船舶焊接與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

毛雄飛

（中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214400）

0 引言

焊接是將金屬與金屬之間進(jìn)行連接的過程。目前，船舶最常見的焊接工藝有4種，分別是電極弧焊、CO2氣體保護(hù)焊、氬弧焊和埋弧焊。焊接船舶是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，由于空間有限，要求焊工不僅要有高超的專業(yè)技能，還要能夠準(zhǔn)確判斷合適的焊接位置。

1 多維度創(chuàng)新船舶焊接技術(shù)

1.1 改進(jìn)線性設(shè)計(jì)降低阻力和油耗

通過對線性設(shè)計(jì)的持續(xù)改進(jìn)，不斷改進(jìn)船型設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低阻力和油耗，為后續(xù)的船型優(yōu)化提供理論依據(jù)和參考。從而提高cSCO產(chǎn)品輸出的準(zhǔn)確性和船舶設(shè)計(jì)服務(wù)能力。通過廣泛的CFD分析，進(jìn)一步優(yōu)化船舶配置，降低油耗，并根據(jù)具體的操作需求進(jìn)行微調(diào)。CFD分析可以更好地預(yù)測船舶的特性和性能，對船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其更加合理。在長江游輪的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了1個跨度為20 m的大型宴會廳，整個面積達(dá)到20 m×50 m。這種無立柱設(shè)計(jì)的大跨度結(jié)構(gòu)在船舶應(yīng)用中沒有參考結(jié)構(gòu)計(jì)算方案，從設(shè)計(jì)材料選擇、結(jié)構(gòu)形式、施工放樣、裝修等方面進(jìn)行優(yōu)化，采用有限元計(jì)算和強(qiáng)度柔度修正，最大限度地提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全系數(shù)[1]。

機(jī)翼船頭的新幾何結(jié)構(gòu)減少了船體的阻力，從而提高了航速或降低了功率，減少了燃油消耗和溫室氣體排放，還可以減少波浪中的搖擺。試驗(yàn)和運(yùn)行表明，新結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的船體安裝船的船體低50%，這種設(shè)計(jì)還消除了拍底，使設(shè)計(jì)更輕的結(jié)構(gòu)成為可能，新的船頭概念也增加了船體的容量，減少了它的長度，降低了成本。類似地，可以開發(fā)一種新的“球形尾翼”，將水旋轉(zhuǎn)成一個與旋轉(zhuǎn)方向相反的螺旋槳，這將提高推進(jìn)效率。還可以借助外骨骼結(jié)構(gòu)安裝在船體外部，以提供所需的縱向強(qiáng)度，而不是依賴船體結(jié)構(gòu)，這使得在近海和內(nèi)河航行的船只更輕。

1.2 邀請專家培訓(xùn)優(yōu)化焊接方案

模塊化機(jī)電設(shè)備布局，根據(jù)主要設(shè)備的功能，對布局方案進(jìn)行討論，以滿足最新法規(guī)和使用要求，還應(yīng)在機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)中添加了更和諧的符號概念設(shè)計(jì)，旨在為船員提供更好的穩(wěn)定性和安全性。

可以邀請鋼結(jié)構(gòu)、工程機(jī)械等焊接領(lǐng)域業(yè)內(nèi)知名專家，通過其對焊接設(shè)計(jì)和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的深入和簡單解釋，幫助參與焊接及相關(guān)工作人員理解和應(yīng)用焊接設(shè)計(jì)、疲勞原理、應(yīng)力和變形，以及焊接缺陷分析。雇傭高技能焊工很難，焊工必須熟悉垂直、水平和角焊3種焊接位置。因此，可以從一開始就使用焊接系統(tǒng)，利用系統(tǒng)為必要的手工焊接技能提供全面支持，系統(tǒng)采用產(chǎn)品質(zhì)量、較長的使用壽命和預(yù)設(shè)參數(shù)，這些參數(shù)為各種材料和厚度提供了正確的送絲速度，以確保熔池對焊接無缺陷。

