詳細(xì)設(shè)計階段鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量預(yù)估

禹 仲， 李佳娜， 張金亮， 李茜茹

(中船重工船舶設(shè)計研究中心有限公司， 遼寧 大連116001)

0 引 言

對于各大船廠和船舶設(shè)計公司來說，獲得造船訂單并保證優(yōu)秀的船型技術(shù)指標(biāo)的如期實現(xiàn)，既是立足之本，也是發(fā)展之道。迫切的發(fā)展需求與造船行業(yè)較為粗放的設(shè)計生產(chǎn)現(xiàn)狀之間的矛盾日益顯現(xiàn)。隨著船舶所有人對各類技術(shù)指標(biāo)參數(shù)實現(xiàn)要求越發(fā)嚴(yán)格，船舶產(chǎn)品很多重要的技術(shù)指標(biāo)都面臨著考驗，在這一系列的指標(biāo)中尤以空船質(zhì)量最為明顯。通過詳細(xì)設(shè)計階段鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量預(yù)估，可控制船體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量，確保滿足技術(shù)指標(biāo)要求，節(jié)約成本，提高效率。

1 船體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量預(yù)估的技術(shù)要求與解決方法

1.1 詳細(xì)設(shè)計階段船體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量預(yù)估要求

當(dāng)前詳細(xì)設(shè)計階段船體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量預(yù)估面臨精度與效率的雙重要求。明確的精度標(biāo)準(zhǔn)是預(yù)估數(shù)據(jù)與實際建造結(jié)果的誤差在3%以內(nèi)。精度與效率存在對立矛盾，提高預(yù)估精度，就需要加大整體工作的細(xì)化程度，而細(xì)化程度的提高則勢必增加工作量，降低效率。

為解決上述矛盾，對詳細(xì)設(shè)計階段船體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量預(yù)估提出以下要求：

第一，找到目標(biāo)精度與工作時間的平衡點。

第二，針對相應(yīng)的平衡點設(shè)計出合理的預(yù)估流程。

第三，優(yōu)化流程，盡量通過計算機程序來自動承擔(dān)模型細(xì)化所帶來的工作量，以此來減輕設(shè)計人員的勞動，提高生產(chǎn)力和生產(chǎn)效率。

船舶建造各個階段的時間比例如圖1所示。

圖1 船舶建造各個階段的時間比例

1.2 船體鋼結(jié)構(gòu)預(yù)估精度與效率矛盾解決方法

本文提出的船體鋼結(jié)構(gòu)預(yù)估方法的基本操作流程如圖2所示。

圖2 船體鋼結(jié)構(gòu)預(yù)估方法基本操作流程圖

(1) 匯集指定船型的基本數(shù)據(jù)、合同文件、總布置圖等，明確質(zhì)量控制目標(biāo)。

(2) 分析相關(guān)專業(yè)提供的詳細(xì)設(shè)計圖紙和基本設(shè)計信息。

(3) 對CAD進(jìn)行二次開發(fā)改進(jìn)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)提取方式，使其適于提供滿足相關(guān)軟件的質(zhì)量計算功能所需的構(gòu)件尺寸位置等幾何數(shù)據(jù)；通過三維輔助軟件獲得滿足相關(guān)質(zhì)量計算功能的特殊幾何結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。

(4) 將數(shù)據(jù)在相關(guān)軟件中轉(zhuǎn)化成計算模型。

(5) 利用相關(guān)軟件的質(zhì)量計算功能計算質(zhì)量，得出初步數(shù)據(jù)。

(6) 分析數(shù)據(jù)，通過類比和細(xì)化進(jìn)一步得到滿足精度的數(shù)據(jù)。

2 模型生成和質(zhì)量計算中的數(shù)據(jù)提取交換方法

2.1 NAPA軟件和NAPA Steel模塊

NAPA是源自芬蘭的船舶設(shè)計軟件。該軟件內(nèi)容強大，覆蓋船舶與海洋工程的前期開發(fā)、詳細(xì)設(shè)計、生產(chǎn)設(shè)計、有限元分析和完工交船等環(huán)節(jié)，NAPA Steel為其結(jié)構(gòu)設(shè)計子模塊。

NAPA Steel模型建立和使用的基本流程：

(1) 前期準(zhǔn)備，從船型開發(fā)部門獲得NAPA總體設(shè)計模塊中定義的基本船體信息。

(2) 在程序環(huán)境中定義坐標(biāo)系、肋位標(biāo)尺、縱骨間距標(biāo)尺。

(3) 通過NAPA總體設(shè)計模塊獲得包括外板在內(nèi)的基本輪廓面。

(4) 根據(jù)實際的結(jié)構(gòu)圖將船體劃分為相應(yīng)的部分，建立模型樹狀表。

(5) 根據(jù)實際結(jié)構(gòu)圖結(jié)合已有的輪廓面按照相應(yīng)的語法規(guī)則創(chuàng)建NAPA Steel模型所用的基礎(chǔ)單元Main Object等。

