（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）面向中间产品的船舶构件装配序列优化研究.pdf

大连理丁大学硕十学位论文 摘要 船舶是一个庞大的系统，是由数以百万计的零件装配而成，而船舶建造过程更是一 项复杂的系统工程。船舶构件装配是船舶建造过程的重要部分之一，建造过程中装配序 列的好坏直接影响到装配质量的好坏、建造成本的高低和建造周期的长短。所以深入研 究船舶构件装配序列优化，对提高建造质量、缩短建造周期、降低建造成本具有非常现 实的意义。本文正是出于这种考虑，对船舶构件装配序列优化进行了研究。 首先，分析了装配序列优化研究领域中常用的装配信息模型结构。根据船舶建造过 程的实际情况，结合装配序列优化和评价的需要，研究船舶装配信息模型的内容和数据 形式，构建了针对船舶装配序列优化和评价的船舶装配信息模型；并且根据构件间的干 涉情况，生成船舶构件拆卸干涉矩阵。 其次，分析了蚁群算法的基本思想，建立针对解决船舶构件装配序列优化的问题模 型，利用改进的蚁群算法，对船舶构件序列进行优化。并应用面向对象的编程思想，用 c + + 编程语言实现船舶构件自动生成优化序列的功能。 再次，针对船舶建造过程的特殊性，提出适用性较强的评价指标体系。应用综合评 价方法，对生成的装配序列进行综合评估。 最后，使用c a t i a 三维建模软件，以某散货船双层底分段为例，使用基于蚁群算 法的船舶构件装配序列优化程序，优化得到较合理的装配序列。通过评估，得到更优的 装配序列。并对得到的装配序列进行模拟仿真。验证了本论文提出方法的可行性。 关键词：装配序列优化；蚁群算法；装配信息模型；综合评价；虚拟现实 面向中间产品的船舶构件装配序列优化研究 r e s e a r c ho na s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n go f s h i ps t r u c t u r e a b s t r a c t s h i pi sah u g es y s t e m ，a s s e m b l e db yt h em i l l i o n so fc o m p o n e n t s ，a n ds h i pc o n s t r u c t i o n p r o c e s si sam o r ec o m p l i c a t e ds y s t e m a t i cp r o j e c t a s s e m b l yi sa l li m p o r t a n tp a r td u r i n gt h e c o n s t r u c t i o np r o c e s sf o ra s s e m b l ys e q u e n c eh a sad i r e c ti m p a c to nt h es h i p b u i l d i n g c y c l e ， a s s e m b l yq u a l i t ya n dc o n s t r u c t i o nc o s t t h e r e f o r ei ti ss i g n i f i c a n tt os t u d yt h es h i pa s s e m b l y s e q u e n c eo p t i m i z a t i o nf o rr e d u c i n gs h i p b u i l d i n gc y c l ea n di m p r o v i n gt h eq u a l i t y b a s e do n t h i sc o n s i d e r a t i o n ，t h i sp a p e rh a sm a d ear e s e a r c ho nt h es h i pa s s e m b l ys e q u e n c eo p t i m i z a t i o n o fs t r u c t u r a lc o m p o n e n t s f i r s t l y , a s s e m b l yi n f o r m a t i o nm o d e ls t r u c t u r e ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nt h es t u d yo f a s s e m b l ys e q u e n c eo p t i m i z a t i o n ，h a sb e e na n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h er e a ls h i pb u i l d i n g p r o c e s sa n da s s e m b l ys e q u e n c eo p t i m i z a t i o na n de v a l u m i o nr e q u i r e m e n t s ，t h ep a p e rb u i l tt h e