計(jì)算機(jī)輔助船舶制造技術(shù)研究

宋褔高 蘇琳芳

摘 要 本文針對(duì)某起重船的設(shè)計(jì)與制造，闡述計(jì)算機(jī)輔助船舶制造技術(shù)在現(xiàn)代造船業(yè)中，應(yīng)用廣泛，深刻影響造船工業(yè)轉(zhuǎn)換造船模式。

關(guān)鍵詞 起重船 計(jì)算機(jī)輔助制造 詳細(xì)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP393.09 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.10.026

Research on the Technology in Computer-integrated Manufacture

SONG Fugao[1]， SU Linfang[2]

（[1] Dalian Shipbuilding Industry Shipping Research Institute， Dalian， Liaoning 116005；

[2] Dalian Maritime University， Dalian， Liaoning 116026）

Abstract In this paper， focus on the Crane Vessels design and manufacture， described that the technology in computer-integrated manufacture transform the shipbuilding industry today.

Keywords crane vessel； CAD； detail design

船舶作為水上建筑物，系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)含量高且使用周期長(zhǎng)。如何利用計(jì)算機(jī)輔助船舶制造技術(shù)，完成船舶穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度等校核，并在總體設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，即總布置設(shè)計(jì)、型線設(shè)計(jì)、各項(xiàng)性能計(jì)算，逐步細(xì)化模型，完成生產(chǎn)設(shè)計(jì)以及船舶制造，是由計(jì)算機(jī)輔助船舶制造技術(shù)融合了現(xiàn)代造船模式的先進(jìn)理念所決定的，即用信息化手段支持“協(xié)同創(chuàng)新、精益制造”。其內(nèi)涵包括兩個(gè)方面。首先，利用數(shù)字化建模技術(shù)搭建計(jì)算機(jī)輔助船舶制造方案的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)精益制造。其次，針對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工工藝以及船舶生命周期管理而構(gòu)建的數(shù)字化造船管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新?，F(xiàn)以某起重船的制造為例，充分說(shuō)明計(jì)算機(jī)輔助船舶制造技術(shù)對(duì)促進(jìn)造船工業(yè)轉(zhuǎn)換造船模式，提高企業(yè)整體素質(zhì)和競(jìng)爭(zhēng)力，贏得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)具有重大意義。

該起重船主尺度如下：

型長(zhǎng)：89.8m

型寬：31.0m

設(shè)計(jì)吃水：3.2m

垂線間長(zhǎng)：88m

型深：6.6m

排水體積：7408.2米3

首先，利用計(jì)算機(jī)輔助船舶制造工具之一——Maxsurf軟件，針對(duì)該起重船的基本設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行數(shù)字化建模并完成穩(wěn)性校核。數(shù)字化建模主要負(fù)責(zé)建立各種制造資源的數(shù)字化模型。其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型包括：產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)代碼、資源數(shù)據(jù)、計(jì)劃數(shù)據(jù)、其他基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于Maxsurf軟件，利用B樣條曲面和非均勻有理B樣條曲面，基于數(shù)學(xué)公式形式，進(jìn)行型線描述及設(shè)計(jì)；在保持很好的計(jì)算穩(wěn)定性的前提下，來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)雜的船體外形，通過(guò)反復(fù)迭代，逐步得到最終可靠的結(jié)果，即采用優(yōu)秀的船體型線提高船舶的快速性，所以采用該軟件進(jìn)行型線設(shè)計(jì)，完成數(shù)字化建模，并進(jìn)行穩(wěn)性校核。線型如圖1。

為表達(dá)船舶在正浮狀態(tài)下的浮態(tài)和穩(wěn)性要素隨吃水的變化，完成了完整穩(wěn)性許用重心高度計(jì)算等，按照水線面、縱傾的定義，插值計(jì)算船舶靜水力數(shù)據(jù)，求得不同排水體積或不同吃水及不同橫傾角時(shí)浮力作用線至假定重心的距離，即橫交曲線數(shù)據(jù)，并對(duì)指定進(jìn)水點(diǎn)計(jì)算其進(jìn)水角及甲板入水角。再利用該軟件，根據(jù)《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則》國(guó)際航行船舶法定檢驗(yàn)規(guī)則（1999）中IMOA749（18）號(hào)決議和非國(guó)際航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則（1999）兩部份進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算，數(shù)據(jù)如圖2。

