟仿真技术的内涵和发展历程
2.1 虚拟仿真技术的概念、内容以及在产品建造中的应用
虚拟仿真技术是将数字化信息技术和计算机技术应用于产品的设计与制造,相对于传统的产品研制,它是一个全新的概念,是对真实产品制造的虚拟现实模拟,是利用计算机软硬件技术、图形、图像处理与模式识别技术、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术等多种高新技术,在计算机上进行而不消耗真实物理资源的仿真制造软技术。
虚拟造船技术处理的对象是舰船产品与造船系统的信息与数据,生产出来的是电子样船。虚拟造船技术包括如下几大部分:舰船产品和造船过程建模技术及虚拟车间建模技术、虚拟公司建模技术;运行和操作的仿真技术及综合可视化技术;模型部件的组织技术、工作和信息流程控制技术、碰撞的求解技术及验证技术;数据库技术、人工智能技术、系统集成技术及协同求解技术等。目前,先进的造船计算机软件和硬件系统已经能实现虚拟造船技术。
虚拟仿真技术在产品建造中的应用主要体现在两个方面:一是建模,二是仿真。在设计阶段,用户能直接参与产品的交互设计,提出修改和优化设计的意见;在制造阶段使用户和参与者对产品制造全过程中的工艺、生产和管理等整个制造系统的功能进行有效的评价。因此,必须结合产品的设计生产过程、生产工艺、工程管理、物资配套等生产管理全过程的集成制造的真实环境,借助计算机将真实环境转变为虚拟环境,通过仿真技术对产品设计、工艺和管理等进行优化,这样就能在真实产品制造前,让业主和制造商等产生诸如视觉、听觉、触觉等各种感觉信息,使参与者尤如身在其中,从而达到预测产品的功能及制造厂生产系统的状况,预先了解制造过程及实时优化方案的目的。
2.2 虚拟仿真技术在国内外造船业的发展现状
舰船制造仿真技术源于02世纪05年代的造船成组技术的应用,日本造船界借鉴汽车流水线的批量法则,以“中间产品”为导向,实现多品种小批量,按区域、类型和阶段,在三维图面上解决优化造船问题,即实施生产设计技术,为施工提供尽可能优化、全面的细致的“工作图”和“管理图表”,达到设计、生产管理一体化合理组织造船生产。
随着信息技术的飞速发展,进入02世纪09年代以来,造船发达国家纷纷利用信息技术给造船业带来的各种机遇,积极开展船舶以数字化描述和虚拟现实技术相结合为特征的虚拟设计和制造仿真技米的研究。
美国于20世纪90年代在国防部的领导下成立了海事敏捷研究组,该组织由来自Leigh大学、5家船厂、海军、船东、船级社、供应商和设计部门的代表组成,从事有关造船的敏捷制造研究,包括如何从技术上、组织机构以及人力资源上使现有的船舶建造方式过渡到敏捷制造。1992年由ARPA资助进行了下一代船舶设计系统——基于设计仿真SBD(simulation Base Design)的项目研究,目标是建立一个能预先进行船舶设计、制造、运行和评价的虚拟环境,即在计算机上实现设计和虚拟建造船舶。SBD中的关键技术是集成的开发环境(IPPD),它利用了虚拟现实技术、无缝集成CAE/CAD/CAM和数据库,并在1994年给出了相应的原型系统。最近美国通用动力公司下属的Electronic Boat corp。采用Dassault system,CATIA/CATWEB解决方案,实现集成产品数据环境中可视化,提高造船企业中各个部门的合作能力,并将该方法应用到海狼级潜艇的设计中,极大地提高了效率。目前美国CAD/CAM厂商正在联合开发一个船舶设计制造软件系统Virtual Design,目的是通过无缝的多学科集成(工程设计、生产、后勤及相应的商务系统),来减少船舶设计50%以上的时间和成本。除了上述虚拟设计研究以外,美国海军和一些大学还开展了有关虚拟现实及其在舰船设计和制造的应用研究。例如,密西根大学(UMICH)虚拟现实实验室采用浸沉式虚拟现实技术(Immersive virtua reality)进行了游船设计和相关的船舶应用,使得来自不同领域的专家可同时进行并行设计,提高了效率。同时,UMICH还利用虚拟现实技术实现生产过程的仿真,通过CAE的技术预先检查各分段组装和船台总装过程,修改虚拟生产设计和生产计划中的错误,美国海军研究实验室还进行了分布式仿真研究,针对不同的作战情况实现舰艇训练的虚拟化。
