
CAD/CAMソフトウェアの専門家の知識を活用する - ケース:シェルプレートの開発
Posted on April 29, 2024
数十年前までは、船のエンジニアリングや設計にさまざまな専門家を使うことが一般的でした。しかし、今日では専門家が減少し、若い世代はソフトウェアにエンジニアリングの課題を解決してもらうことを期待しているようです。CADMATICソフトウェア開発は、専門家の知識を活用することで支援を提供しています。この記事では、船舶建造の高度な特殊領域であるシェルプレートの開発を使用して、これを実証します。数十年にわたり人間の知識と経験に依存してきたシェルプレートの開発について、CADMATICソフトウェアが専門家のノウハウをどのように活用しているかを見る前に、シェルプレートの開発の歴史と関連するソフトウェア開発について振り返ることが有益です。
シェルプレートの計算の歴史と関連するソフトウェア開発
1980年代には、プレートの伸びを考慮したシェルプレートの計算方法は多くの人にとって未知でした。しかし、オランダの造船所の専門家たちはすでに長年にわたり手作業でそれを決定していました。
当時、いわゆるスピア法やクロステーブル法が非常に一般的でした。

データは型紙置き場から取り出され、ほとんどの場合、直接鋼板に投影されました。

3Dシェル内の実際の長さと2D展開の長さの違いは、専門家によって決定された伸びでした。

このプロセスには、2種類のプレートが関与していました: サイドストレッチがあるプレートとセンターストレッチがあるプレート。

専門家は、正しい展開方法を選択するためにどのタイプを使用するかを決定しました。

1980年代には、この手作業プロセスがコンピュータープログラムに翻訳されました。このプログラムは、船の形状を入力として使用しました。船の形状は、フレーム、水線、垂線、ヌッケル線を含む3Dワイヤーフレームモデルとしてのみ表現されました。

この方法の利点は、多年にわたる経験に基づいていることです。ソフトウェアの使用は、結果を正しく解釈し適切にシェルプレートを取り付けることができる特定の専門家に制限されました。シームやバットの位置は結果に大きく影響し、可能性を制限しました。幸いなことに、これは専門家に望ましい結果に近づく柔軟性も与えました。

オランダでは、シェルプレートを変形させる生産方法は上記のデータに基づいていました。大きな利点は、ほとんどの場合、シェルプレートを余分な長さなしで加工できたことです。他の国の多くの造船業者にとって、これは理解しがたいものでした。専門分野の組み合わせが必要であり、多くの場合、現場で数年を経て達成されました。
近年、組立プロセスがますます最適化され、船舶も美しさが増し、それによってより複雑な形状が生まれました。船のバリエーションも大幅に増加しました。商船に加えて、美しい形状の高級ヨットも人気となっています。これらの形状は今日ではワイヤーフレームモデルではなく形状表面として作成されます。造船所はまた、シェルプレートが構造に整合し、したがって変形プロセスの影響を受けにくいように求めています。また、溶接メートル数を最小限に抑えることが求められており、これは生産における変形時間との緊張を生み出しています。
これらすべての要因がこの専門分野への圧力を増大させました。また、若い世代がこれらの技術を学ぶ意欲がなかったため、シェルプレートの計算と作成に新しいアプローチが開発されました。
新しいアプローチは、専門家の専門知識を活用するソフトウェアプログラムを作成することに基づいていました。これにより、そのような専門家への依存が減少し、設計者が設計に集中できる一方で、ソフトウェアが複雑なシェルプレートの計算を行うことができました。
考慮事項と要件
新しい方法でのシェルプレートの作成と計算はすでに一定期間市場に出回っており、専門家に受け入れられるほど成熟しています。この新しいソリューションの柔軟性とサポートデータの価値がますます認識されています。
しかし、この完全に新しい方法を作成する際の考慮事項と、どのような入力が有益であったのでしょうか?
曲面の基礎は形状です。船舶設計ソフトウェアパッケージ(NAPA、SARC、MAXSURFなど)が形状を決定するために一般的に使用されます。これらの形状は、Rhinocerosなどのより一般的なソフトウェアパッケージからも得られます。つまり、この解決策はすべてのこの情報を処理できる必要がありました。言い換えれば、任意のランダムな表面データをインポートし、最終的に正しい生産データを提供できる形に変換するためには、オープンな構造が必要でした。