s h i pa s s e m b l yi n f o r m a t i o nm o d e lf o rs h i pa s s e m b l ys e q u e n c eo p t i m i z a t i o na n de v a l u a t i o n w i t hs t u d y i n gt h ec o n t e n t sa n dd a t af o r mo fs h i pa s s e m b l yi n f o r m a t i o n m o d e l s h i ps t r u c t u r a l c o m p o n e n t sd i s a s s e m b l yi n t e r v e n em a t r i xw a sa l s og e n e r a t e db a s e do nc o m p o n e n ti n t e r v e n e c o n d i t i o n s s e c o n d l y , i na c c o r d a n c ew i t ht h ea n a l y s i so fa n tc o l o n ya l g o r i t h m ，t h em o d e lw a sb u i l tt o o p t i m i z et h es h i ps t r u c t u r a la s s e m b l ys e q u e n c ew i t hi m p r o v e da o c a n dw i t ht h o u g h to f o b j e c t 。o r i e n t e dp r o g r a m m i n ga p p l i c a t i o n ，t h eo p t i m i z e ds h i ps t r u c t u r a l s e q u e n c ec a nb e g e n e r a t e da u t o m a t i c a l l yu s i n gc + + p r o g r a m m i n gl a n g u a g e t h i r d l y , t h ea p p l i c a b l e a s s e s s m e n ti n d e xs y s t e mw a sp r o p o s e d a c c o r d i n gt o t h e s p e c i a l t i e sd u r i n gs h i pb u i l d i n gp r o c e s s a n dt h eg e n e r a t e da s s e m b l ys e q u e n c ew a se v a l u a t e d b yt h em e t h o do ff u z z ye v a l u a t i o nm e t h o d f i n a l l y , u s i n gc a t i a ，t a k i n gad o u b l e d e c kb o t t o m sb u l kc a r r i e rs u b s e c t i o na sa n e x a m p l e ，b a s e do nt h ea o c ，ar e a s o n a b l ea s s e m b l ys e q u e n c ew a sg e n e r a t e dw i t ht h es h i p s t r u c t u r a lc o m p o n e n t so p t i m i z i n g p r o g r a m m i n g t h r o u g ha s s e s s m e n tab e t t e ro p t i m i z e d a s s e m b l ys e q u e n c ew a sf o r m e da n ds i m u l a t i o np r o c e s sw a sc a r r i e do u tt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t y o ft h em e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：a s s e m b l ys e q u e n c eo p t i m i z a t i o n ；a c o ；a s s e m b l yi n f o r m a t i o nm o d e l ； e v a l u a t i o nm e t h o d ；v i r t u a l r e a l i t y i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 一， 作者签名：奠纽蔓叁日期：1 = 竺墨： ! ：! 