1.3 細(xì)查鋼板焊縫且提高焊接電壓、速率

仔細(xì)檢查鋼板和焊縫，主要焊接材料為造船用鋼，因此主要使用直徑為1.2 mm的藥芯焊絲。粉末填料在焊縫周圍形成殘留物，可顯著減少飛濺。這對于后續(xù)的驗(yàn)收測試非常重要，焊縫的強(qiáng)度和外觀是測試標(biāo)準(zhǔn)。此外，造船廠還要接受其他嚴(yán)格檢查，船舶上使用的所有鋼板必須經(jīng)過測試。例如，當(dāng)龍骨（船舶的主要縱向構(gòu)件）連接到船體的外板時，所有材料都由專家檢查，檢查員通常在船體鋼板的焊縫上涂抹粉筆，并在內(nèi)部涂抹機(jī)油。如果油滲入鋼板的另一側(cè)，則焊縫中必須有孔，然后必須對焊縫進(jìn)行修復(fù)，這項(xiàng)工作包括將其磨掉、磨平并重新焊接。船上大約30%的十字接頭也需要進(jìn)行X光檢查，圖像上的小黑點(diǎn)表示可能存在焊渣，導(dǎo)致焊縫多孔，必須進(jìn)行修復(fù)。如果有多個焊道，則必須按照從底焊道到過渡焊道和填充焊道的順序小心清除殘留物[2]。

使用氣體保護(hù)管焊接時,應(yīng)提高焊接電壓和速率,以縮短電弧直徑,提高開槽程度,但增加間距也會降低根部深度。同時,采用液化天然氣為主要燃料能夠降低約80%的CO2排放量和60%的汽車油耗。船舶用多絲電弧焊分為多絲明弧焊和多絲埋弧焊技術(shù),與傳統(tǒng)的焊縫分段封閉(如焊條電弧焊、藥芯焊或反應(yīng)氣體保護(hù)焊)比較,氣電立焊接技術(shù)適合于各種大厚板材高效連接組件和船舶焊縫,通過雙絲氣電垂直式高效連接技術(shù)和焊接振蕩裝置,能夠提高大厚鋼材的熔透,更細(xì)的焊接絲,也能夠得到更小的熱量輸入,從而極大地提高了生產(chǎn)效率和焊縫品質(zhì)。

2 從多角度綜合優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

船舶設(shè)計(jì)中包括大量的節(jié)能儲備和優(yōu)化整體性能的技術(shù)解決方案。這些復(fù)雜環(huán)境的解決方案和經(jīng)濟(jì)可行性通常來自綜合處理系統(tǒng)和方法，包括船舶設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇、造船廠和其他參與者。隨著國內(nèi)現(xiàn)有設(shè)計(jì)手段的改進(jìn)和實(shí)船技術(shù)設(shè)計(jì)能力的驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的可靠性不斷得到確認(rèn)，造船業(yè)越來越轉(zhuǎn)向更先進(jìn)的解決方案。在開發(fā)新的船舶設(shè)計(jì)時，應(yīng)整合布局以開發(fā)不同階段的需求。船舶焊接設(shè)計(jì)的前提是做好充分的技術(shù)儲備工作，分析船舶的技術(shù)現(xiàn)狀和性能特點(diǎn)，儲備必要的效率解決方案，提取出最經(jīng)濟(jì)、最優(yōu)化的潛在需求方案并提交給客戶選擇，這是最終的方向。帆船技術(shù)團(tuán)隊(duì)正在努力加強(qiáng)吸收能效測試，確保產(chǎn)品性能經(jīng)得起能效驗(yàn)證，這是促進(jìn)企業(yè)發(fā)展最直接、最有效的途徑。

在航行效率價值的應(yīng)用設(shè)計(jì)中，船舶承載著變革性的使命，為項(xiàng)目在技術(shù)上的發(fā)展，許多優(yōu)勢加速了設(shè)計(jì)的高效性和客戶的互動性，在互動中彌補(bǔ)了各自的不足，船舶航行的標(biāo)準(zhǔn)化對設(shè)計(jì)中的各種應(yīng)用具有重要意義，為了滿足在使用技術(shù)的前提下，相同的物理量變化的需求，為了保證最成熟的技術(shù)和對量的需求的快速響應(yīng)，該系列標(biāo)準(zhǔn)適用于更多的國內(nèi)外航運(yùn)企業(yè)和船東。船舶焊接與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的核心服務(wù)理念應(yīng)是為航運(yùn)企業(yè)解決船舶建造過程中的問題，目標(biāo)是以最高的性價比生產(chǎn)高效的交付流程。為了保證船舶設(shè)計(jì)和管理的順利完成，我們應(yīng)從增強(qiáng)工程師主體性、做好人力資源管理、做好設(shè)計(jì)準(zhǔn)備、加大數(shù)據(jù)管理投入4個方面提出了船舶設(shè)計(jì)的高效保障措施，為了保證船舶設(shè)計(jì)方案的實(shí)施，降低設(shè)計(jì)成本。

