基于層次分析法的船體舭部分段劃分方案評價及優(yōu)化

甘伯惠，胡國超，蔣林勇，孫海云

(1.上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2.上海外高橋造船海洋工程有限公司，上海 200306)

分段劃分是船體建造工藝的基礎，是平衡、協(xié)調(diào)各條分道作業(yè)線的重要手段，是在充分考慮廠區(qū)的建造場地、起重能力、設備條件的基礎上，圍繞提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、縮短建造周期，以及安全作業(yè)等原則，綜合考慮生產(chǎn)物量、人工工時、材料消耗、建造質(zhì)量、計劃周期，以及新工藝工法等方面因素而形成的工藝設計方案。分段劃分需要權(quán)衡多種定性的或者定量的因素影響，為在眾多方案的比較中，合理地優(yōu)選出滿意的方案，借助層次分析法(AHP)，以某大型散貨船貨艙舭部區(qū)域的分段劃分為例，構(gòu)建分段劃分方案評價分析模型，應用1～9標度法確定同一級別下影響因子的判斷矩陣，確定各項評價指標的權(quán)重，從而實現(xiàn)可量化的方案評價。

1 舭部分段劃分方案

某大型散貨船總長為299.68 m，型寬為50 m，型深為25.2 m，設計吃水為16.1 m。貨艙區(qū)域采用縱骨架式結(jié)構(gòu)，長度為237.36 m，肋距為0.86 m。。

方案一。舭部沿內(nèi)底劃分成上下兩部分(26X分段與22X分段)。其特點是優(yōu)化平曲劃分，最大化的利用平直段，增大分段在平直流水線制作的比例。減少分段占用胎架、吊車等設備的使用，達到分段快速制作和周轉(zhuǎn)的目的，同時在船塢階段可實現(xiàn)快速脫鉤、定位搭載。見圖1。

圖1 舭部區(qū)域分段劃分方案一

方案二。將舭部轉(zhuǎn)圓部分與舷側(cè)外板劃分成一個完整的分段。其特點是舭部結(jié)構(gòu)剛性得到改善，壓載艙在分段階段結(jié)構(gòu)完整，涂裝以及內(nèi)底板上的CM節(jié)點等建造難點作業(yè)階段實現(xiàn)工序前移。由于船塢的工作量相對減少，可極大地提高船塢建造效率。見圖2。

圖2 舭部區(qū)域分段劃分方案二

方案三。在方案二的基礎上，將槽型橫艙壁劃分成上、下兩部分，分別歸屬于頂邊艙分段以及舭部分段。其特點是舷側(cè)結(jié)構(gòu)剛性進一步改善，對于D型總段，壓載艙的涂裝保護得到改善，同時，單環(huán)水密檔分段數(shù)量將減少2對。見圖3。

圖3 舭部區(qū)域分段劃分方案三

各方案指標對比見表1。

表1 舭部26X分段劃分各方案對比

2 建立層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)，通過兩兩比較的方式確定層次中諸因素的相對重要性，確定諸因素相對重要性的總排序，最終由此排序?qū)Ω鞣桨缸龀鲈u價。

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

以分段劃分最優(yōu)方案作為決策的目標層，分段建造的各階段作為準則層，各方案在各個階段所考慮的因素作為子準則層。層次結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 層次結(jié)構(gòu)模型

