Технологическая подготовка производства в судостроении включает в себя проектирование большого количества разнообразной оснастки, включая сборочные постели и стапеля для секций и корпусов судов, опорные и транспортные металлоконструкции, строительные леса, испытательную оснастку, слесарно-сборочный инструмент, некоторые виды технологического оборудования и проч. В этом многообразии оснастки и заключается специфика судостроительного производства. Поэтому при проектировании оснастки в судостроении необходима "универсальная" САПР, способная работать не только с машиностроительными узлами, но и с металлоконструкциями и с импортированными из других систем корпусными моделями. Отделом технологической подготовки производства (ОТПП) Выборгского судостроительного завода для проектирования оснастки используется САПР T-FLEX CAD.
Трёхмерное моделирование оснастки внедряется с целью развития автоматизации процесса проектирования, сокращения трудозатрат и повышения качества проектирования в целом и качества документации в частности. В настоящее время на ВСЗ эти задачи решаются по нескольким направлениям работы:
- работа с моделями корпуса судна, получаемыми от проектанта (просмотр, снятие размеров, получение сечений, расчёт масс и центров тяжести);
- моделирование сборочных корпусных стапелей на базе имеющихся разработок стапельной оснастки;
- моделирование и проектирование различной оснастки и деталей;
- проектирование стоечных и лекальных сборочных постелей на основе 3D модели секции;
- моделирование строительных лесов на основе 3D модели корпуса;
- построение развёрток, шаблонов и прочие потребности плаза;
- анализ нагрузки оснастки методом конечных элементов (перспективная задача).
Указанные направления развиваются разными способами (и с разным успехом). Один из способов автоматизации процесса проектирования — создание библиотек готовых типовых моделей, которые в определённой степени сводят работу конструктора к сборке "модели-конструктора".
Пользовательские библиотеки в T-FLEX CAD могут включать в себя различные модели — как детали, так и сборки — а широкие параметрические возможности системы и использование встроенной табличной базы данных позволяет получить большое количество вариантов конфигураций в одной модели, благодаря чему, а также быстрому доступу к этим моделям через специальное системное окно, использование таких пользовательских библиотек существенно ускоряет моделирование. Данный способ был применён к моделированию стапелей, лесов, металлоконструкций.
Библиотека стапельной оснастки стала первой из внедрённых. На данный момент она включает в себя 30 моделей различной сложности: от простых, состоящих из одного или нескольких тел и не имеющих переменных параметров, до сборок с более чем десятком переменных параметров, управляющих не только размерами, но и конфигурацией (составом моделей). Большая часть моделей в этой библиотеке — это простые модели, без переменных, или с одним-двумя переменными параметрами. Это различные модели стапельных опор и деталей, входящих в сборки — пластин, скоб и проч. Они, как правило, не имеют специальных диалогов (окон) для задания параметров.
Наиболее сложные модели в библиотеке: модель стапельного узла на базе стапельной балки, модель кильблока и модель брусовой подушки.
Модель стапельного узла — это сборка, включающая в себя стапельную балку со стапельными тележками и комплектом опор (внутренних и наружных). Все модели, кроме стапельной тележки, проработаны подробно. Для задания параметров этой сборки создан специальный диалог (см. рисунок 1).
Диалог разбит на три логические части. Первая часть определяет параметры самой стапельной балки (это главный фрагмент сборки, он присутствует в ней всегда, в то время, как все остальные фрагменты могут из неё исключаться по желанию пользователя): конструктивный тип (всего их три), высоту положения и наличие бруса. Эти переменные (особенно высота) являются ключевыми для вычислений, которые производятся в переменных сборки. Вторая часть определяет параметры стапельной судовозной тележки, на которую опирается стапельная балка, а точнее её расположение в сборке относительно балки. Кроме того, параметр "расположение стапеля" оказывает влияние на границы диапазона возможных высот положения балки (это связано с особенностями конструкции рельсового пути). Третья часть управляет составом сборки (выключением фрагментов и изменением опор балки). Данный диалог позволяет сразу в полном объёме настроить модель стапельной балки при вставке её как фрагмента в сборку стапеля.
