在信息化技术不断成熟的当下，造船技术也衍生出一种数字化的虚拟制造技术。借助虚拟设计，可以在三维模型中对大型设备进行简化，降低设计难度。而作为虚拟设计、制造技术关键内容，虚拟装配对船舶行业在数字化发展的积极探索，对于未来船舶行业科技革新具有重要意义。
1.虚拟设计概念
利用多种学科共同构建综合系统技术的虚拟设计，是以计算机仿真基础为基础技术，在设计阶段实时模拟产品生态全过程，并对性能、可制造性等多种问题进行预测，提高产品设计质量与成功率，降低产品总开发成本，实现设计质量最优化，并对提高生产效率具有明显意义。设计者可以利用适当交互手段，在虚拟环境修改参数化模型。但是虚拟设计是在三维空间设计理念出发，并不受限于二维设计，从而完整构建产品全面貌。目前虚拟设计应用最广泛为Solid Works软件。其内置功能强大，适用于多种设计方案，并且可以免费使用，受到包括船舶轴舵系在内的设计人员喜爱。
2.船舶轴舵系安装流程
船舶轴舵系安装效率会影响船舶使用周期。而在我国轴系传统安装作业中，要确定中线基准点、中心线等，安装镗人字架、尾轴、螺旋桨等，连接轴系，最后进行轴系试车，完成交接验收工作[1]。但是在实际安装中，因为尾轴管位于尾封板里面，起吊受限，但是各个组成部分尺寸较大，也具有一定重量，需要借助起吊设备才能完成。尤其是目前我国缺少针对艉部专业安装设备，只能依靠艉部钢板预先焊制若干吊码，并使用手拉葫芦固定轴系，凭借经验丰富工作人员对手拉葫芦受力点调整，才能实现轴系移动，完成安装工作。这种基于人工经验作业的安装流程，不仅无法保证安装精度、质量，也会带来许多安装隐患。而利用Solid Words软件，通过模拟仿真技术分析轴系、舵系安装工序，实现船舶轴舵系安装作业革新。而舵系安装作业同样需要对舵杆套筒、舵销承座进行定位装焊，再进行舵杆、舵销等模块安装工作，最后进行检验。舵系安装精度、效率等直接影响对于船舶设计。利用Solid Words软件，则将船舶设计提前，强化安装精度，提高安装效率。
3.船舶轴舵系虚拟装配设计
3.1 虚拟建模技术
使用Solid Words软件，设计船舶轴舵系安装设备，可以强化在设计、生产、安装流程作业中，各个部门、环节对于设计要求的精准掌握。其设计基本流程为：选择合适基准面，对于零部件草图进行绘制。并利用Solid Words软件内部自带命令，对零部件进一步优化，反映基础特征内容。并将其他特征内容进行添加，从而完成零部件设计工作。若想在Solid Words软件完整描绘零部件，需要在设计前对零部件基础特征全面分析，总结相关数据内容。并在设计时使用实体转换命令，减少设计误差。设计完成后，也要将零部件以简易命名，保存至统一目录下，方便后续使用时及时调动。而且，对于零部件建模，也要保证虚拟模型与零部件关系进行完整定义，并保存生成的图片、视频。为保障数据信息安全性，还要将设计内容进行导出，降低因电脑、网络带来带数据信息遗失问题。
3.2 干涉检查
作为设计零部件重要工作，干涉设计如果只凭借熟练工人经验，判断是否零部件之间存在干涉，难度较大，准确率较低[2]。在Solid Words软件设计零部件过程中，可以在设计时对零部件进行干涉检查，及时解决问题。完成零部件设计、组装工作后，利用Solid Words软件自带干涉检查模块进行检查，将干涉检查对零部件带来影响损失降到最低。并对零部件间隙进行实时监测，协助设计人员寻找最小干涉值，将问题在设计解决。而干涉可以分为五种情况，不同对象之间大于间隙区域的不干涉；不同对象相互接触但是不干涉的接触干涉，并由系统给出表示接触干涉独立点；不同对象相较且具有共同部分，系统建立干涉实体；间隙区域大于不同对象的最小距离，但是相互不接触，系统建立表示最小距离一条线；系统建立表示被包容干涉实体的包容干涉。不同干涉对于零部件影响不同，需要严格检查。
3.3 装配约束
零部件之间相互自由度受到相互约束、位置关系影响。针对这个问题，可以利用Solid Words软件，将多个装配模型插入软件中，并对装配模型之间关系进行定义。通过研究同轴心、平行、接触、距离等四种零部件相互约束关系，确定由零部件构成的组件是否正确设计，并对装配设计工作进行简化。如果在零部件设计阶段就对零部件相互之间关系进行定义，可以稳定构成零部件的点线面，在后续分析工作中不会受到过多干扰影响。在设计中途进行定义，虽然也会得到相同结果，但是会增加设计人员工作量，提高工作难度。在对配装零部件进行约束时，要尽可能以船舶轴舵系实际情况为主，参照实物对模型进行设计，尽可能减少自由发挥带来不符合实际情况问题，从而保障设计具有参考价值与意义。
4.船舶轴舵系虚拟装配工艺
4.1 核心思想
