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摘要：為使學(xué)生更好地理解船舶分段吊裝工藝，設(shè)計(jì)了船舶分段吊裝工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。基于該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可自主學(xué)習(xí)船舶分段吊裝工藝知識(shí)，進(jìn)行船舶分段吊裝工藝設(shè)計(jì)，并通過(guò)執(zhí)行靜力學(xué)仿真、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真校驗(yàn)對(duì)工藝設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)完善。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)激發(fā)了學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)思考的積極性，對(duì)于學(xué)生進(jìn)行知識(shí)實(shí)踐、知識(shí)擴(kuò)展以及創(chuàng)新能力提升具有積極作用。

關(guān)鍵詞：船舶分段；吊裝工藝；虛擬仿真

船舶分段吊裝工藝設(shè)計(jì)是以安全性、經(jīng)濟(jì)性、工藝適用性為目標(biāo)，綜合考慮船舶分段參數(shù)、起重設(shè)備參數(shù)、作業(yè)工藝要求等要素的復(fù)雜設(shè)計(jì)問(wèn)題，該問(wèn)題的建模和求解具有鮮明的組合優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化特征，且決策空間大、對(duì)象復(fù)雜、約束條件多[1-4]。船舶分段吊裝工藝是船舶與海洋工程專(zhuān)業(yè)“船舶建造工藝學(xué)”“現(xiàn)代造船技術(shù)”等主干課程的重要內(nèi)容。長(zhǎng)期以來(lái)，課程教學(xué)中由于缺少有效的交互式學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證手段，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)該項(xiàng)工藝的知識(shí)要點(diǎn)理解起來(lái)比較困難。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了船舶分段吊裝工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能更直觀地了解認(rèn)識(shí)船體分段吊裝工藝，并更深入理解掌握船體分段吊裝工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主開(kāi)展工藝設(shè)計(jì)、自主獲取工藝知識(shí)。

1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可自主進(jìn)行船舶分段吊裝工藝設(shè)計(jì)，包括三維吊裝對(duì)象查看、設(shè)計(jì)要素測(cè)算、吊點(diǎn)空間布放、工裝部件選型等內(nèi)容。基于自主設(shè)計(jì)的工藝方案，學(xué)生可執(zhí)行靜力學(xué)仿真、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真校驗(yàn)；根據(jù)仿真校驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生可對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步優(yōu)化完善，達(dá)到由學(xué)生自主控制實(shí)驗(yàn)、自主分析實(shí)驗(yàn)、自主獲得知識(shí)的目的。該實(shí)驗(yàn)設(shè)置了任務(wù)書(shū)下達(dá)、吊裝工藝設(shè)計(jì)、交互式工藝仿真、設(shè)計(jì)方案評(píng)定4個(gè)功能模塊，各模塊具體功能如圖1所示。

2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

船舶分段吊裝工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于跨平臺(tái)的三維圖形引擎Unity3D進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。前端三維分段模型以STEP或DXF文件格式導(dǎo)入并通過(guò)圖形程序自動(dòng)執(zhí)行簡(jiǎn)化和渲染，其他三維模型基于MAYA和3DMAX軟件制作；數(shù)據(jù)庫(kù)接口通過(guò)MySql進(jìn)行創(chuàng)建。平臺(tái)整體程序架構(gòu)如圖2所示。

3實(shí)驗(yàn)步驟

3.1知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)

開(kāi)始實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生可基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行船舶分段吊裝工藝知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)，知識(shí)點(diǎn)由吊裝基本概念、吊裝力學(xué)基礎(chǔ)、吊裝設(shè)計(jì)流程組成。其中吊裝力矩與力偶、吊裝力系平衡、吊裝強(qiáng)度與穩(wěn)定性等概念性內(nèi)容，學(xué)生可通過(guò)三維靜、動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行輔助學(xué)習(xí)，便于學(xué)生準(zhǔn)確掌握設(shè)計(jì)所需基礎(chǔ)知識(shí)。此外，該實(shí)驗(yàn)設(shè)置了答題環(huán)節(jié)，可對(duì)學(xué)生知識(shí)點(diǎn)掌握情況進(jìn)行評(píng)定。知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)界面如圖3所示。

3.2任務(wù)查看

該實(shí)驗(yàn)集成了多年科研積累的船舶分段吊裝工藝設(shè)計(jì)案例，形成了數(shù)據(jù)庫(kù)[5-7]。綜合考慮船舶分段形式及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、作業(yè)工藝具體要求，設(shè)計(jì)任務(wù)被劃分為簡(jiǎn)單、中等、困難3個(gè)難度等級(jí)。學(xué)生可自由選擇難度等級(jí)，對(duì)應(yīng)等級(jí)的設(shè)計(jì)任務(wù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)隨機(jī)下達(dá)。每個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)由船舶分段信息、吊車(chē)設(shè)備信息、作業(yè)工藝信息組成，具體包含：①目標(biāo)船舶分段結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量及重心數(shù)據(jù)；②目標(biāo)起重設(shè)備類(lèi)型、總起重能力、鉤頭數(shù)量、各鉤頭起重能力、鉤頭最大起重差等數(shù)據(jù)；③船體分段基面朝向、船體分段擺放與起重設(shè)備相對(duì)方向、是否為翻身作業(yè)、翻身方向、翻身角度等數(shù)據(jù)。以上設(shè)計(jì)信息均可配合三維模型進(jìn)行虛擬展示，便于學(xué)生準(zhǔn)確理解設(shè)計(jì)任務(wù)。設(shè)計(jì)任務(wù)查看界面如圖4所示。