Рисунок 1 — Диалог параметров модели стапельного узла
Некоторые варианты конфигурации сборки стапельной балки показаны на рисунке 2. Кроме параметров, задаваемых пользователем, в сборке также автоматически производится расчёт количества подкладных пластин, и высоты клиновой опоры (она регулируется в пределах 40 мм), и определяется необходимость замены пластин на проставыш высотой 100 мм (при большой заданной высоте балки). Все расчёты в сборке производятся с помощью штатных функций работы с переменными без использования специальных плагинов. На настоящий момент варианты конфигурации этой сборки охватывают практически все состояния, в которых может применяться данный стапельный узел в составе корпусного стапеля или стапеля для монтажа оборудования.
Рисунок 2 — Варианты конфигурации модели стапельного узла
Второй аналогичной сборкой в составе библиотеки моделей стапельной оснастки является модель подушки из деревянного бруса. Такие подушки используются для опирания лекальных обводов корпуса на кильблок или другую стапельную опору, при этом брус подрезается по обводу корпуса. Сборка включает в себя массив моделей бруса, деревянные клиновые пары и детали креплений (пластины, скобы). Для задания параметров также разработан диалог (см. рисунок 3).
Рисунок 3 — Диалог параметров модели брусовой подушки
Здесь также выделяются несколько разделов. Первая часть содержит параметры массива бруса: размеры и количество (по двум направлениям), высота бруса задаётся отдельно по каждому ряду (для более удобного подбора общей высоты подушки). Ширина бруса для всех случаев принята 150 мм. Вторая часть содержит параметры пластин крепления: их наличие, размеры и расположение (за пользователем сохранена возможность создания пластины любого размера — для особых случаев). Третья часть содержит управление параметрами дополнительных элементов — деревянных клиновых пар и скрепляющих скоб. При этом клинья выбираются из базы данных. Так же имеются параметры для выбора единиц измерения количества бруса и гвоздей в структуре сборки (и спецификации соответственно). При этом брус может учитываться в кубических метрах или штуках (брус разного размера при этом учитывается раздельно), а гвозди в килограммах или штуках. На рисунке 4 изображены некоторые варианты конфигурации сборки подушки из бруса.
Рисунок 4 — Варианты конфигурации модели брусовой подушки
Третья рассматриваемая модель из библиотеки моделей стапельной оснастки — это модель кильблока. Она построена по-другому: в ней только один параметр, задаваемый пользователем — это обозначение исполнения кильблока (номер чертежа), все остальные переменные задаются на основе базы данных, включающих на данный момент тридцать три варианта, отличающихся не только размерами, но и конфигурацией (составом модели). При этом разработка нового варианта кильблока сводится к внесению новой строки в базу данных. Некоторые варианты кильблоков приведены на рисунке 5.
Рисунок 5 — Варианты конфигурации модели кильблока
Моделирование стапеля с использованием библиотеки моделей стапельной оснастки в настоящее время состоит из: разметки на рабочей плоскости (создание 3D узлов для привязки фрагментов), вставки фрагментов из библиотеки (а также моделей корпуса, дополнительных раскреплений и нетиповых опор — при необходимости), отсечения моделей деревянных подушек по модели корпуса и моделирования дополнительных элементов (связей, раскреплений и проч. — при необходимости). Пример стапеля для сборки корпуса траулера в эллинге приведён на рисунке 6, а его фрагмент укрупнено — на рисунке 7. Применение 3D моделей оснастки позволяет повысить качество проектирования, например, получить точные профили для обрезки деревянных подушек, рассчитать центр масс стапеля (при закладке на барже-плавдоке), проверить сход корпуса со стапеля при заданных осадках при спуске на воду через док-камеру и проч.
Рисунок 6 — Общий вид сборочного стапеля с теоретической моделью корпуса траулера
Рисунок 7 — Фрагмент сборочного стапеля (в кормовой оконечности траулера)
Библиотека моделей строительных лесов разрабатывалась аналогичным образом. В ней собраны модели различных типов применяемых на предприятии лесов (см. рисунок 8). Большая часть — это модели элементов сборно-разборных стержневых лесов: стойки, горизонтальные связи, раскосы, настилы, трапы и т. д. Эти модели сильно упрощены и представляют собой простые стержни (в основном). Такое упрощение необходимо из-за сложности сборок лесов — количество фрагментов в них может измеряться тысячами. На рисунке 9 показан пример лесов (в носовой части траулера), применяемых при строительстве корпуса судна. К тому же чертёж лесов представляет собой практически схему, и детализация модели не требуется.
