造船生产计划模拟的应用和验证外文翻译资料

 2022-07-29 15:39:20

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造船生产计划模拟的应用和验证

摘要

随着装配块的重量和尺寸的增加，新的生产程序已被提出可通过使用浮式起重机来提高造船厂的效率。在这种情况下，模拟技术需要提前评估程序的潜在风险。在这种需求下，我们已经开发了一个名为SIMSON（新生产计划的仿真系统）的仿真系统。SIMSON基于具有静水力和流体动力的多体系统动力学，计算提升块和浮体如浮动起重机的运动。运动和钢丝绳张力的计算被用于动态效应估计。在本文中，我们介绍SIMSON应用案例实际生产过程。通过观察实际操作情况比较仿真结果。介于SIMSON的真实情况和应用对造船厂的生产计划模拟相当可行，观察结果表明模拟结果是有可信力的。

关键词：起重机起重 浮式起重机 起重模拟 周转 计划生产

1.介绍

介绍在造船厂规划新的生产方式时，不容易预测新业务中的任何潜在风险。此外，生产规划工程师不容易证明提升计划是完全安全的，也没有理由证明不合格。

图.1示出了井架安装计划和操作的示例与两个浮动起重机。 而且有三点生产计划工程师通常要检查。

①吊杆顶端与井架顶部结构之间的干扰。

②钻井和井架底部结构之间的干扰

③钢丝绳和滑轮之间的角度。

因为起重机在水面上运动，上面列出的检查点通常需要考虑动态运动的结果。 在这种情况下，图. 2显示在规划和操作之间使用模拟的程序。 一个生产工程师可以预览计划并确认参考到模型的结果，其模型基于输入数据如图纸，环境条件等。 SIMSON（新生产计划的模拟系统）是一个在DSME中开发的模拟系统，以支持2007年的程序（Chaet al。，2007）。本文介绍了SIMSON的几个应用案例计划生产。 基于比较仿真和实际操作，我们讨论验证模拟系统。

  1. 相关作品

MSC / ADAMS（图3，①）是一种多体动力学系统，被用于如着陆的动态模拟飞机齿轮、发动机内的车辆和曲柄悬架等机械部件。考虑到柔性体，还可以集成FE（有限元）分析。 虽然它有很多功能动态模拟，但是当它被使用时有一个限制在造船厂的生产计划过程中，这就是液压外部力不包括在系统中。 在许多情况下，浮体——比如一艘船、浮式起重机——在这个过程中被使用，静水压基本上需要力和流体动力模拟。

集群开发MOSES（图3，②）为海上运输，起重，安装等提供动态分析（MOSES，2008a; MOSES，2008b）。 由于系统源自于为浮体提供水动力分析，它具有用于浮体的运动分析和相互作用其中的优势。 另一方面，很难做出像装载机、履带起重机等陆上生产设备的机械模型。 因为岸上的设施也是在造船厂的生产过程中使用，需要基于多体系统动力学和功能的模型。SIMO（图3，③）是海洋模拟的数值工具在时域中的操作和的一部分由DNV提供（DNV，2009）的SESAM包。 它被用于专业从事海洋作业模拟。 然而，它不适合模拟造船生产，其中包括复杂的情况和许多起重机。

图.1 具有两台浮式起重机的井架提升方案示意图及其在运行过程中的潜在风险

图.2 在计划和操作之间如何使用仿真的方式的例子

图.3 相关的操作 ——①MSC / ADAMS，②Uilramarine/ MOSES，③DNV / SIMO

图. 4 SIMSON的屏幕截图

  1. 系统配置

SIMSON的主要特点是具备液压外力的多体动态模拟。 特别的，由于它是被运用到生产计划模拟，因此它为方便设施建模和场景组合的目的提供更轻易的可用性。 图.4显示了SIMSON主窗口的截图。与基本系统架构的配置有关的SIMSON中的功能被称为“DSME模拟框架”（Cha et al。，2007，2010b）及其应用（Cha et al。，2010a，2010c）。 该框架主要由特定模块、仿真协调器、仿真组成内核、开发工具和后处理工具5个应用程序组成。每组件中的模块映射到在仿真系统中所需的功能。 它由C 开发语言编程。