(6) 在已有的基礎(chǔ)單元上添加骨材和板縫開口等根據(jù)規(guī)則需要附屬的特性。

(7) 處理橫縱連接的結(jié)構(gòu)和特殊結(jié)構(gòu)。

(8) 進(jìn)入分析流程。

建立NAPA Steel模型的過程實際上就是數(shù)字化的過程，也是將結(jié)構(gòu)圖紙上的設(shè)計信息向分析軟件翻譯的過程。識讀和翻譯的目的是將AutoCAD圖形文件所表達(dá)的AutoCAD設(shè)計語言和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成NAPA Steel計算軟件可識別的NAPA Steel語言和數(shù)據(jù)。這是整個分析的基礎(chǔ)，也是所有工作的起點。

2.2 模型生成和質(zhì)量計算中數(shù)據(jù)提取交換的方法

一個CAD圖形文件不僅包含了直線、曲線等圖形，同時也包含了圖層、線型等輔助表達(dá)屬性的元素，更包含了功能元素用以提供一系列實用工具方法。這些元素被統(tǒng)稱為“對象”，所有“對象”共同組成一個完整的AutoCAD文件。AutoCAD-VBA開發(fā)的數(shù)據(jù)采集對象是指：對于建立NAPA Steel模型有幫助的圖元的幾何參數(shù)，比如起始點和終止點坐標(biāo)、長度、角度等。這些數(shù)據(jù)存儲于圖元數(shù)據(jù)類型對應(yīng)的屬性中，提取數(shù)據(jù)就要讀取圖元數(shù)據(jù)類型對應(yīng)的屬性名稱下的數(shù)值。以直線為例，該直線在CAD中的起點坐標(biāo)為原點(0,0,0),終止點為(100,100,100),在VAB環(huán)境中調(diào)出該直線的屬性列表如圖3所示。

圖3 VBA讀取直線的屬性列表

3 實例數(shù)據(jù)分析和拓展應(yīng)用

以在建的某型載重量206 000 t散貨船結(jié)構(gòu)質(zhì)量預(yù)估計算為例，通過206 000 t散貨船結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)輸入→建?！嬎恪敵鲞^程的演示和后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析逐步說明以下問題：

(1) 以NAPA Steel軟件為基礎(chǔ)，整合CAD-VBA二次開發(fā)技術(shù)，通過高效的數(shù)據(jù)采集與分類計算，達(dá)到同時滿足船體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量統(tǒng)計準(zhǔn)確性和高效性的質(zhì)量重心計算方法，在后文中簡稱“NST-CAD預(yù)估法”,將其統(tǒng)計結(jié)果與生產(chǎn)設(shè)計統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，證明NST-CAD預(yù)估法的準(zhǔn)確性。

(2) 在滿足準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)行NST-CAD預(yù)估法建模計算時間與人工Excel表格統(tǒng)計計算時間的對比，以及后續(xù)出現(xiàn)修改時二者的耗時對比，證明NST-CAD預(yù)估法的快速性。

3.1 NAPA Steel 數(shù)據(jù)輸入

NAPA Steel輸入數(shù)據(jù)主要分為貨艙區(qū)、艏部、機艙、艉部等4部分，以這4部分為分集合，需要將集合內(nèi)的所有板結(jié)構(gòu)依照位置命名，根據(jù)空間結(jié)構(gòu)定義為Main Object類型下的各類對象，并將對象附屬的板厚、開孔、骨材等其他信息填入相應(yīng)的表格。整船的構(gòu)件數(shù)據(jù)輸入完成后，即可得到該船體結(jié)構(gòu)的NAPA Steel計算模型。

相關(guān)數(shù)據(jù)輸入后船體模型在3D下顯示如圖4所示。

圖4 主船體模型圖

3.2 NAPA Steel 輸出數(shù)據(jù)基本分析

在模型建成后，經(jīng)過運算獲得1組與模型相關(guān)的質(zhì)量重心數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的具體數(shù)值因建模的精細(xì)程度不同而存在一定差異，但在保證計算流程正確的情況下，其反映的數(shù)值趨勢是不變的，隨著模型的不斷細(xì)化，其結(jié)果值收斂于確定的一點，這一點就是所預(yù)估鋼結(jié)構(gòu)的真實質(zhì)量。下面通過基本的數(shù)據(jù)分析方法，從不同角度描述本船的數(shù)值特點。

