5.2 Методология автоматизированного проектирования расположений сэу
В процессе технического проектирования СЭУ производится проектирование расположения в МКО основного и вспомогательного оборудования, образующего комплект СЭУ, а также ряда элементов общесудового назначения. Цель проектирования расположений – создание возможности для разработки трубопроводов энергетических систем и уточнения выбора вспомогательного оборудования систем СЭУ на основе гидравлических и тепловых расчетов трубопроводов с конкретной геометрией, привязанной к варианту расположения.
К началу проектирования расположения известно расположение главного двигателя и валопровода, определена длина МКО, выполнена в первом приближении комплектация СЭУ вспомогательным оборудованием. В результате проектирования расположения должны быть определены координаты оборудования, проверено наличие требуемых проходов и подходов, ремонтных зон, возможность демонтажа оборудования и эвакуации разбираемых деталей, узлов и агрегатов.
Автоматизированная система проектирования расположения должна обеспечить разработку вариантов, отвечающих ограничительным требованиям при минимальных затратах ручного труда и без непосредственного вмешательства проектировщика.
Как правило, оборудование входит в состав функциональных блоков-агрегатов и при замене и модифицировании оборудования габариты агрегатов обычно не изменяются. Однако меняются габариты МКО, а, следовательно, возможны нарушения некоторых ограничений и изменение трасс трубопроводов. В задачи автоматизированной системы проектирования расположения входит оценка критериев работоспособности и эффективности для варианта, генерируемого системой на основе определенных принципов, подконтрольных проектировщику.
Таким образом, автоматизированная система проектирования расположения должна отвечать следующим требованиям:
- выполнять, по возможности в автоматическом режиме, разработку варианта расположения оборудования СЭУ в МКО;
- производить автоматическую проверку ограничений: непересечения габаритов оборудования между собой, с соблюдением проходов заданных размеров и с ремонтными габаритами других блоков;
- производить оценку эффективности варианта расположения и сравнение его с базовым вариантом, автоматически замещать базовый вариант на оптимальный в случае нахождения последнего;
- выполнять все проверки и разработки, по возможности без вмешательства проектировщика. При наличии нарушения ограничений вариант отвергается, а в случае его предпочтительности по критериям эффективности вырабатывается сообщение о варианте;
- обеспечивать возможность анализа отвергнутых системой вариантов;
- обеспечивать возможность корректировки варианта расположения.
5.2.1. Типовые расположения и компоновки мко
Расположение комплекта оборудования СЭУ в МКО – одна из ответственных работ при проектировании СЭУ. Проблемы, решаемые при выполнении этой разработки и методы их решения, рассмотрены ранее в разделах, посвященных отдельным этапам проектирования СЭУ. Здесь же обсудим проблему типизации расположений, связанную с информационным обеспечением.
В связи с тем, что требования, предъявляемые к расположению СЭУ в МКО, и критерии эффективности расположений не могут быть достаточно строго формализованы, автоматизированное проектирование расположений сопровождается значительными сложностями. Оно требует непрерывного участия проектировщика и в основном заключается в перемещении на экране дисплея электронных проекций размещаемого оборудования в пределах контуров основных сечений МКО. По существу, это не автоматизированное проектирование, а безбумажное.
И даже в этих упрощенных условиях проектирования эффективность расположения в основном обеспечивается опытом и интуицией проектировщика. При отсутствии таковых качественный вариант расположения разработан быть не может. Обычно подобные проблемы решаются заданием приемлемого прототипа, и проектирование сводится к некоторому его улучшению с учетом конкретных условий задания.
Предполагается в качестве прототипа принимать не какое-либо расположение, а типовое, рекомендуемое компетентным органом или, по крайней мере, проверенное на практике. Для морских транспортных судов известны разработки типовых расположений, выполненные ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, Херсонским ЦКБ, Николаевским ВЦ и Одесским ИБ; для судов внутреннего и смешанного плавания - Нижегородского КБ «Вымпел». Подобные разработки и могут быть рекомендованы в качестве первого приближения при проектировании расположений СЭУ транспортных судов.
Для судов и кораблей других типов можно рекомендовать в качестве первого приближения принимать расположение какого-либо прототипа, зарекомендовавшего себя хорошими показателями на практике.
