溫度場變化對船塢搭載精度控制的影響研究

楊 振，劉建峰

（1. 江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003；2. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

造船精度控制是船舶制造過程中一項十分重要的工作，貫穿于船舶制造的全過程[1]。數(shù)字化船塢系統(tǒng)概念的引入，能有效提高定位精度和龍門吊使用效率，縮短船塢周期。

數(shù)字化船塢系統(tǒng)是在全站儀已廣泛運(yùn)用于船塢地樣線開設(shè)、船體分段定位等工作的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，即通過豎立在船塢四周的基準(zhǔn)標(biāo)靶表示傳統(tǒng)船塢中的船體中心線、肋位線和高度基準(zhǔn)線，形成統(tǒng)一的船塢坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖1所示。應(yīng)用Marine G2軟件（船體精度分析軟件）系統(tǒng)，建立DES（坐標(biāo)轉(zhuǎn)換）文件，以建立自然溫度場對分段、總段定位間隙影響的數(shù)學(xué)模型為前提，以建立分段定位最優(yōu)方案的決策方法為目標(biāo)，通過充分利用現(xiàn)有的軟件系統(tǒng)Tribon M3和Marine G2等，將傳統(tǒng)的船塢搭載定位作業(yè)通過電腦預(yù)先進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)取消船塢格子線，實(shí)現(xiàn)分段快速、無余量搭載，一次定位，從而達(dá)到節(jié)省工時，提高龍門吊使用效率，縮短船塢周期的目的。

圖1 數(shù)字化船塢測量系統(tǒng)

隨著鋼材加工、船體裝配和焊接精度的不斷提高，裝配施工因素對船體分段精度的影響所占比重在逐步下降，而環(huán)境溫度對船舶分段變形的影響變得越來越重要。由于季節(jié)性溫差變化，甚至是同一天不同時段的溫度變化導(dǎo)致的分段不均勻受熱變形，造成作業(yè)現(xiàn)場大量修割或反復(fù)定位，給現(xiàn)場作業(yè)帶來了極大的困擾。因此，對環(huán)境溫度導(dǎo)致的船體分段變形的分析自然成為推進(jìn)數(shù)字化船塢應(yīng)用過程中一個不可避免的課題。

1 溫度變化致分段變形的理論分析

船廠施工條件惡劣，大多數(shù)作業(yè)為露天作業(yè)，工件所處的環(huán)境溫度升降幅度較車間大。在夏季日曬的條件下，船體受曬局部溫度升高將加劇溫度場不均勻的程度，船體或分段受曬的一面較未受曬的一面溫度可能高出30℃以上，其熱變形引起的幾何量的變化有時甚至大于按一維熱變形計算的數(shù)值[2]。

工件形體熱變形的影響因素極其復(fù)雜[3]，其變形量Δ不僅與尺寸L、材料的線膨脹系數(shù)C、環(huán)境溫度T有關(guān)，而且與形體結(jié)構(gòu)因子k[取決于幾何參數(shù)，即 k = f( X1, X2,… ,Xn)]有關(guān)，其數(shù)學(xué)模型為：

常用的溫度變化引起的工件熱變形計算公式：

式中：LΔ——熱變形量，L——實(shí)物長度，C——熱膨脹系數(shù)，1T——升高后溫度，0T——原始溫度。公式（2）沒有考慮工件的形體結(jié)構(gòu)因子的影響，用簡單的標(biāo)準(zhǔn)件計算公式作為各種形體工件熱變形計算的數(shù)學(xué)模型。在簡單的一維熱變形和測量精度要求一般的情況下，按公式（2）計算不會造成顯著影響，但對高精度如納米級精度測量或高精度誤差修正時，其影響不能忽略，必須引入形體熱變形系數(shù)概念，且要進(jìn)行深入的研究[4]。

數(shù)字化船塢旋轉(zhuǎn)標(biāo)靶由φ210mm×10mm×1800mm的均質(zhì)圓鋼管構(gòu)成，可以把旋轉(zhuǎn)標(biāo)靶看作一維細(xì)長桿標(biāo)準(zhǔn)件。在夏日，即使氣溫與鋼管溫度相差 30℃，根據(jù)理論公式（2）計算其熱變形為：ΔL =1800×11.5×0.000001×30=0.6(mm)，對船體精度影響可以忽略不計。然而，對于長度為20m的船體總段而言，根據(jù)理論公式（2）計算其變形 ΔL=40000×11.5×0.000001×30=6.90(mm)，對船體定位會造成顯著影響。

船體分段結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且種類繁多，其熱變形不僅受相鄰結(jié)構(gòu)件的約束，而且由于船體分段本身遮蔽作用的影響，其處在一個不均勻且時刻變化的溫度場里。因此，船體分段的熱變形研究極其復(fù)雜。由于船體分段結(jié)構(gòu)的特殊性，公式（2）僅能做參考使用。

