基于UG的船舶压载水管理系统虚拟装配技术_郑子升.pdf

第 31 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.31 No.1Jan.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言为了控制船舶的吃水高度、稳性，设计人员在进行船舶设计时会设计压载水舱，以供船舶在失稳或船上无货物导致船舶吃水高度较低等条件下，控制船体稳性，保证航行安全1。目前，全球贸易运输中，考虑到成本影响，90%的运输形式为船舶运输，尤其是远距离运输 2。而对于远洋航行船舶，尤其是集装箱船、散货船及油船，船舶压载水十分重要。但压载水除了上述优点外，也存在着影响当地生物多样性、渔业资源、社会健康和安定等缺点，使其成为全球海洋环境面临的最大威胁之一。基于上述缺点，设计人员开发了船舶压载水管理系统（Ballast Water Management System，BWMS），其工作原理是在船舶排放压载水前，杀死或清除压载水中的有机体和海洋生物，排载时对处理后的压载水进行中和。目前，船舶压载水管理系统自设计至生产的全生命周期水平偏低，修改旧产品设计新产品时，仍停留在更改或新建二维图纸的阶段，使得设计人员无法发现错误并及时修正，导致装配产生干涉现象，生产作业主要依靠车间员工的经验，严重影响了产品设计和生产质量及效率。本文使用 UG 三维建模软件，利用其装配应用模块与压载水管理系统电解单元设计开发相结合，并生成装配爆炸图，根据机械管线布置应用模块搭建管路，最终完成电解单元三维模型建立。以提高压载水管理系统设计生产的质量和效率，方便设计师及时发现设计错误基于UG的船舶压载水管理系统虚拟装配技术郑子升，王志豪，孙浩伟（青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东 青岛 266101）摘 要：为了解决船舶压载水带来的问题，研究人员设计开发了船舶压载水管理系统。在 UG 三维建模软件上完成了压载水管理系统电解单元的虚拟装配，并生成爆炸图，最后利用 UG 机械管线布置应用模块，完成管线布置。使用 UG 完成压载水管理系统电解单元的虚拟装配及管线布置，能够提高设计效率和质量，配合车间装配作业，为今后产品设计提供新的思路，对压载水管理系统从设计到生产的全生命周期具有重要意义。关键词：UG；装配；管线布置；压载水处理系统中图分类号：U664 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.01.023引用格式 郑子升,王志豪,孙浩伟.基于 UG 的船舶压载水管理系统虚拟装配技术 J.船舶物资与市场,2023,31(1):68-70.收稿日期：2022-07-18 作者简介：郑子升（1984-），男，硕士，研究方向为船舶压载水、水处理、FGSS 和 SCR 等设备设计。并进行更改，为今后产品设计提供新的思路。1 压载水管理系统压载水处理技术按照处理原理不同可分为机械法、物理法、化学法以及其他技术方法等3-4。各类方法具体内容为：1）机械法，过滤、稀释、旋风分离等；2）物理法，加热、超声波、紫外线等；3）化学法，添加强氧化剂、催化（电解、电离、光辐射裂变）等。本文压载水管理系统采用化学法中的电解制氯理论进行设计开发，主要包含以下单元：1）过滤单元：压载时，过滤掉大尺寸的海生物及固体颗粒；2）电解单元：电解海水产生次氯酸钠，该物质为有效灭活剂，能够杀死参与的浮游生物、病原体及其幼虫或孢子等；3）中和单元：排载时，注入中和剂，中和残余的氧化剂。其中，电解单元为压载水管理系统核心单元，主要包含底座支架模块、电解模块及除氢模块等。2 虚拟装配及机械管线布置2.1 虚拟装配技术产品从电脑设计至车间生产的全生命周期过程中，装配是最后一个环节，也是产品设计建造的核心步骤。装配是在满足设计图纸技术要求和精度的基础上，将散落的零部件组装成合格产品的工艺过程。装配过程中的最主要环节是在各个零部件间建立链接关系，包括但不限于螺栓连接、焊接连接、胶粘等形式，其不仅可以展示产品整体的结构和工作原理，还可以表达零部件之间第 1 期 69 的装配关系5。因此，装配技术对于压载水管理系统的产品开发生产全生命周期具有重要意义。在传统的产品生产过程中，装配通常无法一次顺利完成，而是通过车间实际作业反馈的问题对设计图纸进行修改甚至调整装配顺序，并再次根据设计图纸进行装配，如此往复循环，直至装配完成。这种装配方法不仅降低了产品的生产质量及效率，也造成了成本的增加。而虚拟装配可以使设计人员通过人机交互的方式将产品各组件装配在一起，在产品设计阶段让设计师更直观地分析装配流程是否合理、零件安装是否准确及实际装配是否可行等问题，生成最符合实际生产的装配工艺，从而减少生产费用的支出及生产资源的浪费，有效提高了装配效率。装配应用模块是 UG 的核心，可以实现将组件装配成产品的功能。UG 的装配过程是一种虚拟装配过程，提供了丰富的人机交互功能，使设计师能够较为精细的进行产品装配，并且在装配过程中还可以对零部件三维模型进行编辑。零部件间也可以通过灵活的配对和定位来保持相互的关联性，还可以实现描述各组件间约束关系的功能。这种综合的装配体系结构，可以实现对复杂产品的装配，也可进行装配资源共享，实现并行工程6。2.2 机械管线布置对于工业产品来说，管线的布置十分复杂，且随着产品模块化、集成化的程度越来越高，将会出现产品管线密集、结构紧凑的问题。