浅谈船舶虚拟维修性仿真与分析

【摘 要】本文介绍了虚拟维修性设计基本构成及分析，虚拟软件的应用。

【关键词】虚拟；维修性；CATIA

0 概述

维修性是产品设计所赋予的一种固有属性，它通常定义为：“产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到其规定状态的能力”。其中，维修性的定性定量要求己经全面纳入了设备的技术指标或研制任务书中。

产品的维修性模型是对产品进行维修性定性定量评估的重要工具之一，利用维修性模型可以从定性定量的角度，分析影响产品维修性设计的因素，确定影响因素的主次关系，为设计的改进提出建设性的意见，从而影响产品的设计，降低全寿命费用，提高产品的完好性。由此可见产品的维修性模型及其建模对产品维修性设计的优劣起着十分关键的作用。

以前的舰船设计通常利用三向视图的二维线条对舰船三维实体进行描述，设计和施工图纸均为平面图纸，由于舰船结构非常复杂，二维线条对其描述的不完整性，以及平面与空间模型转换可能带来大量差错，会造成图纸的修改和生产过程中的大量返工，使舰船设计和建造周期延长，生产成本增加。

随着计算机技术的发展，应用3D技术构建虚拟环境、建立虚拟人体模型并最终实现在虚拟环境中让虚拟人面对虚拟产品进行工作已经成为可能。应用计算机进行全虚拟环境内工作过程的仿真不仅便于在设计中发现问题并进行修改，节约设计者和生产者的时间，使产品设计周期缩短，节省成本，更重要的是可以方便地通过对各项参数的调试来调整产品，从而迅速地从实际应用的角度对产品设计进行优化。同时，在确定环境下对维修全过程的仿真模拟还可以方便地确定在该环境中工作人员的参数和活动空间。

利用虚拟仿真技术，在计算机上将设计得到的三维模型预装配到一起。这样可避免物理原型的应用，也可对零部件进行干涉检验，减少样品利用率。最重要的是能在产品设计过程中，利用各种技术手段如分析、评价、规划、仿真等充分考虑产品的维修环节，预先在设计中考虑维修时的工作环境及其相关各种因素的影响。

1 国内外虚拟仿真技术研究现状

造船发达国家纷纷利用信息技术给造船业带来的各种机遇，积极开展船舶以数字化描述和虚拟现实技术相结合为特征的虚拟设计和制造仿真技术的研究。

美国于1992 年由ARPA 资助进行了下一代船舶设计系统 ―――基于设计仿真SBD （ SimulationBased Design） 的项目研究，目标是建立一个能预先进行船舶设计、制造、运行和评价的虚拟环境，即在计算机上实现设计和虚拟建造船舶。美国CAD/ CAM 厂商正在联合开发一个船舶设计制造软件系统Virtual Design ，目的是通过无缝的多学科集成（工程设计、生产、后勤及相应的商务系统） ，来减少船舶设计50 %以上的时间和成本。日本也大力开展造船CIMS 和CALS 研究及原型系统的实施；韩国也大力开展了有关敏捷制造、电子采购系统、基于agent 造船设计和生产调度计划系统，以及电子商务等的研究； 欧盟也进行了G82MARVEL 等的研究，为新一轮的市场竞争做好技术储备。

国内造船工业也积极从事船舶先进制造技术的研究，例如：船舶总公司开展了由传统造船向现代造船模式转换的专项研究；沪东造船集团的“计算机辅助造船信息集成系统研究”；由广船国际、上海交通大学、船舶工艺研究所三方联合研究的国家经贸委重点创新项目“船舶集成制造技术”等。近年来，国内多数大型造船企业、设计院和大学等研究机构相继引进国外大型船舶设计制造集成软件TRIBON、CADDS5 、CATIA/ ENOVI2A 等。

2 虚拟维修性分析

2.1 维修工作空间分析

工作空间设计与工作性质、生产流程、作业者的作业行为特点及安全要求等诸多因素相关。工作空间设计的合理性与否，不仅关系到生产活动的有序性、空间利用的经济性和工作活动的有效性，而且对于作业者的舒适性、满意感及安全健康均有重要影响。