При использовании типовых расположений в автоматизированном проектировании должны быть решены, по крайней мере, три проблемы:
- формализация задания типового расположения;
- автоматизация генерирования вариантов расположения в конкретных обводах корпуса проектируемого судна;
- автоматизированный анализ допустимости и эффективности вариантов, генерируемых автоматизированной системой проектирования.
Эти проблемы могут быть решены при использовании метода задания типового расположения в виде таблицы относительных координат и абсолютных габаритов оборудования [6,7]. Включение в ИБД СЭУ таких таблиц, решает первую из сформулированных выше проблем – формализует задание типового расположения.
Для решения второй проблемы – автоматизации генерации вариантов расположения в конкретных обводах корпуса проектируемого судна следует умножить относительные координаты X, Y и Z на характерные размеры МКО: Lмко, Bмко/2 и Hмко и мы получаем вариант расположения оборудования СЭУ в МКО проектируемого судна, наиболее полно реализующий схему расположения СЭУ на судне-прототипе.
Решение третьей проблемы – автоматизированного анализа допустимости и эффективности вариантов расположения, генерируемых автоматизированной системой проектирования, рассмотрено в [6], а принятый способ задания координат и габаритов блоков обеспечивает такую возможность.
При разработке типовых расположений принята представленная на рис. 5.5 типовая разбивка СЭУ на агрегаты – функциональные блоки вспомогательного оборудования и цистерн, а также типоразмерный ряд и типовые конструкции функциональных блоков - агрегатов вспомогательного оборудования систем СЭУ.
Представленная блок-схема разработана применительно к двигателям 3-го поколения MAN–B&W. Она подлежит периодической корректировке в соответствии с тенденциями развития принципиальных схем систем и совершенствованием конструкции узлов ДВС. Например, в настоящее время охлаждение форсунок топливом не применяется и соответствующий блок утратил свое значение. Наблюдается также тенденция перехода на консистентную смазку приводов и гидроприводов выхлопных клапанов. По мере укрепления этих тенденций возможен отказ от соответствующего блока смазки.
На рис.5.6 представлены проекции на основные координатные плоскости функционального блока охлаждения двигателей пресной водой. Разработанные типовые агрегаты вспомогательного оборудования систем СЭУ включают конструкции трех типов: агрегаты на фундаментной раме агрегаты, смонтированные на цистерне, и оборудование, смонтированное на легком каркасе.
Рис. 5.5.Типовая блок-схема функционального агрегатирования СЭУ с ДВС:
1 – главный двигатель МОД ДКРН; 2 – блок насосов охлаждения форсунок; 3 – блок топливоподкачивающих насосов; 4 – блок автономной смазки приводов управления выхлопными клапанами (толкателей); 5 – агрегат деаэрационной цистерны топлива;
6 – блок насосов забортной воды; 7 – цистерна цилиндрового масла; 8 – напорная цистерна смазки газотурбонагнетателя (ГТН); 9 – блок смазки ГТН; 10 – блок охлаждения двигателей пресной водой; 11 – блок маслоохладителей; 12 – баллоны пускового воздуха главных двигателей; 13 – блок воздушных компрессоров; 14 – блок циркуляционных масляных насосов; 15 – блок сепарации масла; 16 – блок перекачки масла; 17 – растворный бачок; 18 – расширительная цистерна; 19 – функциональный блок сточной масляной цистерны
На рис.5.7 представлен агрегат смазки газотурбонагнетателя. Как видно из рисунка, комплектующее оборудование агрегата смазки ГТН смонтировано на масляной цистерне, куда стекает масло после охлаждения и смазки подшипников ГТН. Отсюда масло забирается насосами, прокачивается через фильтр, маслоохладитель и направляется в напорную цистерну. Типовые конструкции этих, а также других агрегатов в соответствии с рис. 5.5 в виде отдельных проекций включены в базу графических образов. Ее применение является еще одним способом автоматизации проектирования расположения СЭУ. Одновременно отметим, что использование плоских проекций затрудняет проектирование расположений ввиду невозможности их модифицирования при изменении схемы установки агрегатов в МКО. Например, при повороте агрегата в горизонтальной плоскости можно отобразить этот факт на плане, но другие проекции с требуемой точностью представлены быть не могут, так как адекватное изменение других проекций требуют радикального изменения чертежей проекций агрегата. Т.е. в базе графических образов плоских проекций должны храниться все возможные виды оборудования, получаемые при всех возможных поворотах и наклонах. Это делает требования к базе плоских проекций трудно реализуемыми.
