船舶液壓組合錨機(jī)自動(dòng)化校核與診斷軟件的研制

船舶液壓組合錨機(jī)自動(dòng)化校核與診斷軟件的研制

錨機(jī)安裝在船舶頭部的主甲板上，用于船舶的早期和后部的錨流。根據(jù)驅(qū)動(dòng)形式分為手動(dòng)式、電動(dòng)式和液壓式。其中，液壓式錨機(jī)體積小，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，輸出動(dòng)力大，工作平衡、操作方便、用途廣泛等。當(dāng)系泊絞車和錨機(jī)為整體式時(shí),系泊絞車被認(rèn)為是錨機(jī)的一部分,此時(shí)稱為起錨與系泊一體組合機(jī),簡稱組合錨機(jī),又叫錨絞車,是常見的一種錨機(jī)形式,其中液壓式組合錨機(jī)應(yīng)用最為廣泛。本文主要討論液壓組合錨機(jī)(以下簡稱“設(shè)備”)的自動(dòng)校核及診斷。液壓組合錨機(jī)的校核是非常復(fù)雜而且關(guān)鍵的一項(xiàng)工作,它包括的模塊及零件較多,在校核過程中會(huì)遇到大量的計(jì)算、零件選擇等,如果進(jìn)行手工計(jì)算,要進(jìn)行大量重復(fù)性的工作,耗時(shí)長、效率低、容易出錯(cuò)。而且由于簡化、數(shù)字舍入等,其結(jié)果誤差也比較大。如果用ANSYS等有限元軟件進(jìn)行計(jì)算,由于建模和計(jì)算過程繁瑣,同樣需要消耗大量時(shí)間和精力。在設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中,中間方案中難免會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題,如零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足要求、強(qiáng)度冗余浪費(fèi)、零件間的干涉等問題,需要對(duì)每一個(gè)零件的所有參數(shù)進(jìn)行排查,再進(jìn)行人工決策,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且難以兼顧方便、美觀、實(shí)用等方面,增加了設(shè)計(jì)難度和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,零件的設(shè)計(jì)和計(jì)算由手工轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)完成,不但提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量,減少設(shè)計(jì)工作量,同時(shí)為高速、多變、中小批量的設(shè)計(jì)提供了保障手段。而計(jì)算機(jī)技術(shù)在船舶甲板設(shè)備方面的研究相對(duì)滯后,在大量設(shè)計(jì)的實(shí)踐中,還沒有專門針對(duì)錨機(jī)校核或診斷的成形軟件。因此,對(duì)船舶液壓組合錨機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化校核及診斷優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究,是一項(xiàng)十分有意義的工作。因此,用C++語言開發(fā)了此款基于設(shè)備零件數(shù)據(jù)庫的船舶液壓組合錨機(jī)自動(dòng)化校核及診斷系統(tǒng)。1本研究1.1常用的組合錨機(jī)計(jì)算對(duì)設(shè)備進(jìn)行校核時(shí),不僅要使設(shè)備及其零部件滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)性等要求,還要遵守相應(yīng)的船舶規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn),滿足對(duì)規(guī)定外界環(huán)境(如甲板上浪等)的要求,并且應(yīng)綜合考慮多種工況進(jìn)行計(jì)算,主要包括正常起錨工況、應(yīng)急起錨工況、拋錨工況、錨鏈輪支持工況、卷筒工作工況和卷筒支持工況等。據(jù)此對(duì)設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)和零部件進(jìn)行計(jì)算,其校核計(jì)算內(nèi)容如圖1所示。