數(shù)字化船舶建造技術(shù)在我廠的應(yīng)用

梁振濤 黃志科

摘要：本文介紹應(yīng)用船舶建造設(shè)計(jì)軟件Shipconstructor的數(shù)字化船舶建造技術(shù)在我廠4年來的施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比過去的生產(chǎn)方式，撰寫此文，文中以圖文并茂的方式詳細(xì)闡述該技術(shù)在我廠數(shù)學(xué)放樣、生產(chǎn)設(shè)計(jì)、施工圖紙的實(shí)際操作情況和在安全生產(chǎn)、綠色造船方面的應(yīng)用及取得的主要成果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化造船；綠色造船；中小型船廠；效益

1 數(shù)字化船舶建造技術(shù)簡述

數(shù)字化船舶建造技術(shù)就是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和多媒體對(duì)船舶詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行三維建模輔助、完成生產(chǎn)設(shè)計(jì)圖紙并具有可施工性、可修改性的一種造船技術(shù)。這種技術(shù)是船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化、縮短建造周期、節(jié)約能源及材料、沿著“綠色造船”方向發(fā)展的重要措施。它是現(xiàn)代數(shù)字化造船模式體系—數(shù)字化船舶設(shè)計(jì)、數(shù)字化工程管理、數(shù)字化船舶建造三大項(xiàng)目中發(fā)展得最快、最關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)。

本文所述的是應(yīng)用于國內(nèi)中小型船廠具有船舶建造仿真、綜合放樣、自動(dòng)生成零件生產(chǎn)圖紙和船用材料信息功能的數(shù)字化船舶建造技術(shù)。下面就我廠運(yùn)用此技術(shù)建造的船舶項(xiàng)目分析探究其實(shí)現(xiàn)價(jià)值。

2 傳統(tǒng)船舶生產(chǎn)技術(shù)概述

過去，國內(nèi)中小型船廠因設(shè)備使用、科技信息管理、生產(chǎn)流程都處于一種習(xí)慣性的模式，生產(chǎn)設(shè)備也不及大型船廠，使船舶建造周期規(guī)劃、材料損耗控制、成本核算都處于較為落后的階段。本文以廣州市番禺靈山造船廠有限公司為例敘述其過去十年船舶生產(chǎn)技術(shù)的方式和改變。我公司早期的生產(chǎn)設(shè)計(jì)主要使用手工繪圖，以詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙直接作為生產(chǎn)圖紙，型線放樣采用1：1實(shí)體放樣，管路和電纜沒有進(jìn)行整船放樣，而是直接在建造中的船體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行具體布置。隨著造船業(yè)務(wù)的拓展，所造海洋船舶不斷增加，排水量增大，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格，采用傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)將面臨零件加工速度慢，船臺(tái)占用周期長，整船管路電纜綜合放樣難度大等問題。船廠為解決這些問題而更新了硬件設(shè)施，如等離子數(shù)控切割機(jī)、液壓曲板輥彎機(jī)、大型壓力機(jī)和起重機(jī)等，而施工圖紙采用CAD繪圖，這些措施相對(duì)解決了零件加工和分段建造速度問題，但生產(chǎn)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)方面仍然相對(duì)落后，與各硬件設(shè)施的軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)連接不佳。下面列舉生產(chǎn)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)設(shè)備結(jié)合方面仍然存在的一些弊端：

（1）復(fù)雜曲面放樣困難，放樣精度也取決于生產(chǎn)工人的技術(shù)水平，往往增加施工過程的修改，產(chǎn)生程度不同的返工現(xiàn)象，從而造成生產(chǎn)周期加長等不良后果。

（2）數(shù)控切割零件的利用率低。數(shù)控機(jī)切割的零件圖形是在CAD里繪制并進(jìn)行人工排列，在排列時(shí)需要計(jì)算零件的尺寸，這種套料方式效率低，板材利用率也低。

（3）分段建造及合攏技術(shù)未達(dá)到最優(yōu)化。分段大小受起重能力和船臺(tái)空間制約，重量重心采用人手計(jì)算，工作量大。

（4）船舶下水壓力分布計(jì)算，重量重心計(jì)算主要使用經(jīng)驗(yàn)公式。

3 應(yīng)用數(shù)字化船舶建造仿真技術(shù)

