一種仿真船舶管路布局環(huán)境建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種建模方法。特別是涉及一種基于設(shè)備操作性、維護(hù)性的仿真船舶管路布局環(huán)境建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展深刻影響到船舶及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計及制造。作為船舶詳細(xì)階段的核心工作，管路的布局設(shè)計是指在有限的布局空間中，滿足多種約束條件如:安全性、經(jīng)濟(jì)性、操作性和維護(hù)性等的前提下，設(shè)計出一種綜合最優(yōu)的的布局解決方案。當(dāng)前船舶管路設(shè)計與建造技術(shù)的重點(diǎn)在于:研宄、開發(fā)并運(yùn)用現(xiàn)代船舶CAD\CAE技術(shù)，同時結(jié)合人工智能領(lǐng)域的研宄成果，在對船舶領(lǐng)域現(xiàn)有的專家知識進(jìn)行收集、匯總、分析、總結(jié)和歸納的基礎(chǔ)上，開發(fā)使用于船舶行業(yè)的專家系統(tǒng)或其他智能設(shè)計工具。
[0003]系統(tǒng)的開發(fā)或智能工具的設(shè)計過程都需要解決布局環(huán)境建模的問題。但船舶的艙室的包含著大量的約束或限制，有某個獨(dú)立設(shè)備包含的如遠(yuǎn)離熱源等的特定約束，也有多個設(shè)備之間的相對關(guān)系約束；同時，管路布局過程中除了純粹的幾何方面的約束如:躲避設(shè)備模型所占據(jù)空間外，還需滿足預(yù)留操作維護(hù)空間、經(jīng)濟(jì)性等非單純幾何因素。為處理非幾何因素或具有擴(kuò)展功能幾何特性方面的因素，需要對布局環(huán)境的建模方法進(jìn)行研宄，將此類約束轉(zhuǎn)化成易于被常用CAD處理軟件系統(tǒng)處理的純幾何約束。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠?qū)U(kuò)充后的設(shè)備模型進(jìn)行簡化的仿真船舶管路布局環(huán)境建模方法。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種仿真船舶管路布局環(huán)境建模方法，包括以下步驟:
[0006]I)根據(jù)布局空間每一個船舶設(shè)備模型的特點(diǎn)，分別建立三維實(shí)體模型，并依據(jù)船舶設(shè)備工作過程，確定船舶設(shè)備維護(hù)性和操作性空間的特點(diǎn)，收集經(jīng)驗知識，完成數(shù)據(jù)儲備;
[0007]2)基于每一個船舶設(shè)備維護(hù)性和操作性分別構(gòu)建設(shè)備的虛擬空間，并以所述的虛擬空間為依據(jù)對所述的三維實(shí)體模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，分別得到每一個船舶設(shè)備的新的設(shè)備豐旲型；
[0008]3)對每一個新的設(shè)備模型進(jìn)行簡化，得到每一個原始設(shè)備的簡化模型；
[0009]4)基于原始設(shè)備的簡化模型的布局空間，構(gòu)建空間的數(shù)學(xué)模型，對布局空間進(jìn)行表達(dá)；
[0010]5)基于每一個原始設(shè)備的簡化模型，依據(jù)每一個原始設(shè)備的簡化模型實(shí)際的裝配位置關(guān)系進(jìn)行放置，構(gòu)建出布局空間的仿真模型。
[0011]步驟2)所述的基于船舶設(shè)備維護(hù)性和操作性構(gòu)建設(shè)備的虛擬空間包括線性運(yùn)動虛擬空間和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動虛擬空間:
[0012](I)對于線性運(yùn)動虛擬空間，具體的幾何尺寸計算方法如下:利用軸平行包圍盒簡化三維實(shí)體模型中線性運(yùn)動部件并建立所述線性運(yùn)動部件的簡化模型，或利用軸平行包圍盒簡化維修工具，并建立所述維修工具的簡化模型，取線性運(yùn)動部件或維修工具在與線性運(yùn)動方向相垂直的平面上的投影輪廓為掃描體，以所述投影輪廓沿線性運(yùn)動方向掃描，得到線性運(yùn)動虛擬空間，即，掃描體的初始位置外輪廓、直線掃描路徑輪廓和終止位置外輪廓就構(gòu)成了線性運(yùn)動的虛擬空間，利用Ql，Q2，Q3分別對應(yīng)表示線性運(yùn)動虛擬空間初始位置外輪廓、直線掃描路徑輪廓和終止位置外輪廓，則最終形成的虛擬空間SV1表示為:
[0013]SV1= Q1U Q2U Q3;
[0014](2)對于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動虛擬空間，具體的幾何尺寸計算方法如下:首先，利用軸平行包圍盒簡化三維實(shí)體模型中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部件并建立所述旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部件的簡化模型，或利用軸平行包圍盒簡化維修工具，并建立所述維修工具的簡化模型，取旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部件或維修工具在與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方向相垂直的平面上的投影輪廓為掃描體，并利用平行于所述掃描體上下表面、并且穿過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部件旋轉(zhuǎn)軸的平面將包圍盒劃分為兩個部分partl，part2 ;旋轉(zhuǎn)運(yùn)動虛擬空間的構(gòu)建方法:以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部件的旋轉(zhuǎn)軸和上表面中平行于旋轉(zhuǎn)軸并且靠近起始位置的邊線構(gòu)造平面，將所述平面與partl或part2的相交輪廓作為掃描輪廓；以所述掃描輪廓沿著掃描曲線進(jìn)行掃描，得到掃描空間，標(biāo)記為Q6,同時將部件模型中掃描輪廓左邊的區(qū)域標(biāo)記為Q4，右邊的區(qū)域標(biāo)記為Q5;則partl或part2的虛擬空間被表示為:
[0015]SV1= Q4U Q5U Q60
[0016]步驟2)所述的新的設(shè)備模型是:在步驟I)所建立的三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)之上，結(jié)合得出的線性運(yùn)動虛擬空間和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動虛擬空間，利用布爾加運(yùn)算對設(shè)備模型進(jìn)行擴(kuò)充，得到新的設(shè)備模型。
[0017]步驟3)所述的對新的設(shè)備模型進(jìn)行簡化是，依據(jù)新的設(shè)備模型的幾何特征，將新的設(shè)備模型分解為若干個獨(dú)立的模型，然后利用軸平行包圍盒的方法對各個獨(dú)立的模型進(jìn)行簡化，再將簡化后的模型重新組合，構(gòu)成新的簡化模型即為原始設(shè)備的簡化模型。
[0018]步驟4)所述的構(gòu)建空間的數(shù)學(xué)模型包括:
[0019](I)空間離散化:利用軸平行包圍盒對整個布局空間進(jìn)行包絡(luò)，并將整個布局空間分解為mXnXl個均等的網(wǎng)格細(xì)胞；選定包圍盒任一頂點(diǎn)作為坐標(biāo)源點(diǎn)，并設(shè)定坐標(biāo)源點(diǎn)的坐標(biāo)值為(1，1，I)，則其他各個網(wǎng)格細(xì)胞的坐標(biāo)由所述的各個網(wǎng)格細(xì)胞與源點(diǎn)網(wǎng)格的相對位置關(guān)系決定；同時，各個網(wǎng)格細(xì)胞也被賦予了一個默認(rèn)的標(biāo)定值0，代表了布局環(huán)境中的可行布局空間，工作空間中的船體外側(cè)空間、船體結(jié)構(gòu)、設(shè)備及已生成的管路都是管路布局過程中的障礙，所述障礙占據(jù)的網(wǎng)格被賦予一個標(biāo)定值#，代表工作環(huán)境中的不可行空間；鑒于網(wǎng)格劃分的精度和各障礙在工作空間中的位置差異性，每個網(wǎng)格細(xì)胞存在三種狀態(tài):空、完全被占據(jù)和部分被占據(jù)；將部分被占據(jù)的網(wǎng)格細(xì)胞視為完全占據(jù)，賦予被占據(jù)的網(wǎng)格細(xì)胞標(biāo)定值# ;
[0020](2)能量值分布:根據(jù)網(wǎng)格所包絡(luò)空間的布局環(huán)境，各個網(wǎng)格也被賦予了特定的能量值，以表示管路通過各個網(wǎng)格區(qū)域的難易程度，能量值越低表示管路通過所述各個網(wǎng)格區(qū)域越容易，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮；具體的能量值賦值方法如下:對布局空間中不可行空間中網(wǎng)格的能量值設(shè)定為⑴，對于可行空間中的能量值設(shè)定為默認(rèn)值E ;根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗，在管路布局過程中應(yīng)當(dāng)使得管路靠近船體壁、遠(yuǎn)離熱源設(shè)備并考慮管路支架的共用性，因此，對于船體壁和已生成管路附近的網(wǎng)格賦予小于默認(rèn)值E的能量值Ei,并按距離的增加依次增大到默認(rèn)的能量值E ;而對于熱源設(shè)備，則需要對熱源設(shè)備周圍的網(wǎng)格賦予大于默認(rèn)值E的能量值Ej，并按距離的增加依次減小到默認(rèn)的能量值E ;至此，完成布局空間的數(shù)學(xué)表達(dá)。
[0021]本發(fā)明的一種仿真船舶管路布局環(huán)境建模方法，根據(jù)具體設(shè)備使用過程中維護(hù)和操作工作的特點(diǎn)，計算維護(hù)性和操作性空間，對原有設(shè)備三維模型進(jìn)行擴(kuò)充，然后利用“分離-簡化-再組合”策略對擴(kuò)充后的設(shè)備模型進(jìn)行簡化，得到管路布局環(huán)境的仿真模型。本發(fā)明基于操作性和維護(hù)性，在簡化布局環(huán)境的同時也保證了布局環(huán)境仿真的精確性和合理性，為管路布局奠定了良好的基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0022]圖1是仿真布局環(huán)境建模方法流程圖；
[0023]圖2是線性運(yùn)動虛擬空間構(gòu)建過程示例的效果圖；
[0024]圖3是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動虛擬空間構(gòu)建過程示例的效果圖；
[0025]圖4是設(shè)備模型簡化過程示例的效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合實(shí)施過程和附圖對本發(fā)明的一種仿真船舶管路布局環(huán)境建模方法做出詳細(xì)說明。
[0027]本發(fā)明的一種仿真船舶管路布局環(huán)境建模方法，如圖1所示，包括以下步驟:
[0028]I)根據(jù)布局空間每一個船舶設(shè)備模型的特點(diǎn)，利用三維設(shè)計軟件如SolidWorks等分別建立三維實(shí)體模型，并依據(jù)船舶設(shè)備實(shí)際運(yùn)行期間的工作過程，確定船舶設(shè)備維護(hù)性和操作性空間的特點(diǎn)，收集經(jīng)驗知識，完成數(shù)據(jù)儲備；
[0029]2)在船舶的正常運(yùn)行過程中，船員需要對船舶設(shè)備進(jìn)行操作和維護(hù)，因此，需要預(yù)留出足夠的工作空間，即虛擬空間。虛擬空間是典型的掃描型空間，取決于兩個主要的因素:掃描體的幾何模型性質(zhì)和掃描的軌跡。