基于DFMA理念的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王世利，鄭文濤

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

隨著中國(guó)船舶工業(yè)的快速發(fā)展，中國(guó)造船人與國(guó)外公司進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)或外包設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)層面的深層次對(duì)接。通過國(guó)內(nèi)外同型產(chǎn)品的圖紙深入比較，發(fā)現(xiàn)國(guó)外產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)不僅僅體現(xiàn)在空船重量方面，而且體現(xiàn)在其整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中大量應(yīng)用了DFMA（面向制造和裝配的設(shè)計(jì)），而其在降低生產(chǎn)成本、縮短建造周期、提高生產(chǎn)效率方面的作用尤為重要。

1 DFMA的提出

1988年，美國(guó)國(guó)家防御分析研究所完整地提出了并行工程的概念，即并行工程是集成地、并行地設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其相關(guān)過程（包括制造過程和支持過程）的系統(tǒng)方法。DFMA是并行工程關(guān)鍵技術(shù)的重要組成部分，應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)、制造、裝配、檢測(cè)、維護(hù)、報(bào)廢處理等各個(gè)階段[1]。主要工具有： DFA（面向裝配的設(shè)計(jì)）、DFM（面向制造的設(shè)計(jì)）、DFS（面向維護(hù)的設(shè)計(jì)）和DFE（面向環(huán)境的設(shè)計(jì)）四大模塊。

目前應(yīng)用較多的是機(jī)械領(lǐng)域的DFA（面向裝配的設(shè)計(jì)）和DFM（面向制造的設(shè)計(jì)），使機(jī)械產(chǎn)品在設(shè)計(jì)的早期階段就解決了可裝配性和可制造性問題。DFA是一種針對(duì)裝配環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧的設(shè)計(jì)思想和方法，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中利用各種技術(shù)手段如分析、評(píng)價(jià)、規(guī)劃、仿真等充分考慮產(chǎn)品的裝配環(huán)節(jié)以及與其相關(guān)的各種因素的影響，在滿足產(chǎn)品性能與功能條件下改進(jìn)產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是可以裝配的，并盡可能降低裝配成本和產(chǎn)品成本。其優(yōu)點(diǎn)主要是減少零件數(shù)、改進(jìn)裝配性能、降低產(chǎn)品成本等。DFM則指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段考慮與制造有關(guān)的約束，指導(dǎo)設(shè)計(jì)師進(jìn)行同一零件的不同材料和工藝的選擇，對(duì)不同制造方案進(jìn)行時(shí)間和成本的快速定量估計(jì)，全面比較和評(píng)價(jià)各種設(shè)計(jì)與工藝方案，并確定一種最優(yōu)方案。

應(yīng)用DFMA，設(shè)計(jì)師可以在設(shè)計(jì)的每一個(gè)階段獲得選擇材料、工藝以及零部件成本分析等設(shè)計(jì)信息。它是一種全新的更加簡(jiǎn)單，更為有效的產(chǎn)品開發(fā)方法，為降低生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高企業(yè)效益提供了一條可行之路。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 頂邊艙

圖1、2分別為國(guó)內(nèi)、外船廠建造的17.6萬t、18萬t好望角型散貨船頂邊艙結(jié)構(gòu)。2艘船的載重噸位十分接近，具有較強(qiáng)的可比性。經(jīng)頂邊艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行比對(duì)，國(guó)外建造的18萬t船具有以下10處較明顯的優(yōu)點(diǎn)：

1) 斜板T排根數(shù)過多，不便于肋板拉入工藝的實(shí)施，采取拉入孔和插入孔相結(jié)合的變通方式，實(shí)現(xiàn)了肋板整體拉入，同時(shí)減少了一條焊縫；

2) 斜板與外板角接采用了折邊形式，方便了分段總組，同時(shí)減少了零件數(shù)量；

3) 斜板 T排和甲板扁鋼之間的連接筋板優(yōu)化為單邊削斜，甚至可以做到兩頭均削斜，減少了12個(gè)接頭，裝配和焊接操作均明顯改善；

4) 內(nèi)孔上的 T型加工面板優(yōu)化到無需加工，且僅需單面安裝的筋板。L3的結(jié)構(gòu)形式方便了裝配和焊接，同時(shí)減少了加工工作量；

圖1 17.6 萬t好望角型散貨船頂邊艙結(jié)構(gòu)

圖2 18萬t好望角型散貨船頂邊艙結(jié)構(gòu)

5) 取消靠舷側(cè)的肋板角接面板，減少了零件數(shù)量，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)；