一 l 大连理t 大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交 学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作害签名：j 革竺立 新签各碰迦 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1论文研究背景及意义 随着全球一体化的不断加剧，行业竞争，尤其是制造业的竞争已经变得越来越激烈。 为了适应变化迅速的市场需求，提高企业核心竞争力，现代的制造企业必须解决 t q c s e f 难题，即以最短的产品开发时间( t i m e ) ，最好的质量( q u a l i t y ) ，最低的成本 ( c o s t ) ，最优的服务( s e r v i c e ) ，最好的环保效果( e n v i r o n m e n t ) ，快速的市场适应能力 ( f l e x i b i l i t y ) 来满足不同顾客的需求。 在产品生命周期的各个环节中，产品装配是其中重要环节。在工业化国家，产品的 生产过程中大约1 3 左右的人力在从事有关产品装配的活动，超过4 0 以上的费用用于 产品的装配。产品装配所需工时占产品生产制造总工时的4 0 6 0 1 - z 】。因此，装配是 产品生命周期的重要环节，是产品功能实现的主要过程，装配质量的好坏直接影响着产 品的最终质量。 就目前的产品设计和产品开发现状来看，有关产品装配工艺的设计工具和设计水平 仍然十分落后，与装配在产品生命周期中的重要地位极不相称 3 】。由于装配工艺设计手 段的落后，目前大部分企业设计部门仍是依靠技术经验丰富的设计师、工艺师来完成产 品装配工艺设计，设计周期长、受设计者的知识局限性和主观性影响较大。尤其对于复 杂产品的装配工艺，设计者往往无法将各方面、各层次的问题都考虑进来，只能凭借经 验来寻求可行解或局部较优解，全局最优的目标往往难以实现。 当今以计算机技术、微电子技术、网络通讯与信息技术、自动化技术和人工智能技 术为核心的新一代科学技术的迅猛发展，将我们所处的世界由“工业经济”引入到一个 全新的“知识经济”时代。制造全球化、敏捷化、网络化和虚拟化成为现代制造业发展 的趋势。尤其随着计算机集成制造c m s 和并行工程c e 技术的发展和应用，对装配工 艺设计提出了更高的要求。 虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v m ) 作为2 l 世纪的新型制造策略正越来越受到 工业界和学术界的重视，更是成为新世纪制造业信息化研究的热点之一。 虚拟制造基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设计、开发与 实现过程在计算机上模拟。与实际制造相比较，它具有如下主要特征【4 】： ( 1 ) 集成性：建模、可视化仿真、生产制造集成规划、企业资源规划、优化评价 等多种相关技术集成。 ( 2 ) 层次性：建模对象的层次性( 工厂、车间、单元、设备；宏观、微观) 和用 面向中间产品的船舶构件装配序列优化研究 户对象的层次性( 使用者、设计者、财务经理、总经理) 。 ( 3 ) 动态性：在三维、多视角、多信息通道的虚拟环境中，制造系统及过程的仿 真可以反应出实时系统运作所具有的动态特性，而不仅仅是静态信息。 ( 4 ) 虚拟的真实性：利用虚拟现实技术，实现真实制造到虚拟制造的映射，达到 人机和谐。发挥人的主动性，使人在虚拟环境中可以从事并感受真实制造中的各种活动。 虚拟装配( v i r t u a la s s e m b l y ，v a ) 技术是虚拟制造的关键技术之一。它通过计算机 对产品装配过程和装配结构进行分析和仿真，评价和预测产品模型，做出与装配相关的 工程决策，不需要实际产品支持。 产品装配序列规划( a s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n g ，a s p ) 是虚拟装配的关键技术之 一。它是描述产品装配过程的重要信息，其优劣直接影响到产品的可装配性、装配质量 及装配成本的高低。可以说装配序列规划是产品装配分析的基础【5 】。应用虚拟化的装配 序列规划技术可以指导我们在装配过程中降低建造成本和难度，提高装配质量。 水路运输作为运输业的主力军，承担着贸易往来、物资交流的重要责任，在整个国 民经济中起着纽带作用，对国民经济的发展具有巨大的意义。而作为水路运输的载体一 船舶，其建造过程是一项涵盖领域广、场地限制大、作业空间有限的大型复杂的技术密 集型工程。一艘船舶的建造，往往从设计开始，经过船体放样、开工下料、分段制造、 船台大合拢、下水、码头舾装到系泊试验、航行试验、交船等工艺才能完成。一艘中大 型船的构件往往有百万个之多，加上船用设备，零件数目更是惊人。所以装配序列优化 研究，对船厂装配过程有实际的指导意义，可以有效地提高船舶装配质量，降低建造成 本，缩短建造周期。 1 2 装配序列规划国内外研究现状 1 2 1 传统的装配序列规划算法 装配序列规划的研究始于8 0 年初期w e s l e y 和t a k e y a m a 6 】等人的研究工作。 