根据工作空间设计的基本要求，维修部位是否实体可达采用可达包膜（Reach Envelope）判断，可达包膜用球状面描述了人体上肢能触及到的范围，其中包含了碰撞检测算法，可以精确判断维修部位是否处于可达包膜之内。通过碰撞检测算法，判断人员在操作过程中是否发生部件、工具及人体间的干涉，从而实现工作空间可达性分析。

2.2 维修可视性分析

受人的生理特征限制，人的视野所能看到的空间范围是确定的，在GJB2873-97中对人的垂直和水平视野分别做出了规定。当人头部保持直立不动而只是眼球在转动时，人的垂直视野方向的正常视线是水平线下15°，这是人眼最舒适自然的视线角度。该视线的上下15°是人的最佳垂直视野范围，正常视线上方40°至下方20°是人的最大垂直视野范围。

基于人的生理视野区域特性，人眼观察物体时，眼睛可看作一个光源，发射出光线，视线所至的地方形成一个包络，从空间上看，是一个截面为椭圆的锥形空间，即可视锥，视锥的顶点在两眼视距与人的矢状面的交点处，垂直于可视锥作的截面便分别对应双视野区域（较小的视锥）和最大视野区域（较大的视锥）。

可视锥所占据的空间便是人眼视线达到的范围，可看作人的眼睛发出的一道圆锥形光束，光束所覆盖到的地方便是人眼可以看到的，而被可视锥覆盖下的后部阴影部位以及可视锥以外的区域，则是人眼在这个姿态下所不能看到的地方。对于视觉可达性的计算机辅助验证主要利用空间几何的知识，生成各类生理视野的内切锥，它们具有不同的锥顶角。根据内切锥是否能够包容维修人员将要操作的维修对象来判断其视觉可达性的好坏，这种验证方法称为内切锥验证法。

根据生理常识可知，单眼视野和双眼视野是不相同的，只用左眼或右眼单独观察时所能看到的区域称为单眼视野；用左眼或右眼单独观察到的两个单眼视野的合成区域称为两单眼视野；用左眼和右眼同时观察时两眼都看到的区域，即两单眼视野的重叠部分称为双眼视野。

这种通过研究人体模型可视锥的方法来研究产品的可视性能直接模拟维修人员真实的维修情况，直观的反映了产品的维修可视性好坏，具有很强的说服力。

2.3 维修可达性分析

根据维修可达性的定性要求，在虚拟模型中进行碰撞和干涉分析的主要内容是检验维修人员在维修过程中是否与维修对象发生干涉，作业空间能否为操作者创造舒适的工作环境等。碰撞和干涉的定性评估可通过虚拟维修过程直接判断。

实体可达性是指维修部位能否被接触到的一种特性。在维修过程中，维修人员是维修的主体，手在维修过程中起着直接的作用，维修部位能不能被接触到，是指手或者是手拿着工具能否接触到维修部位。所以以单手臂为研究对象，分析实体可达性。采取遍历维修姿态的方法分析是否存在一种手臂姿态使得手臂可被维修空间充分包容，如果存在，则认为维修部位可达。

首先建立了人体手臂的简化运动模型，在虚拟环境中设定虚拟人的维修姿态，并对每一种姿态进行检测分析，如果存在一种或一种以上的姿态使得虚拟人的整个维修动作可以再允许空间内被充分包容，则认为实体可达性良好，如果检测到一种姿态不符合要求则跳入下个姿态进行检测分析，直到找到具有良好可达性的姿态。如果最终遍历所有姿态都不符合维修实体可达的要求，则认为实体可达性较差。

3 虚拟维修仿真技术的展望

通过虚拟人的活动仿真进行三维设计的有效性验证是一个非常复杂的研究领域，它不但涉及的知识面广，还必须与各个领域的生产实际相结合，所以要真正达到实用化，在理论和应用方面尚需大量工作：

（1）细化人因工程的各项标准和规范，使计算机分析结果更加贴近实际，使其结论更加可信并最终达到以计算机模拟实验代替或者部分代替真实实验的目的。

（2）有针对性地对一些三维设计软件进行有关人机工程的二次开发，提炼出针对性强，实用可靠的功能模块。

（3）进一步研究虚拟维修仿真技术，完善人体姿势库，增加标准零件库、工具库，简化实际应用临时建模的时间，同时也便于建立标准化的维修拆卸仿真过程。

（4）加大结合实例应用虚拟仿真技术进行三维设计有效性验证分析的力度，积累经验，为今后的进一步工作提供经验支持。