6) 肋板整體加強(qiáng)形式優(yōu)化，加強(qiáng)筋種類由 9種壓縮為4種。加強(qiáng)筋和加強(qiáng)肘板由46塊減少為34塊；

7) 通過加厚外側(cè)肘板，統(tǒng)一肋板板厚減少板縫，優(yōu)化排板，拼板長(zhǎng)度減少了40%；

8) 肋板角焊縫焊腳設(shè)計(jì)偏大，可以普遍下調(diào)1mm，減少了焊接工作量；

9) 減少冗余設(shè)計(jì)，靠甲板側(cè)的補(bǔ)板由12塊減少為3塊，靠舷側(cè)的補(bǔ)板由5塊減少為3塊，靠斜板側(cè)的4個(gè)肋板拉入式貫穿孔改為插入式，且不增加補(bǔ)板；

10) 壓縮斜板T排種類，采用大規(guī)格、大間距的設(shè)計(jì)方法，結(jié)果T排由22根減少為18根，貫穿孔、補(bǔ)板和連接筋板均相應(yīng)減少。

2.2 槽型

槽型艙壁的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)船的單片槽型由上中下3塊不同規(guī)格的零件拼成，而國(guó)外多為一個(gè)零件，整體加工。這種設(shè)計(jì)方法，不但減少了切割作業(yè)，降低了加工難度，而且取消了拼板作業(yè)，更促進(jìn)了先進(jìn)焊接方法的推行。因?yàn)閱纹庸さ木让黠@優(yōu)于3拼板后再加工的精度，在片體對(duì)接的時(shí)候，就可以采用先進(jìn)的FAB（玻璃纖維埋弧自動(dòng)單面焊）焊接方法來取代雙面埋弧焊，焊接效率可提高一倍。

2.3 雙層底壓載艙流水孔

為滿足壓載艙排水，17.6萬t船需要加開的流水孔數(shù)量是18萬t船的2～3倍，不但增加了切割和打磨工作量，而且由于開孔過多，又要增加很多補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，即便如此，這些流水孔部位也是最為容易腐蝕的地方，違背推行 PSPC（壓載艙涂層性能標(biāo)準(zhǔn)）的初衷。而18萬t船通過吸口的優(yōu)化處理，成功地避免了這些問題。

2.4 犧牲陽(yáng)極

圖3所示的2種犧牲陽(yáng)極形式，A可以在分段涂裝前完整安裝，B在分段涂裝前僅能安裝馬板，而且由于鋅塊在涂裝后安裝，馬板間距的差錯(cuò)很難發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致油漆反復(fù)破壞。另外，較之于將大量鋅塊布置在T排復(fù)板上的傳統(tǒng)做法，將鋅塊布置到肋板上，可大大方便鋅塊安裝，而且有利于在部件階段便裝焊完畢。

可以看出，詳細(xì)設(shè)計(jì)在各個(gè)區(qū)域都存在著大量的可優(yōu)化項(xiàng)目。應(yīng)用 DFMA理論優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不但能夠改善生產(chǎn)性，促進(jìn)先進(jìn)工藝的實(shí)施，推動(dòng)工序前移，而且其最終空船重量指標(biāo)仍然是領(lǐng)先的。結(jié)合船體結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)的工作特點(diǎn)，DFMA理論無論是在總體結(jié)構(gòu)布置上，還是局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)用上，抑或具體的細(xì)節(jié)上都有強(qiáng)大的生命力，粗略總結(jié)有如下幾點(diǎn)：

1) 減少鋼板種類和板規(guī)數(shù)。鋼板種類通常10萬噸級(jí)油輪50種左右，30萬噸級(jí)油船和17萬噸級(jí)散貨船100種左右。通過對(duì)典型結(jié)構(gòu)的預(yù)套料可有效控制板規(guī)數(shù)；

圖3 螺栓式和焊接式犧牲陽(yáng)極

2) 減少結(jié)構(gòu)零件的種類，特別是T排規(guī)格和加強(qiáng)筋的種類不宜過多，補(bǔ)板和肘板規(guī)格盡量統(tǒng)一；

3) 減少結(jié)構(gòu)零件數(shù)量。在滿足工場(chǎng)能力的情況下，盡量使用大板，并選擇跨距、肋距較大的骨架形式[2]。對(duì)于大型船舶，可以考慮把機(jī)艙舷側(cè)外板結(jié)構(gòu)由橫骨架式優(yōu)化為縱骨架式，把原來每一個(gè)肋位都設(shè)置的小組立轉(zhuǎn)變?yōu)?～5檔肋位設(shè)置一個(gè)，從而大幅減少零件及小組立數(shù)量；