(1) 船體結(jié)構(gòu)各分集合的總質(zhì)量和板材質(zhì)量、骨材質(zhì)量所占的基本比例如表1和圖5所示。

表1 船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布表

圖5 鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布圖

(2) 貨艙質(zhì)量詳細(xì)分析。由(1)中數(shù)據(jù)可以看出，貨艙區(qū)的質(zhì)量占整船鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的80%以上，如此大的比例決定了貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)建模的重要程度。根據(jù)具體分析需要或通過軟件的相應(yīng)統(tǒng)計功能進(jìn)一步輸出貨艙區(qū)的子結(jié)構(gòu)在貨艙區(qū)集合中所占的比例，從而更詳實地顯示其數(shù)值的組成。

圖6 貨艙區(qū)鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布圖

從圖6不難看出，外板結(jié)構(gòu)和雙層底結(jié)構(gòu)所占比例最大，分別占貨艙區(qū)域總質(zhì)量的20%以上，主甲板和橫艙壁區(qū)域分別占15%左右，這4項所占比例超過70%。

3.3 NST-CAD預(yù)估法計算結(jié)果準(zhǔn)確性對比

在得到生產(chǎn)設(shè)計統(tǒng)計的船體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量后，相關(guān)設(shè)計人員實際擁有通過不同方式獲得的2類質(zhì)量數(shù)據(jù)，即代表詳細(xì)設(shè)計階段預(yù)估精度的“NST-CAD法質(zhì)量數(shù)據(jù)”和代表標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的“生產(chǎn)設(shè)計質(zhì)量數(shù)據(jù)”。通過二者的數(shù)據(jù)對比，討論預(yù)估結(jié)果的準(zhǔn)確性如表2所示。

表2 NST-CAD預(yù)估法與生產(chǎn)設(shè)計統(tǒng)計質(zhì)量的數(shù)據(jù)對比

通過上述數(shù)據(jù)對比，NST-CAD預(yù)估法計算數(shù)值與生產(chǎn)設(shè)計統(tǒng)計數(shù)據(jù)之間的質(zhì)量差比為1.65%，重心差比分別為船長x方向0.91%，高度z方向0.55%，船中y方向忽略不計，達(dá)到本文提出的“預(yù)估質(zhì)量數(shù)據(jù)與實際質(zhì)量數(shù)據(jù)的差比在3%以內(nèi)，預(yù)估船長方向重心與實際的重心數(shù)據(jù)差比在2%的范圍以內(nèi)，預(yù)估高度方向重心與實際的重心數(shù)據(jù)差比在2%的范圍以內(nèi)，預(yù)估船寬方向重心與實際的重心數(shù)據(jù)基本無差別”的目標(biāo)。

3.4 NST-CAD預(yù)估法計算結(jié)果的快速性對比分析

當(dāng)前較為普遍的針對詳細(xì)設(shè)計末期的質(zhì)量預(yù)估方法是通過人工逐項將CAD圖紙中的構(gòu)件錄入Excel表格中統(tǒng)計計算。下面將這類人工統(tǒng)計方法與NST-CAD預(yù)估法進(jìn)行對比。

CAD圖紙中所表示的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以近似為30 524個統(tǒng)計單元，這些統(tǒng)計單元分為板材和骨材2類。4個區(qū)域統(tǒng)計單元所占的比例如圖7所示。

圖7 統(tǒng)計構(gòu)件分布比例圖

圖8表明二者之間的工時消耗比，其中Excel表格計算(不考慮修改)約需930個工時，而NST-CAD預(yù)估法只需280個工時，只占前者的30%。值得注意的是在艏部、機艙等結(jié)構(gòu)復(fù)雜、板塊較為瑣碎的區(qū)域，NST-CAD預(yù)估法借助軟件的分類處理優(yōu)勢，可有效地將耗時控制在接近Excel表格計算方法耗時的1/5水平，充分說明其提高效率的作用。

圖8 工時消耗比例圖

通過上面的假設(shè)可以得出以下結(jié)論:第一，在工時消耗方面，NST-CAD預(yù)估法與Excel表格計算法相比有著明顯的優(yōu)勢；第二，在出現(xiàn)結(jié)構(gòu)修改乃至多次結(jié)構(gòu)修改時，NST-CAD預(yù)估法的工時消耗水平始終可以保持低位，且呈不斷降低的趨勢，而Excel表格計算由于考慮到各類復(fù)雜因素所以趨勢不定。2種方法的工時消耗比例變化趨勢圖如圖9所示。

圖9 工時消耗比例變化走勢圖

3.5 NST-CAD預(yù)估法計算結(jié)果數(shù)據(jù)應(yīng)用價值分析

在獲得較為準(zhǔn)確的NST-CAD預(yù)估法計算結(jié)果后，數(shù)據(jù)的主要應(yīng)用價值有2點：第一，在詳細(xì)設(shè)計階段預(yù)估鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量重心數(shù)據(jù)，輔助詳細(xì)設(shè)計和修改。第二，進(jìn)一步得到各個分項的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上通過細(xì)化分析得出各個部位隨板厚增加和骨材尺寸變化而引起的質(zhì)量增量，從多個角度反映影響質(zhì)量變化的實質(zhì)原因。

