一种面向综合评估的船舶工装设计方法与流程

1.本发明涉及船舶工装领域，具体涉及一种面向综合评估的船舶工装设计方法。


背景技术：

2.工装是一切为生产提供便利的工具、器具，是生产效率提升的重要工具之一。现代船舶建造技术的发展带动了工装技术的发展，工装工艺是现代船舶建造工艺的重要组成部分，工装的研发、应用及管理是确保产品建造质量、安全和效率的重要保障，工装设计水平的高低直接反映了企业的造船水平和市场竞争力。但是目前工装的研发、应用及管理还存在一些问题，具体表现在：
3.(1)工装设计标准化程度低，工装设计不规范，无法对工装强度和性能进行合理分析和优化，也不能实现工装设计的模板化，从而无法满足工装快速设计要求。
4.(2)工装管理落后，通用工装和各生产阶段工装件种类繁多，目前以二维图纸形式整理成册，不直观而且设计员在参考和查阅的时候不方便，不能通过库结构及工装属性设置来实现工装管理的精细化。
5.(3)工装设置不合理，目前吊马、支撑、加强等工装以二维工艺图的形式下发，表达不够直观工装设置以经验为主，缺乏工装的强度和可靠性分析手段。工装设计强度过大则造成资源浪费，增加吊运驳运及搁置时的重量；工装设计强度过小则容易使分段产生变形，增加后道建造及校正的难度，且存在安全隐患，无法满足精细化设计和施工的要求。
6.(4)工装布局混乱影响正常施工，在复杂分段建造过程中，存在多专业交叉作业，施工周期长，工装布局不合理容易引发与舾装件的干涉，影响舾装施工的顺序和安装路径，产生改单或者造成返工现象，影响舾装作业效率。
7.(5)工装设计不便，工装设计太慢，不能满足工装件的快速布置要求。


技术实现要素：

8.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种面向综合评估的船舶工装设计方法，用于解决现有船舶工装设计存在的标准化程度低、工装管理落后、设置不合理、布局混乱、调用不便等问题。
9.为实现上述目的，本发明提供一种面向综合评估的船舶工装设计方法，基于数字化制造平台下开展，包括以下步骤：
10.s1、梳理不同使用阶段和不同功能用途的船舶工装，形成工装数据统计报表：所述工装数据统计报表包括四级节点，其中，第一级节点为数字化工装模型库，第二级节点包括各阶段通用工装、各生产阶段工装、检验类工装，第三级节点包括不同功能用途工装、不同使用阶段工装和检验类工装，且各阶段通用工装阶段节点下的第三级节点为下不同功能用途工装节点，各生产阶段工装节点下的第三级节点为不同使用阶段工装节点，检验类工装下节点下的第三级节点为检验类工装节点下，第四级节点为具体的各船用工装名称；
11.s2、数字化工装三维建模：创建船用工装的模型，模型类型包括详细模型、参数化
模型、简化模型和分析用模型，且模型上设置有定位元素；
12.s3、数字化工装模型库构建：根据步骤s1中的工装数据统计报表，按照表中各级节点自动生成数字化工装模型的层级结构；选择第四级节点，挂入对应船用工装的模型；
13.s4、基于库的工装应用设计：对于船用工装中的快速工装，进行快速应用设计，所述快速工装包括用于船体分段吊运翻转的吊马、用于船体上建薄板分段和开口式分段的加强、以及用于搁置船体分段的龙门架；快速应用设计包括：在对应船体分段模型上创建布置基准元素，在数字化工装模型库中调用快速工装的模型，并将其定位元素与布置基准元素匹配，将快速工装的模型布置在船体分段模型上；
14.s5、工装应用设计分析：对于复杂船体分段上的船用工装，在完成步骤s4之后，分析船用工装模型和船体分段模型的受力情况和变形情况；
15.s6、工装应用布置判断：根据步骤s5中船用工装和船体分段的变形程度，判断船用工装的布置是否合理，若不合理，则回到步骤s4；若合理，则说明船用工装的应用设计满足要求。
16.进一步地，所述步骤s1包括：s11、梳理造船流程中不同使用阶段的船用工装，使用阶段包括堆场及预处理使用阶段、切割及加工使用阶段、部件及分段使用阶段、单元及预舾装使用阶段、机加工使用阶段、涂装使用阶段、平台船台船坞使用阶段、轴舵系安装使用阶段、主机安装使用阶段和码头使用阶段，将船用工装划分在这些使用阶段中；s12、梳理不同功能用途的船用工装，将船用工装分为搁撑类、吊装类、收储类、登高类、安措类、生产类、检验类这七类工装，其中搁撑类、吊装类、收储类、登高类、安措类和生产类作为各阶段通用工装二级节点下的第三级节点，而检验类作为检验类二级节点下的第三级节点