隨著造船業(yè)務(wù)不斷發(fā)展及商務(wù)運(yùn)作需要，訂購商要求建造周期大為縮短，為適應(yīng)市場需要，我廠在2008年購買了一套加拿大SSI公司的船舶建造設(shè)計(jì)軟件-Shipconstructor2008。該系統(tǒng)在發(fā)揮硬件設(shè)備最大效益、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)籌、縮短建造周期以及節(jié)約建造成本方面取得較為滿意的成效，但軟件系統(tǒng)仍然存在一定的局限性，尤其管路設(shè)計(jì)中零件投影效果不理想、圖紙修改比較困難等問題比較突出。

我們在使用該軟件系統(tǒng)的兩年時(shí)間內(nèi)，把軟件系統(tǒng)與船廠生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)完全結(jié)合，下面就在建和已建船舶項(xiàng)目的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用上概要介紹，供同業(yè)參考。數(shù)字化仿真生產(chǎn)設(shè)計(jì)從退審圖開始，其生產(chǎn)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

下面以我廠去年下水的一首56米海洋供應(yīng)船為例，介紹該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

3.1 船舶總體型線放樣及光順、有限元模型的生成技術(shù)

過去船舶的造型設(shè)計(jì)只通過平面圖紙表達(dá)，感染力不強(qiáng)。采用三維技術(shù)進(jìn)行船舶放樣，能把設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思想完整表達(dá)出來，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的真實(shí)感及制作效果圖展示給客戶，如圖2所示。

我們還針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)舾裝件與船體結(jié)構(gòu)的接合及其工藝安裝過程進(jìn)行三維可視化圖形制作，優(yōu)化復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高放樣精度減少現(xiàn)場返工。某些復(fù)雜加強(qiáng)結(jié)構(gòu)需要作局部強(qiáng)度計(jì)算，而使用這些已經(jīng)建好的三維模型則可直接用SAT格式導(dǎo)入所有有限元分析軟件中使用，這樣可以避免重復(fù)繪圖（見圖3）。型線的光順和放樣源于同一個(gè)軟件系統(tǒng)，使性能計(jì)算及艙容計(jì)算與實(shí)船誤差大大減少，而且同樣可以避免重復(fù)繪制型線。

圖2 56米海供船3D效果圖

圖3 56米海供船載貨區(qū)甲板骨架有限元分析云圖

3.2生產(chǎn)設(shè)計(jì)及施工設(shè)計(jì)數(shù)字化

生產(chǎn)設(shè)計(jì)使用三維技術(shù)及共用數(shù)據(jù)庫，施工圖紙采用分段半立體顯示及零件加工裝配數(shù)字化是我廠船舶生產(chǎn)的一大改革，也是SC2008軟件系統(tǒng)的核心功能，我們利用該軟件系統(tǒng)的功能結(jié)合自身生產(chǎn)技術(shù)、工藝習(xí)慣及設(shè)備條件設(shè)計(jì)出一套完整、具實(shí)用價(jià)值的生產(chǎn)方法。

下面按過去和現(xiàn)在的船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)及施工技術(shù)對(duì)比，介紹數(shù)字化仿真技術(shù)的應(yīng)用情況及實(shí)現(xiàn)的價(jià)值：

（1）型線及外殼板放樣

（2）結(jié)構(gòu)零件放樣及加工

（3）分段裝配圖

（4）綜合放樣

在未使用數(shù)字化船舶建造仿真技術(shù)之前，船體結(jié)構(gòu)的建造以船臺(tái)正裝、散裝為主，就算采用分段建造形式，也僅限邊水艙以獨(dú)立分段建造，分段合攏方案主要依靠施工經(jīng)驗(yàn)。零件的拼裝依靠詳細(xì)設(shè)計(jì)平面圖紙，因此需要通過文字描述零件的安裝位置和安裝工藝。零件余量及合攏縫余量未經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算，加放量比較大。由于建造精度未得到嚴(yán)格控制，返工情況比較多。這種施工方式會(huì)消耗大量的工時(shí)，浪費(fèi)材料較多，導(dǎo)致增加建造成本。針對(duì)以上問題，我們現(xiàn)在使用新技術(shù)手段進(jìn)行優(yōu)化，具體措施如下：

