CM節(jié)點(diǎn)通用型測(cè)量裝置研發(fā)

羅萍萍，于 洋，魏 雷

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司江南研究院，上海 201913）

0 引 言

一直以來，船體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域的建造精度備受研究人員的重視，對(duì)關(guān)鍵船體結(jié)構(gòu)建造監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究具有重要意義［1］。按認(rèn)可的工藝對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行施工，保證計(jì)算所得結(jié)構(gòu)在船舶運(yùn)營(yíng)中得以實(shí)現(xiàn)［2］，并對(duì)高應(yīng)力區(qū)域等船體易損節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效控制［3］。根據(jù)結(jié)構(gòu)共同規(guī)范規(guī)定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)估（Structural Design Assessment，SDA）和疲勞設(shè)計(jì)評(píng)估（Fatigue Design Assessment，F(xiàn)DA）計(jì)算評(píng)定程序的分析結(jié)果和營(yíng)運(yùn)經(jīng)驗(yàn)確定的高應(yīng)力和易受疲勞破壞的區(qū)域稱為“危險(xiǎn)區(qū)域”“關(guān)鍵區(qū)域”或“關(guān)鍵位置”［4］。在船舶航行和裝載期間，其危險(xiǎn)區(qū)域結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力。船體結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)區(qū)域通常出現(xiàn)在多板交匯處，為保證船舶航行和裝載的安全性，危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)力必須得到有效傳遞和釋放。根據(jù)船級(jí)社規(guī)范的要求，在設(shè)計(jì)船體結(jié)構(gòu)時(shí)，需保證多板交匯處的理論線或中心線對(duì)齊（即相交于1 點(diǎn)），通常情況下保證中心線對(duì)齊，見圖1。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)建造時(shí)，關(guān)鍵區(qū)域的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)必須得到嚴(yán)格有效的監(jiān)控，該節(jié)點(diǎn)又稱為CM（Construction Monitoring）節(jié)點(diǎn)［5］。

圖1 中心線對(duì)齊示意圖

多板交匯處的結(jié)構(gòu)對(duì)位公差若得不到有效控制，在船舶營(yíng)運(yùn)過程中極易引發(fā)結(jié)構(gòu)開裂等嚴(yán)重后果。因此，船級(jí)社規(guī)范規(guī)定CM節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)位公差必須得到嚴(yán)格有效的監(jiān)控，以保證船舶安全運(yùn)營(yíng)。

1 CM節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)位的重要性

在某船試航過程中，在開展壓載艙強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)下座墩與內(nèi)底板交界處“飆水”，在返航時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)底板有細(xì)小的裂痕。經(jīng)過測(cè)量和分析發(fā)現(xiàn)引發(fā)該問題的主要原因是上下結(jié)構(gòu)錯(cuò)位，產(chǎn)生了剪力，焊縫缺陷延伸到了內(nèi)底板上，使其裂開。為解決該問題，對(duì)內(nèi)底板進(jìn)行了更換，對(duì)下座墩進(jìn)行了重新裝配，耗費(fèi)了大量人力和物力。

因此，在對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造過程中，必須對(duì)CM節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效測(cè)量和控制。

2 CM節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)位公差測(cè)量裝置的現(xiàn)狀

CM節(jié)點(diǎn)一般無法直接通過目測(cè)保證其對(duì)位，目前各船廠普遍采用CM卡板進(jìn)行輔助測(cè)量。同時(shí)，隨著科技的發(fā)展，從理論上和精度上看，也可采用全站儀、三維激光掃描儀等儀器測(cè)量，但都存在一定的局限性。

2.1 專用卡板測(cè)量

專用卡板是根據(jù)被測(cè)量結(jié)構(gòu)的尺寸和特點(diǎn)，按1∶1 的比例專門放樣做成的樣板，在結(jié)構(gòu)端部可接觸的位置，直接通過控制樣板與結(jié)構(gòu)之間的間隙控制結(jié)構(gòu)的對(duì)位。在設(shè)計(jì)階段，需先根據(jù)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)模型對(duì)測(cè)量卡板逐個(gè)建模，隨后采用6 mm鋁合金板將其精加工成可實(shí)際使用的卡板。有的單位為降低精加工成本，也采用木質(zhì)卡板。

