基于虛擬仿真的船艙大型部件維修通道分析

周櫓君，朱曉軍，楊鐵軍，閔少松

(1.海軍工程大學(xué)，湖北武漢 430033;2.海軍92957部隊，浙江舟山 316000)

維修性是由裝備設(shè)計賦予的使其維修簡便、快速和經(jīng)濟的一種固有屬性，是裝備的質(zhì)量特性，良好的維修性也是艦船安全使用的重要保證。實現(xiàn)維修及時、經(jīng)濟、有效，不僅是使用階段應(yīng)該考慮的問題，也是從裝備全系統(tǒng)和全壽命周期應(yīng)該考慮的問題。

對于艦船的設(shè)計而言，總體設(shè)計人員需要謹慎考慮如何在有限的空間內(nèi)布設(shè)復(fù)雜的管系和電纜［1］，需結(jié)合全艦系統(tǒng)以及設(shè)備的使用和維修要求，布置各種裝置和設(shè)施，以保證它們有機的集成并有效運行。為在總體設(shè)計階段就能充分評估和解決艦船后續(xù)使用和維修過程中的問題，促進設(shè)計方案的改進，需要研究一種針對艦船產(chǎn)品使用和維修性設(shè)計驗證的新方法［2］。

現(xiàn)在通用的是以虛擬仿真技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建的維修性評估指標(biāo)體系以及評估方法。這種方法在國外發(fā)展的比較早，1995年，洛克希德·馬丁公司取消了原有的金屬模型，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對F-16戰(zhàn)斗機的CAD模型進行維修性分析。近年來國內(nèi)也快速發(fā)展，并運用到高速列車［3］、車輛［4］、飛行器、船舶［2］的維修性設(shè)計驗證。車輛和飛行器領(lǐng)域發(fā)展的較成熟，對于船舶虛擬維修的研究還未形成一套定量評估的方法，評估內(nèi)容不夠全面，特別是在通道方面。

對于船舶，尤其是如機艙，機電設(shè)備體積較大，在高級別等級修理中往往需要將設(shè)備轉(zhuǎn)移到車間維修，會對設(shè)備的維修通道空間提出一定要求。為此在維修指標(biāo)中需增加一項評價維修通道空間的指標(biāo)，來評估通道設(shè)計的優(yōu)劣。

1 大型部件的吊運通道分析方法

在大型部件的吊裝工作中，吊裝設(shè)備必須經(jīng)過設(shè)計好的通道到達指定維修地點，這就需要建立一項評價維修通道空間的指標(biāo)?；谔摂M仿真的大型部件吊裝，能夠借助虛擬樣機對設(shè)計中涉及的大型部件的吊裝過程進行演示驗證，可結(jié)合演示過程對吊裝通道進行分析，給出相應(yīng)的通道分析結(jié)果，并將分析結(jié)果反饋給設(shè)計部門，以便在設(shè)計時就能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計通道的不足，及時調(diào)整吊裝方案。

吊運通道分析有4個主要內(nèi)容:吊運通道空間分析、通道檢測間隙分析、吊運方便性分析和通道復(fù)雜性分析。吊運通道空間分析可通過部件與通道的最大橫截面面積之比進行分析。吊運通道檢測間隙分析，則通過部件與通道之間的間隙來進行分析。而吊運方便性分析，可通過吊運過程中，部件需要旋轉(zhuǎn)角度來分析。最后，通道復(fù)雜性分析，則通過轉(zhuǎn)換吊運設(shè)備的次數(shù)來進行分析。

1.1 吊運通道空間分析

對于吊裝通道中涉及艙口、可拆板等開口通道，通道口的橫截面面積S1必須大于與吊裝方向垂直的部件的橫截面最小面積S2，即S1＞S2，才能保證部件的順利進出。通過這種開口通道的難易程度可以對橫截面面積之比來打分表示，如圖1所示。

圖1 橫截面之比評分示意圖

若S2/S1＞1，則表示不能通過通道，計分為0;若0.7＜S2/S1≤1，則表示勉強能夠通過，計分為0.0～0.3;若0.5＜S2/S1≤0.7，則表示比較容易通過，計分為0.3～0.5;若S2/S1≤0.5，則表示非常容易通過，計分為0.5～1.0。對于吊裝通道中不涉及艙口、可拆板開口等無開口通道，吊裝部件可無阻礙通過，比值非常小，計分為1.0。評估分值如表1所示。