日本大力开展造船CIMS和CALS研究及原型系统的实施;韩国也大力开展了有关敏捷制造、电子采购系统、基于Agent造船设计和生产调度计划系统以及电子商务等的研究;欧盟也进行了G8-MARVEL等的研究,为新一轮的市场竞争做好技术储备。
我国造船工业从20世纪70年代开始采用造船CAM技术使造船生产效率和加工质量有了较大地提高。80年代后期,船舶工业统一组织开发了OA-515、CADIs和MIS等造船造机系统,有力促进了船舶企业的信息化进程。随着造船CAD/CAE和MIS技术的发展,产品设计开始丢掉图版,新产品开发设计周期有效缩短,船舶企业现代化管理水平得到提高,船舶制造企业初具国际竞争力并不断壮大。90年代中后期,国际先进的造船软件如TRIBON、CADDS5系统开始引进应用,骨干船厂应用三维建模技术建立产品电子信息模型。新技术的应用使国内造船水平上了新的台阶,产品建造总周期得到了有效缩短,产品建造质量明显提高。
CAD/CAM技术的深入应用为推进集成制造技术提供了信息源头。GM技术和CIMS开始在沪东中华、渤海船厂和广船国际等船厂开发应用。CIMS的应用使产品制造和管理信息集成起来,从而能够实现制造信息高度共享和企业制造资源优化,全面提高企业运行效率。

3 虚拟仿真造船技术的实施途径与关键技术
(1)建立电子样船模型。传统的舰船建造通常采用实尺或比例放样将设计图纸变为施工图。船厂内备有巨大的样台,而放样工常年处于相当辛苦的状态。他们主要工作是对舰船设计线型进行光顺、并将二维平面图通过放样制成样板、样箱,供加工装配或施工用。这种工作成本高、周期长、工作艰苦、效率低。近20多年来计算机技术发展迅速,计算机数学放样在船体、栖装(含船装、管装、机装、电装、内装)等三维建模已有突破,其电子样船和三维机舱已成为现实。通过计算机和仿真、多媒体等建立的电子样船,可以预先在电脑里看到船体外表和内部结构、舱室、设备布置和性能,以便船东、船厂、建造师、船检、设备厂商等提前了解如何建造和实时提出修改建议。同时,舱室尤其是机舱内的管系、设备等可以实时进行干涉检查,将建造安装中产生的矛盾提前到设计阶段解决。
(2)建立船厂制造系统虚拟生产线。目前在舰船建造过程中,已大量采用机械化、自动化生产线,如钢材预处理流水线、型钢自动号料切割线、板材数控切割线、NC弯肋骨机、平面(曲面)分段流水线、船台(坞)作业生产线等。这些生产线有些自控技术也很先进,但大多数还是靠人工监视,往往在生产过程中由于运行不当或者机械故障,而造成整机或整线瘫焕,某一条线的瓶颈将会对整个产品生产产生负面影响。因此,在电子化样船的基础上,对船厂的现实制造系统利用计算机建立舰船制造虚拟环境,即生产过程含管理的电子三维空间。该虚拟生产环境包括工厂生产环境的数字化数据转换,以及各生产线、厂房布局、道路设施、车间内各流水线进行数字化建模,同时各加工流程加工信息形成信息流,并驱动物料流形成工序流,再输入工艺、设备、人员、计划、精度、质量等信息形成具有沉浸感受的信息化虚拟环境。这个虚拟环境给设计者和其他参与者一种身临其境的感觉。
(3)建立舰船企业数据库和数据信息交换标准。舰船企业内部建立健全的数据库非常重要,它是形成企业数字化的信息共享构架平台,是构造企业信息化的技术基础,以便实现对产品全寿命周期内所涉及的设计、制造、生产管理、质量控制、成本控制等全过程的各类数据无缝整合,为企业生产全过程有关工作的组织计划、监督和协调提供依据。
只有企业数据库还不能开展全行业的虚拟仿真造船。因为对于一个行业或某一集团内部,如果各企业信息不能共享或者信息“孤岛”严重,将会造成好不容易生成的大量的有价值的设计生产、管理信息在传递中被丢失,造成资源浪费和利用率低等问题。而“孤岛”现象又会造成大量信息冗余和重复生成处理,同样造成资源浪费。因此,迫切需要建立一个信息共享平台,即必须采用国际标准来进行设计和生产、也就是产品模型数据交换标准(sTEP)。该标准不仅能描述产品的几何信息,还包括参数化数据、特征和非几何数据,如精度、计划、工艺管理等信息。有了企业产品数据库和数据交换标准,就可以在行业或一个集团内各企业间实现设计、生产、管理信息资源共享。