Рис.5.6. Агрегат охлаждения двигателей пресной водой: 1 – холодильники пресной воды; 2 – отвод забортной воды; 3 – главные насосы пресной воды; 4 – паровой подогреватель; 5 – подвод забортной воды; 6 – трубопровод пресной воды от насосов к холодильникам; 7 – выход пресной воды из холодильников; 8 – вход пресной воды в холодильники; 9 – стояночный насос пресной воды; 10 – терморегулятор;
11 – трубопровод пресной воды на дизель-генераторы; 12 – фундаментная рама
В направлении сокращения размеров базы графических образов весьма прогрессивно электронное макетирование – разработка объемных представлений – 3D макетов оборудования, что менее трудоемко, чем изображение плоских проекций. После разработки электронного макета может быть получена его проекция на любую плоскость, а также любой разрез по сложным секущим поверхностям.
Недостатком этого макетирования следует считать замедление манипулирования графическими объектами и повышение требований к объемам основной памяти ЭВМ. Эти повышенные требования к быстродействию и объемам памяти со временем становятся всё менее острыми в связи с совершенствованием вычислительной техники, применением разного рода графических ускорителей. Определенно можно считать объемное макетирование основным перспективным средством автоматизации проектирования расположений СЭУ.
Рис.5.7. Функциональный блок смазки турбонаддувочного агрегата: 1 – масляные насосы; 2 – сточная цистерна масла; 3 – маслоохладитель; 4 – контрольно-
измерительные приборы; 5 – арматура; 6 – внутренние трубопроводы
Разработаны электронные макеты всех функциональных агрегатов в соответствии со схемой агрегатирования рис. 5.5. Их представление требует применения цвета и установки различного освещения объектов. В качестве примера на рис. 5.8 приведен макет агрегата системы охлаждения главных и вспомогательных двигателей пресной водой. Его плоские проекции приведены на рис. 5.6.
Начало процесса автоматизированного проектирования было заложено еще в 1993-96 годах, когда в проектных организациях начали осваивать программный продукт AutoCAD. Была создана библиотека оборудования (главные двигатели, насосы, различная арматура и т.д.), которая насчитывала в себе более 1000 единиц оборудования. Данной библиотекой 2D-объектов оборудования пользуются до сих пор при разработке новых проектов и корректировке старых.
Рис. 5.8. Макет функционального блока системы охлаждения двигателей
пресной водой
С появлением более мощных ПЭВМ появилась возможность переходить к созданию 3-х мерных моделей оборудования.
Начиная с 2001 года, ведущими КБ отрасли в проектировании стали использоваться элементы трехмерного моделирования в системе Autodesk AutoCAD. Параллельно были созданы базы элементов оборудования с применением гибридной технологии каркасно-твердотельного моделирования. На основе 3D-моделей помещений главной энергетической установки начали выпускать рабочую конструкторскую документацию. Одновременно при проектировании малотоннажных судов и кораблей продолжается использование навыков и наработок плоскостного проектирования.
В настоящий момент чаще всего в отрасли применяется несколько систем автоматизированного проектирования (AutoCAD, Компас-график, Tribon и Autodesk Inventor).
Система Tribon позволяет вести 3-х мерное проектирование, производить необходимые расчеты, разрабатывать проектно-конструкторскую и технологическую документацию на различных стадиях проектирования, постройки и модернизации корабля. Проектирование и постройка корабля осуществляются параллельно. Одновременно с этим система является судостроительной и не предназначена для разработки изделий МСЧ (машиностроительной части). Для разработки документации на базе трехмерного моделирования сложных изделий МСЧ необходимы машиностроительные САПР. При выборе наиболее приемлемого программного продукта необходимо оценить возможность САПР в части:
- создания 3-х мерных объектов с уровнем детализации позволяющей выпускать документацию различных уровней и сложности;
- наличия отечественного каталога по материалам и изделиям;
- конвертирования 3-х мерных объектов из одной системы в другую с сохранением структуры с целью сокращения сроков моделирования;
- самостоятельного изучения и быстрого освоения системы не требующего специального обучения.
По отзывам проектировщиков ФГУП ЦМКБ "Алмаз" одним из подходящих для решения указанных задач программных продуктов является САПР компании Autodesk Inc. - Autodesk Inventor.
