空船重量?jī)?yōu)化及跟蹤控制方法

智廣信，安 毅，袁 博

（1.海南浙江大學(xué)研究院，海南三亞 572000；2.北京中船咨詢(xún)有限公司，北京 100000；3.上海蹊加船舶技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 200000）

0 引言

一直以來(lái)，鋼材成本都是影響船舶制造成本一項(xiàng)重要因素。近年來(lái)，船用鋼材價(jià)格的飛速上漲導(dǎo)致船舶制造成本迅速增加。對(duì)船舶進(jìn)行空船重量?jī)?yōu)化可有效降低資源消耗、減少建造成本。空船重量?jī)?yōu)化包括結(jié)構(gòu)輕量化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化，在進(jìn)行空船重量?jī)?yōu)化時(shí)需綜合考慮基本性能、結(jié)構(gòu)可靠性、設(shè)計(jì)便利性、設(shè)計(jì)錯(cuò)誤率、安全生產(chǎn)、營(yíng)運(yùn)便利性等因素。本文對(duì)空船重量?jī)?yōu)化和設(shè)計(jì)建造過(guò)程跟蹤控制的方法進(jìn)行介紹，并通過(guò)實(shí)船案例對(duì)方法的可行性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 空船重量?jī)?yōu)化方法

如圖1所示，船舶空船重量?jī)?yōu)化主要分4個(gè)階段進(jìn)行：1）總布置階段。該階段需要完成初期總布置、艙室布置和機(jī)艙布置等工作，這部分工作決定空船重量?jī)?yōu)化效果的50%以上。2）結(jié)構(gòu)布置階段。該階段需要完成主要肋位、主要甲板、主要縱向強(qiáng)力構(gòu)建等主要結(jié)構(gòu)的布置，這部分工作決定空船重量?jī)?yōu)化效果的 30%以上。3）詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。該階段的主要工作在于優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)，工作量大但優(yōu)化空間不足 10%。4）生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段。該階段主要是面向生產(chǎn)的制造工藝優(yōu)化，幾乎沒(méi)有優(yōu)化空間。

圖1 船舶空船重量?jī)?yōu)化技術(shù)路線(xiàn)

從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)階段均有很多船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化的經(jīng)驗(yàn)方法，不同經(jīng)驗(yàn)方法各不相同，但整體上的思路保持一致，均包括總布置優(yōu)化、船體梁荷載最小化、舯部縱向部件優(yōu)化、艏部和艉部貨艙內(nèi)殼形狀優(yōu)化、艏部和艉部船殼加強(qiáng)筋布局優(yōu)化、主結(jié)構(gòu)件布局和形狀優(yōu)化等組成部分。

2 空船重量跟蹤控制方法

跟蹤控制空船重量在時(shí)間維度可劃分為8個(gè)階段：1）合同談判階段。設(shè)計(jì)部門(mén)預(yù)估空船重量。2）基本設(shè)計(jì)階段。對(duì)空船重量進(jìn)行估算。3）詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。首先要對(duì)基本設(shè)計(jì)的空船重量進(jìn)行檢查核實(shí)，然后在大骨設(shè)計(jì)結(jié)束和詳細(xì)設(shè)計(jì)圖面完成90%時(shí)分別進(jìn)行一次重量統(tǒng)計(jì)，最后則在圖面完成 100%時(shí)對(duì)變更部分的重量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。4）生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段。在三維模型完成時(shí)進(jìn)行空船重量統(tǒng)計(jì)。5）采購(gòu)階段。需要合理選擇廠(chǎng)家和鋼材規(guī)格。6）現(xiàn)場(chǎng)制造階段。跟蹤每塊鋼材，并計(jì)算空船重量。7）完工試驗(yàn)階段。認(rèn)真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)完工時(shí)的空船重量。8）完工資料整理分析階段。對(duì)上述各階段空船重量的跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)可有效控制空船重量的方法。

跟蹤控制空船重量有以下注意要點(diǎn)：1）利用大數(shù)據(jù)和最新優(yōu)化的預(yù)估經(jīng)驗(yàn)公式，提高預(yù)估空船重量的準(zhǔn)確性；2）提高作業(yè)者控制空船重量的意識(shí)，從主觀(guān)根本上跟蹤和控制空船重量；3）利用智能化的程序提高設(shè)計(jì)階段重量統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性；4）增加設(shè)計(jì)過(guò)程中空船重量的統(tǒng)計(jì)次數(shù)，若不滿(mǎn)足要求需及時(shí)采取措施；5）多進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集，增加橫向、縱向空船重量數(shù)據(jù)的比較；6）合理安排人員，提高三維模型重量統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性；7）對(duì)比分析鋼材廠(chǎng)家特點(diǎn)，選擇最優(yōu)廠(chǎng)家和最合適的鋼材規(guī)格；8）從鋼材購(gòu)入到船舶建造完成，跟蹤每塊鋼材，做到從源頭跟蹤記錄；9）選取合適條件，認(rèn)真負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性；10）積累、總結(jié)各船的數(shù)據(jù)，整理成有效的參考資料。