4) 分段劃分產(chǎn)生后，詳細(xì)設(shè)計(jì)應(yīng)主動(dòng)修改結(jié)構(gòu)形式，消除無謂的結(jié)構(gòu)切斷所導(dǎo)致的大量貼附件。減少內(nèi)外殼平直段橫向焊縫，便于流水線高效作業(yè)；

5) 減少組合件，盡量應(yīng)用槽型艙壁、壓筋板和折邊肘板。能夠利用型鋼，就盡量不要采用組合T排。

6) 減少流水孔、透氣孔、角隅孔；

7) 減輕結(jié)構(gòu)重量；

8) 減少焊接長(zhǎng)度；

9) 減少零件加工數(shù)量。主要是優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，減少面板加工，盡量取消人孔箍；

10) 選擇易于裝配、易于焊接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。例如艏艉狹小區(qū)域盡量采用敞開的結(jié)構(gòu)型式；舭龍骨分段間斷開；筋板端頭盡量S型削斜處理；盡量避免T型面板結(jié)構(gòu)等等。

3 生產(chǎn)設(shè)計(jì)

3.1 擴(kuò)大中組

圖 4所示為散貨船雙層底分段的縱桁中組擴(kuò)大，原始方案為肋板不與縱桁中組，單塊分別拉入后，再插入縱桁片體。由于該方案缺少系統(tǒng)的DFMA分析，造成了實(shí)際上的諸多不便，主要有以下幾個(gè)方面：

1) 肋板分別拉入，導(dǎo)致縱桁上面的角鋼被切斷為 27根，采用預(yù)先中組工藝后，角鋼無需斷開，可以合并為6根（長(zhǎng)度限制12m）；

2) 縱桁上面的角鋼連續(xù)后，可以參與總縱強(qiáng)度計(jì)算。調(diào)低板厚，有效減輕結(jié)構(gòu)重量。

3) 肋板分別拉入后，兩側(cè)均為立角焊，而且工人要鉆到一個(gè)個(gè)格子中施工，極為不便。預(yù)先中組可在完全敞開的環(huán)境下，對(duì)一條邊進(jìn)行平角焊。施工環(huán)境改善，焊接難度降低，施工效率至少提高 2倍。

4) 預(yù)先中組后，物量顯著前移。大型中組時(shí)的吊裝效率提高數(shù)倍，焊接工作量也減少了 1/4，施工周期可以壓縮1/3左右，有效地提高關(guān)鍵工位的產(chǎn)能，消除瓶頸。

圖4 雙層底縱桁中組

3.2 與生產(chǎn)匹配的DAP

DAP（詳細(xì)組立要領(lǐng)）規(guī)劃了適合生產(chǎn)流程和業(yè)務(wù)流程的以船體結(jié)構(gòu)為載體，基于產(chǎn)品導(dǎo)向型的工程分解和組合[3]。DAP是以分段劃分為基礎(chǔ)，對(duì)分段結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)合公司生產(chǎn)能力和場(chǎng)地設(shè)備，建立每一個(gè)分段從小組立、中組立到大組立 3個(gè)階段所有零件、部件、組件的裝配關(guān)系，DAP是船體結(jié)構(gòu)和裝配工藝的綜合反映。

圖5所示的管弄優(yōu)化設(shè)計(jì)與DAP密切相關(guān)，設(shè)計(jì)初始方案為內(nèi)底和外板的扁鋼都在主板上安裝，基于方便片段翻身扣到外板上的考慮，對(duì)外板扁鋼的貫穿孔進(jìn)行加寬處理，同時(shí)增加補(bǔ)板進(jìn)行加強(qiáng)。而實(shí)際狀況卻是內(nèi)外底板的扁鋼都不適合在平直流水線前道安裝，由于缺少縱向結(jié)構(gòu)20m長(zhǎng)的管弄，必須進(jìn)行縱向加強(qiáng)。如將內(nèi)外底板的扁鋼調(diào)整到管弄中組階段安裝，外板扁鋼的貫穿孔也可以與內(nèi)底一樣，無需加寬，同時(shí)可取消全船 1200塊補(bǔ)板。扁鋼與貫穿孔的焊接原本要在格子里進(jìn)行立腳焊，優(yōu)化后則是在敞開的空間里進(jìn)行平角焊。20m長(zhǎng)的狹長(zhǎng)扁鋼也需要一分為二進(jìn)行優(yōu)化，這樣可有效降低運(yùn)輸和裝配的難度。