同一塊專用卡板既可用于進(jìn)行焊前裝配，又可用于進(jìn)行同一位置的焊后完工檢查。專用卡板需根據(jù)所要監(jiān)控的節(jié)點(diǎn)定制化設(shè)計(jì)和制造，通用性較差，需求量較大，制作成本較高，現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)、查找和使用不便。

2.2 全站儀測(cè)量

在建造船體結(jié)構(gòu)時(shí)，大尺度構(gòu)件的尺度值普遍采用全站儀測(cè)量。CM 節(jié)點(diǎn)作為船體結(jié)構(gòu)的一部分，其結(jié)構(gòu)對(duì)位公差也可采用全站儀測(cè)量。首先，采用全站儀測(cè)量出設(shè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)值；其次，將測(cè)得的數(shù)據(jù)反饋到三維設(shè)計(jì)模型中；最后，通過計(jì)算得出結(jié)構(gòu)的對(duì)位公差。然而，全站儀測(cè)量法需在開闊、無遮擋的空間應(yīng)用，適用范圍有限。另外，全站儀需至少2 人配合才能測(cè)出數(shù)據(jù)，單人難以操作。

2.3 三維激光掃描成像測(cè)量

三維激光掃描成像是一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)再現(xiàn)過程，能快速地將實(shí)體結(jié)構(gòu)重構(gòu)成電子模型，并快速地分析出結(jié)構(gòu)尺寸。同樣的，通過三維激光掃描成像也能很方便地得出結(jié)構(gòu)對(duì)位公差。

三維激光掃描成像測(cè)量速度較快，但三維激光掃描儀的購(gòu)置成本較高，一次性投入較大。

針對(duì)傳統(tǒng)CM節(jié)點(diǎn)測(cè)量卡板存在的通用性差，存儲(chǔ)和運(yùn)輸困難，現(xiàn)場(chǎng)查找和使用不便等問題，結(jié)合船舶制造行業(yè)的特點(diǎn)，開展CM節(jié)點(diǎn)分析與歸類、關(guān)鍵測(cè)量要素提取與控制和通用型測(cè)量裝置研發(fā)等創(chuàng)新研究，研制一批CM節(jié)點(diǎn)對(duì)位公差通用型測(cè)量裝置，用其測(cè)量CM節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)對(duì)位公差更符合實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀。通過論證、試用和實(shí)際使用，最終將這些裝置推向?qū)嶋H工程中應(yīng)用，將“專用型卡板”升級(jí)為“通用型裝置”，提高測(cè)量效率，降低測(cè)量成本，提升測(cè)量能力。

3 CM節(jié)點(diǎn)通用型測(cè)量裝置研發(fā)

3.1 CM節(jié)點(diǎn)分析與歸類研究

本文通過對(duì)某型船典型橫剖面圖上的1 770 個(gè)CM 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，按區(qū)域、階段和類型將CM 節(jié)點(diǎn)分為16 類節(jié)點(diǎn)。有些結(jié)構(gòu)看似相同，實(shí)則不同，因板厚和角度存在差異，采用傳統(tǒng)方法測(cè)量時(shí)，需針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)采用不同的卡板。通過該分類，尋找不同類型CM節(jié)點(diǎn)的相似特征，根據(jù)結(jié)構(gòu)相似性對(duì)CM節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新歸類，以便尋找相似的測(cè)量手段和表達(dá)方式。根據(jù)結(jié)構(gòu)相似和測(cè)量方法相似2 個(gè)原則，將CM節(jié)點(diǎn)分為有自由邊十字接頭結(jié)構(gòu)、無自由邊十字接頭結(jié)構(gòu)和斜相交有自由邊十字接頭結(jié)構(gòu)等3 類，見圖2。其中t1、t2和t3分別為3 塊板的板厚；θ1和θ2為上下兩個(gè)夾角。

