面向大型吊装的三维仿真系统

林远山,郑亚辉,梁友国,焦 博,王华盛

(1.大连理工大学 计算机科学与技术学院,辽宁 大连 116023;2.大连益利亚工程机械有限公司,辽宁 大连 116025;3.中国石化集团南京工程有限公司,江苏 南京 210046)

移动式起重机被广泛地应用在快速发展的石油化工、海洋工程、桥梁建设等行业的百吨级甚至千吨级的超大型设备的吊装工程中.吊装工作现场环境日益复杂,使多台起重机的协同作业也越来越普遍.负责吊装行业的施工企业为能安全顺利地完成吊装工作,必须统筹安排起重机资源,精确详细地设计吊装方案,以保证吊装工作可靠、合理和高效地进行,因此吊装方案的制定是吊装作业的首要环节,吊装方案的好坏直接影响到吊装作业的工作量、成本及可行性等.但目前吊装方案设计仍停留在简单的手工计算、二维图绘制等传统模式,难以快速高效地适应当前复杂而大型的吊装工程.由于平衡梁、索具、吊耳等辅助设备繁多、起重机的起重性能参数数据量巨大,手工进行校核计算和选择满足工况要求的起重机成为一项非常繁琐的工作,吊装方案确定后不能马上直观地看到实施的效果,这直接影响吊装工程师对方案的可行性分析的工作效率.为此,有必要结合现代设计方法和计算机技术研制一套行之有效的三维虚拟仿真系统.

为了辅助吊装工程师快速选择和使用起重机,国外一些学者对起重机的选择做了一些研究,并开发了一些计算机应用系统[1～13].另外美国一公司开发了专业的模拟吊装软件Lift Planner,该软件产品侧重于仿真但没有校核计算功能.国内市场上所见到的相关的产品是浙江开元安装集团有限公司研发的吊装专家Vista系统,该系统是面向吊装行业的专用软件,用于起重机吊装工况核算和优化,该系统在实际运用中取得了良好反响,但缺乏三维模拟演示的逼真效果.在三维模拟方面,文献[13]利用OpenGL对船载特种起重机进行三维图形建模,实现了在各种海况下船载特种起重机工作状态的仿真.大连理工大学工程机械研究中心也进行了一定的尝试,采用3DSM ax软件取得了很好的吊装模拟效果,但不能实现场景设备的参数化及交互操作.为此,本文基于开源的面向对象渲染引擎(OGRE)开发了集计算、有限元分析、作业环境和吊装设备参数化、三维模拟于一体的三维吊装虚拟仿真系统,本系统实现了友好的人机交互界面,提高了吊装方案设计的可靠性,缩短了设计周期,并且可以提前排除不可行方案及预防可能出现的吊装事故.

1 系统总体框架

三维吊装仿真系统是一款面向吊装行业的、用于辅助吊装设计人员定制吊装方案并对吊装现场及吊装过程进行三维仿真模拟的系统.本软件集作业环境和吊装设备参数化绘制、吊索具校核计算及有限元分析、起重机选择、起重机建模、吊装仿真模拟于一体,拥有智能的数据库选型,交互式图形渲染,准确地分析计算和快捷输出处理等功能,让用户直观地看到该吊车实施吊装作业的过程以及整个吊装作业过程中的情况,并能够提前排除不可行的吊装方案,通过仿真和比较寻求最佳吊装方案.系统总体框架如图1所示.

图1 三维吊装仿真系统框架Fig.1 Arch itecture of 3D lifting simu lation system

(1)结果输出模块.主要包括方案基本信息、计算书、起重机的占位图和立面图、吊装设备图、各种吊装设备附件图(如平衡梁、索具、吊耳、吊盖等)以及吊装仿真结果(如仿真录像、图片等内容)的输出.该模块为吊装方案的制定提供各类可靠的素材和依据,从而指导吊装作业的实施.方案基本信息和计算书的输出是通过对Office二次开发实现的;起重机的占位图和立面图、吊装设备图是通过对AutoCAD二次开发实现的,输出的CAD图允许用户进行修改;而仿真录像、图片是通过对图形帧缓存的操作实现的.仿真结果的输出为吊装方案的制定提供了依据.

(2)理论计算及有限元分析.主要负责吊装设备附件的设计,包括理论计算和有限元分析两部分.理论计算部分包括平衡梁、索具、吊耳和吊盖等附件的理论设计.有限元分析部分包含细长吊装设备、吊耳和吊盖等附件的有限元分析.系统的理论设计功能取代了目前手工的理论设计,减少了手工计算的错误,节省了校核计算的时间,而系统的有限元分析功能是利用强大的有限元分析软件ANSYS实现的,通过使用ANSYS的参数化编程语言APDL编程,实现细长吊装设备和辅助构件的有限元分析,把细长吊装设备和辅助构件的各个局部受力情况展现给用户,为用户设计或选择辅助构件提供参考依据.