（1）在結(jié)構(gòu)零件放樣時(shí)取消全部內(nèi)部構(gòu)件余量，而把三維建模做到最仔細(xì)，僅限在外板及主甲板分段合攏處增設(shè)余量，而且小于50mm?？v向零件尺寸按比例增設(shè)焊接收縮補(bǔ)償量，曲面結(jié)構(gòu)需要計(jì)算彎曲伸張量，按伸張量安排補(bǔ)償量加放位置，嚴(yán)格控制外板余量的加放，主要為取消一部分外板的縱向接縫余量。胎架按反變形理論設(shè)計(jì)。

（2）盡可能把所有零件使用數(shù)控機(jī)切割，這樣可使零件尺寸和仿真模型一致。套料過程在計(jì)算機(jī)里完成，利用人機(jī)結(jié)合方式優(yōu)化套料過程，保證材料利用率達(dá)到理想目標(biāo)。

（3）從套料圖、零件加工圖到分段裝配圖使用同一套完整的零件編碼，零件名稱編采用數(shù)字化編制，能表達(dá)零件的裝配位置及工藝。而這些編碼是人工設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成。零件裝配編碼原則文件里，零件名命名方式為：項(xiàng)目號(hào)-分段號(hào)-結(jié)構(gòu)平面號(hào)-拼裝順序號(hào)-工藝要求號(hào)，使工人安裝思路清晰，材料分類堆放次序分明，提高堆場面積利用率，從而增加加工裝配場地并提高裝配效率。

（4）分段劃分過程使用電腦模型進(jìn)行三維可視化劃分，根據(jù)船臺(tái)起重能力及空間大小合理設(shè)計(jì)分段的重量重心，并進(jìn)行合攏過程模擬，對(duì)分段合攏過程分析做到最精確，提高分段建造的安全性。分段裝配一改以往平面圖形顯示形式，采用半立體圖形顯示，結(jié)合數(shù)字化編碼運(yùn)用，一般均可滿足施工要求，只有在精細(xì)結(jié)構(gòu)裝配才會(huì)再拆分成平面圖形。

（5）以分段設(shè)計(jì)船體結(jié)構(gòu)并制作分段電腦模型另一個(gè)重要作用是為舾裝、管路、電氣綜合放樣作基礎(chǔ)平臺(tái)，使管路零件走向、電纜走向及其他設(shè)備附件綜合顯現(xiàn)在船體分段模型上，從而很直觀顯示布置效果，防止以往施工中相互矛盾及位置重疊等現(xiàn)象。

圖4為按分段設(shè)計(jì)的生產(chǎn)圖紙。

圖4 56米海供船升高甲板分片裝配圖

以往我廠的舾裝、管路及電纜是各專業(yè)生產(chǎn)車間根據(jù)原理圖和布置圖在船臺(tái)直接進(jìn)行其具體布置設(shè)計(jì)和零件放樣，導(dǎo)致各專業(yè)同時(shí)放樣會(huì)出現(xiàn)相互干涉情況較多，返工次數(shù)增加。為改善這些不良現(xiàn)象，我廠決定研發(fā)綜合放樣技術(shù)，讓各專業(yè)技術(shù)人員使用同一個(gè)數(shù)字化建造仿真系統(tǒng)，合理制定工作流程和區(qū)域劃分，在電腦里完整繪制舾裝立體圖、完整的管路系統(tǒng)、電纜托架圖及電纜走向圖。在船體結(jié)構(gòu)模型繪制完畢并且部分分段開始建造的時(shí)候其他專業(yè)可開始進(jìn)行布置和放樣，在設(shè)計(jì)時(shí)期進(jìn)行多次有必要的個(gè)專業(yè)零件布置協(xié)調(diào)會(huì)議，確保艙內(nèi)空間利用率最大化。數(shù)字化船舶建造仿真技術(shù)能極大減少管子余量、活動(dòng)管數(shù)目、電纜材料浪費(fèi)、艙室裝修的影響及各種施工耗時(shí)。另外，使用此技術(shù)繪制的起錨機(jī)、拖纜機(jī)、收纜機(jī)等舾裝設(shè)備的安裝示意圖均以立體形式顯示，能使安裝步驟方法更為清晰，從而提高安裝速度。