3 空船重量跟蹤控制措施及技術(shù)路線(xiàn)

空船重量的跟蹤是控制空船重量的必要前提，只有各個(gè)階段及時(shí)準(zhǔn)確的跟蹤才能給出及時(shí)有效地控制空船重量的方法。

控制空船重量最重要的階段是詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，為保證在詳細(xì)設(shè)計(jì)完成時(shí)船體重量控制在基本設(shè)計(jì)目標(biāo)值內(nèi)，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段對(duì)結(jié)構(gòu)圖面共進(jìn)行4次重量跟蹤，分別為詳細(xì)設(shè)計(jì)初期、大骨完成后直接計(jì)算前、圖面發(fā)行前以及主要結(jié)構(gòu)圖紙完成后。檢驗(yàn)方法包括如下部分：1）確認(rèn)各區(qū)劃的重量目標(biāo)值設(shè)定是否合理；2）確認(rèn)相連圖面的范圍劃分是否合理；3）確認(rèn)左右舷的重量是否均有考慮；4）確認(rèn)左右舷的重量是否一致；5）確認(rèn)空間結(jié)構(gòu)是否采用空間展開(kāi)的長(zhǎng)度和面積進(jìn)行計(jì)算；6）確認(rèn)圖面以外的重量（如舾裝品、輔機(jī)臺(tái)、吊耳補(bǔ)強(qiáng)、居住區(qū)防變形條材）是否已考慮；7）確認(rèn)是否對(duì)將來(lái)可能會(huì)增加的重量進(jìn)行預(yù)估；8）確認(rèn)開(kāi)孔的重量是否扣除。

空船重量跟蹤控制技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 空船重量跟蹤控制技術(shù)路線(xiàn)

4 實(shí)船案例

在設(shè)計(jì)階段，若空船重量的余量太小，則需要通過(guò)技術(shù)手段對(duì)空船重量進(jìn)行控制，其中控制重量最有效的區(qū)域是艏部、艉部和機(jī)艙?？赏ㄟ^(guò)降低廢料率和耗材輕量化等措施減輕空船重量、降低造船成本。

1）案例一

根據(jù)屈服強(qiáng)度計(jì)算得知某散貨船的一段板格所需板厚為 17 mm，根據(jù)屈曲強(qiáng)度計(jì)算所需板厚為17.4 mm，因此，將板厚設(shè)置為17.5 mm以避免屈曲。

此時(shí)可通過(guò)在板格中部加設(shè)一根縱梁以減少板厚，通過(guò)計(jì)算可知該情況的板厚可減少至17 mm。對(duì)于一塊板格，增設(shè)縱梁會(huì)增重0.052 t，板厚減少會(huì)減重0.164 t，板格凈減重為0.112 t。該散貨船共包括22個(gè)板格，共計(jì)可減重0.25 t。

2）案例二

在某些由強(qiáng)度而非剛度決定板厚的情況下，盡量選用高強(qiáng)度鋼。強(qiáng)度越高，許用應(yīng)力越大，相同受力情況下所需的鋼材截面模量和截面積就越小，可有效減小板材厚度，進(jìn)而有效實(shí)現(xiàn)減重。

3）案例三

居住區(qū)內(nèi)部墻壁板承受載荷較小，設(shè)計(jì)時(shí)僅需考慮振動(dòng)情況以及現(xiàn)場(chǎng)施工的方便性。某散貨船在設(shè)計(jì)時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)施工的方便性，將居住區(qū)內(nèi)部板厚設(shè)為7 mm。然而使用6 mm板厚足以滿(mǎn)足板格振動(dòng)的要求。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，改設(shè)6 mm板厚所節(jié)省的材料成本要高于矯正工作增加的人工成本，故最終設(shè)計(jì)將板厚由7 mm降為 6mm，由此減少居住區(qū)重量約11 t。

5 結(jié)論

空船重量不僅關(guān)系到合同指標(biāo)，還與船舶建造與運(yùn)營(yíng)成本息息相關(guān)，因此控制空船重量一直都是船舶領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的話(huà)題。本文介紹了空船重量?jī)?yōu)化和設(shè)計(jì)建造過(guò)程跟蹤控制的方法，實(shí)船案例證明該方法可有效降低空船重量、節(jié)省建造成本。