(3)数据库处理.数据库中存储仿真所需数据,其种类繁多、并且数据量很大,数据主要包含起重机外形尺寸、起重机起重性能、起重机部件相对重心参数及辅助构件参数,数据库处理模块是其他模块工作过程中所需数据的提供者.数据库设计是本软件的一项重要内容.采用三层结构实现数据库处理模块,数据库访问层负责直接访问数据库,管理数据库中数据表数据的增加、更新、查询等操作,为数据库应用层提供简单易用的接口.数据库应用层负责实现起重机作业工况的选择和后台数据管理,起重机作业工况的选择是根据用户输入的工况要求及一些限制条件,系统自动地搜索起重机起重性能数据库并生成一组满足工况要求的起重机作业工况.后台数据库管理主要负责管理系统中各种参数.交互系统层负责接收应用程序的交互请求并进行相应的处理以及调用数据库应用层的相关功能.

(4)吊装仿真模块.主要负责起重机模型的显示及各种吊装工况的模拟,包括单台起重机的吊装模拟、1台起重机与溜尾小车协同吊装模拟、主起重机与溜尾起重机对吊装设备翻转竖立的吊装模拟、多台起重机协同吊装模拟等.该模块也分为2层,起重机动作仿真层通过相应的力学和数学计算建立各种吊装工况的仿真数学模型,并调用起重机建模模块的接口显示起重机.

(5)起重机建模.这是起重机的虚拟生产工厂,负责建立各种起重机三维模型,包括履带起重机、桁架臂汽车起重机、箱型臂汽车起重机、门式桅杆起重机等.起重机的种类繁多,不仅尺寸不一样,形状类型也有很大差别,该模块建立各种起重机的部件并将这些部件组装形成相应的起重机整机模型,为吊装仿真模块提供了起重机模型基础.

(6)三维草绘建模.是用于创建吊装行业各种作业环境和吊装设备的专业建模工具,主要负责通过鼠标和键盘交互式创建各种规则的基本几何体(如长方体、圆柱体、圆台体等),并用这些基本几何体组合形成复杂的作业环境或吊装设备,为吊装仿真提供必要的三维的环境模型和被操作对象模型.该模块需要OGREEX模块的支持,该模块本身只负责处理鼠标和键盘事件,使得总体控制程序能从繁杂的输入/输出(I/O)事件处理中解脱出来.它的工作流程是:从总体控制模块中获取相应的事件,对所获取的事件进行处理,并调用OGREEX提供生成和修改几何体的接口,然后通过OGRE渲染器将生成或修改后的图形渲染出来显示在计算机屏幕上.此外,该模块内置一个模板库,包括一些标准的、常用的物体或一些子场景.三维草绘建模可以从模板库中调用这些物体并修改其相应参数形成新的物体.

(7)OGRE模块.OGRE是一个成熟,稳定,可靠,灵活,跨平台,且拥有丰富功能的实时三维图形库.它的目的是让开发者更方便和直接地开发基于三维硬件设备的应用程序或游戏.引擎中的类库对更底层系统库的全部使用细节进行了封装,并提供了基于现实世界对象的接口和其他类.

(8)OGREEX模块.OGRE仅是一个强大的三维渲染引擎,渲染之外仅提供极少的功能,具体的三维应用程序所需的功能需要自己增加.OGREEX模块是对OGRE的一个扩展层,通过扩展OGRE的功能使其更好地支持特殊的应用而不用修改原有的OGRE代码.该层包含碰撞检测及距离计算、物理系统和规则几何体模型.为了更好地支持交互式三维建模和手工参数化创建起重机模型,在该层增加了规则几何体类Geometry,该类从ManualObject类继承,从它又派生出各种具体的几何体类(Box,Cy linder,Sphere,Taper等),这些类代表了相应的规则几何体,这些几何体除了存储网格顶点等相关信息外还存储该几何体的表示(几何大小尺寸参数),以方便用户对几何体的生成与修改.

2 案例

本文所提出的系统已经交付中石化集团使用.本文用一个实际的吊装案例来验证系统的有效性和应用价值.这个案例是福建泉州减压塔安装.吊装现场环境复杂,建筑物、吊装设备、地下管道和钢架结构相互交错;被吊装设备质量为563 t,直径为10 m,高为51.98m;吊装过程需要2台起重机协同吊装,将被吊装设备放置在高17 m,长13m,宽13 m的钢架上.根据这些吊装限制因素,需要制定一个合适的吊装方案,即一个技术上满足要求同时高效的方案.为制定一个合适的吊装方案,需要以下几步:

第一步:根据实际吊装情况,通过三维草绘模块建立吊装设备和作业环境的三维模型图.

