1如果采用实际试验的方式确定整机运输方案，成本消耗非常大。本文提出了一种采用虚拟样机技术来辅助工程人员进行滚装方案性能评定的方法。
采用虚拟样机技术在计算机内建立整机滚装过程的模型，并用动态图像显示并模拟整机滚装运输的全过程。通过设定的性能评定指标，对不同的滚装方案进行测试、分析和评价，经过修改，获得最优的滚装方案。这样，可以充分提高滚装运输的效率，降低整机滚装运输成本。
采用虚拟样机技术进行门机的整机滚装运输方案分析，需要考虑以下方面：（1）确定滚装方案的性能评定参数；（2）设计卷绕拖曳系统；（3）确定整机运输仿真模拟分析的步骤。
2滚装方案的性能评定参数
在进行滚装方案仿真分析的过程中，首先需要确定方案的性能评定参数以为仿真分析过程提供合理的分析方向。
通过分析，建立相应的整机滚装运输方案评定参数，包括拖曳电机的实时输出功率、钢丝绳的应用拉力、滚装运输方案的作业时间、轨道轮压以及整机启制动时的载荷曲线等。通过这些性能参数，可以从不同角度、不同工作现场以及不同的卷绕装置工况等，分析并得出整机滚装在不同工况下的性能分析报告。并在综合计算分析的结果之后，通过比较得出最佳的滚装运输方案。1是在仿真过程中整机启动时的载荷曲线图。1滚装启动时的牵引力曲线滚装启动时的牵引力曲线分为预载部分和整机启动2个部分。整机在开始滚装拖拉前，必须由卷绕系统提供一定的预拉力，从而保证整机在松开锁定装置后不出现滑移。这时载荷曲线水平。当开始拖拉作业时，由于整机速度由0增加到一定值，这段时间内系统牵引力不再平稳，图中曲线的倾斜部分清楚反映了这一点；其中，曲线的阶跃部分采用Step函数进行拟合，其函数格式为Step（time，t1，F1，t2，F2）
3卷绕拖曳系统
采用滚装方式进行门机的运输时，卷绕拖曳系统性能的好坏是关键性因素。在滚装方案卷绕系统的设计过程中，建立相应的卷绕系统仿真模型，以提供比较直观的表现方式，设计人员可方便地评定各个卷绕系统的性能优劣，缩短卷绕拖曳系统的设计开发周期。
在卷绕系统的设计过程中，根据实际需要把整个设计过程分成独立卷绕系统分析和整机滚装运动时的分析2个阶段，现分别对2个阶段进行说明。
311卷绕系统独立分析阶段
此分析阶段只涉及卷绕拖曳系统自身的运作分析，监测不同卷绕方案的自身运作情况，而不涉及到整机的运动分析。结合在分析前期确定的性能评价参数，针对不同卷绕方案进行各自的性能优劣评定，并确定出最优的卷绕拖曳方案。2是卷绕拖曳方案布置图。2卷绕拖曳方案布置图整个卷绕系统由卷绕动力装置、导向滑轮、挂钩以及钢丝绳组成。结合仿真分析，确定的卷绕系统包含一套双联单层圆柱形卷筒、4套挂钩以及一套倍率为2的滑轮组，整个卷绕系统采用Φ30mm的钢丝绳缠绕。为了防止卷筒失效而发生事故，该卷绕系统共备2套。
312整机运动分析阶段
上一阶段所确定的卷绕拖曳方案必须结合门机整体进行系统分析，才能最终评定出该卷绕系统性能的优劣。结合这个阶段受力的特点，对卷绕系统中的部分实体进行了简化或省略，用作用在门机上的拉力直接取代了钢丝绳。针对影响滚装运动分析性能的其他因素，同样以力元素的方式取代。这些力元素主要是整机滚装过程中各种运动阻力以及门机自身的重力等。最后，再按照建立好的性能评定参数（比如门机在全部滚装过程中运行的距离）对整机运作情况进行性能分析，从而得出不同方案的性能分析报告，并最终确定卷绕系统。
4整机滚装运输仿真模型的建立
采用虚拟样机技术进行滚装运输的方案研究，其研究步骤包括受力分析、构建仿真环境、建立各部分基于物理特性的仿真模型3个部分。下面就各部分进行说明。
411建立各部分基于物理特性的仿真模型
对整机滚装运输进行仿真，不仅需要仿真模型能够反映出各个方案真实的运行效果，更重要的是要获取相应仿真过程的数据，而传统的基于几何的模型是不能满足这个要求的。为此，必须要求仿真模型能够反映出对应真实物件的各种力学属性，也就是建立基于物理特性的模型。在研究过程中，建立能够反映物件物理属性的各种模型，这些模型具有质量、重心、几何中心以及转动惯量等。针对门机整机滚装运输的仿真所建立的仿真模型包括门机的模型、运输船舶（中国船舶配套产业现状分析）的模型、码头模型以及对应的运输轨道模型等4个部分。
在实际研究过程中，建立详细真实的仿真环境会带来非常大的硬件资源开销，每次仿真分析都会耗费大量的时间。因此，针对仿真模型的分析重点并结合滚装运输自身的特征，应把与不同分析过程相对应的仿真模型进行各自的简化。以门机的仿真模型为例。以质量等效的方式省略掉了门机的一些部件。3展示了简化前后的对比。2种模型具有同样的质量、重心与转动惯量，其误差控制在5以内，因此，这2种模型在力学分析上完全等效。
同时，由于减少了模型的部件，显著地提高了仿真分析的速度。
412构建仿真环境
在完成基于物理特性的仿真模型的建立后，需要对不同的分析内容构建出与之对应的仿真环境。
我们采用建立虚拟试验场的仿真方式，通过获取真实滚装运输场景的相关数据，在计算机中构建出与之对应的虚拟场景。整个仿真场景按照空间分布可以分为运输船、码头以及刚性过渡区等模块。以运输船模块为例，它包括了船上轨道的布置、运输船卷绕系统的布置和门机的运输位置及其固定方式等部分。4是校核卷筒牵引力时建立的仿真环境。
4校该卷筒牵引力时的仿真环境（a）轨道倾角为 10°时，整机上行的仿真环境（b）轨道倾角为-10°时，整机下行的仿真环境（c）仿真环境三维轴视图
413运动与动力学分析
滚装运输方案仿真分析的重点是验证系统的整体运行性能。因此，必须在虚拟试验场中对整个模型进行运动和动力学分析。整个仿真分析按照制定的性能评定参数来进行。通过分析，获得不同滚装运输方案中整机的机械运行状态，并确定所关心性能指标或目标函数影响最大的若干关键参数，并以此作为改进设计的根据，从而确定出最优的滚装运输方案。1为进行运动与动力学分析的4种工况。
5结语
虚拟样机技术是一门新兴的计算机技术，非常适合大型工程的辅助设计。采用虚拟样机技术，可以尽可能地减少进行物理实验的次数，既有利于缩短方案设计周期和降低开发成本，又有利于协同工作的进行。根据实际的港口门座起重机的滚装运输方案设计，结合传统工程力学演算与CAD/CAE软件，成功地将虚拟样机技术应用于实际的工程设计中。文中所提到的虚拟仿真方案，显著提高了工程设计的效率与质量。
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