含軸包板底部反變形胎架放樣研究及應(yīng)用

曾凡強 王江軍 黃紅松 趙鵬 曾建坤

摘要：本文介紹了一種含軸包板的底部分段，當(dāng)其采用正造時所需反變形胎架的放樣方法。

關(guān)鍵詞：軸包板;底部分段;反變形胎架

中圖分類號：U671.4

文獻標(biāo)識碼：A

1 前言

胎架是用以承托建造船體分段并保證其外形正確性的專用工藝裝備，它的表面線型與分段的外表面相吻合。對船體型線要求高的分段，還需采取胎架反變形措施，將分段變形控制在建造精度范圍。

現(xiàn)場制造胎架所需的圖形、數(shù)據(jù)，需通過胎架放樣提供：圖形包括分段胎架圖、橫剖面胎架布置圖;數(shù)據(jù)主要包括立柱高度值、縱縫劃線數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)線劃線數(shù)據(jù)等。目前我廠大部分胎架放樣通過SPD生產(chǎn)設(shè)計軟件完成，根據(jù)現(xiàn)場工藝提供的胎架要求定義胎架相關(guān)參數(shù)，即可生成現(xiàn)場制作胎架所需的圖形與數(shù)據(jù)。

針對目前我廠承建的各類公務(wù)船型，大多采用雙機雙槳長尾軸的推進方式，而這類船舶往往在尾軸穿出船體外板處設(shè)置軸包板結(jié)構(gòu)。對于這類含軸包板的底部分段，因船體型線包含軸包板區(qū)域，導(dǎo)致肋位的型線輪廓走勢復(fù)雜，局部存在類S形狀，軸包板區(qū)域胎架立柱會與型線輪廓存在3個交點。針對這種情況，軟件無法判別哪一個交點才是胎架立柱實際坐標(biāo)值.因此通過軟件定義胎架無法得到正確的圖形與數(shù)據(jù);并且含軸包板的底部分段采用正造法施工，為控制分段變形相應(yīng)設(shè)置反變形工藝要求，需對胎架做反變形處理，但SPD生產(chǎn)設(shè)計軟件的胎架系統(tǒng)無此功能?；谝陨蟽蓚€原因，以往對于這類含軸包板的底部分段、或含反變形的底部分段胎架，往往需采用手工繪圖放樣取點的方式完成。而手工放樣需大量處理胎架的立柱高度數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)劃線數(shù)據(jù)，繁瑣、費時、易錯。

2 胎架放樣難點分析

含軸包板底部胎架與常規(guī)胎架的不同之處在于：尾軸伸出底部外板區(qū)域存在外凸過渡，形成軸包板區(qū)域，如圖1所示;同時，正造底部分段在施工焊接過程存在焊接收縮，導(dǎo)致分段完工后在縱、橫向形成上翹變形。為避免分段變形超出允許范圍，需對底部分段整體施加反變形工藝，以抵消分段變形影響。

2.1 底部外板含外凸區(qū)域

胎架放樣是基于型線光順后的肋骨型線圖進行，肋骨型線圖中包含肋骨線、結(jié)構(gòu)線及外板板縫線。根據(jù)型線光順的常規(guī)流程，類似軸包板此類主船體附體結(jié)構(gòu)，通常在主船體型線放樣完成后再進行局部型線放樣，因此軸包板區(qū)域型線與主船體型線分屬于兩個獨立型線數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)主船體型線數(shù)據(jù)庫定義胎架時，無法生成軸包板區(qū)域的胎架信息。

2.2 存在縱向反變形

對于有反變形工藝要求的底部分段，需對胎架進行縱、橫向反變形處理。縱向反變形以分段基準(zhǔn)線沿船長方向往首、尾施放一定量的反變形值，其對胎架立柱高度有影響。

2.3 存在橫向反變形

橫向反變形以船中心線分別向左右舷施放一定量的反變形值，根據(jù)橫向反變形的處理方法不同，其對胎架立柱高度、結(jié)構(gòu)劃線及板縫定位數(shù)據(jù)均有影響。