- 动态分析模块（图.5，①）：这是对于像互连体这样的多体系统的动力学引擎，该系统受到关节，连杆和钢丝绳的约束。用户可以选择开放动态引擎（ODE）或Algoryx。应变系统动力学理论的细节将在本节的结尾。

- 碰撞检测模块（图.5，②）：用于检查身体之间的干扰。检测码本身不从动态分析模块中分离。

- 可视化模块（图.5，③）：打开场景图（OSG）被用于此模块以观察即时的模拟结果。

- 钢丝绳力计算模块（图.5，④）：钢丝绳可以模仿简单地作为一个不可压缩的弹簧或可以更复杂。图.1演示了具有两台浮式起重机的井架提升方案及其在运行过程中的潜在风险。图. 2列举了在计划和操作之间如何使用仿真的方式的例子。根据动态模块分析，钢丝绳具有拉伸，弯曲和扭曲等特性。

- 静液力/流体动力学计算模块（图.5，⑤）：康明斯方程（康明斯，1962）用于计算浮体在时域的运动。被水动力施加的浮船被用于验证以前的研究。静水压力也由流体密度和水平面下的浸没体积来计算

- 仿真中间件（图.5，⑥）：它起到在模块之间进行数据管理的作用，并提供新模块的插件功能或替换另一个模块。

- 模拟内核（图.5，⑦）：该模块可以处理离散事件和离散时间的组合。这允许用户根据事件和时间来模拟复杂场景。

- CAD数据接口（图.5，⑧）：通常在3D CAD中建模模拟的对象的构建块，该模块为造船厂使用的系统。该模块用于导入3D几何进入仿真模型。

- 开发工具（图.5，⑨）：该模块帮助开发人员更方便地使用仿真框架。特别是它提供了仿真内核模板来生成模拟模型。

- 后处理工具（图.5，⑩）：该模块为用户提供友好的图形显示运动和张力模拟。

同时，基于多体系统动态的仿真，这在Shabana（1994）中已经介绍。 在多体系统中之间允许的运动通常受到这些机构之间的联系的限制。因此，牛顿的多体系运动方程可以说是

(1)

方程 （1）用笛卡尔代表坐标 ，M是质量和质量惯性矩矩阵，r是对于笛卡尔坐标的

物体的重心的位置向量相。 结果力由外力Fe和由运动学约束引起的约束力Fc组成。

笛卡尔坐标的位置向量r可以是作为广义坐标q的函数呈现根据。

r=r(q) (2)

微分方程 （2）产生速度关系

(3)

其中速度变换矩阵J转换速度将广义坐标转换为笛卡儿速度坐标

微分方程 （3）产生加速度

(4)

代入方程 （4） （1），我们可以得到方程

(5)

用JT收益率乘以方程(5)的两边

(6)

约束反作用力垂直于路径身体被限制移动。 这就是说取可以通过牛顿运动方程的标量与矢量两边的乘积来抑制约束反作用力Fc,力与轨迹相切。 那么，我们可以推导出来。

(7)

其中，，， 是质量惯性矩阵的广义质矩，为广义科里奥利和离心力，是广义的外力，为速度变换矩阵，为加速度变换矩阵。 方程式 （7）是最后的形式基于多体系统动力学的多体系统运动方程。

图. 5 在“DSME模拟框架”中的组件与SIMSON中的功能两者之间进行映射

图.6 案例1 —— 建筑块和吊耳布置的3D几何

图.7 案例1 ——龙门起重机的建模

图.8 案例1 ——块周转和架设情况

  1. 仿真案例

在本节中，我们介绍了SIMSON的3个应用案例为了问题定义、建模和场景的顺序。 对于一些这些情况下，仿真结果与观察实际操作情况作对比。 因为实际操作中缺乏感应测量和操作程序，使之与仿真结果不完全相同。 然而它给验证带来足够的影响。

4.1 案例1：龙门起重机的块周转模拟

4.1.1 问题定义

“周转”是指为了某个生产目的将建筑块倒置，这在造船厂经常发生。在这种情况下，当一个建筑物被龙门式的起重量为900吨的起重机吊转，他们从安全的角度要检查位置和块的方向和钢丝绳的张力变化。