表1 橫截面面積之比評估分值核對表

1.2 通道檢測間隙分析

部件運輸過程可能晃動或需要人員輔助作業(yè)，所以需要保留一定的間隙。對于吊裝通道檢測間隙分析，以通過通道時部件與通道邊界之間的間隙來對通道進行評分。部件與通道邊界之間的間隙是指部件上的任意一點與通道邊界任意一點的距離的最小值，即假設(shè)R代表部件上的所有的點，r為部件上任一點，Q代表通道邊界上的所有的點，q為邊界上任一點，則它們之間的間隙δ=min d(r，q):r∈R∧q∈Q。

它們之間的間隙若不大于0.1 m［5］，即δ≤0.1 m，則認為不通暢，計分為0.0～0.3;若0.1＜δ≤0.2 m，則認為通道通暢，記為0.3～0.6;若0.2 m＜δ≤0.3 m，則認為通道比較通暢，記為0.6～1.0;若δ＞0.3 m，則認為通道很通暢，記為1.0。對于吊裝通道中不涉及艙口、可拆板開口等無開口通道，若吊裝部件與周圍邊界相距較遠，也即間隙較大，計分為1.0，若吊裝部件與周圍邊界的距離較近，間隙可參考有開口通道的間隙的分值進行打分，評估分值如表2所示。

表2 通道檢測間隙評估分值核對表

1.3 吊運方便性分析

對于吊運通道方便性分析，可以通過部件旋轉(zhuǎn)角度來進行評分。對于吊裝通道中涉及艙口、可拆板開口等開口通道，為了部件可以通過或方便吊裝，可能需要經(jīng)過旋轉(zhuǎn)。三維空間旋轉(zhuǎn)軸有3個，所以旋轉(zhuǎn)角度也有3個，記為α、β、γ，如圖2。

圖2 三維空間自由度

當(dāng)部件以任意姿態(tài)都可通過通道時，則說明部件很容易通過，對通道計分為1.0;若部件需繞一軸旋轉(zhuǎn)不超過30°即可通過通道，則對通道計分為0.7～1.0;若部件需繞軸旋轉(zhuǎn)大于30°小于60°，則對通道計分為0.4～0.7;若部件需繞軸旋轉(zhuǎn)超過60°，則對通道計分為0.0～0.4。評估分值如表3所示。3個角度重要性一致，最后將3個角度的評估分值相乘。

表3 旋轉(zhuǎn)角度評估分值核對表

1.4 通道復(fù)雜性分析

對于吊運通道復(fù)雜性分析，可以用部件通過通道時轉(zhuǎn)換吊運工具的次數(shù)來進行評分。設(shè)備在吊運到維修艙或吊運出船體時需要通過多個艙室，這就涉及到換用吊運工具的操作。轉(zhuǎn)換吊運工具的次數(shù)越多，吊運過程越復(fù)雜，操作就越不方便。轉(zhuǎn)換的次數(shù)為0～2，則認為吊運起來方便，計分為1.0;轉(zhuǎn)換的次數(shù)為3～6次，則認為比較方便，記為0.7～1.0;轉(zhuǎn)換的次數(shù)為7～10次，則認為一般，記為0.4～0.7;轉(zhuǎn)換的次數(shù)為10次以上，則認為操作不方便，記為0.0～0.4，如表4所示。

表4 轉(zhuǎn)換工具次數(shù)評估分值核對表

1.5 各指標(biāo)權(quán)重的確定

運用層次分析法，確定各個子指標(biāo)的的權(quán)重［6］。

通道空間、通道復(fù)雜性、方便性、預(yù)留檢測間隙分別記為因素1、2、3、4。對指標(biāo)進行兩兩比較，確定其相對重要程度。評定標(biāo)度按A.L.Saaty提出的1～9標(biāo)度方法，如表5。

表5 因素i與因素j比較結(jié)果的標(biāo)度量化

則得到層次分析法 (AHP)的判斷矩陣:

矩陣的最大特征值λmax為4.204 1，則維修通道的各子指標(biāo)的權(quán)重如表6。判斷矩陣的隨機一致性比率CR=0.076，CR＜0.1，判斷矩陣具有滿意的一致性。