橫向反變形的處理方法，有旋轉(zhuǎn)法與拉伸法兩種：旋轉(zhuǎn)法是以底部胎架中心線為基點，對左右舷的肋骨線分別向下旋轉(zhuǎn)反變形要求的高度差。旋轉(zhuǎn)法的特點在于不改變劃線數(shù)據(jù)，僅影響胎架立柱高度，處理過程簡單便捷，對于控制分段橫向上翹變形有益，但對分段寬度收縮變形控制效果則較差;拉伸法是以底部胎架中心線為基點，對左右舷的肋骨線按反變形值分別向兩側(cè)進行橫向拉伸。拉伸法的優(yōu)勢在于對型線的處理方法更接近分段建造變形的內(nèi)因，但拉伸法的弊端在于大量胎架數(shù)據(jù)需要手工處理，無論是立柱高度還是劃線數(shù)據(jù)都無法通過軟件直接生成。

3 胎架放樣難點解決方案

針對分析找出含軸包板底部反變形胎架與常規(guī)胎架的區(qū)別之處，分別從改進放樣方法、開發(fā)應(yīng)用程序、優(yōu)化放樣流程三個方面，逐個擊破胎架放樣過程中遇到的難點瓶頸。

3.1 改進方法

3.1.1 增加橫向反變形型線數(shù)據(jù)庫

針對采用拉伸法放樣反變形胎架時（見圖2），存在手工量取立柱高度與劃線弧長數(shù)據(jù)工作量大的問題，通過單獨定義專用于做含反變形胎架的數(shù)據(jù)庫，將拉伸處理后的肋骨型線重新導(dǎo)入SPD型線系統(tǒng)進行放樣光順;再將結(jié)構(gòu)線、縱縫按拉伸后的圖形定位坐標(biāo)，分別定義到反變形胎架數(shù)據(jù)庫中，可得到系統(tǒng)定義胎架所需的完整反變形型線數(shù)據(jù);通過該數(shù)據(jù)庫利用SPD胎架系統(tǒng)定義胎架，生成的胎架立柱高度及劃線數(shù)據(jù)含橫向反變形值。

3.1.2 縱向反變形手工輔助完善胎架

得到含橫向反變形的胎架圖及劃線數(shù)據(jù)后，再處理縱向反變形（見圖3）。如希望通過修改型線數(shù)據(jù)處理縱向反變形，則需要一個分段建立一個單獨的反變形型線數(shù)據(jù)庫，所產(chǎn)生的型線放樣工作量會劇增;且縱向反變形只涉及立柱高度，不影響胎架劃線數(shù)據(jù)，通過定義縱向反變形數(shù)據(jù)庫所產(chǎn)生的有益效果并不明顯，權(quán)衡利弊后只對型線進行橫向反變形處理，而縱向反變形通過手工輔助的方式達到。

具體操作過程：是根據(jù)系統(tǒng)生成的含橫向反變形的胎架圖，以基準(zhǔn)肋位按縱向反變形要求，每檔立柱間距逐級減去反變形值。例如：縱向反變形值為1.5mm/1 000 mm，對于縱向立柱間距為1 000 mm的胎架：沿船長方向在距基準(zhǔn)肋位1 000 mm處立柱高度，統(tǒng)一以原高度值減1.5 mm;距基準(zhǔn)肋位2 000 mm處立柱高度，統(tǒng)一以原高度值減3 mm;具基準(zhǔn)肋位3 000 mm處胎架高度，統(tǒng)一以原高度值減4.5 mm;以此類推向首、向尾遞減得到的胎架高度值，即為減去縱向反變形的胎架。

