船舶液壓組合錨機自動化校核與診斷軟件的研制

船舶液壓組合錨機自動化校核與診斷軟件的研制

錨機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)動形式分為手動式、電動式和液壓式。其中，液壓式錨機體積小，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，輸出動力大，工作平衡、操作方便、用途廣泛等。當系泊絞車和錨機為整體式時,系泊絞車被認為是錨機的一部分,此時稱為起錨與系泊一體組合機,簡稱組合錨機,又叫錨絞車,是常見的一種錨機形式,其中液壓式組合錨機應(yīng)用最為廣泛。本文主要討論液壓組合錨機(以下簡稱“設(shè)備”)的自動校核及診斷。液壓組合錨機的校核是非常復(fù)雜而且關(guān)鍵的一項工作,它包括的模塊及零件較多,在校核過程中會遇到大量的計算、零件選擇等,如果進行手工計算,要進行大量重復(fù)性的工作,耗時長、效率低、容易出錯。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等有限元軟件進行計算,由于建模和計算過程繁瑣,同樣需要消耗大量時間和精力。在設(shè)備的設(shè)計過程中,中間方案中難免會出現(xiàn)各種各樣的問題,如零件結(jié)構(gòu)強度不滿足要求、強度冗余浪費、零件間的干涉等問題,需要對每一個零件的所有參數(shù)進行排查,再進行人工決策,費時費力,而且難以兼顧方便、美觀、實用等方面,增加了設(shè)計難度和設(shè)計風(fēng)險。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展,零件的設(shè)計和計算由手工轉(zhuǎn)向計算機程序自動完成,不但提高了設(shè)計質(zhì)量,減少設(shè)計工作量,同時為高速、多變、中小批量的設(shè)計提供了保障手段。而計算機技術(shù)在船舶甲板設(shè)備方面的研究相對滯后,在大量設(shè)計的實踐中,還沒有專門針對錨機校核或診斷的成形軟件。因此,對船舶液壓組合錨機進行自動化校核及診斷優(yōu)化設(shè)計的研究,是一項十分有意義的工作。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自動化校核及診斷系統(tǒng)。1本研究1.1常用的組合錨機計算對設(shè)備進行校核時,不僅要使設(shè)備及其零部件滿足強度、剛度和穩(wěn)性等要求,還要遵守相應(yīng)的船舶規(guī)范及標準,滿足對規(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行計算,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)此對設(shè)備的各項參數(shù)和零部件進行計算,其校核計算內(nèi)容如圖1所示。技術(shù)參數(shù)計算是為滿足液壓組合錨機的基礎(chǔ)性能指標和規(guī)范要求,在不同工況下設(shè)備負載、效率、速度等的計算和傳遞到各個零件上的設(shè)計作用力分析。液壓系統(tǒng)計算驗證液壓元件性能是否滿足設(shè)備要求。主要零件校核針對零件各自的結(jié)構(gòu)特點進行結(jié)構(gòu)分析,并按照用戶輸入的參數(shù)參照規(guī)范進行結(jié)構(gòu)計算。每個零件一般包括多個校核項,每項的計算參照錨機廠商的設(shè)備校核過程,并按照廠商提交船級社的規(guī)定格式整理成校核報告。1.2零件校核和診斷方案在液壓組合錨機的初始設(shè)計階段,在成熟的方案形成之前,難免會出現(xiàn)各種問題。比如結(jié)構(gòu)強度不足或冗余、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)計人員人工對設(shè)備零部件進行逐個排查,找出問題并一一決策,螺旋式改進,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)計經(jīng)驗和縝密的排查方案,費時費力而且容易出現(xiàn)遺漏、診斷錯誤等諸多問題,設(shè)計風(fēng)險和設(shè)計難度很大,很難設(shè)計出既安全實用又方便美觀,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)進行計算,再根據(jù)各零件之間的位置、配合關(guān)系等進行自動判斷,計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)計者在初始設(shè)計時對方案改進和完善,減小了設(shè)計風(fēng)險,增加設(shè)計效率,提高設(shè)計精度,使設(shè)計變得更加高效專業(yè)。以制動裝置為例,對液壓組合錨機及其每個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2.1液壓組合錨機軟件設(shè)計為了能夠方便、準確、快速地完成液壓組合錨機設(shè)備的自動校核及診斷,開發(fā)過程中與錨機廠商多次溝通,不斷完善,形成了較好的校核方案?？紤]到軟件的可實現(xiàn)性和易維護性,該系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮乃枷牒图夹g(shù),使用VisualC++.net進行設(shè)計,采用MFC圖形界面,針對每項計算的數(shù)據(jù)特點,設(shè)計出合適的交互方式,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設(shè)備的所有操作,如預(yù)覽結(jié)果、一鍵生成報告、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)可以自動生成規(guī)定格式的PDF報告,并使用ActiveX技術(shù)把中間報告嵌入界面中,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)備校核總報告包括完整的校核原理、過程和校核結(jié)果,滿足船級社的格式要求,可以直接作為錨機設(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設(shè)備及其零件信息數(shù)據(jù),把數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中,使用MicrosoftAccess對數(shù)據(jù)進行讀寫和管理。該自動化校核及診斷系統(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重要程度,即哪個零件發(fā)生故障給液壓組合錨機設(shè)備的可靠性影響最大。3錨鏈輪制動鋼絞纜系纜校核方案以設(shè)計中的YMBZ/Y70S-3-45液壓組合錨機為例,使用本系統(tǒng)進行校核診斷,基本參數(shù)為:1)錨鏈輪工作下:工作負載232.75kN,過載拉力349.125kN,支持負載1660kN,傳動效率0.77,起錨速度不小于9m/min,拋錨深度82.5m。2)卷筒工作下:工作負載150kN,支持負載450kN,系纜速度不小于15m/min,容繩量200m,絞纜負載100kN,絞纜速度不小于6m/min。輸入基本參數(shù)和零件詳細參數(shù)(詳細參數(shù)過多,不再一一列出)進行計算,診斷結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出,錨鏈輪制動鋼帶等零件強度不夠,錨鏈輪松邊銷軸等零件強度存在冗余,設(shè)備零件間無干涉情況。此方案需要改進,設(shè)計者需要根據(jù)診斷的結(jié)果和建議,逐個對有問題的零件參數(shù)進行改進,得到一個新的方案,對新的方案再進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,就得到一個較好的方案。輸出PDF格式報告包括所有校核的詳細過程,共26頁,其前四頁如圖6所示。報告包括封面目錄、完整的校核原理、校核過程及校核結(jié)果。報告顯示校核結(jié)果準確,格式規(guī)范,可以滿足錨機廠商的使用要求,大大地減少了工作量,提高了工作效率。4液壓組合錨機的校核設(shè)計針對液壓組合錨機設(shè)計及校核過程復(fù)雜、耗時長、效率低、易出錯等問題,用VisualC++開發(fā)了自動校核軟件。軟件通過人機交互,自動完成液壓組合錨機的校核計算,得到滿足船級社要求的校核報告,并根據(jù)校核結(jié)果進行診斷,列出出