2 溫度變化致典型總段變形的實(shí)測分析

在同一時刻，外界大氣溫度在同一局部地區(qū)是相同的，而由于露天環(huán)境下船體分段受陽光照射或被遮蔽的影響，會使船體分段鋼板隨溫度變化，產(chǎn)生較大的變形；在室內(nèi)作業(yè)中心或分段加工廠房內(nèi)，由于沒有日照，可認(rèn)為船體分段處于相同的溫度場，水平度、長度及寬度是不會發(fā)生變化的。其在廠房內(nèi)測得的數(shù)據(jù)可作為在外場受陽光照射時測得數(shù)據(jù)的比較基準(zhǔn)；

基于以上準(zhǔn)則，在夏季對某VLCC船型分段尺寸變化進(jìn)行統(tǒng)計測量，得到如圖2所示變形曲線。

此外，船體分段受陽光照射后，其寬度和垂直度也會發(fā)生變化。選取不同分段進(jìn)行跟蹤測量，得到如圖3所示結(jié)果。

分析測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)：就縱隔艙而言，其長度變化主要影響焊縫間隙，寬度方向發(fā)生最大變化量為15mm，當(dāng)與甲板對接時會發(fā)生嚴(yán)重錯位；舷側(cè)分段同樣存在類似問題，由于日曬會引起外板錯位。

綜合圖2以及統(tǒng)計測量數(shù)據(jù)，可以得出以下基本結(jié)論：

1) 變形情況復(fù)雜，溫度越高，變形量越大；隨著一日內(nèi)氣溫的升高和降低，總體變形曲線近似于二次拋物線；

圖2 夏季分段受陽光照射長度變形

圖3 夏季寬度變形

2) 溫度變化對船體分段變形的影響巨大，變形不僅僅體現(xiàn)在長度方向上，還涉及寬度、水平度以及垂直度，屬立體變形；

3) 夏季，船體分段陽光直射區(qū)最大變形基本均在10mm以上，變形量大于按理論公式（2）的計算值；

4) 船體分段受陽光照射發(fā)生的變形，不僅受陽光照射強(qiáng)度的影響，而且與船體分段本身的結(jié)構(gòu)和船體分段鋼板厚度密切相關(guān)，鋼板越厚、結(jié)構(gòu)件越多，其變形越??；

5) 由于存在受陽光直射面和背陰面，溫度不均，變化量也不同，溫差越大，變形量相差也就越大，對船塢搭載定位、分段間隙調(diào)整影響很大；船體分段變形的復(fù)雜性使其僅能根據(jù)跟蹤統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的預(yù)測。

3 基于溫度場變化的總組和搭載定位作業(yè)

3.1 搭載定位作業(yè)建議

對溫度變化而導(dǎo)致船體分段變形的研究和預(yù)測是精益造船發(fā)展的趨勢，然而，目前有關(guān)的研究還很少。本文對分段實(shí)測和定位提出以下建議，該建議具有普遍適用性，但不同類型分段的尺寸變化和定位間隙因地區(qū)不同日照不同，需區(qū)別對待。

3.1.1 測量時間

1) 分段測量工作應(yīng)選相同的時間段或相近的溫度場進(jìn)行（包括焊前精度、焊后精度的測量，自檢與復(fù)檢，前道與后道測量時間也應(yīng)統(tǒng)一），盡量選擇在接近標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃時測量，減少因溫度差異而導(dǎo)致的變形差異（假斷差），從而引起測量誤差；

2) 船塢定位、檢測應(yīng)選擇在溫差變化較小的時間進(jìn)行，夏季（6～9月）因日照量發(fā)生的變化很大，變形一般在10：00～15：00達(dá)到臨界點(diǎn)，出現(xiàn)突變，所以應(yīng)盡可能在10：00～15：00之間避免測量作業(yè)。春秋季和冬季影響不是很大，但臨界點(diǎn)一般也出現(xiàn)在10：00及15：00。因此晴天一般選擇在清晨進(jìn)行船臺定位、檢測作業(yè)，而陰天則限制不大；

3) 模擬搭載基準(zhǔn)分段和搭載分段測量時間盡量統(tǒng)一，避免因變形差異而導(dǎo)致的模擬差異。如因船廠實(shí)際生產(chǎn)需要，需在高溫或低溫階段進(jìn)行測量工作，那么搭載定位、焊接作業(yè)的時間段與作業(yè)環(huán)境溫度與測量工作時相同；