b o u r j a t i l t 7 】提出了产品装配结构的关联图( l i a i s o n ) 表达方法。通过对关联图的分析处 理，针对装配操作的几何可行性，产生一系列的“y e s n o 形式的问题，这些回答的答 案一旦明确之后，可确定零件的装配优先关系，进而生成装配序列。 h o m e md em e l l o 8 】和b a l d w i n 9 】在装配关联图模型分析的基础上，引入了割集 ( c u t s e t ) 分析理论，把产品的装配顺序问题转化为拆卸序列问题。首先输入装配关联 图，然后利用割集生成算法对装配关联图进行处理，产生所有的装配割集。通过人机交 互回答问题的方式推理出割集分解的可行性，最后搜索出所有的几何可行装配序列。 w i l s o n 1 0 】对割集分析理论进行了改进，提出了一个基于c a d 草图的人机交互a s p 大连理工大学硕士学位论文 方法【1 1 1 。在c a d 环境下，用户在拆卸分析过程当中可以发现零件的干涉现象，并将零 件的干涉信息记录下来。这些信息可以应用于后续的推理分析，从而可以进一步减少提 问的数量。 g o t t i p o l u 1 2 提出了一种装配顺序推理方法。该方法首先定义两个向量：接触向量c 和干涉向量t ，用于记录所有零件之间的接触和干涉关系。然后根据零件之间的接触向 量c 和干涉向量t ，求出装配割集的两个零件或子装配体之间的接触向量和干涉向量。 再利用接触向量计算出是否具有装配联接关系，最后利用干涉向量计算出是否能够装 配。由于接触向量和干涉向量都是定义在x ，y ，z 方向上的向量，所以该方法 只适用于正交方向的装配问题。 在同一时期，k o 和l e e 提出了一种由配合条件求解装配序列生成的方法【1 3 】。该方 法从装配体的几何模型和部件配合图中形成一个部件层次图，根据部件层次图中父子结 点之间的装配优先关系以及同层结点中的干涉约束关系，后序遍历得到自底向上的装配 序列。 为了实现所有方向的装配干涉分析，s u 【1 4 】提出了几何约束分析( g e o m e t r y c o n s t r a i n t a n a l y s i s ，g c a ) 理论。该方法从装配体中各个零件之间的约束方向分析出发，可以自 动求解出正确和完备的装配优先关系a p r s ，进而可以计算出所有的几何可行装配顺序 规划( 包括正交方向和非正交方向) 。 国内在这方面的研究虽然起步比较晚，但近年来，在许多学者的努力下，也取得了 不少可喜的成就。比如清华大学张钹教授等【1 5 , 1 6 】提出了一种路径规划算法，叫拓扑法。 拓扑法是将规划空间分割成拓扑特性一致的子空间，并建立拓扑网络，在拓扑网络上寻 找起点到终点的拓扑路径，最终由拓扑路径求出几何路径。冯光涛博士对p e t r i 网模型 进行了深入研究，并在机器人装配操作的离散路径规划与柔顺运动综合的研究中，利用 p e t r i 网模型对装配路径进行了规划【l 。7 1 。贺怀清博士也对c 空间法进行了深入研究。并 用切线图表示虚拟环境，利用有向图存储数据，用a 幸算法规划出虚拟人从当前位置到 目标位置的全局路径【l8 】等等。 1 2 2 装配序列规划中的智能优化算法 近些年，随着人工智能的发展，人们将基于智能的计算方法引入装配序列优化中， 取得了一定的成果。智能优化算法应用了不同思想、新颖的优化方法，因而在解决复杂 化问题时具有更大的灵活性。对于一个多变量非线性系统而言，智能优化算法解决途径 具有成本低、可实际操作和较高智能的特点，近年来在装配序列优化研究领域也得到了 广泛的应用。 面向中间产品的船舶构件装配序列优化研究 1 9 9 4 年，z a d e h 教授将模糊逻辑与智能技术结合起来，提出了智能优化方、法【1 9 j 。它 是随着信息技术和计算机智能化的发展而产生的几种适用计算技术的总称，即神经网 络、遗传算法、模拟退火算法、模糊逻辑控制等。智能优化并不追求问题的精确解，而 允许存在不精确性和不确定性，所得到的是精确或不精确问题的近似解。智能优化是目 标驱动的，即只要从长远看，计算过程是在向目标移动，至于从当前状态到最终状态走 的是一条什么路径则是无关紧要的。 c h e n 为了克服装配序列优化组合爆炸问题，提出一种方法。首先将装配几何约束 关系转变为装配优先关系，然后运用神经网络进行装配序列规划【2 0 1 。h o n g 和c h o 提出 用神经网络进行机器人装配序列优化【2 l 】。廖小云提出基于遗传算法的自动装配序列规 划。他采用产品装配树表示装配顺序，通过遗传算子对装配树进行操作，以装配方向改 变次数作为装配序列的适应值，不需要给出可行初始序列就能够较快地自动产生出满意 的装配方案。 s a e i d 2 3 】利用模拟退火算法进行装配序列规划时，根据产品装配模型获得装配优先 关系，将装配过程总装配时间和重定向次数运用多属性应用理论组合成单一目标函数， 作为装配序列优化的评价函数。 f m l l i 和d i n i 首先开展了将蚁群算法用于装配拆卸序列优化的研究【2 4 1 ，给出了算法 中各个参数对算法性能的影响。但是他们的算法没有涉及到如何判断装配序列的几何可 行性，并且所给出的网络模型过于复杂，不能够自动构造。