Autodesk Inventor Series 10 привлекателен, как в техническом, так и в экономическом плане, поскольку включает в себя несколько САПР:
- Autodesk Inventor;
- Autodesk Mechanical Desktop;
- AutoCAD.
Autodesk Inventor содержит в себе справочную систему и интерактивное электронное техническое руководство на русском языке для работы в программе, которые позволяют начать работу по созданию 3D-моделей в кратчайшие сроки для пользователей, знакомых с работой в системе Autodesk AutoCAD. Расширенный Autodesk Inventor (в комплектации Professional) содержит модули проектирования трубопроводов и разводки кабелей, а также модуль стресс-анализа методом конечных элементов. В состав Autodesk Inventor входит еще один полезный инструмент – модуль по выпуску РКД (чертежи на основе разработанных 3D-моделей и их спецификации), который поддерживает оформление документации по ЕСКД и передачи ее в формате DWG/DXF в другие САПР, объединенные единой базой данных.
В настоящее время в работах ФГУП ЦМКБ "Алмаз" используется версия Autodesk Inventor 10 Professional. При помощи данного программного продукта работа ведется в нескольких направлениях:
- создание базы твердотельных 3D-моделей оборудования и механизмов, входящих в состав ГЭУ и систем ее обслуживающих;
- электронное макетирование общего расположения машин и механизмов в машинных отделениях, трассировка систем, обслуживающих ГЭУ и прокладка транзитных систем общесудового назначения, проходящих через помещения машинных отделений;
- разработка РКД и оформление чертежей, полученных на основе 3D-моделей общего расположения;
- отработка процедур обмена данными между двумя используемыми САПР - Autodesk Inventor и Tribon.
Последнее направление имеет важное значение, поскольку между этими системами нет прямого интерфейса, и в данных системах несколько различная идеология построения и идентификации уже построенных 3D-моделей. Разработчик САПР Tribon компания AVEVA Group plc. предложила на рынок транслятор, при помощи которого можно экспортировать 3D-модели, созданные в САПР Tribon, в форматы, которые свободно читает и импортирует Autodesk Inventor с сохранением сборочных зависимостей и исходных наименований.
Autodesk Inventor позволяет создавать реалистичные и очень точные с геометрической точки зрения 3D-модели. В рамках разработки электронных макетов энергетической установки была проведена работа по созданию моделей оборудования, размещенного в машинных отделениях. В среде Autodesk Inventor были созданы полноценные корпусные конструкции (элементы набора, насыщение, фундаменты) на основе плоских чертежей, созданных при помощи Autodesk AutoCAD. Также произведена трассировка и разводка систем, обслуживающих ГЭУ, систем вентиляции и общекорабельных систем, проходящих через помещения машинных отделений.
На рис. 5.9 и 5.10 представлены 3D-модели дизель-генераторов, которые были созданы для электронного макетирования текущих проектов, с использованием Autodesk Inventor. Причем модель дизель-генератора MTU 16V4000 была конвертирована из модели, которая была создана в SolidWorks и предоставлена компанией MTU, Германия. Модель судового дизель-генератора АДГ-630НК была полностью создана средствами Autodesk Inventor.
На рис. 5.11 и 5.12 показаны спроектированные при помощи инструментов Autodesk Inventor элементы трубопроводов систем, находящихся в помещениях машинных отделений. Во время моделирования систем средствами Autodesk Inventor были выявлены и исправлены пересечения элементов трубопроводов (анализ и исправление коллизий), которые возникли при проектировании данных систем в «плоских» чертежах, созданных в системе Autodesk AutoCAD, что ускорило согласование со смежными отделами и выпуск РКД по данным системам.
Рис. 5.9. Судовой дизель-генератор АДГ-630НК
Рис. 5.10. Дизель-генератор MTU 16V4000
Рис. 5.11. Элементы водоотливной системы
Рис. 5.12. Элементы топливоперекачивающей системы
Перечислим ряд положительных моментов при использовании Autodesk Inventor в процессе разработки РКД:
- уменьшение сроков выпуска и согласования РКД;
- возможность создания эксплуатационной документации верхних уровней;
- большой выбор инструментов применимых для судостроительной отрасли;
- легкий переход пользователей, использующих для проектирования Autocad, в среду проектирования Autodesk Inventor (родственный интерфейс, мощная система интерактивной помощи и поддержки);
- широкие возможности импорта-экспорта из других САПР.