船舶虚拟吊装系统的优化设计及关键技术研究

摘要

随着船舶制造的大型化和复杂化，大型构件的吊装越来越多，现场施工环境复杂，多台起重机协同作业的情况也越来越多，吊装作业在整个船舶建造过程中所占的比重越来越高。在这种情况下，统筹安排起重机资源，吊装方案设计的精确性、合理性、高效性和可靠性就显得尤为重要。现有的虚拟吊装软件虽然能够对吊装过程进行动画模拟，但是仍存在着一些问题，主要包括:现有的船舶虚拟吊装软件没有考虑现实构件在制造生产过程中，所产生的尺寸偏差会对吊装工艺产生影响;现有的船舶虚拟吊装软件与现场实际吊装工况结合效果差，软件的通用性不高;现有的船舶虚拟吊装软件与有限元仿真软件的结合性不强。
　　本文以三维造型软件UG为基础，结合Unity3D平台和CAE分析平台，利用二次开发技术将三者有机的结合，系统性的解决了现有吊装软件存在的问题。本文开展了以下几方面的工作:首先，从软件需求分析出发，得到了系统的设计思路和具体的技术路线，并在Unity3D平台上完成了包括控制面板、虚拟场景和模型、吊装机械的运动仿真、物理引擎以及碰撞检测的设计和实现;其次，完成了基于电子表格驱动模式的二次开发接口的数据表格的设计和实现过程，实现了软件在模型和控制操作上通用性的功能需求;最后，针对一个构件模型，在其吊装重心确定、调整变形和焊接过程中的应力应变分别进行了详细的有限元计算，同时针对吊装机械的受力机构也进行了相应的有限元分析，得到计算结果并对计算结果进行了相关力学分析，完成了包括CAE分析、模型重构模块等虚拟吊装仿真平台其余部分的功能和实现过程，利用UG平台的二次开发技术，完成了不同模块的系统集成和整个系统的搭建。
　　整套系统，完成了船舶虚拟吊装系统的功能实现。通过系统操作，操作者能够在实际吊装工作实施之前，完成吊装设备的安排、现场吊具选择、吊装过程模拟、吊装路径规划、干涉检查、吊件力学分析等吊装各个阶段的虚拟仿真。相较于现有的虚拟吊装软件，该系统能够更好的适应不同吊装环境，充分地考虑各种不同工艺过程及其相互作用的基本特性，通用性更强，并且极大的提高了虚拟吊装的模拟效果和用户体验。

目录

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致谢

摘要

图录

表录

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．1．1 我国船舶工业发展状况

1．1．2 船舶制造的趋势

1．1．3 课题的研究意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 虚拟仿真技术的发展现状

1．2．2 虚拟装配技术研究现状

1．2．3 国内外船舶虚拟制造软件研究进展

1．2．4 国内外虚拟吊装软件开发进展

1．3 本文主要研究内容

2 系统需求分析及总体方案设计

2．1 系统需求分析

2．2 功能设计

2．2．1 船舶分段吊装仿真

2．2．2 吊装过程结构有限元分析计算

2．3 开发环境

2．3．1 Unigraphics(UG)软件介绍

2．3．2 3ds MAX软件介绍

2．3．3 Unity3D平台介绍

2．4 本章小结

3 船舶虚拟吊装仿真系统的设计与实现

3．1 GUI界面设计

3．2 环境和模型设计

3．2．1 虚拟场景的设计

3．2．2 吊装机械和吊件模型设计

3．3 吊装机械运动仿真设计

3．4 吊件的装载和卸载

3．5 物理引擎

3．6 碰撞检测

3．6．1 干涉检查方法的分类

3．6．2 基于空间分割的碰撞检测算法

3．6．3 基于包围盒的碰撞检测算法

3．6．4 Unity3D中碰撞检测的实现

3．6．5 虚拟吊装系统中的碰撞检测

3．7 系统发布和操作

3．7．1 系统发布

3．7．2 系统操作

3．8 本章小结

4 基于Unity3D的通用平台的开发

4．1 通用平台的设计

4．2 通用平台的实现

4．2．1 模型转化插件的实现

4．2．2 数据表格的设计和实现

4．3 本章小结

5 船舶吊装及装配过程CAE分析及系统集成

5．1 吊件重心确定

5．2 调整变形与焊接应力变形的基本概念

5．3 残余应力对构件的影响

5．4 变形调整和焊接过程有限元计算

5．5 装配过程有限元分析计算

5．5．1 调整变形的有限元分析

5．5．2 焊接有限元模型的建立

5．5．3 加载计算过程

5．5．4 焊接仿真结果

5．6 吊装过程中起吊设备有限元分析

5．7 构件重构模块

5．7．1 模型重构的关键技术

5．7．2 数据采集方法

5．7．3 逆向造型软件

5．8 系统集成

5．9 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士期间主要研究成果