w a n g 等从拆卸序列的几何 可行性出发，给出了解决装配拆卸序列规划问题的蚁群算法【2 5 1 。但是其最终的解具有 局限性，并且由于缺乏一个完善的程序可以包含所有的装配知识，最优解必须由有经验 的技师从最终解空间中选取，因此该方法还需要进一步改善。而且所得到的装配拆卸序 列都是在假设产品中各个零件处于失重的情况下生成的，即没有考虑零件和子装配体的 稳定性，因此生成的序列不能全面反映工程情况。 1 2 3 装配序列规划应用系统 目前比较典型的装配序列规划原型系统有：华盛顿州立大学和国家标准技术研究所 共同合作开发的虚拟装配设计环境( v a d e ) 2 6 , 2 7 】。该系统可以通过生成一个用于装配 规划和评价的虚拟环境，来探索在设计和制造中运用虚拟环境的潜在可能性和技术可能 性。加拿大m c m a s t e r 大学柔性制造中心研制的g a p p ( g e n e r a t i v ea s s e m b l yp r o c e s s p l a n n e r ) 系统 2 引，美国斯坦福大学开发的s t a a t ( s t a n f o r d a s s e m b l y a n a l y s i st 0 0 1 ) 系 统【2 引，新加坡南洋理工大学机械工程学院开发的c i d a p ( c o n c u r r e n ti n t e g r a t e dd e s i g n a n da s s e m b l yp l a n n i n g ) 系统p 。 大连理工大学硕士学位论文 国内取得的成绩主要有：清华大学国家c i m s 工程技术研究中心研究的虚拟装配支 持系统( v a s s ) 。该系统是在商业化c a d 软件p r o e n g i n c e r 基础上二次开发而成。它 能够基于三维实体模型在计算机上实施产品及部件的数字化预装配，实现装配工艺规 划，验证产品可装配性，并能生成指导实际装配作业的装配工艺规程【3 1 1 。上海交通大学 的宋丽萍等人成功开发了船舶虚拟装配平台i v a e ( i n t e r a c t i v ev i r t u a la s s e m b l y e n v i r o n m e n t ) 【3 2 ，3 3 1 。该系统结合船舶产品装配特点分析了关键技术，能够在仿真环境下 有效地解决船舶产品的装配问题，对船厂的实际装配生产有一定的指导意义。 此外，一些企业也形成了基于三维装配工艺规划的商品化产品。例如，d e s s a u l t s y s t e m e s 法国达索系统公司的d p ma s s e m b l y 是基于c a t i a 平台研制出来的。它的 e n v i s i o n a s s e m b l y 是产品装配工艺设计工具，能够运行交替装配设计研究，制定 装配过程文档，有利于装配内多顺序零件路径装配工艺文件的形成。装配序列可用甘特 图表创建和编辑。零件安装轨迹和相应的安装扫描体积可显示出装配的公差和配合，装 配工艺包括人工、机器人和其它机械方法等。d p ma s s e m b l yp r o c e s ss i m u l a t i o n 是面向 装配工艺编排和检查的专业解决方案，它为产品制造和产品维护的工艺编排树立了典 范。它将产品预计划、详细计划、工艺检查及车间现场指导等功能整合在一个单一而完 整的系统内，进而提供给制造工程师以及装配工艺师一个统一的、点到点的作业方法。 总之，由于装配工艺本身的复杂性，结合数字化技术、虚拟现实、人工交互、几何 推理、专家系统等方法的优点，高效准确地得出最优的装配序列，是装配序列规划研究 发展的必然趋势之一。 1 3 本文所做的主要工作 目前，国内船舶建造模式主要还是以分段建造为主，其建造过程大致可以分为四步： 首先将板材进行预加工预处理，其次将各个零件组合成部件及平面分段( 小合拢) ，然 后由部件、平面分段和零件装配成分段或总段( 中合拢) ，最后在船台上将分段或总段 合拢成为整个船体( 大合拢) 。其具体过程如图1 1 所示，建造过程的详细过程见图1 2 。 面向中间产品的船舶构件装配序列优化研究 图1 1 船舶建造工艺流程 f i g 1 1 p r o c e s so fs h i pb u i l d i n g 图1 2 船体建造的各个阶段 f i g 1 2 d i f f e r e n ts t a g e so fs h i p b u i l d i n g 采用分段建造的方法，即船体按照结构特性划分成不同分段和部件。该方法不但提 供了以区域进行流水作业的可能性，增加了作业面积，提高了产品的装配并行度，以及 在分段上进行预舾装的可能，从而大大降低了建造周期。图1 3 所示为某2 5 0 0 0 吨散货 船的分段划分图。 、 大连理工人 硕士学位论文 嘲132 5 0 0 0 吨散货船的分段划分斟 f i g 132 5 0 0 0 d w t b u kc a r r i 盯s u b s c c t i o nd r a w i n g 在实际建造过程中，由零件装配成小组立的过程比较简单，合理的装配序列可以较 直观的判断出来。