船廠經(jīng)過深入研究推廣應(yīng)用逆變焊機(jī)是今后發(fā)展的方向，推廣應(yīng)用具有一定的基礎(chǔ)，可以預(yù)期，隨著逆變焊機(jī)質(zhì)量不斷提高，價格進(jìn)一步下降，隨著其對造船廠焊接工藝的適應(yīng)性需要提高。為了保證焊接質(zhì)量，焊接過程中必須保持機(jī)架的整體溫度，一旦溫度低于一定水平，整個機(jī)架也需要重新進(jìn)入加熱爐。焊接中的溫度維護(hù)與監(jiān)測、焊接材料品種與焊接參數(shù)匹配、焊縫性能與效率平衡等一系列參數(shù)都是在初步試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究和優(yōu)化焊接工藝來確定的，這些都是機(jī)架質(zhì)量的保證，在第一次機(jī)架焊接完成并通過檢測和尺寸檢查后，充分驗(yàn)證整個過程的可靠性，機(jī)架焊接的下一階段應(yīng)圍繞每月生產(chǎn)100根的目標(biāo)大力推進(jìn)。

當(dāng)然，為了成為造船廠的替代產(chǎn)品，除先進(jìn)性外，逆變焊機(jī)還應(yīng)具備造船焊接工藝所需的適應(yīng)性和可靠性，更重要的是保證船廠的可靠性，能夠維護(hù)8年以上的使用期限,并把總維護(hù)量減少在1%以下，價格也應(yīng)該具備市場競爭性。一方面從更高的貨物運(yùn)輸和更高的進(jìn)口成本角度看,每個發(fā)展中國家都在為全球通貨膨脹付出巨大代價,另一方面,由于世界國際貿(mào)易的擴(kuò)大,中國交通運(yùn)輸和造船業(yè)也正接受著大量的國際商業(yè)訂貨。在集裝箱貨物運(yùn)輸力量極度不足的狀況下,我國也在積極應(yīng)對,焊接難點(diǎn)是焊接材料必須朝高強(qiáng)度、高韌性、低硫磷和節(jié)能環(huán)保型等方面發(fā)展。由于需求量的日益擴(kuò)大,商業(yè)訂貨日期越來越緊迫；由于疫情不斷、緊張多變的全球關(guān)系造成了工業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸?shù)膰?yán)重停頓與延遲；日益攀升的售價和延期的交貨期,使得高端焊接材的進(jìn)口更加尷尬和頻繁。通過高品質(zhì)的本地化產(chǎn)品和服務(wù)，為行業(yè)展示了一批融合中西技術(shù)研發(fā)實(shí)力的產(chǎn)品。不僅為造船、航空航天、汽車工業(yè)、軌道交通、壓力容器、機(jī)械制造等領(lǐng)域帶來卓越的解決方案，運(yùn)輸國內(nèi)重量級高端產(chǎn)品，解決終端應(yīng)用中的穩(wěn)定送絲、氣孔敏感性等產(chǎn)品應(yīng)用問題，以及穩(wěn)定供應(yīng)，協(xié)同應(yīng)用開發(fā)和其他個性化需求問題[3]。

3 創(chuàng)新思維使用模擬自動化探索設(shè)計(jì)空間

3.1 裂紋尖端的張開位移測試技術(shù)

為了滿足船舶設(shè)計(jì)嚴(yán)格的環(huán)境目標(biāo)，有必要突破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，采用創(chuàng)新思維，通過使用模擬自動化探索設(shè)計(jì)空間，項(xiàng)目不僅可以顯著提高生產(chǎn)效率，還可以幫助工程團(tuán)隊(duì)專注于創(chuàng)新，從而不斷提高船舶性能并保持競爭優(yōu)勢。如何使用仿真驅(qū)動的船舶設(shè)計(jì)方法，船舶設(shè)計(jì)過程復(fù)雜且耗時，在初始設(shè)計(jì)中，時間有限，提出了一種建造過程可以最小化資本支出（CAPEX）的船體設(shè)計(jì)，同時滿足客戶的運(yùn)營成本（OPEX）和驗(yàn)證要求，這一直是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。裂紋尖端的張開位移(crack tip opening Displacement,CTOD)的測試技術(shù),可以精確評價較厚鋼管與焊縫連接處的抗破裂特性,現(xiàn)已成為中國海工裝備與大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工中的核心技術(shù)。在鋼板的可焊性證書中,當(dāng)今世界上所有發(fā)達(dá)國家船級社均需要進(jìn)行CTOD測試,并將此視為發(fā)證與否的最主要根據(jù)。湍流建模是計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）模擬所有實(shí)際工業(yè)問題的基本要素。