而船舶压载水管理系统在船舱内工作，空间狭小，振动、温度、湿度、气压、倾斜及摇摆等方面的工作环境问题较为恶劣，各种管路和电缆、线缆等交错缠杂在一起，导致其管路的装配与布置更为复杂，给装配操作带来很大难度，成为影响产品装配质量的关键。目前，产品管线仍停留在车间员工根据二维图纸凭借自身经验进行装配的阶段，对于压载水管理系统这类集成化程度高、模块多的产品，二维图纸无法完全展示管线布置。使用三维管线布置图，车间员工可以直观明确地进行装配。UG 管线布置应用模块提供了不同规格的管材库和连接配件，以供设计人员快速创建输送空气、流体或电力的管线系统。UG 管线布置共分为机械管线布置模块和电气管线布置模块。其中，机械管线布置是通过管线起点及终点，绘制虚拟管线布置图，之后设计师可以根据需要选择合适的型材和规格，UG 将自动布满管线。3 虚拟装配及机械管线布置应用3.1 三维模型建立UG 采用的是基于特征的实体建模方法，通过拉伸、旋转、扫掠等基础操作配合布尔运算，使设计师既可以进行参数化建模，也可进行非参数化建模，还可以对部分模型特征进行二次编辑，以生成更复杂的三维模型7。在三维模型建立后，以此为基础，再进行虚拟装配设计。本文压载水管理系统电解单元中包含大量子部件，包括各型号型钢、电缆及管道支撑支架、风机风道管路、管道卡箍等。3.2 虚拟装配应用UG 虚拟装配方法分为自底向上、自顶向下和混合装配方法。压载水管理系统的装配采用自底向上的装配方法，即先建立零件模型图，再将零件进行装配形成子级装配体，逐级装配直至生成一级装配体。自底向上的装配方法是目前最常用的装配方式。使用该方法进行装配顺序清晰，思路明确，便于设计师确定各部件的位置和装配顺序，避免出现设计师装配设计顺序混乱，导致车间实物装配困难。三维模型建立完毕后，根据逐级装配原则，使用 UG虚拟装配实现子级模块的装配，以压载水管理系统子级单元电解单元为例，电解单元共包含底座支架模块、电解模块、除氢模块，按照自底而上的装配理念，基于特征模型的建立，先完成底座支架模块的装配设计，如图 1 所示。图 1 电解单元底座支架模块装配设计完成底座支架模块的装配设计后，后续完成电解模块、除氢模块的装配设计，形成总电解单元装配设计，如图 2 所示。图 2 电解单元装配设计 郑子升，等：基于 UG 的船舶压载水管理系统虚拟装配技术船舶物资与市场第 31 卷 第 1 期 70 一级虚拟装配体，及电解单元装配完成后，为了使设计师和客户更直观更准确地查看装配体中的组件状态及组件间的关联关系，提高车间作业的效率和质量，需要制作装配爆炸图。UG 提供设计师自动和手动创建爆炸图方式。自动爆炸是基于组件配对条件自动爆炸装配体，手动爆炸是设计师根据需求自行操作各组件位移达成爆炸图的效果。本文压载水管理系统电解单元采用手动爆炸方式创建爆炸图，如图 3 所示。图 3 电解单元装配设计3.3 机械管线装配UG 机械管线装配应用模块中，绘制机械管线需要指定管线起点和终点。因此在进行压载水管理系统电解单元管线布置时，需要先行装配各类管件，如法兰、弯头、直通、三通等，除管件外，还需装配仪表、阀门及泵等部件。装配完毕后，根据部件确定管线起点及终点。管线绘制完成后，UG 提供设计师各类管道材料和规格（管径、厚度等）以进行管道设计，设计师根据需求进行选择后，完成机械管线布置。本文压载水管理系统电解单元使用的管路材质为 UPVC，型号包括 DN25，DN40，DN50，DN65 等，如图 4 所示。图 4 压载水管理系统机械管线绘制结合 UG 三维模型建立，虚拟装配设计及机械管线装配设计，完成压载水管理系统电解单元整体设计，如图 5 所示。图 5 电解单元整体设计4 结语1）根据 UG 软件自底向上的建模装配方法，建立三维模型，根据逐级装配原则，最终实现压载水管理系统的装配，设计师能够及时发现设计错误，避免在车间作业时出现干涉现象问题。2）利用 UG 装配爆炸功能，构建压载水管理系统装配爆炸图，可以更加清晰地展现出装配体内部组件状态和组件间的装配关系，以及包含的组件数量。3）使用 UG 机械管线布置应用模块，完成压载水管理系统的管线布置，使产品管线布置更准确更清晰。4）基于 UG 压载水管理系统虚拟装配及管线布置，可以有效提高产品设计生产的质量和效率，缩短设计生产周期，降低产品成本，解决错误反复出现的问题，为压载水管理系统的设计提供了参考和新思路，对产品开发具有重要意义。参考文献：1 张明霞,李岗,王志豪,等.基于 STAR-CCM+的 V 型无压载水船阻力性能研究 J.船舶工程,2020,42(3):47-55+134.2HULME P E.Trade,transport and trouble:managing invasive species pathways in an era of globalization J.Journal of Applied Ecology,2009,46(1):10-18.3谢承利,翁平,李小军,等.船舶压载水处理技术应用综述J.船海工程,2010,39(6):93-97.4 王文成,龚帆,郑羽,等.船舶压载水处理综述 J.上海船舶运输科学研究所学报,2013,36(4):11-14.5 夏平均,陈朋,郎跃东,等.虚拟装配技术的研究综述 J.系统仿真学报,2009,21(8):2267-2272.6 王琛,郁舒兰,羊玢,等.基于 UG 的家具虚拟装配技术 J.家具,2015,36(4):26-28+37.7 王诗文.船舶分油机系统的数学建模与仿真研究 D.大连:大连海事大学,2014.