シームやバットの位置は、内部構造を考慮する必要がありましたが、同時にシェルプレートの輪郭を決定する基準でもありました。高い柔軟性が必要でした:シェルプレート間だけでなく、シェルプレートと内部構造の間にも関係を作成する必要がありました。これらのトポロジカルな関係は、最大プレート寸法を近似するための数学的な操作をサポートする必要がありました。たとえば、計測された形状の距離を比較することを考えてください。

ツールが柔軟でシンプルであり、今日のテクノロジーに適合していることが重要です。また、ツールが溶接が形状にどのように投影されるかについての洞察を提供する必要があります。これにより、専門家の洞察がツールに翻訳されます。このように、若いデザイナーが結果が何であるか、または将来的に何であるかを理解するのを支援する、いわゆる「見たまま得るもの」が重要です。

シェルプレートの定義は、生産プロセスと切り離される必要がありました。これにより、エンジニアが自分の創造性を活かすことができ、生産ツールに制限されることがありません。要するに、ツールがシェルプレートの外観を定義するべきです。

シェルプレートの定義中に決定される重量、重心、およびサイズは、エンジニアリングプロセスのこの段階で重要です。構造はシェルプレートとトポロジカルに関連付けられるため、溶接および面取り情報を自動的に決定できます。プレートの幅は、溝の開口部によって決定されるため、専門家の洞察がエンジニアの責任ではなく、手動計算を必要としませんでした。表面枝の端に完全に一致しないヌックル線などの詳細は、システムによって自動的に解決される必要がありました。

生産:シェルプレートの製造方法
シェルプレートが定義されると、それらを製造する必要があります。一方、生産方法やプロセスは、計算ソフトウェアの出力に対する一連の要求を作成します。

生産は、エンジニアリングと変形の二つの部分に分けることができます。エンジニアリングにおいては、シェルプレートが製造可能かどうかを決定することが重要です。変形では、変形パラメータが最も関連があり、使用されるツールの入力として機能します。
組立プロセスもシェルプレートに投影されるデータに影響を与えます。この情報が内部構造と一致することが重要です。内部構造とシェルの間には区別がなくなり、それによって平等が生まれ、特にエンジニアリングプロセス中には専門化が不要になります。
複雑な形状の船体パネルを製造するために、一般的に利用可能な生産システムは次の2つです:
- ライン加熱:曲げと収縮の組み合わせに基づく
- 冷間成形:伸張と曲げの組み合わせに基づく
ライン加熱は、パネルの特定の箇所/ラインを加熱し、同じ箇所/ラインを冷水で急冷することを含みます。このシステムはアジア諸国で一般的に使用されています。欠点は、非常に手間がかかり、スキルを習得するために5〜10年の訓練が必要であり、マルテンサイトの形成のリスクがあることです。ライン加熱は、第47回IACS造船および修理品質基準に従ってまだ許可されていますが、オペレーターは遅いプロセスを加速し、温度を最大温度を超えるように上げる必要性を感じ、マルテンサイトの形成のリスクを受け入れることになり、それによって材料が脆くなる可能性があります。
冷間成形は、船体パネルの特定の箇所を曲げて伸張させることに基づいており、これによりパネルを形成します。
伸張は、2つの小さな回転ローラーのセットを使用して達成されます。ローラーを使用した伸張は、ライン加熱プロセスよりも平均して8倍速く、また使用も簡単です。