17.进一步地，所述步骤s2中，对船用工装的三维模型进行重量定义，并添加有用途介绍和安全指导信息。
18.进一步地，所述步骤s2包括：s21、对于需要自制的船用工装，包括龙门架、吊马、管框和斜梯，进行详细建模，创建详细模型，并且对详细模型设置对应的安装和制造信息；s22、对于需要根据船体外形变化的船用工装，进行参数化建模，得到参数化模型，参数化模型能够通过参数设置控制工装模型的外形尺寸，来适配船体外形曲线；s23、对于不需要展现细节部分的船用工装，进行简化建模，得到简化模型；s24、对于需要进行受力和变形分析的船用工装，采用分析建模，得到分析模型，分析模型可以进行有限元粗网格划分
19.进一步地，所述步骤s3具体包括：s31、数字化工装模型库生成，导入工装数据统计表，基于工装数据统计表的各级节点快速生成数字化工装模型库的层次结构，层次结构与工装数据统计表中节点相对应；选择数字化工装模型库中的相应层次结构，挂载已创建的船用工装模型；s32、将数字化工装模型库导出，将库结构导出至数据表，数据表中节点会随着工装库的层次结构更改而变化，同时数字化工装模型库的层次结构能够显示该层次下工装的数量；s33、设计数字化工装模型库的浏览编辑功能，用于浏览数字化工装模型库的结构和属性信息、及工装模型数据，并能够查看并编辑工装模型的适用船型、使用阶段、用途介绍、安全指导信息；s34、设计数字化工装模型库权限管理，基于数字化工装模型库的层级结构进行权限分配，管理权限可以修改库结构以及库结构的导入导出，设计权限可以挂载工装模型。
20.进一步地，所述步骤s4包括：s41、吊马的应用设计，调取需要吊运和翻身的船体分
段的模型，读取其包括重量、重心、线型在内的技术参数，输入安全系数，在船体分段模型上创建安装点作为布置基准元素；选取对应的吊马类型，将吊马自身的定位元素与布置基准元素匹配，实现一键布置；s42、加强的应用设计，包括:s421、调取需要设置加强的船体上建薄板分段的模型，读取该分段尺寸信息，在距离分段下边缘100mm处自动生成轮廓线作为布置基准元素，选取加强所用的槽钢规格，自动在轮廓线处生成加强；s422、调取需要设置加强的船体开口式分段的模型，根据输入元素设置斜撑，在强肋位处设置加强起始点作为布置基准元素，选取加强的类型和规格，读取起始点坐标，自动在起始点处完生成加强模型；s43搁置的应用设计，调取需要搁置的船体分段的模型，设置搁置面，读取该分段的包括重量、中心、线型在内的技术参数，船体分段的模型上创建布置基准元素，自动选取对应龙门架模型，根据龙门架模型上定位元素与布置基准元素的匹配，实现龙门架工装模型的一键布置。
21.进一步地，所述步骤s5包括：s51、复杂船体分段的吊马的应用分析：创建分析结构树，复制船体分段模型和吊马模型，隐藏吊马的实体模型，显示分析模型，对船体分段模型和吊马模型进行网格划分，导入分析工具，分析其受力与变形情况，分析结果作为吊马的应用设计的依据；s52、复杂船体分段的加强的应用分析：创建分析结构树，复制船体分段模型和加强工装模型，隐藏加强的实体模型，显示其分析模型，对船体分段模型和加强工装模型进行网格划分，导入分析工具，分析其受力与变形情况，分析结果作为加强的应用设计的依据；s53、复杂船体分段的搁置的应用分析：创建分析结构树，复制船体分段模型和搁置工装模型，隐藏搁置的实体模型，显示其分析模型，对船体分段模型和加强工装模型进行网格划分，导入分析工具，分析其受力与变形情况，分析结果作为搁置的应用设计的依据。
22.进一步地，还包括步骤s7、工装应用布局评估：对于复杂船体分段上的船用工装的应用设计，在步骤s6工装应用分析中满足要求后，进行布局评估，分析船用工装的布置对后续舾装装配顺序和装配路径的影响。
23.进一步地，所述步骤s7中，将船用工装与后续舾装存在的干涉问题分为静态干涉和动态干涉，并具体包括：s71、综合分析加强和龙门架对舾装装配顺序和装配路径的影响，将干涉问题分为静态干涉和动态干涉；s72、工装布局评估，对于静态干涉需要评估工装布局，避免因干涉而造成的返工现象；s71、建造工艺仿真，对于动态干涉需要进行舾装安装工艺仿真，找出最优的安装路径。