4) 全船主尺寸測量時，可根據(jù)端面定位數(shù)據(jù)掌握全船大概尺寸狀況，靈活選擇時間段進(jìn)行測量，提交船東報檢。

3.1.2 組立階段

1) 分段測量時，要結(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)相互間的差異，為后道提供一份相對準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。測量時，陰面與陽面出現(xiàn)斷差，可結(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)，折算到20℃標(biāo)準(zhǔn)溫度狀態(tài)下，此時陽面、陰面出現(xiàn)的斷差可認(rèn)為是由于日曬引起的“假斷差”，可結(jié)合后道給予適當(dāng)處理；

2) 在室內(nèi)作業(yè)中心或分段加工廠房內(nèi)做的分段，要考慮到在平臺、船塢進(jìn)行總組和搭載的時間安排，分段本體陽面和陰面要根據(jù)總組和搭載計劃并結(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)維持負(fù)公差；

3) 由于前道做的分段需要較長時間才能流到后道，因此，要考慮一年四季的溫差變化（夏季溫差變化很大，要特別注意），并結(jié)合總組搭載計劃，預(yù)留反變形進(jìn)行分段的精度控制。

3.1.3 搭載定位階段

1) 對于單個船體分段而言，若船體分段斷面不齊（測量階段），要考慮陰、陽面溫差的影響，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步考慮利用分段陽面與陰面的變形差異進(jìn)行補(bǔ)償，而不用進(jìn)行分段斷面的修割（定位階段）；

2) 船塢定位工作要綜合考慮日照、焊接計劃以及分段端面情況，應(yīng)把分段預(yù)修整后的各項幾何量與定位時間、天氣狀況及溫度變化等聯(lián)系起來，經(jīng)分析后反饋到船塢，作為船塢分段定位時間選擇、分段間幾何關(guān)系確定的依據(jù)；

3) 焊接作業(yè)參考定位作業(yè)時間來安排，避免在溫差影響較大時施工；

4) 定位作業(yè)時，焊接間隙的控制要考慮溫度變化的影響，適當(dāng)加放或縮小焊接間隙。

更規(guī)范的做法是運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計方法，結(jié)合分段總組和船塢搭載焊接計劃，將全年分為三個時間段：春秋季（3～4月、10～11月）、夏季（5～9月）以及冬季（12～2月），給出基于溫度變化的分段搭載定位作業(yè)間隙指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)（如表 1所示），表中分段定位間隙均以背陰面為基準(zhǔn)面，“-”表示間隙縮小，“+”表示間隙加大。

表1 分段尺寸變化及定位建議

續(xù) 表 1

3.2 搭載定位作業(yè)示例

圖4所示的1～7號點(diǎn)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，經(jīng)分析后可知：實(shí)際狀態(tài)比理論數(shù)據(jù)分別短了7、2、0、4、1、-1、5 (mm)，與其對接的雙層底6環(huán)端面1a～7a號點(diǎn)（如圖5所示）分別比理論數(shù)據(jù)長5、4、0、4、2、0、14 (mm)。在不考慮溫度場影響的情況下，定位時保證基準(zhǔn)點(diǎn)對接縫間隙在6～15mm之間，定為15mm（此時切割打磨工作量最?。ㄎ煌瓿珊?～7號點(diǎn)對接縫間隙分別為17、13、15、15、14、14、6 (mm)。從理論考慮僅1號點(diǎn)間隙稍大，無需切割修正。但實(shí)際操作時，由于日照不均勻，對接的雙層底陽面會比背陰面多膨脹8mm左右，導(dǎo)致對接縫完全碰攏，無法正常施焊，需要二次定位或待溫度下降后進(jìn)行作業(yè)，影響工時。

圖4 雙層底22G總段精度單

圖5 雙層底船塢6環(huán)端面精度單

在考慮溫度場影響的情況下，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在總段定位前6環(huán)端面陽面與7環(huán)總段陽面可進(jìn)行預(yù)修割，本體維持-8mm管理，待焊接時，由于陽面和陰面受溫度影響不同，陽面尺寸補(bǔ)償在8mm左右，背陰面間隙按6~15mm的標(biāo)準(zhǔn)正常加放，由此可保證按照焊接計劃正常施焊，節(jié)省船塢工時，并可避免受溫度變化導(dǎo)致分段不均勻變形的影響。

更為重要的是建立分段變形的預(yù)報機(jī)制。即根據(jù)統(tǒng)計的變形結(jié)果，預(yù)測第二天搭載定位或焊接時的變形量，對分段進(jìn)行預(yù)修割，減少船塢打磨修割工作，提高精度管理水平。

4 結(jié) 語

基于數(shù)字化船塢系統(tǒng)對溫度變化導(dǎo)致的船體分段變形進(jìn)行研究，給出了基于溫度變化的總組和搭載定位作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和建議。借此希望擺脫以往定位精度受溫度影響的被動局面，更可以對溫度影響進(jìn)行主動管理，主動控制定位精度，從而最大程度提高原始坡口保留率，提高船塢搭載效率，降低生產(chǎn)成本。

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