伸張ラインは通常、ライン加熱中には対処されない領域に配置されています。したがって、これらの技術は「逆技術」と呼ばれます。
ローリングによる伸張が将来を担うものです。
ローリングによる伸張が将来を担うものです。伸張はまた、「スタンピング」と呼ばれるプレス工具を使用しても達成できます。ただし、これらのツールはローリングツールほど効果的ではありません。さらに、パネルの内側にマークが作成されます。これがNielandを奮起させ、ローリングプロセスをさらに高い水準に革新することを促し、励みになる結果につながりました。

新しいデザインの小型ローラーを横方向に使用することで、ロングチューダル形状とフレーム形状の両方を作成し、スタンピングをほとんど不要にします。
板の表面への影響をできるだけ少なくする必要があります。板を単に長手方向に伸ばすと、形成プロセスの効率が制限されます。オランダの冷間成形技術の専門家であるNielandは、これを認識し、長い間、踏面を縮小した上ローラーを使用して板を長手方向と横方向の両方に伸ばすための解決策を提供しています。
この方法では、板を完全な長さで伸ばし、材料表面が最小限に影響を受け、滑らかな外観を維持します。テストでは、板を伸ばすと自動的に正しい形状になることが示されています。ローラープレスは両方向のローリングに対応できます。このプロセスをサポートするために、正確で明確な伸長データが必要です。
この冷間成形方法は、ライン加熱と比較して大きな利点があります。冷間成形では、材料の特性が最小限に影響を受けますが、ライン加熱では過度の損傷のリスクが高くなります。この冷間成形プロセスは平均して8倍速く、余分な材料は不要です。最初の切断に面取りを含めることができます。プロセスは非常に予測可能です。
CADMATICツール
前述のシェルプレート開発の考慮事項と要件が、現在利用可能なCADMATICツールの開発を導いています。
各フェーズについて、ユーザーフレンドリーなツールが開発されており、ユーザーが最小限のトレーニングしか必要としません。これらのツールはすべて、何が起こっているか、または何が起こるかをグラフィカルに表現しており、知識の敷居を下げます。すべてのデータは同じツールで変更できるため、入力や調整が曖昧になります。データはコピーしたり再利用したりでき、複数の選択肢により入力プロパティを簡単かつ効率的に適応させることができます。検索機能が追加され、アイテムを迅速に見つけることができるため、同僚から仕事を引き継いだり、複数のエンジニアが並行して作業する場合に大きな利点となります。

ツール内の機能は整然としており、しばしば即座に結果が表示されます。結果は2Dと3Dの両方で利用可能であり、検査が簡素化されます。このように、ユーザーとの最適な相互作用が保証され、ユーザーは直接結果に影響を与えることができます。
船型インポートツールでは、最も一般的に使用される形式の船の形状をインポートすることができます。対称的および非対称的な形状を作成して追加し、複数の形状を一体として扱うことができます。レイヤーとその命名を使用すると、システムは形状を完全に自動的に処理できます。ただし、アプリケーション自体で修正を行うことも可能です。フレーム間隔テーブルを決定し、ユーザーが簡単な形状を作成することもできます。これにより、船型インポートツールは非常に柔軟性があります。

船型ラインツールでは、エンジニアは船体ラインを他の要素(例:構造物)に作成してリンクすることができます。これらの船体ラインはビュー内で作成され、形状に投影されます。ラインの数や形状に制限はありません。スマートな機能が、ヌックル、丸め、点の変位、または指定された方向への拡張を処理します。点は、他のラインに対してお互いの間の一定の距離を考慮して配置され、形状が考慮されているかどうかに関係なく、情報を他のラインから使用でき、点は指定された比率や角度になります。すべての調整は直接可視化されるため、見たままが得られます。