而从小组立装配到中组立的过程中，山于构件重量的增大，构件数目 的增多，几何约束越来越复杂，从一定程度t 给装配过程带来难度。所以该阶段装配序 列是否台理，直接关系到装配难易程度、装配重量的好坏及装配成本的高低。本文也只 要基于这点考虑，主要研究这一+ 过程的装配序列优化。 本文结合c a t i a v 5 强大的建模功能，对船舶结构构件的装配序列的生成进行了研 究，并开发了装配序列优化系统。通过该系统，可以得到满足要求的装配序列，并建立 评价指标体系，进行方案优选。达到降低装配成本，缩短周期，提高装配质量的日的。 本论文主要研究的内容如下： ( 1 ) 分析了国内外装配序列规划研究的内容、现状及方法： ( 2 ) 研究了用于装配序列优化生成和评价需要的产品装配信息模型，并提取需要 的信息：根据装配模型干涉情况，建立拆卸干涉矩阵： ( 3 ) 分析了蚁群算法的基本原理及应用领域。结合船舶建造的特点，对蚁群算法 进行改进，得出适合船舶建造的装配序列生成算法； ( 4 ) 针对船舶建造过程的特殊性，提出评价指标，建立评价函数，对生成的装配 序列进行评价，得出更优的装配序列； ( 5 ) 通过实例验证了该方法的可行件。 14 论文结构与安排 本论文共分为六章，各章内容安排如下： 第一章为绪论部分，介绍了本论文的选题背景和意义，以及国内外研究现状和研究 方法。总结了本文研究的主要内容及要解决的t 要司题。 一 面向中间产品的船舶构件装配序列优化研究 第二章为本论文提供了数据支持。这里分析了进行装配序列优化研究使用的装配信 息模型。研究了船舶构件装配序列生成过程中需要的信息模型结构及形式，并且建立拆 卸干涉矩阵，分析拆卸过程中的干涉情况。 第三章为本论文的算法理论部分，描述了蚁群算法的基本理论、研究现状和应用领 域。详细讲述了蚁群算法解决t s p 经典问题的数学模型，并结合船舶建造的特殊性，建 立了适用于船舶构件装配序列优化的数学模型，并给出算法步骤。 第四章则根据船舶建造行业的特点，研究了在船舶建造过程中影响建造难度和成本 的主要因素。通过建立评价指标和评价函数，对生成的装配序列进行综合评价，从而确 定更优的装配序列。 第五章使用某散货船双层底分段作为实例，应用本文提出的方法，验证方法的可行 性。 第六章对本论文的工作进行了总结，并对论文中未完成的工作进行了展望。 大连理工大学硕士学位论文 2 船舶构件装配信息模型研究 船舶构件装配信息模型的建立是进行装配序列优化的第一步，也是影响装配序列优 化进行的前提条件。在装配序列优化研究中，装配信息模型的建立是装配序列优化研究 的关键问题之一，它不但为装配优化提供数据支持，而且也为随后的装配序列评价提供 工作基础。一个好的装配信息模型应该具备以下特点：能准确完整地描述装配关系；建 立方便，扩展容易；可以对不同阶段的产品设计提供支持；能有效地支持现有的c a d 、 p d m 系统。 船舶构件装配信息模型的建立，一方面要求把船舶装配序列优化及评价时所需要的 信息都包含进去；另一方面还要求所建立的信息模型尽可能简洁，能够有效地对装配序 列自动生成和装配序列评价提供数据支持。 2 1 装配信息模型技术综述 2 1 1关联模型 二十世纪8 0 年代中期，b o u r j a u l t 提出二维拓扑结构表达的装配模型方法 3 4 】，如图 2 1 所示，其表达式如下： g = ( p ，l )( 2 1 ) g ( p ，三) 是一个无向连通图，表达装配体的信息模型。p 表示零件集合，三为零件 间的联系集合。联系的含义通常指的是零件之间的物理接触关系，即装配关系。只要识 别出零件间是否存在物理接触关系就可以得到产品的装配连接图。 图2 1b o u r j a u l t 装配模型 f i g 2 1b o u r j a u l ta s s e m b l ym o d e l 然而，在实际的装配关系中，某两个零件之间可能存在多种装配关系。在b o u r j a u l t 面向中间产品的船舶构件装配序列优化研究 提出的装配关联图是一种简单的无向连通图。虽然表达装配关系方法简单，但是零件之 间的装配关系并不对应具体的装配操作，难于满足自动装配序列规划的要求。 h o m e nd em e l l o 和s a n d e r s o n 在b o u r j a u l t 装配模型基础上，提出了如图2 2 所示的 装配模型，该装配模型表达方法为5 维拓扑结构8 1 ，其表达式如下： g = ( 只ga ，冗尸) ( 2 2 ) 其中，尸表示装配体中的零件集合，c 表示装配体中两零件之间的连接关系集合， 么表示装配体中各连接关系对应的装配操作集合，r 表示彳、p 、c 之间的关系集合，f 表示装配体中各种实体的功能属性。 图2 2 h o m e nd em e l l o 和s a n d e r s o n 装配模型 f i g 2 2 h o m e nd em e l l oa n ds a n d e r s o na s s e m b l ym o d e l h o m e nd em e l l o 和s a n d e r s o n 提出的装配模型表达方法是在b o u r j a u l t 模型方法基础 上的一种发展和扩充。