24.进一步地，还包括步骤s8、工装应用优化分析：根据s7中对工装应用布局评估，判断工装应用布局是否还可以进一步优化，若是，则返回至步骤s4。
25.如上所述，本发明涉及的船舶工装设计方法，具有以下有益效果：
26.通过首先梳理不同船舶建造阶段和不同功能用途的船用工装，形成工装数据统计报表，然后在数字化制造平台下开展工装三维建模，接着构建数字化工装模型库，对工装模型进行管理，能够基于库对船用工装进行快速应用设计，实现快速布置，并对船用工装进行分析，优化工装布置，消除安全隐患，并对船舶建造过程中所用工装进行评估，综合考虑工装对装配顺序和路径的影响，提出优化方案。本发明的船舶工装设计方法，方便工作人员对船用工装的设计、管理、使用，并且能够对应用设计进行评估优化，大大提高设计效率和设计质量，提高分段建造及舾装装配方案的准确性和施工作业的高效性，能够有效地解决现有船舶工装设计标准化程度低、工装管理落后、设置不合理、布局混乱、调用不便等问题。
附图说明
27.图1为本发明的船舶工装设计方法的流程示意图。
28.图2为本发明中的梳理不同使用阶段和不同功能用途的船舶工装步骤的示意图。
29.图3为本发明中的数字化工装三维建模步骤的示意图。
30.图4为本发明中的数字化工装模型库构建步骤的示意图。
31.图5为本发明中的基于库的工装应用设计步骤的示意图。
32.图6为本发明中的工装应用设计分析步骤的示意图。
33.图7为本发明中的工装应用布局评估步骤的示意图。
具体实施方式
34.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
35.须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
36.参见图1至图7，本发明提供了一种面向综合评估的船舶工装设计方法，基于数字化制造平台下开展，主要用于对船舶工装(例如吊马、加强、搁置、龙门架等等)进行管理、应用设计、以及应用评估等，包括以下步骤。
37.s1、梳理不同使用阶段和不同功能用途的船舶工装，形成工装数据统计报表：所述工装数据统计报表包括四级节点，其中，第一级节点为数字化工装库，第二级节点包括各阶段通用工装、各生产阶段工装和检验类工装，第三级节点包括不同功能用途工装、不同使用阶段工装和检验类工装，且各阶段通用工装阶段节点下的第三级节点为下不同功能用途工装节点，各生产阶段工装节点下的第三级节点为不同使用阶段工装节点，检验类工装下节点下的第三级节点为检验类工装节点下，第四级节点为具体的各船用工装名称。
38.本步骤的主要目的为对船舶生产中的各种工装的梳理统计，作为数据库建立的依据，在本实施例中，参见图2，具体包括：s11、梳理造船流程中不同使用阶段的船用工装，梳理造船流程中不同使用阶段的船用工装，使用阶段包括堆场及预处理使用阶段、切割及加工使用阶段、部件及分段使用阶段、单元及预舾装使用阶段、机加工使用阶段、涂装使用阶段、平台船台船坞使用阶段、轴舵系安装使用阶段、主机安装使用阶段和码头使用阶段，将船用工装划分在这些使用阶段中，也即各生产阶段工装节点下的第三级节点包括上述的使用阶段，参见下表1所示。s12、梳理不同功能用途的船用工装，将船用工装分为搁撑类、吊装类、收储类、登高类、安措类、生产类、检验类这七类工装，其中搁撑类、吊装类、收储类、登高类、安措类和生产类作为各阶段通用工装二级节点下的第三级节点，而检验类作为检验类二级节点下的第三级节点。至此，得到的工装数据统计报表见下表1。
[0039][0040]
表1：工装数据统计报表
[0041]
s2、数字化工装三维建模：创建船用工装的模型，模型类型包括详细模型、参数化模型、简化模型和分析用模型，且工装模型上设置有定位元素。创建工装模型时都按照等比例创建，并对工装模型进行重量定义，更改颜色，添加用途介绍及安全指导信息等，其中设置定位元素是为了用于工装模型在应用设计时能够快速地进行定位安装，定位元素可以是
工装模型上的定位点、定位线、定位面或者定位坐标等。在本步骤中，船用工装的模型类型，根据船用工装的具体情况设置，对于某个船用工装，可以存着几个模型类型，参见图3，具体包括：
[0042]