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

判斷矩陣應用1～9標度法，通過召集各生產(chǎn)部門專家及設計相關專業(yè)，對各項指標進行量化比較，并評價賦值。1～9標度法賦值含義見表2。

表2 1～9標度法賦值含義表

2.3 判斷矩陣求解及一致性檢驗結(jié)果

對影響分段劃分方案的準則層因素和子準則層因素，構(gòu)成兩兩比較的判斷矩陣計算求解及一致性檢驗結(jié)果，見表3～18。各方案折權(quán)重見圖5。

表3 以分段數(shù)量為目標的方案判斷矩陣

表4 以分段建造翻身次數(shù)為目標的方案判斷矩陣

表5 以結(jié)構(gòu)強度為目標的方案判斷矩陣

表6 以結(jié)構(gòu)重量為目標的方案判斷矩陣

表7 以PSPC保護為目標的方案判斷矩陣

表8 以D型總段結(jié)構(gòu)重量為目標的方案判斷矩陣

表9 以總組建造難度為目標的方案判斷矩陣

表10 以舾裝完整率為目標的方案判斷矩陣

表11 以腳手及輔助材料為目標的方案判斷矩陣

表12 以作業(yè)環(huán)境為目標的方案判斷矩陣

表13 以焊接物量為目標的方案判斷矩陣

表14 以搭載定位及脫鉤效率為目標的方案判斷矩陣

表15 以分段階段為目標的子準則層因素的判斷矩陣

表16 以總組階段為目標的子準則層因素的判斷矩陣

表17 以船塢階段為目標的子準則層因素的判斷矩陣

表18 以分段劃分方案為目標的準則層因素的判斷矩陣

表19 方案相對權(quán)重

圖5 分段劃分各方案指標權(quán)重

對比分析可見，在準則層中，船塢階段的焊接物量因素所占權(quán)重最大，這反映出在分段劃分策劃時應側(cè)重于考慮減少塢內(nèi)焊接物量，從而縮短船塢建造周期。在方案層中，方案二的指標權(quán)重數(shù)值最大，即將舭部轉(zhuǎn)圓部分與舷側(cè)外板劃分成一個完整的分段，此劃分方案相比而言更優(yōu)；但在方案二中，其總組階段的建造難度指標得分偏低。顯然，需要對方案進行優(yōu)化。

3 方案優(yōu)化

由表9計算結(jié)果可知，以總組階段的建造難度為評價目標時，方案二的權(quán)重為0.282 8，與方案一相比權(quán)重較低。一方面原因是方案二的舭部增加轉(zhuǎn)圓部分結(jié)構(gòu)重量，壓載艙舾裝完整，以致其總段重量較重。另一方面由于C型總段中間剛度弱、兩頭重，俗稱“包餃子”。在翻身搭載過程中，C型總段吊裝方案需進一步優(yōu)化。

以典型的C型總段翻身吊裝為例，利用TSV吊裝軟件對C型總段在以下3種不同的吊裝方案(見圖6)，各工況應力、應變情況見表20進行有限元仿真分析。

表20 各吊裝方案在不同工況下，C型總段應力應變情況

圖6 吊裝方案示意

吊裝方案A：1#鉤、2#鉤各布置4只吊馬，3#鉤吊馬布置在舭部分段底斜板下側(cè)。

吊裝方案B：1#鉤、2#鉤各布置與方案A相同，3#鉤吊馬布置在舭部分段底斜板中間。

吊裝方案C：方案A基礎上，在合理位置增加圓管支撐。

分析表20中的數(shù)據(jù)，吊裝方案C，通過增加圓管斜撐的措施，在翻身60°時，變形主要集中在底斜板與吊馬連接區(qū)域，最大應力值為125 MPa，最大變形值為23 mm。據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)經(jīng)驗以及結(jié)合大量計算結(jié)果表明：船體整體的剛度安全準則設定變形量為800(為結(jié)構(gòu)的最大尺寸)，方案C最大變形值滿足吊裝需求。因此，建議對優(yōu)選方案采用增加圓管斜撐的方法，能有效保證總段在搭載吊裝時結(jié)構(gòu)的安全。

4 結(jié)論

分段劃分方案評價應將定性分析和定量分析相結(jié)合，通過應用層次分析法，建立分段劃分方案的層次結(jié)構(gòu)模型，匯集各因素的判斷矩陣，并應用數(shù)學方法對數(shù)據(jù)合理處理，最終得出影響船體舭部分段劃分方案各因素的權(quán)重次序。從分析結(jié)果可知，將舭部轉(zhuǎn)圓部分與舷側(cè)外板劃分成一個完整分段，對C型總段在總組階段增加圓管斜撐，此方案可降低分段制造精度控制要求，實現(xiàn)舭部壓載艙結(jié)構(gòu)、舾裝、涂裝等工序前移，有效提升船塢生產(chǎn)效率。