Подетальная сборка модели лесов — очень трудоёмкий процесс, поэтому в библиотеке имеются и несколько типовых сборок. Среди них — модель каркаса лесов шириной в одну ячейку с параметрами длины (кол-во ячеек в горизонтальном ряду) и количества ярусов. Эта модель позволяет быстро построить прямую "стенку" сборных лесов, но при обстройке сложного обвода корпуса, приходится пристраивать друг к другу несколько таких "стенок" с различной высотой. К типовым сборкам также относится модель ограждения — набор горизонтальных стержней и стоек (с опцией их отключения для ограждения не на верхних ярусах), применяемый к прямоугольному контуру, и модели металлического настила из трёх и шести щитов. Кроме сборных стержневых лесов, есть и модели элементов лесов других типов — башенных и навесных, а так же модели деревянных трапов.
Рисунок 8 — Примеры элементы моделей строительных лесов
Рисунок 9 — Общий вид носовой части строительных лесов при строительстве корпуса судна
Использование 3D моделей лесов при их проектировании должно было решать две задачи — оптимизировать конструкцию лесов при обстройке сложных обводов судового корпуса и облегчить подсчёт количества элементов сборно-разборных лесов. В целом эти задачи были решены, но практическому использованию препятствуют некоторые сложности: большие затраты времени на создание сборки (при проектировании лесов большой площади), высокие требования к производительности компьютера, и сложность последующего изменения лесов (все фрагменты оказываются связанными друг с другом).
На основе полученного практического опыта можно сделать вывод, что автоматизировать моделирование лесов с помощью библиотеки типовых моделей применимо лишь к относительно небольшим сборкам — моделям местных лесов, без тысяч фрагментов. Автоматизация моделирования больших по площади строительных лесов в настоящее время решается на новом уровне, — по просьбе Выборгского судостроительного завода компания-разработчик T-FLEX CAD "Топ Системы" разрабатывает специальный плагин в среде T-FLEX CAD, который обеспечит генерацию фрагментов в сборке по заданным правилам, создание проекций для чертежа и подсчёт элементов. По предварительным результатам, затраты времени на разработку лесов большой площади (для корпуса судна в целом) могут сократиться в разы.
Библиотека моделей металлоконструкций, третья из числа используемых в работе. Она дополняет собой штатные библиотеки T-FLEX CAD и содержит в себе модели часто используемого сортамента металлопроката. Модели из этой библиотеки используются при моделировании различных металлоконструкций: технологических опорных и транспортных рам, каркасов различного назначения, стеллажей и т.д.
Наиболее сложной моделью в этой библиотеке является модель стандартного стального катанного уголка. Её особенностью является создание подрезки концов уголка при вставке в сборку. Подрезка возможна двумя способами: на угол (задаётся пользователем без ограничений) и под примыкание к другому уголку (параметры профиля подрезки задаются пользователем). Подрезаны могут быть оба конца уголка, при том разными способами — на каждом конце подрезается только одна полка. Модель содержит в себе базу данных, в которую включены наиболее часто используемые на предприятии типоразмеры как равнополочных, так и неравнополочных уголков. Эта модель позволяет быстро собирать каркасы из уголка без дополнительных операций в сборке по оформлению мест примыкания уголков. На рисунке 10 показан диалог параметров уголка и примеры их подрезки при сборке.
Рисунок 10 — Параметры модели уголка и примеры узлов соединения
Вторая модель так же относится к катанному стальному профилю — это модель швеллерной балки. При этом в модели реализован выбор трёх конструктивных вариантов — одиночный швеллер, два швеллера “в коробку”, два швеллера "в двутавр". Кроме того, возможен выбор типа швеллера — с уклоном полок или с параллельными полками, а также задание номера (типоразмера) и длины. Эта модель применяется при моделировании различных технологических рам и каркасов. На рисунке 11 показан диалог параметров модели швеллерной балки и примеры конфигурации.
Рисунок 11 — Параметры модели швеллерной балки и примеры конфигурации
Остальные модели в данной библиотеке — относительно простые модели профильного проката, книц и т.д.
Автор: Черанёв Иван
Организация: Выборгский судостроительный завод
Иллюстрации: Топ Системы