这种装配模型的优点是模型比较直观，容易由计算机自动生成， 在装配工艺规划中其信息便于管理和利用；缺点是对信息的描述是在同一层次下进行， 不符合产品的实际结构，信息的层次性表达不够清晰，而且产品零件数量不能太大，否 则将给以后的装配规划带来很大的困难。 2 1 2 层次模型 l e e 和g o s s a r d 在与或图的基础上提出了真正意义上的层次建模方法【3 5 】。它将装配 体分解成由部件组成的树状结构，部件既可以是零件，也可以是装配体。树的顶端是产 品的装配体，末端是不可拆分的零件，其余的是子装配体。l e e 引入了虚联接( v i r t u a ll i n k ) 的概念，整个装配树是由虚联接连接起来的，每个虚联接是一系列相关信息的集合。这 样装配体的信息能够层次化存储，如图2 3 所示。 大连理工大学硕士学位论文 该模型的优点是符合人们的思维习惯，能较好地体现设计意图和产品结构。基于层 次模型的设计分析以装配体为研究对象，降低了问题求解的复杂度；缺点是各零件之间 的装配关系描述不够直观，对子装配体的划分没有明确的规则，其模型生成往往需要人 工参与。 图2 3l e e 和g o s s a r d 装配模型 f i g 2 3 l e ea n dg o s s a r da s s e m b l ym o d l e 2 2 船舶构件装配信息模型 船舶建造行业是一项巨大且复杂的系统性工程。尤其是在建造过程中，更是包括了 方方面面的信息，例如工段区域信息、船体结构工段信息、舾装工段区域信息、材料 信息、管理信息、建造工艺信息等等。这些信息描述了每一个零部件在建造过程中的身 份、处于的位置及扮演的角色，内容广泛。虽然信息量大，但是为船舶建造提供必要的 信息支持和数据保证。出于对装配序列生成和评价需要的考虑，把可能需要的信息大致 概括为三类：特征属性描述信息、约束关系信息、装配工艺信息等。 2 2 1 构件特征属性信息 特征属性信息用来描述装配体及零件特征属性的结构化语言描述。它主要包括实体 属性和物理属性信息。实体属性信息主要反映装配体及零件的名称、编号、所属分段、 所属装配体等信息。物理属性信息是对零件物理属性的描述，如质量、体积、重心位置、 材质等。 目前，船体建造分为零件加工和结构装配两种作业，再将结构装配划分为部件装配、 分段装配、大型分段装配或总段组装和船体总装四个建造级。其中部件装配又分为小组 立装配、中组立装配和大组立装配。考虑到建造的复杂程度，本论文主要研究由部件组 面向中间产品的船舶构什装配序列优化研究 成的分段的装配序列优化。本文采用的分级信息模型如图2 4 和图2 5 。 图2 4 小组立信息模型 f i g 2 4 s u ba s s e m b l yi n f o r m a t i o nm o d e l 图2 5 中组立信息模型 f i g 2 5 u n i ta s s e m b l yi n f o r m a t i o nm o d e l 2 2 2 构件装配工艺信息 装配工艺信息是用来描述零件在装配过程的一组信息。它是对装配模型信息的拓展 和完善。有了该信息，可以较完整地表达零件在装配过程中所处的阶段、位置和使用的 方法等信息。 装配工艺信息应该包括使用的装配工具、焊接形式、工位安排、吊装安排、装配序 列、装配路径及操作过程手册等信息。装配工艺信息可以进行仿真试验，且用于后续的 相关设计和评价分析过程。 大连理t 大学硕士学位论文 2 2 3 构件约束关系信息 约束关系信息表达了装配体及各组成零件之间相互作用关系的描述。其中主要包括 几何关系和连接关系等。 几何关系主要用来描述装配元素间的几何关系，确定装配元素间的几何位置和安装 精度，分为接触关系、位置关系、配合关系3 种。联接关系主要描述产品零部件之间的 联接方式，主要包括螺纹联接、键联接、锁扣联接、焊接、铆接、搭接等形式【3 6 1 。在实 际的船舶建造过程中，约束关系信息可以提取为位置关系、焊接、铆接、搭接等。 综上可知，作为装配序列生成和评价的信息载体，装配模型要求它表达的装配信息 必须全面。也就是说，在面向装配的设计和评估系统中作为信息载体的装配模型，应该 是基于装配的而不是基于零件的。 如图2 6 所示，该模型通过树和图的形式来表示构成装配体的所有信息。树表示装 配模型的层次关系，图表示同一结构层中各结构要素之间的联接关系，即装配关系。零 件级的装配信息处于层次模型的底部，属于叶子。零件模型中所属小组立编号为其父节 点。把装配关系和约束关系称之为装配特征关系，装配特征关系反映了产品的装配信息， 更有效地分析和评估产品的装配工艺性。 图2 6 船舶构件装配信息模型 f i g 2 6a s s e m b l yi n f o r m a t i o no fs h i ps t r u c t u r a lc o m p o n e n t s 面向中间产品的船舶构件装配序列优化研究 2 3 船舶建造编码技术 在船舶建造过程中，造船信息无论在内容上或者复杂程度上，都超过了一般的制造 业。传统的造船过程，大量施工用的材料和设备等信息都是以图纸、清单和工艺文件作 为载体来记录和存储信息的。