4.1.2 模型

构件的3D几何体是从CAD获得的，数据库的界面功能如图.6所示。构件的长度、宽度和高度分别为25.6 [m]、23.2 [m]和7.1 [m]，重量为290 [t]。接线点连接通过钢丝绳龙门起重机连接的装载机的接线点也布置在与图中相同的位置。龙门式起重机的模型是为了反映其作用，机构如图.7所示，在起重机的大梁上有上、下手推车。两个带均衡器的装载机连接到上部手推车，另一个连接到下部手推车。考虑到块的从最初的位置到建起后的翻转位置，码头和开放区域将以相同的规模在起重机周围建模。在均衡器内部，有几个固定和移动的滑轮轮流放置。所有的滑轮通过绳子单根线连接，在其长度任何地方应该具有相同的张力。因此，如果张力由T表示，则所有的移动滑轮都受到由均衡钢丝绳施加的2T。并不是真实的滑轮，我们开发了近似机理的均衡器，它可以逻辑地控制钢丝绳的长度使力平衡。

4.1.3 方案

这种情况下的仿真方案由以下组成，生产计划中的主要事件顺序如图.8所示。 三个转载机在第一次被同时抬起（图8，①），然后是上推车的两个装载机被举起以使构件垂直站立（图8，②和③）。在下推车的装载机与构件相连之后，下推车移动到连接构件的装载机而构件移动到另一侧（图8，④-⑥）。 再次被吊起（图8，⑦）以完成块周转，最后两手推车移动到另一构件附近的目的地（图8，⑧和⑨）。 三个装载机被吊起来把构件另一个的旁边（图8，⑩）。

4.1.4 验证

对这种情况的验证是通过观察块位置和方向的实际操作。 在操作中拍摄和屏幕截图的图片与在模拟中比较如图.9所示。 它显示与构件位置和方向非常相似的情况，这表明机械仿真中的计算与实际情况良好吻合操作。在比较钢丝绳张力时，如图.10所示，实际操作图来自操作过程的手册记录。 模拟结果和实际结果操作不完全一样，因为控制起重机的方式可能会影响钢丝绳的张力。 另外，在操作过程中构件的重量和重心可能与初始估计略有不同。 但是，这种比较可以解释为仿真结果与实际操作的趋势一致。

图. 9 案例1 - 模拟和实际操作之间的块位置和方向的比较

图.10 案例1 - 仿真与实际操作之间钢丝绳张力的比较

图.11 案例2——浮动起重机和两台履带式起重机的排列安排

图.12 案例2 ——块周转情况

图.13 案例2 ——模拟期间块体和钢丝绳之间的干扰

4.2 案例2：浮式起重机的块周转模拟

4.2.1 问题定义

在这种情况下，由于放置的重量和位置，浮式起重机与岸上的起重机一起用于块体周转。 在规划期间，从结构图中预测了钢丝绳和块体之间的干扰尺寸。 因此，他们应该评估在操作期间干扰将是多么严重。 根据仿真结果，可以使用另一种浮式起重机作为替代方法。

4.2.2 模型

块几何从TRIBON cad系统导出，用于DSME的详细设计，起重机是从其他3D cad系统新建的。 块尺寸为34.3 [m] 、27.1 [m]、10.8 [m]的长度、宽度和高度，重量约为580 [t]。 该块具有如图.11所示的四条腿，并与钢丝绳相邻。 白色球体是与浮式起重机的履带式起重机或装载机钩钩连接的接头点。 在初步计划中，3600吨提升能力的浮式起重机是周转操作的主要起重机，两台履带式起重机将抬起另一侧。

4.2.3 初始情况

当它们开始操作时，通过使用所有四个装载机（图12，①），仅通过浮式起重机来提升该块。 在后面的两个装载机的起重停止，而另一个两个装载机在前面保持悬挂，使块达到足够高的高度（图12，②）。 当挡块垂直放置时，后面的两个装载机降低（图12，③）。 由于质量的中心，预计块将下降。 为了安全起见，不允许将钢丝绳从后面的装载机上卸下，直到该块与相对侧的履带式起重机连接（图12，④），这样就预测了钢丝绳与腿结构的干扰 。 最后，吊起起重机吊钩，完成挡板周转（图12，⑤和⑥）。

4.2.4 结果

从仿真结果可以看出，在块体

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