3.2 AMD人造絲7處理器

為了進(jìn)一步提高船舶設(shè)計(jì)的效率，應(yīng)計(jì)劃更新一些性能相對較低的硬件PC平臺。經(jīng)過對市場主流處理器平臺的綜合分析，了解到新一代AMD人造絲7處理器的性能一直受到采購部門的高度關(guān)注。同時，為了在設(shè)計(jì)工作中親身體驗(yàn)AMD Rayon 7處理器的應(yīng)用性能，通過E-Works聯(lián)系了AMD。經(jīng)過充分協(xié)商，AMD表示，愿意提供1臺帶有人造絲7處理器的PC。AMD PC演示版的特色是Ryzen 7 1700X處理器、8GB DDR4 2400MHz RAM，AMD Radeon RX580圖形卡和256GB SSD。AMD Radeon RX580圖形卡采用Polaris架構(gòu)和更先進(jìn)的第三代FinFET 14nm Polaris20內(nèi)核，8G視頻存儲容量，視頻存儲寬度256 Bit，帶寬256 GB/s，同時改進(jìn)了封裝技術(shù)。由于技術(shù)和產(chǎn)量的提高，多顯示器圖形卡的工作效率得到了提高。為了在設(shè)計(jì)過程中更直觀地了解AMD樣機(jī)的性能，可以使用企業(yè)內(nèi)部的PC兼容機(jī)與AMD樣機(jī)進(jìn)行了對比測試。對船舶設(shè)計(jì)過程中的船體、渦輪機(jī)和電氣主要步驟進(jìn)行了測試，所使用的軟件也廣泛應(yīng)用于船舶設(shè)計(jì)軟件中，AMD平臺能夠很好地滿足當(dāng)前的應(yīng)用需求，經(jīng)過這么多年的開發(fā)，硬件性能也有了很大的提高，與專業(yè)工作站的差距不明顯，價格更具優(yōu)勢。未來，應(yīng)更加注重選擇專業(yè)設(shè)計(jì)的硬件平臺，這些技術(shù)可以提高容量和速度，同時降低建造成本。

3.3 SESAM平臺

SESAM是個船舶設(shè)計(jì)強(qiáng)度分析軟件，主要用于江海直達(dá)船舶的波浪載荷分析，PATRAN軟件是關(guān)于有限元分析軟件，主要用于測試江海直達(dá)船在10種工況下的性能。東信軟件是一款海洋管道系統(tǒng)放樣軟件，用于駁船分段艙底系統(tǒng)的放樣測試，以及管道、設(shè)備和電纜通道的布置。從測試結(jié)果來看，采用AMD Rayon 7處理器和AMD RX580圖形卡的PC平臺在船體、船舶和電氣部件的設(shè)計(jì)過程中，性能全面優(yōu)于企業(yè)現(xiàn)有機(jī)型。SESAM平臺在計(jì)算江海直達(dá)船波浪載荷時，比現(xiàn)有平臺節(jié)省了0.8 h，效率提高了33.33%。利用PATRAN軟件對江海直達(dá)船進(jìn)行了10種工況下的性能測試，節(jié)省了0.2 h，效率提高了28.57%。在使用東信軟件進(jìn)行船體設(shè)計(jì)、輪機(jī)設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)的過程中，效率分別提高了20%、24%和25%。綜合評價結(jié)果表明，在船體試驗(yàn)、海洋工程試驗(yàn)和電氣分級試驗(yàn)中，樣機(jī)的總時間比原模型少18.2 h，總效率提高到20.9%。SESAM可用于計(jì)算波浪荷載，從原型機(jī)和原型機(jī)的價格對比分析，企業(yè)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)模型采用核心I7處理器，原型機(jī)采用的處理器為AMD RYZEN 7處理器和AMD RX580圖形卡，這兩個處理器在性能上存在顯著差異?？傮w而言，在AMD平臺上性能更出色、價格更低，反映出更高的性價比,這對項(xiàng)目后續(xù)的硬件平臺選擇有很好的參考價值。

4 結(jié)語

國內(nèi)風(fēng)電市場正如火如荼，大部分風(fēng)電安裝船和電纜敷設(shè)船尚不具備動態(tài)定位功能，因此需要一定數(shù)量的起錨船協(xié)助運(yùn)營。早期階段應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用的特點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)備配置。在設(shè)計(jì)過程中，要求技術(shù)人員仔細(xì)審查設(shè)計(jì)圖紙，完善工藝標(biāo)準(zhǔn)。同時，還要求施工人員做好每個細(xì)節(jié)，找出施工過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并制定后續(xù)的船舶優(yōu)化解決方案。