3.3工藝設(shè)計(jì)

基于三維虛擬仿真模型，學(xué)生可進(jìn)行工藝總體設(shè)計(jì)、工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)、靜力學(xué)分析校驗(yàn)等設(shè)計(jì)工作。（1）工藝總體設(shè)計(jì)。根據(jù)目標(biāo)任務(wù)要求，學(xué)生運(yùn)用船舶分段吊裝工藝知識(shí)，進(jìn)行吊點(diǎn)數(shù)量及布置區(qū)域初步確定。（2）工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)。根據(jù)目標(biāo)任務(wù)中船舶分段結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由學(xué)生確定各吊點(diǎn)位置坐標(biāo)（支持特征點(diǎn)交互式點(diǎn)選及坐標(biāo)值精確輸入2種模式）；根據(jù)各吊點(diǎn)位置局部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由學(xué)生確定各吊點(diǎn)位置處吊環(huán)、卸扣等工裝類(lèi)型，程序可同步調(diào)用部件庫(kù)完成工藝工裝三維快速建模；對(duì)于強(qiáng)度不足的吊點(diǎn)位置，由學(xué)生進(jìn)行必要的臨時(shí)加強(qiáng)設(shè)計(jì)，程序可同步調(diào)用部件庫(kù)完成臨時(shí)加強(qiáng)三維快速建模。吊裝工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)界面如圖5所示。（3）靜力學(xué)分析校驗(yàn)。學(xué)生運(yùn)用吊裝力矩與力偶、吊裝力系平衡相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行各吊鉤、各吊點(diǎn)受力計(jì)算，確定是否滿足工藝設(shè)計(jì)要求；學(xué)生可根據(jù)分析校驗(yàn)結(jié)果，返回來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改完善；實(shí)驗(yàn)后臺(tái)集成靜力學(xué)分析校驗(yàn)求解器，以用于驗(yàn)證學(xué)生提交計(jì)算結(jié)果正確性，并作為該任務(wù)考核評(píng)分依據(jù)。

3.4仿真分析校驗(yàn)

根據(jù)步驟3.3提出的工藝設(shè)計(jì)方案，學(xué)生可直接查看運(yùn)動(dòng)學(xué)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真結(jié)果，并基于結(jié)果進(jìn)行方案分析評(píng)定，為設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步優(yōu)化提供思路。（1）運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析校驗(yàn)。基于前期科研成果——船舶分段吊裝工藝多體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，開(kāi)發(fā)了該實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真物理引擎，實(shí)現(xiàn)“桁車(chē)—平衡梁—吊纜—吊環(huán)—分段”這一多體系統(tǒng)復(fù)雜關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)的三維動(dòng)態(tài)仿真演示。在此基礎(chǔ)上，該仿真過(guò)程同步集成了對(duì)主對(duì)象碰撞、干涉的實(shí)時(shí)檢測(cè)功能及各吊點(diǎn)受力的實(shí)時(shí)計(jì)算功能，為方案的仿真校驗(yàn)提供依據(jù)。運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析校驗(yàn)界面如圖6所示。（2）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析校驗(yàn)。基于前期科研成果，開(kāi)發(fā)了用于該實(shí)驗(yàn)典型吊裝工藝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的有限元求解器[8-9]，實(shí)現(xiàn)對(duì)典型吊裝工藝吊點(diǎn)附近區(qū)域、吊環(huán)及船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)的快速有限元分析。

3.5實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

學(xué)生完成設(shè)計(jì)任務(wù)后可申請(qǐng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。基于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，任課教師可結(jié)合設(shè)計(jì)方案的安全性、工藝性及經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行綜合評(píng)定，并就其中出現(xiàn)的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行在線反饋。

4結(jié)語(yǔ)

船舶分段吊裝工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)學(xué)生自主進(jìn)行船舶分段吊裝工藝設(shè)計(jì)，包括三維吊裝對(duì)象查看、設(shè)計(jì)要素測(cè)算、吊點(diǎn)空間布放、工裝部件選型等內(nèi)容。基于學(xué)生自主設(shè)計(jì)的工藝方案，實(shí)驗(yàn)可執(zhí)行靜力學(xué)仿真、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真校驗(yàn)；根據(jù)仿真校驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生可對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步優(yōu)化完善。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有助于加深學(xué)生對(duì)船舶分段吊裝工藝的認(rèn)識(shí)，激發(fā)了學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)思考的積極性，對(duì)于學(xué)生進(jìn)行知識(shí)實(shí)踐和知識(shí)擴(kuò)展以及創(chuàng)新能力提升具有積極作用。

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作者：劉曉 李瑞 張維平 單位：大連理工大學(xué)