技術(shù)參數(shù)計(jì)算是為滿足液壓組合錨機(jī)的基礎(chǔ)性能指標(biāo)和規(guī)范要求,在不同工況下設(shè)備負(fù)載、效率、速度等的計(jì)算和傳遞到各個(gè)零件上的設(shè)計(jì)作用力分析。液壓系統(tǒng)計(jì)算驗(yàn)證液壓元件性能是否滿足設(shè)備要求。主要零件校核針對(duì)零件各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,并按照用戶輸入的參數(shù)參照規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。每個(gè)零件一般包括多個(gè)校核項(xiàng),每項(xiàng)的計(jì)算參照錨機(jī)廠商的設(shè)備校核過程,并按照廠商提交船級(jí)社的規(guī)定格式整理成校核報(bào)告。1.2零件校核和診斷方案在液壓組合錨機(jī)的初始設(shè)計(jì)階段,在成熟的方案形成之前,難免會(huì)出現(xiàn)各種問題。比如結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足或冗余、選擇材料不合適、零件之間的不匹配等,如果使用傳統(tǒng)方法,就需要設(shè)計(jì)人員人工對(duì)設(shè)備零部件進(jìn)行逐個(gè)排查,找出問題并一一決策,螺旋式改進(jìn),逐步優(yōu)化,最后得到成熟的方案。由于有很大局限性,需要依靠豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和縝密的排查方案,費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且容易出現(xiàn)遺漏、診斷錯(cuò)誤等諸多問題,設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)難度很大,很難設(shè)計(jì)出既安全實(shí)用又方便美觀,而且節(jié)約成本的設(shè)備方案。為了解決這些問題,在本系統(tǒng)中首先根據(jù)輸入的零件數(shù)據(jù)進(jìn)行快速校核,然后由用戶配置各零件安全系數(shù)范圍等參數(shù),系統(tǒng)根據(jù)校核結(jié)果和配置的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,再根據(jù)各零件之間的位置、配合關(guān)系等進(jìn)行自動(dòng)判斷,計(jì)算其安全性和合理性,并給出建議。在軟件系統(tǒng)界面上可以完成一鍵操作得到診斷建議,并可以輸出為診斷文檔,以幫助設(shè)計(jì)者在初始設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)方案改進(jìn)和完善,減小了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),增加設(shè)計(jì)效率,提高設(shè)計(jì)精度,使設(shè)計(jì)變得更加高效專業(yè)。以制動(dòng)裝置為例,對(duì)液壓組合錨機(jī)及其每個(gè)零部件的診斷原理如圖2所示。各零件內(nèi)部及零件之間的問題原因和診斷建議由ACCESS數(shù)據(jù)庫管理,原因和建議內(nèi)容由小組討論或?qū)＜医o出,并在系統(tǒng)使用過程中逐步完善。2軟件設(shè)計(jì)2.1液壓組合錨機(jī)軟件設(shè)計(jì)為了能夠方便、準(zhǔn)確、快速地完成液壓組合錨機(jī)設(shè)備的自動(dòng)校核及診斷,開發(fā)過程中與錨機(jī)廠商多次溝通,不斷完善,形成了較好的校核方案?？紤]到軟件的可實(shí)現(xiàn)性和易維護(hù)性,該系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮乃枷牒图夹g(shù),使用VisualC++.net進(jìn)行設(shè)計(jì),采用MFC圖形界面,針對(duì)每項(xiàng)計(jì)算的數(shù)據(jù)特點(diǎn),設(shè)計(jì)出合適的交互方式,做到人性化、易操作。該軟件的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。