3.1.3 整體輸出與局部調(diào)整相結(jié)合

由于軸包板區(qū)域內(nèi)型線的特殊性，如將軸包板與主船體同時通過胎架系統(tǒng)定義胎架，會存在無法生成胎架圖形及數(shù)據(jù)的情況。鑒于此，首先對主船體區(qū)域胎架進行單獨定義，生成不含軸包板區(qū)域的胎架圖形及數(shù)據(jù);再根據(jù)軸包板的局部型線，按照主船體的胎架基面及立柱間距，確定軸包板區(qū)域立柱位置，在CAD圖形中直接量取軸包板處立柱與軸包板肋骨型的交點高度值，即為相應(yīng)立柱的高度;最后將立柱高度值替換到主船體胎架圖中對應(yīng)立柱處，即可得到完整的底部胎架。

3.2 開發(fā)應(yīng)用程序

基于上述3.1.1中對肋骨型線進行橫向拉伸處理、上述3.1.2中手工處理縱向遞減反變形值的需求，為彌補手工處理步驟繁瑣及效率低的處境，自主開發(fā)應(yīng)用程序進行輔助放樣。

3.2.1 反變形預(yù)處理

（1）開發(fā)背景

傳統(tǒng)處理反變形是采用手工方法，該方法先要在CAD軟件中創(chuàng)建模塊，然后指定方向?qū)吖切尉€進行拉伸，接著炸開圖塊得到碎片化的肋骨型線。由于該方法得到的肋骨線不連續(xù)，不僅量取縱向板縫和結(jié)構(gòu)線的劃線數(shù)據(jù)非常困難，而且SPD無法讀取型線數(shù)據(jù)。因此，考慮通過開發(fā)具有胎架反變形預(yù)處理功能的應(yīng)用程序，實現(xiàn)對骨型線定向精準(zhǔn)拉伸處理功能，得到的肋骨型線連續(xù)完整，可以被SPD直接讀取。

（2）應(yīng)用效果

采用反變形預(yù)處理程序，設(shè)計人員只需輸入拉伸量和指定拉伸方向，程序就可自動計算拉伸數(shù)據(jù)，快捷高效的生成拉伸后的肋骨型線。傳統(tǒng)方法一天才能完成的拉伸預(yù)處理T作，通過應(yīng)用程序只需要不到10s就可以輕松完成，不僅有效提升了工作效率，而且顯著提高了拉伸精度。

3.2.2 立柱高度批量修改

（1）開發(fā)背景

立柱高度減去縱向反變形值時，需逐個立柱計算原始立柱高度減去對應(yīng)立柱處反變形值，再逐個將計算高度修改至胎架圖中的立柱處，需重復(fù)計算與修改高度。因此，考慮通過開發(fā)具有胎架縱向反變形值白動修改的應(yīng)用程序，改變以往需逐個計算、逐個修改胎架立柱高度過程，實現(xiàn)在CAD中對同一批反變形高度值相同的立柱高度進行自動計算，并自動完成立柱高度數(shù)據(jù)修改的功能。

（2）應(yīng)用效果

通過該支柱高度批量修正程序，對于相同反變形高度差的一檔立柱，只需輸入修正值就可以輕松完成高度修正。傳統(tǒng)方法需約1 - 2h完成一個分段胎架圖縱向反變形立柱高度的調(diào)整，通過應(yīng)用程序普遍只需要5 - lOm即可順利完成，顯著提高工作效率的同時，有效降低了人工修改造成的誤差。

3.3 優(yōu)化放樣流程

3.3.1 主船體型線加橫向反變形

根據(jù)需加放反變形的分段，在肋骨型線圖中確定需處理橫向反變形肋骨線的區(qū)域，通過型線拉伸程序?qū)^(qū)域內(nèi)的肋骨型線按反變形要求進行橫向拉伸，將拉伸后的肋骨型線轉(zhuǎn)入型線三向光順系統(tǒng)生成型線數(shù)據(jù)。

在加反變形的型線數(shù)據(jù)庫中，按拉伸后的坐標(biāo)位置定義結(jié)構(gòu)線及縱縫，保證肋骨型線數(shù)據(jù)庫完整，生成肋骨型線圖形。