这种用文字记录和存储信息的方法问题很多，很难对信息 起到准确的标识作用，容易引起误解或差错。而且载体的信息容量有限，传送速度慢， 生产管理要靠各种调度过程收集信息来协调。 编码是人们通过对某类事物或概念分析、概括、规范后，并赋予其一定规律性的易 于人或计算机识别和处理的符号、图形、颜色、缩简的文字等等。它是信息标准化、规 范化的基础，是人们统一认识、统一观点、交换信息的一种手段。 船舶建造编码从设计角度来看，是应用成组技术的相似性原理，把船舶设计、生产、 管理中体现的有关特征，以字母和数字的结合形式予以表征的一项设计技术；从管理角 度，它是一种代表事物名称、属性、特征、状态等按一定规则组合起来的符号和代号。 也就是说，按不同的目的和要求通过科学的分类方法，以符号标记的形式对工作对象的 有关特性进行描述和标识。 船舶建造编码对船舶建造全过程的信息流和物流进行分类，应用编码技术，以数字 或字母来标识和描述事物或概念，并且以零部件的静态特征信息( 如品种、型号、规格、 材质等) 的统一编码建立零部件数据库和图形库，以便用计算机把惟一的零部件配套组 合成非惟一性的托盘，配套组合成非惟一性的分段，直至形成非惟一性的船舶产品。 经过区域阶段类型分解后的作业类型代码，用在制订计划、安排进度、施工和 评价时控制区域的各种物料，建立的成本区分代码按系统控制同样的物料，用于评价、 报价和计划。实际生产和管理过程中通过物资代码和舾装件代码的结合使用，可将区域 的数据转换为系统的数据。 船舶建造编码的一般要求【3 7 】： ( 1 ) 船舶建造编码要满足“两个一体化 ( 即设计、生产、管理一体化；壳、舾、 涂体化) 区域造船的要求； ( 2 ) 船舶建造编码要满足造船成本控制的需要； ( 3 ) 船舶建造编码所使用的代码符号，应考虑与国际造船接轨，尽量采用英文字 母和国际通用的字符，而不采用拼音和不规范的符号； ( 4 ) 船舶建造编码在满足表达内容的前提下，应使其形式尽量简单，便于识别， 便于记忆，便于使用； ( 5 ) 船舶建造编码应具有一定的科学性、实用性、整体性和系统性，尽量避免因 考虑不周而频繁改动； 大连理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 舶舶建造编码要具有可扩充性，并容易维护，以便适应将来发展的需要。 图2 7 为船舶建造编码的总体结构图，描述了不同作业的不同编码分类。图2 8 是 船舶建造编码与作业组织关系，描述了船舶的整个建造过程中，编码在不同作业中发挥 的作用。由于篇幅有限，该部分内容不展开论述。 船舶建造 编码系统 图纸分类 代码 船体分类 代码 舾装分类 代码 与材料无关的 图纸代码 与材料有关的 图纸代码 主船体结构 上层建筑结构 管装件 电装件 设备类 其他舾装件 初步设计图 详细设计图 船体 生产设计图 舾装 生产设计图 制作图 订货图 制作材料图 托盘材料图 系统材料图 厂家图 船舶分类代码 分段名代码 主件名代码 部件名代码 零件名代码 管装系统代码 管装件代码 电装系统代码 电装件代码 舾装系统代码 舾装件代码 设备类代码 图2 7 船舶建造编码的总体结构 f i g 2 7 o v e r a l ls t r u c t u r eo fc o d i n gi ns h i p - b u i l d i n g 1 5 一 面向中间产品的船舶构件装配序列优化研究 信息流 ( 设计部门提供) 物流 ( 生产部门实施) 图2 8 船舶建造编码与作业组织关系酬3 7 】 f i g 2 8 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o d i n ga n do p e r a t i o n si ns h i p - b u i l d i n g 2 4 船舶装配可行性分析 对于一个产品或者部件的装配序列，首先是应该满足几何干涉条件。几何可行性装 配序列，是从几何约束关系角度，分析两个零件间的装配操作或分解操作存在不存在几 何干涉现象。几何可行装配序列规划问题，其实质是对装配结构设计内在的、隐含的装 配优先关系的分析、提取和满足过程。从纯装配的角度考虑，产品装配过程中产生干涉 的原因主要有以下3 种情况： ( 1 ) 产品在设计、制造过程中的错误导致其几何形状、尺寸上的缺陷，形成装配 干涉，造成产品无法装配或者装配困难； ( 2 ) 装配过程中装配路径的不合理导致装配干涉； ( 3 ) 装配过程中零部件装配顺序的选择不合理造成装配干涉。 本论文注重研究在装配过程中可能出现的问题，而对面向装配的设计研究较少，所 以只是解决造成装配干涉的第三种情况。 本论文是在“可卸即可装”的前提下进行装配序列研究的。假设拆卸的零件都是刚 体；拆卸与安装的工具相同，即费用相同。本文的“可拆”不是传统意义的船舶拆卸。 大连理j = 大学硕十学位论文 而是指船舶结构按照设计安装时的部件，原样地拆卸下来。这样拆卸的序列有很多种， 那么其中一条的逆序就是装配序列。 之所以用“可拆即可装”的前提进行船舶构件装配序列优化问题的研究，是因为如 果对安装过程进行序列优化研究，零件之间动态的相互干涉关系很难用计算机分析计 算。而直接分析安装好的构件，很多约束干涉都已