在对船舶轴舵系虚拟装配工艺中，其核心思想是利用虚拟技术构建模型，与现实内容进行对比，借助沉浸式想象，模拟与实际装配作业类似的装配作业环境。由设计人员根据实际作业经验，在虚拟作业环境中，确定装配步骤、方法，可以实现各部件透明装配[3]。在轴舵系安装设备中，主要工作内容是借助科学方法表达安装过程，并对零部件运动产生变化时进行全方位模拟。使用图像、动画等手段，增强零部件检查质量，更加直观认识零部件设计工作。利用干涉检查与动态调整两个方法，保障装配工作质量。但是在虚拟装配工艺时，从最佳状态对装配工作进行考虑，即无其他干扰因素，无产品加工瑕疵。所以在对虚拟装配工艺落实实践作业时，要进行适度调整，避免对正常装配工艺造成影响。
4.2 舵叶
针对舵叶安装工作，可以利用Solid Words软件设计可以放置舵叶平台，针对平台结构、功能模块构建三维模型。并使用Motion插件模拟舵叶在移动时的安装过程，实现在调整三维模型水平、横纵、横向转角等各个方向对于舵叶安装调整动态仿真全过程。以矩形、弧等基础图形在基准面进行草图绘制，并将操作旋转，构成三维立体视图。在三维立体视图上视基准面再次绘制草图，利用新基准面对草图绘制，并使用实体引用，构成简单实体内容。在实体上绘制基础图形，放样再进行约束，约束结束后，保持约束与轮廓呈现垂直状态。拉伸部分内容，对圆周进行阵列。重复使用图形绘制、放样、约束与圆周阵列，最后对圆角进行调整，完成舵叶模型构建。可以对舵叶装配工艺方案可行性进行初步验证，从而保障舵叶精确安装。将舵叶安装到舵桨主平台位置，并将主平台驱动进行安装，并固定舵叶。将舵叶运送至预安装位置，对舵叶高度、水平位置调整，找好适当角度，最后完成舵叶安装工作。而舵叶安装设备、机构的虚拟装配可以用图1进行模拟。由平台支撑舵叶，沿轨道传送至规定安装位置。因为只对安装设备、机构进行装配，不涉及到船舶轴舵系全过程安装，所以仅设计部分轨道。
图1 舵叶安装设备、机构虚拟装配
4.3 尾轴与桨轴
与舵叶设计拥有同样工序，使用Solid Words软件设计尾轴与桨轴安装主平台，构建三维模型，利用Motion插件对安装运动进行模拟仿真，优化虚拟安装全过程。尾轴与桨轴的模型构建与舵叶模型构建类似，不做赘述。在桨轴与尾轴安装时，首先将其送至一级导轨进行安装，并进行横向、纵向调整，再将其安装至一级、二级导轨，并对倾斜角调整，最后完成安装作业[4]。在对轴系安装过程中，必须严格落实尾轴与桨轴在运送导轨运动时拥有稳定支承，而且在移动过程中始终拥有两个液压顶升支承，保障稳定运送，实时调整水平、横纵向，以及倾斜角。如果尾轴与桨轴安装作业进行到含有倾角位置，则需要在调整时对锁紧轴套进行安装，避免因为尾轴与桨轴自身重量影响，产生向下滑动摩擦力，引起轴承出现相对移动现象，影响安装后正常使用。在调整过程中还要保障尾轴与桨轴处于水平位置，即与参照物倾角为0°，避免在倾角在调整过程中出现倾覆、滑动问题，尾轴与桨轴安装到位后，安装作业结束。在安装作业中，要注意尾轴与桨轴不能与轴承座孔发生任何碰撞，避免出现干涉，保障安装作业质量。尾轴与桨轴安装设备、机构虚拟安装可以用图2表示。与舵叶安装设备、机构虚拟装配类似，仅选择部分轨道。
图2 尾轴与桨轴安装设备、机构虚拟安装
4.4 装配要点
设计舵桨安装设备时，要以符合轴舵系安装工艺要求为主，并使用Solid Words软件中Simulation插件，将设计内容进行仿真一体化，并对在外加荷载作用影响下，通过有限元对舵桨重要零部件进行分析，并借助数学近似法模拟建立在实物物理系统模拟，从有限数量未知内容靠近无限未知现实系统，并利用仿真分析结果对重要零部件进一步优化设计。将分析数据、计算公式、结论等各种内容记录，并妥善保管，方便在对虚拟模型设计进行调整时，减少工作量，提高作业精准度。
5.结论
借助Solid Words软件，可以实现船舶轴舵系安装设备的虚拟设计与装配工艺，提高装配效率与设计质量。但是设计人员不应盲目借助虚拟设计，而忽略真实装配作业。所以，虚拟设计仍需要以船舶轴舵系实际装配情况为主，让设计更具有指导意义，提高设计人员专业素质，从而影响船舶设计行业综合水平缓慢提升。
参考文献
[1]吴婷, 魏旭. CBR方法在船舶分段装配工艺设计的应用[J]. 舰船科学技术, 2020, 42(02):224-226.
[2]李妍. 基于深度强化学习的虚拟装配路径规划方法研究[D]. 华北电力大学, 2019.
[3]杜宝江, 王鸣. 虚拟装配过程仿真技术研究[J]. 中国水运(下半月), 2019, 19(01):123-125.
[4]贾春洋, 邹湘军, 李锦慧,等. 虚拟环境下的复杂变速箱交互式装配仿真平台[J]. 系统仿真学报, 2020(9):45.