圖2 3種接頭結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 通用型測(cè)量裝置研發(fā)

3.2.1 檢測(cè)方法研究

首先，明確每類結(jié)構(gòu)的對(duì)位公差定義、公差范圍和采用的測(cè)量方法。圖3 為3 種接頭結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法示意圖，分別得出各自的對(duì)位公差a。

圖3 3種接頭結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法示意圖

3 類接頭結(jié)構(gòu)的對(duì)位公差需同時(shí)滿足

3 種接頭結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法如下。

1）對(duì)于有自由邊十字接頭結(jié)構(gòu)，有

2）對(duì)于無自由邊十字接頭結(jié)構(gòu)，有

3）對(duì)于斜相交有自由邊十字接頭結(jié)構(gòu)，有

3.2.2 主要控制要素分析

對(duì)測(cè)量控制要素進(jìn)行提取，每種結(jié)構(gòu)可用3 塊板的板厚t1、t2和t3，上下2 個(gè)夾角θ1和θ2，以及有無自由邊等6 個(gè)要素表示。在提取要素時(shí)，去掉一些為定值或不影響測(cè)量的要素，剩下的即為研發(fā)裝置時(shí)所要控制的要素。表1 為提取的控制要素，其中“√”表示該項(xiàng)為影響因素；“／”表示該項(xiàng)不是影響因素。

表1 提取的控制要素

3.2.3 通用型測(cè)量裝置研發(fā)

基于表1 所示控制要素，對(duì)通用型測(cè)量裝置進(jìn)行研發(fā)。

3.2.3.1 斜相交十字接頭結(jié)構(gòu)測(cè)量裝置研發(fā)

該類型測(cè)量裝置的研發(fā)思路如下：

1）利用有自由邊的特點(diǎn)，在左側(cè)測(cè)量，采用三點(diǎn)定位。

2）通過垂向定位尺消除水平板厚的影響并進(jìn)行垂向支撐定位；通過角度尺消除上夾角的影響并進(jìn)行水平向定位；通過斜向定位尺消除斜板厚度的影響；通過水平定位尺消除垂直板厚的影響。

此外，通過裝置本身的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)消除板厚和夾角的影響。通過測(cè)量尺直接讀出對(duì)位公差值。由此，成功研發(fā)出第一套通用型測(cè)量裝置，見圖4。

圖4 通用型測(cè)量裝置研發(fā)示意圖

針對(duì)斜相交有自由邊十字接頭結(jié)構(gòu)，研發(fā)出3 套通用裝置。

3.2.3.2 有自由邊十字接頭結(jié)構(gòu)測(cè)量裝置研發(fā)

針對(duì)有自由邊十字接頭結(jié)構(gòu)，主要考慮下、上板板厚t1和t2的影響，研發(fā)出1 套通用裝置。

3.2.3.3 無自由邊十字接頭結(jié)構(gòu)測(cè)量裝置研發(fā)

針對(duì)無自由邊十字接頭結(jié)構(gòu)，只能在上側(cè)或下側(cè)測(cè)量，主要考慮上板t2和水平板t3的影響，研發(fā)出2 套通用裝置。

按上述研發(fā)思路，完成所有通用型測(cè)量裝置的研發(fā)，見圖5。

圖5 3種接頭結(jié)構(gòu)的通用型測(cè)量裝置示意圖

4 通用型測(cè)量裝置實(shí)用性評(píng)估與鞏固

通過裝置本身的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)消除板厚和夾角等變量的影響，并進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用的便利性等因素進(jìn)行實(shí)用性評(píng)估和優(yōu)選，擇優(yōu)推選出3 套裝置（見表2），保證每種節(jié)點(diǎn)都有與之對(duì)應(yīng)的測(cè)量裝置，裝置編號(hào)與圖6一致。對(duì)裝置結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，保證具備裝置實(shí)際制造生產(chǎn)的條件。研究成果適用于所有在建船型，滿足CM節(jié)點(diǎn)的測(cè)量需求，推廣應(yīng)用的前景廣闊。