表6 各子指標(biāo)的權(quán)重

1.6 通道評分評價

1)對部件的n個吊運過程的通道空間、方便性、預(yù)留檢測間隙3個指標(biāo)進行評分，3個指標(biāo)分別得到n個值。

2)所得指標(biāo)的評分按不同過程所占時間的比重加權(quán)平均，得到3個指標(biāo)值。

3)分析部件整個吊運過程通道復(fù)雜性，得到評分。

4)將4個指標(biāo)評分按表6加權(quán)匯總到通道指標(biāo)上去，得到該部件通道的評分。

通道的分析可按最后的評分，并參照表7來給出評價。

表7 評價標(biāo)準(zhǔn)

2 輔機維修通道分析

輔機維修涉及到許多部件，本文選取典型的汽缸蓋在輔機艙的吊運過程進行通道分析。

汽缸蓋在輔機艙吊運過程采用DELMIA仿真，汽缸蓋的吊運在無開口的通道中進行，整個吊運過程分為3個部分:第一部分，上升部分;第二部分，平移吊運;第三部分，下降部分。

各部分的權(quán)重根據(jù)各個過程的維修作業(yè)時間來定。根據(jù)仿真過程，得出上升部分耗時9 s，平移吊運部分耗時4 s，下降部分耗時3 s，共計耗時16 s，按耗時所占的比重確定各個部分的分值權(quán)重分別為 0.563，0.250，0.187，如表 8。

表8 吊運部分權(quán)重分析

2.1 吊運通道的空間分析

對汽缸蓋吊運的各過程進行通道空間分析并根據(jù)表1打分。上升部分中，無通道障礙，汽缸蓋與通道的橫截面面積之比會很小，趨近于零，根據(jù)核對表評估分值為1.0;平移部分和下降部分中，通道對汽缸蓋沒有管路和開口限制，因此橫截面面積之比也很小，趨近于零，根據(jù)核對表評估分值為1.0。得到的評估分值如表9所示，最后將各個部分的綜合得分相加得到的汽缸蓋的通道空間分析總得分為1.0。

表9 汽缸蓋通道空間分析評估表

2.2 吊運過程的檢測間隙分析

按照表2對吊運過程進行檢測間隙分析并評估其分值。上升部分開始時，汽缸蓋需從周圍其它組件拉出，在拉出汽缸之前間隙較小，其余間隙很大，但是拉出汽缸蓋之前的路徑很短，且周圍組件對其影響不大，故得分0.8;平移部分，周圍組件對其影響較小，間隙大于0.5 m，得分為1.0;下降部分，其它吊裝部件對其有影響，導(dǎo)致在最后降落時需旋轉(zhuǎn)90°，才不會與其它吊運部件發(fā)生碰撞，故得分0.6。各分值權(quán)重根據(jù)各個部分的維修作業(yè)時間來定。得到的評估分值如表10所示。最后將3個部分的綜合得分相加得到汽缸蓋吊運通道間隙總得分為0.813。

表10 汽缸吊運通道間隙分析評估表

2.3 吊運通道的方便性分析

按照表3對吊運過程進行旋轉(zhuǎn)角度分析并評估其分值，結(jié)果見表11。

表11 汽缸吊運旋轉(zhuǎn)角度分析評估分值表

上升部分中，汽缸蓋受到自身組件的限制，在一個軸會有微小的旋轉(zhuǎn)。但是小于30°，評估分值為0.7;平移部分中各旋轉(zhuǎn)角度都為0，評估分值為1.0，下降部分繞一軸旋轉(zhuǎn)角度為90°，評估分值為0.4。

2.4 吊運通道匯總分析

對于整個輔機維修通道分析，還需分析出各部件在不同艙室吊運環(huán)節(jié)的通道空間、方便性、預(yù)留檢測間隙的評分，并根據(jù)各過程所占比重分別匯總成3個指標(biāo)評分。最后加上整個通道的復(fù)雜性評分，按1.5節(jié)中給出的4個指標(biāo)的權(quán)重，匯總求和。

本文的實例，由于只進行了輔機艙的仿真，只能給出輔機艙通道的評分。按1.5節(jié)中給出方法，輔機艙通道綜合評分為0.958。輔機艙通道設(shè)計的非常好。

3 結(jié)束語

維修性是艦船安全使用的重要保證之一。良好的維修通道是實現(xiàn)艦船高效維修的保證之一。本文提出了大型部件吊運維修通道具體的分析評價方法，為維修性設(shè)計驗證提供了一種有效地方法。雖然本文提出的方法，在合理性和精確性上還有待進一步改善，但本文采用的方法、建立的指標(biāo)及指標(biāo)的評估方法對通道的評估有著參考和借鑒價值。

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