3.3.2 胎架系統(tǒng)定義不包含軸包板的底部胎架

在肋骨型線圖中確定胎架基面位置，按胎架系統(tǒng)定義要求將相關(guān)數(shù)據(jù)填入胎架系統(tǒng)對話框，計算生成胎架數(shù)據(jù)與胎架圖。

3.3.3 處理系統(tǒng)生成胎架圖形

將軸包板區(qū)域的縱縫線投影繪制到系統(tǒng)生成的底部胎架圖中，完善縱縫線、端縫線，剪切多余縱縫、增加缺失端縫線，保證胎架圖中板縫與外板展開圖一致。在確定端縫線位置時應(yīng)注意計入縱向收縮補償值。

3.3.4 插值生成軸包板區(qū)域環(huán)縫線

根據(jù)胎架圖確定軸包板區(qū)域縱向立柱的船體坐標(biāo)位置，在軸包板數(shù)據(jù)庫中插值生成坐標(biāo)對應(yīng)環(huán)縫線，生成軸包板立柱處肋骨型線。

3.3.5 軸包板肋骨型線加橫向反變形

使用插件橫向拉伸，對軸包板肋骨型線進行橫向反變形處理。

3.3.6 量取軸包板區(qū)域立柱高度

在軸包板肋骨型線中繪制胎架基線及橫向立柱位置，僅保留立柱處環(huán)縫線，刪除多余肋骨線，對每根環(huán)縫線按所在立柱處外板板厚偏移板厚，在橫向立柱處逐根量出胎架基線距環(huán)縫線的高度，即為立柱高度值，將高度數(shù)據(jù)替換填人胎架圖中原軸包板區(qū)域的立柱高度數(shù)據(jù)。

3.3.7 立柱高度加入縱向反變形值

在胎架圖中，以基準(zhǔn)肋位向首、尾分別對立柱高度加入反變形值，通過支柱修改程序完成。

3.3.8 完成軸包板區(qū)域劃線數(shù)據(jù)

依據(jù)軸包板肋骨型線圖，通過量取弧長值的方法，完善軸包板區(qū)域劃線數(shù)據(jù)。

3.3.9 整理合并完整含軸包板的底部胎架數(shù)據(jù)

對軸包板區(qū)域劃線數(shù)據(jù)與主船體劃線數(shù)據(jù)進行整理合并，得到滿足現(xiàn)場施工要求的完整底部胎架劃線數(shù)據(jù)。4應(yīng)用成果

在某海事船含軸包板的底部反變形胎架放樣過程中，不僅完成了含軸包的底部反變形胎架放樣工作，同時整理出包含軸包板分段胎架放樣的方法與流程，開發(fā)了型線拉伸與支柱修改兩款輔助放樣程序。

本課題研究的含軸包板的底部反變形胎架，只是底部反變形胎架中的一種特殊情況。本文研究成果，同樣適用于其它正造底部反變形胎架，并在其它正造反變形底部分段進行推廣使用。相比原手工放樣方法制作底部反變形分段胎架，效率大幅提升，且有效降低了因量取、計算、輸錯等人為疏忽原因?qū)е绿ゼ芊艠訑?shù)據(jù)出錯的情況。

5 結(jié)束語

含軸包板的底部分段，因結(jié)構(gòu)形式特殊及含反變形工藝要求，導(dǎo)致無法通過現(xiàn)有的SPD軟件進行胎架放樣。為此，對這類包含反變形的胎架放樣方法進行深入研究和改進，梳理出目前本廠最合適的含軸包板底部反變形胎架放樣方法，并對該方法進行延伸擴展，提高適用性，進一步在所有底部反變形胎架中得到推廣應(yīng)用。

參考文獻

[1]黃浩.船體工藝手冊[M].（第3版）.北京：國防工業(yè)出版社，2013.