第二步:进行吊耳的校核计算.当在建立吊装设备的三维模型时需要输入吊装设备的一些基本信息,比如吊耳位置、吊装设备重量和重心位置等.这里选择管式吊耳类型.接下来就需要进行吊耳的校核计算,校核计算截面图如图2a所示,吊耳的基本信息如下:能力等级为300 t,吊耳材料为16 MnR,双十字加强板,通过计算,求得吊耳的最大受力为71.9 MPa,满足材料许用应力203.1 MPa.如果不满足许用应力要求,需要重新选择和计算,直到满足要求为止.在按下“有限元分析”按钮后,系统启动有限元分析软件ANSYS,自动建立吊耳的三维参数化模型,加载几何和物理约束,计算受力,并显示受力云图,吊耳受力图见图2b.从这些受力云图可以看出,吊耳与吊装设备连接处的压力最大,为176.5 MPa,满足要求.平衡梁与索具的校核计算和吊耳的校核计算相似,所以它们校核计算的细节不再详细描述.

图2 吊耳校核计算和有限元分析Fig.2 Check calcu lation and FEA of prim ary lifting lugs

第三步:进行起重机工况选择.单击“工况选择”菜单,进入“方案选择”界面,首先用户需要根据吊装作业的实际情况,输入基本信息.起升高度为95 m,就位高度,即吊装结束后吊装设备底部离地高度为11 m,工作幅度为20 m,主起重机的起重量为663 t,溜尾起重机的起重量为267 t,如图3所示.为了减少搜索结果项,要求主起重机的起重量富裕率为50%,工作幅度富裕率为20%,臂架与吊装设备之间的最小干涉距离为500 mm,如图4所示.共显示了25种不同起重机臂架组合的主起重机和43种不同臂架组合的溜尾起重机.

本案例中,主起重机选择为DEMAG CC8800,最大起重量为1250 t,臂架长度为96m,工作幅度为22 m,额定起重量为700 t.溜尾起重机的选择的臂架长度为35 m,工作幅度为12 m,额定起重量为345 t.系统可以对方案选择结果中的起重机工况按照起重量、幅度和臂架长度进行排序.

接下来,就要进行吊装仿真.在仿真过程中,首先需要根据吊装设备的位置确定起重机的站位,然后用户通过键盘控制起重机进行移动、回转和起升等操作.另外,提前预定了起重机的操作序列后,系统可以自动地执行仿真动作.全部的吊装过程是在三维视图空间进行的.系统提供了所有视角视图,允许用户从各个角度观察吊装状态.系统还可以实时显示当前吊装状态的相关信息,比如起升高度、工作幅度、当前起重量、负载率、接地比压等.图5为吊装仿真过程的截面图.如果当前的吊装方案不满足要求或者需要制作多个吊装方案进行比较,可以保存当前吊装方案的所有信息,然后选择另外的起重机重新进行仿真.

最后,当仿真结束后,系统可以将吊装方案和校核计算结果保存为.doc格式的文档.另外,系统也可以将起重机和吊装设备的站位图和立面图保存为.dwg格式并输出.也可以截取仿真过程的录像.通过调用AutoCAD生成的起重机的站位图如图6所示.

3 结论

对吊装动作建模仿真的主要目的是让吊装工程师更容易观察、理解方案中的操作和评估每个方案的安全性、可行性.对于吊装工程师而言,仿真模块应该是可信的并且易于理解的.本文对吊装现状进行了简要介绍,并结合现代设计方法和计算机技术开发了一款面向大型吊装的三维仿真系统,该系统集作业环境和吊装设备参数化绘制、吊索具校核计算及有限元分析、起重机选择、起重机建模、吊装仿真模拟于一体.最后以石化的一个实际案例验证系统的有效性并展示其主要特点.

本文着重研究了作业环境及吊装设备的建模、吊索具的校核计算以及吊装的可视化模拟,该系统为进一步研究提供了一个很好的基础.目前,该系统的吊装仿真模块可以模拟单台起重机吊装、主副溜尾起重机吊装,随着研究的不断深入,该系统将包括以下几方面内容:

(1)多台起重机协同吊装仿真.

(2)在复杂吊装环境中自动识别起重机的最佳站位.

(3)为移动式起重机自动生成优化的吊装路径.

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