軟件用戶主界面如圖4所示,通過左側(cè)操作樹視圖可以完成對(duì)設(shè)備的所有操作,如預(yù)覽結(jié)果、一鍵生成報(bào)告、一鍵診斷等。為了能在校核過程中非常方便、人性化地查看校核中間過程及校核結(jié)果,該系統(tǒng)可以自動(dòng)生成規(guī)定格式的PDF報(bào)告,并使用ActiveX技術(shù)把中間報(bào)告嵌入界面中,方便用戶查看,在嵌入窗口中操作方式與AdobeReader完全相同。生成的設(shè)備校核總報(bào)告包括完整的校核原理、過程和校核結(jié)果,滿足船級(jí)社的格式要求,可以直接作為錨機(jī)設(shè)備廠商的產(chǎn)品交付文檔。圖5是設(shè)備基本數(shù)據(jù)交互向?qū)А榱丝梢蚤L期有效地管理液壓組合錨機(jī)設(shè)備及其零件信息數(shù)據(jù),把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中,使用MicrosoftAccess對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫和管理。該自動(dòng)化校核及診斷系統(tǒng)需要建立設(shè)備庫,錄入設(shè)備及零件數(shù)據(jù),以便在校核時(shí)方便快速地調(diào)用。設(shè)備庫可以通過軟件交互式向?qū)Ы?也可以在ACCESS中批量導(dǎo)入,設(shè)備庫零件數(shù)據(jù)可以在使用過程中隨時(shí)添加或修改。2.2控制和求解ansys模型的apdl宏命令1)ANSYS接口軟件提供了零件模型與ANSYS交互的接口,可以從ANSYS中讀取零件強(qiáng)度分析結(jié)果。通過控制和求解ANSYS模型的APDL宏命令,通過APDL命令可以把計(jì)算得的結(jié)果寫入文本文件,本軟件再從文本文件中讀取求解的結(jié)果。2)設(shè)備的可靠性分析接口用定性的方法,按照故障樹法進(jìn)行割集分析,估算設(shè)備的可靠性,并可以定性分析其零件的相對(duì)重要程度,即哪個(gè)零件發(fā)生故障給液壓組合錨機(jī)設(shè)備的可靠性影響最大。3錨鏈輪制動(dòng)鋼絞纜系纜校核方案以設(shè)計(jì)中的YMBZ/Y70S-3-45液壓組合錨機(jī)為例,使用本系統(tǒng)進(jìn)行校核診斷,基本參數(shù)為:1)錨鏈輪工作下:工作負(fù)載232.75kN,過載拉力349.125kN,支持負(fù)載1660kN,傳動(dòng)效率0.77,起錨速度不小于9m/min,拋錨深度82.5m。2)卷筒工作下:工作負(fù)載150kN,支持負(fù)載450kN,系纜速度不小于15m/min,容繩量200m,絞纜負(fù)載100kN,絞纜速度不小于6m/min。輸入基本參數(shù)和零件詳細(xì)參數(shù)(詳細(xì)參數(shù)過多,不再一一列出)進(jìn)行計(jì)算,診斷結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出,錨鏈輪制動(dòng)鋼帶等零件強(qiáng)度不夠,錨鏈輪松邊銷軸等零件強(qiáng)度存在冗余,設(shè)備零件間無干涉情況。此方案需要改進(jìn),設(shè)計(jì)者需要根據(jù)診斷的結(jié)果和建議,逐個(gè)對(duì)有問題的零件參數(shù)進(jìn)行改進(jìn),得到一個(gè)新的方案,對(duì)新的方案再進(jìn)行一鍵診斷和一鍵校核,得到新的診斷建議。這樣反復(fù)修改幾次,就得到一個(gè)較好的方案。輸出PDF格式報(bào)告包括所有校核的詳細(xì)過程,共26頁,其前四頁如圖6所示。報(bào)告包括封面目錄、完整的校核原理、校核過程及校核結(jié)果。報(bào)告顯示校核結(jié)果準(zhǔn)確,格式規(guī)范,可以滿足錨機(jī)廠商的使用要求,大大地減少了工作量,提高了工作效率。4液壓組合錨機(jī)的校核設(shè)計(jì)針對(duì)液壓組合錨機(jī)設(shè)計(jì)及校核過程復(fù)雜、耗時(shí)長、效率低、易出錯(cuò)等問題,用VisualC++開發(fā)了自動(dòng)校核軟件。軟件通過人機(jī)交互,自動(dòng)完成液壓組合錨機(jī)的校核計(jì)算,得到滿足船級(jí)社要求的校核報(bào)告,并根據(jù)校核結(jié)果進(jìn)行診斷,列出出