其次，利用計(jì)算機(jī)輔助船舶制造工具之一的Nupas，進(jìn)行結(jié)構(gòu)數(shù)字化建模及生產(chǎn)設(shè)計(jì)。該起重船選用Nupas軟件完成該項(xiàng)工作。生產(chǎn)設(shè)計(jì)是在詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，按建造單位的技術(shù)、設(shè)備、施工工藝及流程、生產(chǎn)管理等情況，設(shè)計(jì)和繪制施工圖紙以及施工工藝和規(guī)程等。其中還包括組裝和管理的要求。生產(chǎn)設(shè)計(jì)的詳細(xì)、完整和深入的程度，直接影響到造船質(zhì)量、建造周期。計(jì)算機(jī)輔助船舶制造非常適應(yīng)現(xiàn)代造船產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由于Nupas軟件能導(dǎo)入基于表面的船體線型數(shù)據(jù)，如Iges，Rhino，Napa，Acis等，內(nèi)置智能的船體結(jié)構(gòu)拓?fù)湓砑肮艿酪?guī)范，統(tǒng)一的邏輯數(shù)據(jù)，友好地用戶界面及三維環(huán)境等，所以將Maxsurf的數(shù)字化型線模型的iges文件導(dǎo)入Nupas軟件中，進(jìn)行數(shù)字化船體三維建模。最終，輸出各種二維、三維格式的圖紙，例如AutoCad，dwg，dxf，pdf等。其中，生產(chǎn)設(shè)計(jì)，從廣義上講，是對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的制定、執(zhí)行、反饋與持續(xù)改進(jìn)起到良好的輔助作用，使整個(gè)生產(chǎn)形成閉環(huán)管理。包括三大系統(tǒng)和二大數(shù)字化共享平臺(tái)：造船生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)、造船物流管理系統(tǒng)、造船MES；造船生產(chǎn)管理門戶平臺(tái)、造船數(shù)字化管理建模平臺(tái)。本文從工藝生產(chǎn)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，介紹相關(guān)技術(shù)應(yīng)用。

起重船項(xiàng)目的數(shù)字建模及生產(chǎn)加工，通過(guò)船體結(jié)構(gòu)、舾裝、輪機(jī)、電氣等四大專業(yè)分工協(xié)作，結(jié)合結(jié)構(gòu)與舾裝放樣、管系放樣、電纜放樣、船體型線放樣、外板和曲型板材展開(kāi)、型材逆彎、線型光順、線型處理、胎架制造、型材切口形式等生產(chǎn)工藝來(lái)完成。首先，創(chuàng)建三維圖紙剖面，建立起重船項(xiàng)目的三維空間主尺度；其次，進(jìn)入各個(gè)圖紙剖面進(jìn)行結(jié)構(gòu)件模型的創(chuàng)建。整個(gè)起重船項(xiàng)目被分割成小分段來(lái)細(xì)化，各個(gè)零件根據(jù)位置、輪廓、實(shí)體尺寸進(jìn)行創(chuàng)建。例如，骨材根據(jù)板厚方向、球頭朝向、端部特征、位置等進(jìn)行創(chuàng)建，并進(jìn)行安裝方向、焊接收縮量的定義。零件定義之后，組裝成部件，部件組裝成分段，完成組裝策略。其中，套料給出零件在鋼板上的排列，切割信息等。一起套料的零件越多，鋼材的利用率越高，據(jù)此對(duì)角鋼、球扁鋼等進(jìn)行套料，計(jì)算其長(zhǎng)度和彎曲的偏移量。再例如胎架設(shè)計(jì)，首先定義胎架高度，支撐分布及根數(shù)，以生成胎架?；蛘叽蜷_(kāi)一塊或幾塊外板板，在板縫上生成支撐，布置支撐的位置和數(shù)量，最終生成胎架。整體自定義的規(guī)則選取型材的末端形式和坡口、凹槽類型，利用開(kāi)孔管理程序進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)上穿管。從三維模型中生成的零件表、材料統(tǒng)計(jì)表、重量重心報(bào)告、焊接報(bào)告和坡口報(bào)告、板材零件的幾何結(jié)構(gòu)和型材加工信息，方便快捷地進(jìn)行套料和切割。通過(guò)工作分解管理程序，自動(dòng)地給大組件、小組件、板架零件編號(hào)，規(guī)劃總裝策略，自動(dòng)完成分段建造工作結(jié)構(gòu)的分解計(jì)劃，生成二維和三維的組裝等生產(chǎn)圖紙（如各種送審圖、結(jié)構(gòu)圖、分段圖、生產(chǎn)圖紙）或草圖。除了圖紙和零件表以外，相關(guān)的數(shù)字化生產(chǎn)信息，如切割加工單、表面處理、焊縫、總重和重心等直接提供給切割機(jī)、彎?rùn)C(jī)和焊機(jī)等數(shù)控生產(chǎn)設(shè)備。設(shè)備直接從三維模型中計(jì)算得出相應(yīng)數(shù)據(jù)，供設(shè)備使用。如圖3。

圖3

總之，在起重船的制造過(guò)程中，計(jì)算機(jī)輔助船舶制造技術(shù)，融合了靜水力計(jì)算程序、穩(wěn)性計(jì)算程序、型線生成程序、船體強(qiáng)度計(jì)算等“流水線”式的程序系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，良好的人機(jī)交互技術(shù)，較好地發(fā)揮了高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)的性能，如速度快、容量高、精度高等，又充分發(fā)揮船舶設(shè)計(jì)者的主觀決斷。最終，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助船舶制造技術(shù)不僅加快了船舶設(shè)計(jì)速度，而且保證了計(jì)算的精度，減少人工重復(fù)勞動(dòng)，從而大大提高了工作效率。船舶工程的技術(shù)日趨復(fù)雜，船舶設(shè)計(jì)與制造的難度也越來(lái)越大，只有更好的使用計(jì)算機(jī)輔助船舶制造技術(shù)，才能在盡可能短的時(shí)間內(nèi)，完成大量復(fù)雜計(jì)算和設(shè)計(jì)，建造出優(yōu)秀的船舶。計(jì)算機(jī)輔助船舶設(shè)計(jì)對(duì)促進(jìn)造船工業(yè)轉(zhuǎn)換制造模式，提高整體自動(dòng)化水平，增強(qiáng)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，具有重要意義。