3.3 曲型T排制作

船舶艏艉區(qū)域有大量的曲型T排，常規(guī)的做法是腹板數(shù)控切割，面板板條切割，人工組對(duì)焊接后，再根據(jù)逆直線矯正。既然直線T排和曲型T排，焊接完成后都需要矯正，那么曲型T排轉(zhuǎn)成直線T排制作，可以直接采用板條切割，無需配置數(shù)控切割機(jī)，而切割效率卻提高5倍以上，鋼材利用率也可以提高約10%。而直線T排通常都是流水線制作，裝焊效率要高于手工T排數(shù)倍，而且焊接后產(chǎn)生的變形更加接近于實(shí)際要求的曲型，矯正工作量也相應(yīng)減少。

圖5 管弄優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.4 自然坡口

圖 6所示的自然坡口現(xiàn)象大量存在于船體結(jié)構(gòu)裝配中，如果不進(jìn)行修正，必然導(dǎo)致焊接工作量激增，施工效率、焊接質(zhì)量和精度都會(huì)受到影響。長(zhǎng)期以來，比較重視主體結(jié)構(gòu)的自然坡口修正，只要開口間隙大于3mm，就要進(jìn)行修正。但是，實(shí)際上無論是主體結(jié)構(gòu)，還是肋板、筋板和肘板等次要結(jié)構(gòu)，只要存在裝配角度，就會(huì)產(chǎn)生裝配間隙，而且后者數(shù)量還很大，仍然要進(jìn)行修正的。

圖6 自然坡口

生產(chǎn)設(shè)計(jì)本身就是面向生產(chǎn)過程的設(shè)計(jì)，注重于提高建造的可施工性與方便性，以獲得低施工成本、高建造效率。從小到套料時(shí)引割點(diǎn)和過橋的加放，大到分段和總段建造工藝的設(shè)計(jì)，能夠應(yīng)用到DFMA理論的業(yè)務(wù)點(diǎn)是相當(dāng)多的?？偟膩碚f，船體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)可以按業(yè)務(wù)性質(zhì)劃分為鋼材、套料、加工、結(jié)構(gòu)、裝配、焊接和精度七個(gè)方面（吊裝、腳手和密性設(shè)計(jì)歸屬于工法設(shè)計(jì)范疇），每個(gè)方面都蘊(yùn)含著大量的業(yè)務(wù)點(diǎn)，如果沒有正確的DFMA理論作為指導(dǎo)，則往往會(huì)顧此失彼。以鋼板為例，過分地強(qiáng)調(diào)分道，往往導(dǎo)致鋼板數(shù)量激增，采購(gòu)成本、鋼配成本和預(yù)處理成本都要增加，而且鋼板利用率也會(huì)有所降低。再以船舶建造過程中都要用到的工藝孔為例，同船型國(guó)內(nèi)某船廠比韓國(guó)船廠少開了50%的工藝孔，看似減少了工作量，實(shí)際上大大降低了生產(chǎn)效率。

4 結(jié) 語

DFMA提供的設(shè)計(jì)理念與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念有本質(zhì)的區(qū)別，DFMA將設(shè)計(jì)、工藝和制造等相關(guān)部門聯(lián)系在一起，貫穿于基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)的全過程。工藝、制造相關(guān)人員在設(shè)計(jì)各階段，對(duì)設(shè)計(jì)方案的可裝配性、可制造性和成本進(jìn)行估計(jì)，以成本為核心對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

在過去20年里，DFMA已經(jīng)變成改善成本、品質(zhì)和周期時(shí)間的通用方法。通過多年的轉(zhuǎn)模工作，已經(jīng)基本建立了適應(yīng)現(xiàn)代造船的設(shè)計(jì)模式，遵循按區(qū)域設(shè)計(jì)、以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向按階段出圖設(shè)計(jì)、殼舾涂一體化設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)、工藝、管理一體化設(shè)計(jì)[4]。但與國(guó)外先進(jìn)船廠在設(shè)計(jì)方面的差距還是相當(dāng)大的，而DFMA則是減少這一差距的強(qiáng)有力的工具。

[1] 詹友剛. DFMA面向制造與裝配的設(shè)計(jì)——并行工程的核心技術(shù)[J]. CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2001, (6).

[2] 胡在超. DFMA在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 廣船科技.2009, (1).

[3] 高愛華，劉建峰，馬登哲. 基于DAP和WSD的現(xiàn)代造船工法策劃研究[J]. 上海造船. 2007, (1).

[4] 高介祜，郁照榮. 現(xiàn)代造船模式概論[M].