表2 優(yōu)選出的3 套通用型測(cè)量裝置

4.1 實(shí)用性評(píng)估

1）針對(duì)有自由邊十字接頭結(jié)構(gòu)，研發(fā)出一套測(cè)量裝置。該裝置使用簡(jiǎn)單，可直接讀出對(duì)位公差值，使用效果很好。為規(guī)范操作，制定該裝置的使用方法。

2）針對(duì)無自由邊十字接頭結(jié)構(gòu)，研發(fā)出2 套測(cè)量裝置。由于該裝置使用簡(jiǎn)單，下發(fā)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)便，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量不易產(chǎn)生偏差，將其作為優(yōu)選裝置。為規(guī)范操作，也制定該裝置的使用方法。

3）針對(duì)斜相交有自由邊十字接頭結(jié)構(gòu)，研發(fā)出3 套測(cè)量裝置。由于該裝置的測(cè)量原理簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方便，將其作為最優(yōu)裝置。為規(guī)范操作，同樣制定該裝置的使用方法。

通過聯(lián)系生產(chǎn)廠家結(jié)合圖紙進(jìn)行溝通，最終完成3 套最優(yōu)測(cè)量裝置的制造，見圖6。這些裝置已在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效，得到了有關(guān)部門的一致認(rèn)可，達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)試用的成熟度要求。

圖6 3種接頭結(jié)構(gòu)的通用測(cè)量裝置實(shí)物

4.2 標(biāo)準(zhǔn)化與社會(huì)效益

4.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化

為規(guī)范從設(shè)計(jì)到使用的整個(gè)測(cè)量流程，編制《CM 節(jié)點(diǎn)測(cè)量流程》作業(yè)指導(dǎo)書，包含CM 節(jié)點(diǎn)的形式、類型、測(cè)量原理和測(cè)量過程中的注意事項(xiàng)等。

為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作和提升現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量流程的規(guī)范性，編制《通用裝置使用方法》作業(yè)指導(dǎo)書，詳細(xì)說明每個(gè)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)組成、材質(zhì)、刻度范圍、精度、附圖說明和具體的實(shí)施方式，確保測(cè)量效率得到穩(wěn)步提升。

4.2.2 社會(huì)效益

本文所述通用型測(cè)量裝置適用于所有船型的CM節(jié)點(diǎn)測(cè)量，能完全取代傳統(tǒng)的專用卡板，其受益群體包括船舶制造企業(yè)、船東和船級(jí)社。

通用型測(cè)量裝置的推廣應(yīng)用將促使CM節(jié)點(diǎn)測(cè)量技術(shù)發(fā)生重大變革，順應(yīng)“三化造船”的趨勢(shì)。

5 結(jié) 語

本文基于船廠對(duì)CM節(jié)點(diǎn)測(cè)量的實(shí)際需求和面臨的痛點(diǎn)問題，從設(shè)計(jì)源頭出發(fā)，創(chuàng)新性地提出了CM節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)位公差通用型測(cè)量裝置的概念，通過測(cè)量裝置研發(fā)到實(shí)物制造，實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)到制造的落地，最終達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)試用的成熟度要求。

通用性測(cè)量裝置研發(fā)是一個(gè)“從無到有”，“從有到好”的過程，完全根據(jù)建造產(chǎn)品的實(shí)際特點(diǎn)自主研發(fā)、設(shè)計(jì)，提升了船廠在CM節(jié)點(diǎn)測(cè)量和控制方面的水平和能力，將“專用型卡板”升級(jí)為“通用型裝置”，助力了整個(gè)船舶行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。