船体ラインは非対称に入力することもできます。各ラインには、塗装エリアの境界やシェルフレームの参照など、特定の目的が指定できます。いわゆる「インプレーン」オプションは、船体ラインの一部が平面上にあることを保証し、これはシェルフレームにも使用できます。これにより、生産に多くの利点があります。船体ラインツールは、特定の専門知識がソフトウェア機能に組み込まれた優れた例です。
シェルプレート作成ツールは非常に効果的でアクセスしやすく、どのエンジニアでも単に船体ラインの数を選択するだけでシェルプレートを作成できます。シェルプレートのプロパティは明確で、オフセット、厚み、方向、素材などが変更可能です。ユーザーは船体ラインを個別に時計回りまたは反時計回りに適用できます。輪郭は船体ラインに関連しており、したがって一貫しています。結果はビューと3Dで直接見ることができます。重量、重心、サイズ、その他のプロパティが直接計算されます。シェルプレートはすべてのセクションで見え、ユーザーは船の内部構造の関係としてそれらを使用できます。これは、シェルプレートが内側にオフセットされている場合に特に便利です。
シェルプレートは曲面を持つデッキ構造にも使用できます。形状は表面と船体ラインによって決定されるため、どのような形状でも可能です。上記のプロセス中、エンジニアは生産問題を考慮する必要はありません。
シェルプレートを製造するには複数のデータセットが必要です:展開および形状データ。


シェルプレートの変形はまだ手動のプロセスですが、この専門知識の一部を必要とします。専門家が作業を適切に行うためには、正確で必要な情報すべてを入手することが重要です:テンプレート、伸長データ、およびローラーライン。新しい方法がすべての方向で伸長を決定するため、Nielandの新しい変形方法がサポートされています。伸長の色も、どの領域が伸長する必要があるかを示す良い指標を提供します(下の図を参照)。緑から黄色の領域ではより多く、薄い青から緑の領域では少なく伸ばすことで、プレートはすでにうまく変形しています。提供されるガイダンスとプレスの下でのプレートの吊り下げは、形状が吊り下げによって負に導かれないようにするために重要です。

では、どのようにして事前に処理時間を決定し、生産時間とプレートサイズの適切な関係を選択するかを説明しましょうか?一般的に、プレートが大きいほど溶接が必要な量が少なくなることが知られています。システムは変形の専門家の知識に影響を与えません。ただし、システムはかなり良い見積りを作成するためのいくつかのパラメータを提供します。次のパラメータが重要です:両方向の最大伸長、最小半径、最大半径、プレートタイプ、寸法、材料タイプ、および過去の変形時間。これらのパラメータは、シェルプレートの予測可能な見積り時間を生成するビッグデータを生成します。
シェルプレートの生産データは自動的に生成されます。さまざまなデフォルトと設定が出力のスタイルを決定します。もしもシェルプレートのいずれかがエンジニアの自己の見積もり要因を超える場合、ビッグデータに基づいて対策を講じる必要があります。多くの場合、シェルプレートを狭める必要がありますが、これには依然として専門知識が必要です。ただし、船体ラインがシェルプレートに接続されているトポロジーのおかげで、これは非常にシンプルなプロセスです。新しいパラメータを使用して変更の影響を比較することができます。
さらに、最新のシェルプレートツールには、追加の機能を可能にするさまざまな機能が備わっています。これには、余分な長さ、収縮補償、面取りおよび溶接情報、ピンジグを使用する際の組み立て用の基準線やコーナーマーカーなどが含まれます。
結論
過去には、シェルプレートの開発にはさまざまな専門家が必要でした。CAD/CAMソフトウェアの進歩により、このプロセスの作業方法が変わり、個々の専門家への依存が大幅に減少しました。正確なシェルプレートの製造情報を生成するために、数十年にわたる経験と高度な専門的なトレーニングが必要とされなくなりました。これにより、エンジニアやデザイナーは船舶の新しい形状や持続可能な設計に集中することができます。一方、ソフトウェアが計算とデータの精度を管理します。