3.3 生產(chǎn)進(jìn)度及材料成本優(yōu)化

經(jīng)過數(shù)字化船舶建造仿真技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)后，圖紙的速度和質(zhì)量得到一定提高并且通過減少結(jié)構(gòu)余量，提高鋼料利用率，減少返工數(shù)量及電算化材料配額清單節(jié)省成本。響應(yīng)“數(shù)字化造船”和“綠色造船”兩大主題。通過56米海供船的母型船（其母型船未使用數(shù)字化技術(shù)生產(chǎn)）建造進(jìn)度和材料用量對(duì)比總結(jié)，56米海供船在勞動(dòng)力投入、建造工時(shí)、能耗及材料用量上共節(jié)省成本約15%。

4 數(shù)字化造船對(duì)安全生產(chǎn)的效應(yīng)

數(shù)字化船舶建造系統(tǒng)由于能得到精確的全船各分段重量、重心位置數(shù)據(jù)，從而可以根據(jù)船廠起重設(shè)備布置、起重工藝技術(shù)的特點(diǎn)優(yōu)化分段設(shè)計(jì)、指導(dǎo)吊裝作業(yè)，大大降低吊裝作業(yè)的危險(xiǎn)性。

數(shù)字化船舶建造仿真技術(shù)也為船舶下水計(jì)算提供了更有力的理論依據(jù)，在船舶下水時(shí)，其完工量僅為部分完工，而且各船下水時(shí)重量分布情況也有差異，以至于使用母型船換算法也難以得到足夠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，使用手工計(jì)算對(duì)這種船舶個(gè)分段完工量程度不一、重量分布不規(guī)則的船舶下水過程重量、重心及壓力計(jì)算長期困擾著技術(shù)力量相對(duì)薄弱的中小型船廠。鑒此，使用數(shù)字化船舶建造仿真系統(tǒng)進(jìn)行船舶下水計(jì)算是最佳的技術(shù)手段，這是由于船舶建造仿真系統(tǒng)本身就能按建造進(jìn)度拆分船體分段及局部結(jié)構(gòu)，而且計(jì)算速度快、準(zhǔn)確度高。下水重量、重心及壓力分布計(jì)算數(shù)據(jù)也對(duì)整個(gè)船舶下水安全性分析起關(guān)鍵性作用，從而大大提高船舶下水的安全性。

由于數(shù)字化分段綜合放樣的實(shí)現(xiàn)，為分段舾裝、管路、電纜混合安裝提供基礎(chǔ)條件，大大減少船體結(jié)構(gòu)分段成型后多種專業(yè)項(xiàng)目的交叉作業(yè)量，從而減少生產(chǎn)安全隱患，提高機(jī)、電設(shè)備安裝作業(yè)環(huán)境的安全性。

5 今后設(shè)想

（1）發(fā)展工程現(xiàn)場數(shù)字化系統(tǒng)，把技術(shù)部的三維電腦模型直接作為施工文件直接在工（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）程現(xiàn)場使用，并可在工程現(xiàn)場利用計(jì)算機(jī)即時(shí)查取所需的施工數(shù)據(jù)，減少工程現(xiàn)場交談次數(shù)，并進(jìn)一步縮短生產(chǎn)周期及節(jié)約能源。

（2）組建工程管理信息集成系統(tǒng)（ERP系統(tǒng)），整合倉庫管理、供應(yīng)采購、成本核算、工程管理的數(shù)據(jù)信息庫，逐步實(shí)現(xiàn)船舶生產(chǎn)管理數(shù)字化。

（3）繼續(xù)完善已有的數(shù)字化船舶建造仿真技術(shù)，軟件系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行升級(jí)或改用其他功能更好更適合我廠的軟件系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

以上僅為本廠在實(shí)施數(shù)字化船舶建造仿真技術(shù)過程的簡介，雖然取得一定的成效，但還未完全達(dá)到理想效果，今后仍需按上述的設(shè)想進(jìn)一步深化和完善，使其提升到更高的技術(shù)平臺(tái)。本文僅介紹針對(duì)本廠實(shí)際情況而編制的流程和措施，但愿能為其他中小型船廠提供參考，從而達(dá)到拋磚引玉的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]ShipConstructorSoftwareInc.（SSI）ProductPresentation2008