除了上述研究的进展,还有一些支持虚拟仿真关键技术,如临境技术和拟实技术、三维模型与虚拟现实系统的接口技术、零部件分段加工装焊过程的仿真技术、物流仿真分析、视景仿真和主体显示、虚拟环境技术、人机工程等都得到快速发展。
4 虚拟仿真技术在我国造船业发展中遇到的问题及对策
4.1 目前虚拟仿真技术在我国造船业应用中的问题
(1)应用的重点仍集中在解决技术与工程问题上,没有与企业的业务流程、运营模式和管理变革有效结合,尚未有效地促进体制创新、管理创新。往往有了先进的造船信息系统和装备却以传统的观念和模式来运行,难以发展数字化应有的效益。
(2)产品设计、制造、管理信息一体化的集成度较低。船舶行业的零部件数量很庞大,目前国内对船舶零部件标准化程度和日韩相比差距较大,同时也缺乏真正可执行的行业统一编码,使得各企业之间、企业内部本身无法做到信息共享和集成。
(3)船舶数字化测试、虚拟设计、虚拟建造和产品数据管理等技术的应用尚为空白或刚起步,因此产品先期研制水平低、周期长,数字化管理缺乏完整信息资源。
(4)船舶制造资源优化配置技术的应用处于较低水平,企业的生产管理和协调仍以现场调度型为主,满足精细管理要求的造船管理信息系统研究和应用尚处于初级阶段,管理基本还处于粗放型。
(5)满足船舶产品成本预算、核算、控制的成本管理集成信息系统尚处于起步阶段,船舶企业成本失控现象时有发生。
(6)实现船舶产品生命周期的现代物流信息系统刚起步。
(7)船舶制造装备自动化程度较低,造船机器人的应用基本处于空白。
(8)船舶核心软件基本从国外引进,难以掌握数字化造船主动权。
4.2 我国造船业要大力推进建立现代造船模式
世界造船业已经进入了更高层次的“数字化”阶段,正在研究全球化的资源优化集成,以全面数字化、全面模块化和网络平台等技术为支撑,建立动态的造船联盟——虚拟企业。中国造船业要想在这个未来的动态联盟中占有一席之地,应用虚拟仿真技术是中国造船业的一条必由之路,中国企业应该通过实施现代造船模式,利用数字化造船系统提升竞争力,以统筹优化原理为指导,应用成组技术原理;以中间产品为导向,按区域组织生产;壳、栖、涂作业在空间上分道、时间上有序;设计、生产、管理一体化,均衡、连续地总装造船,并且改进管理体制与模式,完善与发展配套的上下游行业,从而使船厂缩短造船周期、提高生产效率和降低造船成本。
4.3 大力提高自主研发能力
近年来,骨干船厂、设计院所和大学相继引进国外大型船舶设计制造软件TRIBON、CADDSS、CATIA/ENOVIA等。但由于我国企业管理的环境、理念、体制上的特殊性,使得花重金引进的国外软件不能简单套用,引进后有大量的本土化工作要做,而本地化开发的难度则大大超出了预想的难度。同时由于我国“世界第一造船大国”目标的提出,日韩政府已加紧限制包括软件、数据标准等先进造船技术对我国的输出。所以,真正一流的技术是买不来的。我国造船企业发展虚拟仿真技术还必须靠自主研发这条道路,例如沪东中华等厂自主开发了船体建造软件三维栖装管系设计,已在国内数十余家船厂应用。从长远利益来看,我们必须开发具有自主知识产权的造船虚拟仿真软件系统。为此,需要加大科研经费和基础设施建设方面的投入,整合现有的开发成果,集中人力、物力、财力解决系统建设中的关键问题,尽快形成适合中国造船企业的虚拟仿真软件产品,并努力推进虚拟仿真软件的实施应用。
4.4 加强船舶数字化基础体系建设
数字化制造技术以信息数字化的形式实现信息管理、传输、处理和共享,因此必须首先建立数字化的基础体系。根据船舶企业的特点从基础标准、数字化设计标准、制造标准、管理标准、数字化试验与评价标准等方面进行研究,制定出符合船舶企业实际以及发展需要的船舶制造数字化标准规范体系;建设相应的基础性和通用性的数据库、知识库和模型库;建立和研究船舶信息集成及数据交换标准和平台,并建立一个通畅、稳定、安全的网络通信平台。