s21、对于需要自制的船用工装，包括龙门架、吊马、管框和斜梯等，进行详细建模，创建详细模型，并且对详细模型设置对应的安装和制造信息。由于这些模型需要自制，因此，为了方便指导制造，设置板厚、材质、坡口、焊脚高等安装和制造信息，以此可以基于这些模型数据进行套料、切割加工。
[0043]
s22、对于需要根据船体外形变化的船用工装，包括搁撑类中的龙门架和稳向架、船坞使用阶段中的搁墩，轴舵系安装阶段中的拉线照光调节架等，进行参数化建模，得到参数化模型，参数化模型能够通过参数设置控制工装模型的外形尺寸，来适配船体外形曲线。
[0044]
s23、对于不需要展现细节部分的船用工装，包括收储类中的管框、安措类中的盖板、挡圈和安全吊笼、以及部件及分段使用阶段中的踏步和支撑杆等，进行简化建模，得到简化模型，以此能够减小模型内存需要。
[0045]
s24、对于需要进行受力和变形分析的船用工装，包括在船体分段搁置和吊运过程中需要承重的龙门架、加强和吊马等，采用分析建模，得到分析模型，分析模型可以进行有限元粗网格划分，方便后续在应用设计阶段进行受力和变形的分析。
[0046]
s3、数字化工装模型库构建：根据步骤s1中的工装数据统计报表，按照表中各级节点自动生成数字化工装模型的层级结构；选择第四级节点，挂入对应船用工装的模型。该步骤的目的在于，将所有船用工装的模型，都统一在一个数字化工装模型库中，方便进行查找、修改、调用等。数字化工装模型的层级结构则根据工装数据统计报表中的各级节点生成，形成对应关系。在本实施例中，参见图4，优选地，包括以下步骤：
[0047]
s31、数字化工装模型库生成，导入工装数据统计表，基于工装数据统计表的各级节点快速生成数字化工装模型库的层次结构，层次结构与工装数据统计表中节点相对应；选择数字化工装模型库中的相应层次结构(即第四层次结构)，挂载已创建的船用工装模型，以此将船用工装模型都载入到了数字化工装模型，能够通过层次结构快速查找。
[0048]
s32、将数字化工装模型库导出，将库结构导出至数据表，数据表中节点会随着工装库的层次结构更改而变化，同时数字化工装模型库的层次结构能够显示该层次下工装的数量，该表格则可以当作数字化工装库的输出报告。
[0049]
s33、设计数字化工装库的浏览编辑功能，用于浏览数字化工装库的结构和属性信息、及工装模型数据，并能够查看并编辑船用工装模型的适用船型、使用阶段、用途介绍、安全指导信息等各类信息。
[0050]
s34、设设计数字化工装模型库权限管理，基于数字化工装模型库的层级结构进行权限分配，管理权限可以修改库结构以及库结构的导入导出，设计权限可以挂载工装模型。
[0051]
s4、基于库的工装应用设计：对于船用工装中的快速工装，进行快速应用设计，在本发明中，所述快速工装是指能够直接于三维软件中进行的在船体上布置应用的船用工装，包括用于船体分段吊运翻转的吊马、用于船体上建薄板分段和开口式分段的加强、以及用于搁置船体分段的龙门架等工装；快速应用设计包括：在对应船体分段模型上创建布置基准元素，布置基准元素可以为基准点、基准线、基准面、或者基准坐标系，在数字化工装模型库中调用快速工装的模型，并将其定位元素与布置基准元素匹配，将快速工装的模型布
置在船体分段模型上。在本实施例中，参见图5，主要包括以下s41～s43：
[0052]
s41、吊马的应用设计，调取需要吊运和翻身的船体分段的模型，读取其包括重量、重心、线型在内的技术参数，输入安全系数，在船体分段模型上创建安装点作为布置基准元素；选取对应的吊马类型，将吊马自身的定位元素与布置基准元素匹配，实现一键布置。
[0053]
s42、加强的应用设计，包括:s421、调取需要设置加强的船体上建薄板分段的模型，读取该分段尺寸信息，在距离分段下边缘100mm处自动生成轮廓线作为布置基准元素，选取加强所用的槽钢规格，自动在轮廓线处生成加强模型；s422、调取需要设置加强的船体开口式分段的模型，根据输入元素设置斜撑，在强肋位处设置加强起始点作为布置基准元素，选取加强的类型和规格，读取起始点坐标，自动在起始点处完生成加强模型。
[0054]
s43搁置的应用设计，调取需要搁置的船体分段的模型，设置搁置面，读取该分段的包括重量、中心、线型在内的技术参数，船体分段的模型上创建相应的布置基准元素，自动选取对应龙门架模型，根据龙门架模型上定位元素与为布置基准元素的匹配，实现龙门架模型的一键布置。