在實際質(zhì)量估算中，估算數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)存在一定差異。大量的近似計算成為影響預(yù)估結(jié)果的重要因素，在沒有數(shù)據(jù)對比的情況下，所謂的近似計算并沒有實際的標(biāo)準(zhǔn)，只有與實際的質(zhì)量重心對比才能通過差值統(tǒng)一反映出優(yōu)劣。由于構(gòu)件以板材為單位，板材上包含骨材，分別討論在3種極端情況下板材、骨材的尺寸變化用以反映每1個結(jié)構(gòu)區(qū)位的參數(shù)變動對整個計算結(jié)果的影響。表3列出貨艙區(qū)不同部位主要構(gòu)件的板厚變化和骨材尺寸變化對整體質(zhì)量的變化影響，通過分析可以說明以下幾個問題：

第一，研究板厚增加1mm質(zhì)量的增加比例。從比例上看,橫艙壁內(nèi)縱實肋板的質(zhì)量變化最顯著，占原始質(zhì)量的7.56%，而主甲板質(zhì)量變化最小，變化了2.53%。變化百分比越高，說明此處板厚增加對質(zhì)量的影響越明顯。實際增加數(shù)值則以“橫艙壁”結(jié)構(gòu)的106.3t為最高，說明如果平均增加板厚，則橫艙壁對整船質(zhì)量變化影響最大。

第二，在得到上述數(shù)據(jù)后，對比生產(chǎn)設(shè)計提供的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，通過差值質(zhì)量的換算，可知結(jié)構(gòu)預(yù)估計算的準(zhǔn)確程度。精度如何通過平均板厚或骨材尺寸變化抵消，這樣的經(jīng)驗對日后的修改和新的工程的近似替代計算有指導(dǎo)意義。

第三，除了鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量計算，在實際的工作中，常常會遇到其他的質(zhì)量預(yù)估問題，比如在做傾斜試驗時，貨艙的底部存在污泥或污水、甲板上有灰塵等，這些都可以利用上述表格作近似估算。如：在明確雙層底甲板板厚增加1mm質(zhì)量的增加值后，只要測量雙層底甲板的污泥厚度，對比二者密度，就可以換算出污泥的大概質(zhì)量。

表3 構(gòu)件變化對質(zhì)量的影響

4 結(jié) 論

通過本文的研究得出如下重要結(jié)論：

(1) 在整個船體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量預(yù)估計算中，貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)所占比例最大：在貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布中，外板和雙層底占比例最大。從板材和骨材的角度來說，板材質(zhì)量占比例最大，所以在整個預(yù)估過程中，外板平均板厚的變化對結(jié)構(gòu)質(zhì)量影響最明顯。在設(shè)計中合理地控制鋼結(jié)構(gòu)的板厚，特別是外板的厚度對優(yōu)化船體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制意義重大。

(2) NST-CAD預(yù)估法所提出的將結(jié)構(gòu)質(zhì)量預(yù)估與詳細(xì)設(shè)計圖紙在數(shù)據(jù)層面交互的方法能夠有效地保證預(yù)估精度，能夠明顯地提高預(yù)估效率，能夠為后續(xù)二次乃至多次修改提供極大的便利。

(3) NST-CAD預(yù)估法所提供的模型能夠強有力地與結(jié)構(gòu)專業(yè)乃至其他專業(yè)保持緊密的聯(lián)系，通過質(zhì)量預(yù)估搭建1個平臺，在這個平臺上可以研究質(zhì)量的變化，可以交互修改結(jié)構(gòu)，可以出結(jié)構(gòu)圖，可以進(jìn)行強度、疲勞、振動等有限元計算，使質(zhì)量預(yù)估工作成為整個船舶詳細(xì)設(shè)計階段的1個核心節(jié)點，承上啟下。

最后，本文論述的基于詳細(xì)設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心預(yù)估方法的研究意義并不僅僅是對于理想結(jié)果的追求，同時也是對于詳細(xì)設(shè)計階段結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)衍化的一種探索。隨著船舶詳細(xì)設(shè)計領(lǐng)域的不斷發(fā)展，隨著對結(jié)構(gòu)設(shè)計理解的不斷加深，一體化的設(shè)計理念將得到進(jìn)一步的實踐印證和技術(shù)支撐。相信在不久的將來，從事詳細(xì)設(shè)計的工程師們可以優(yōu)化設(shè)計階段各類分工，消除各種軟件的技術(shù)隔閡，讓結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計的內(nèi)容并不單純停留在AutoCAD圖紙上，而成為一種流動的數(shù)據(jù)有機體，順暢地在船型開發(fā)軟件、繪圖軟件、規(guī)范校核軟件、性能計算軟件和有限元分析軟件間流動和完善。