[0055]
s5、工装设计分析：对于复杂船体分段上的船用工装，主要包括船体大开口分段、薄板分段的加强，复杂分段的和搁置，以及复杂分段建造承重工装(支撑、搁墩)，在完成步骤s4之后，通可过有限元分析和疲劳分析，分析船用工装模型和船体分段模型的受力情况和变形情况，在本实施例中，参见图6，具体包括：
[0056]
s51、复杂船体分段的吊马的应用分析：创建分析结构树，复制船体分段模型和吊马模型，隐藏吊马的实体模型，显示分析模型，对船体分段模型和吊马模型进行网格划分，导入分析工具，分析其受力与变形情况，分析结果作为吊马的布置应用的依据。其中，分析模型可通过转换工具将实体模型转换得来，再进行分析。
[0057]
s52、复杂船体分段的加强的应用分析：创建分析结构树，复制船体分段模型和加强工装模型，隐藏加强的实体模型，显示其分析模型，对船体分段模型和加强工装模型进行网格划分，导入分析工具，分析其受力与变形情况，分析结果作为加强的应用设计的依据。其中，分析模型可通过转换工具将实体模型转换得来，再进行分析。
[0058]
s53、复杂船体分段的搁置的应用分析：创建分析结构树，复制船体分段模型和搁置工装模型，隐藏搁置的实体模型，显示其分析模型，对船体分段模型和加强工装模型进行网格划分，导入分析工具，分析其受力与变形情况，分析结果作为搁置的应用设计的依据。其中，分析模型可通过转换工具将实体模型转换得来，再进行分析。
[0059]
并且，根据对船用工装的受力和变形情况的分析，用于判断数字化工装模型库中现有的船用工装能否满足需要，并可用于指导重新设计船用工装，更新数字化工装模型库。
[0060]
s6、工装应用布置判断：根据步骤s5中船用工装和船体分段的变形程度，判断船用工装的布置是否合理，若不合理，则回到步骤s4，重新进行应用设计，修改船用工装的布置；若合理，则说明船用工装的应用设计满足要求。
[0061]
优选地，还包括步骤s7、工装应用布局评估：对于复杂船体分段上的船用工装的应用设计，特别是舾装件较多的船体分段上船用工装的应用设计，在步骤s6工装应用分析中满足要求后，进行布局评估，分析船用工装的布置对后续舾装装配顺序和装配路径的影响。在步骤中，将船用工装与后续舾装存在的干涉问题分为静态干涉和动态干涉，参见图7，并主要包括以下步骤：s71、综合分析加强和龙门架等工装对舾装装配顺序和装配路径的影
响，将干涉问题分为静态干涉和动态干涉。s72、工装布局评估，对于静态干涉需要评估工装布局，避免因干涉而造成的返工现象；s71、建造工艺仿真，对于动态干涉需要进行舾装安装工艺仿真，找出最优的安装路径。
[0062]
优选地，在本实施例中，还包括步骤s8、工装应用优化分析：根据s7中对工装应用布局评估，判断工装应用布局是否还可以进一步优化，若是，则返回至s4，重新进行工装应用设计，以此尽量获得最好的设计效果。
[0063]
优选地，还将所创建的数字化工装模型库，与船舶设计系统、生产计划管理系统集成，完善整个船舶生产制造系统。
[0064]
本发明涉及的船舶工装设计方法，具有以下优点：
[0065]
1、工装设计标准化，所有模型按照等比例创建，进行重量定义，设置定位元素，附加于实际工装相符的颜色，添加用途介绍、安全指导等内容，对于自制工装能够满足基于模型数据进行套料切割加工。
[0066]
2、工装管理精细化，构建数字化工装模型库，对工装模型进行管理，且库结构具备批量创建功能，数字化工装模型库包含三维模型和主要参数属性。
[0067]
3、工装应用设计快速化，可以实现工装应用设计时快速布置。
[0068]
4、工装设置合理化，吊马、支撑、加强等工装的设置通过强度和可靠性分析设置更合理，避免了因强度过大造成的资源浪费或强度过小引发的安全隐患。
[0069]
5、工装应用布局规范化，复杂分段舾装种类多，各专业交叉作业，施工周期长，船舶工装布局不规范容易与舾装产生干涉或者影响舾装安装路径，因此通过工装应用布局的优化可以提高施工作业效率。综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。
[0070]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。