數字化船舶建造技術在我廠的應用

梁振濤 黃志科

摘要：本文介紹應用船舶建造設計軟件Shipconstructor的數字化船舶建造技術在我廠4年來的施工實踐經驗，對比過去的生產方式，撰寫此文，文中以圖文并茂的方式詳細闡述該技術在我廠數學放樣、生產設計、施工圖紙的實際操作情況和在安全生產、綠色造船方面的應用及取得的主要成果。

關鍵詞：數字化造船；綠色造船；中小型船廠；效益

1 數字化船舶建造技術簡述

數字化船舶建造技術就是利用計算機系統和多媒體對船舶詳細設計進行三維建模輔助、完成生產設計圖紙并具有可施工性、可修改性的一種造船技術。這種技術是船舶生產設計優化、縮短建造周期、節約能源及材料、沿著“綠色造船”方向發展的重要措施。它是現代數字化造船模式體系—數字化船舶設計、數字化工程管理、數字化船舶建造三大項目中發展得最快、最關鍵的一項技術。

本文所述的是應用于國內中小型船廠具有船舶建造仿真、綜合放樣、自動生成零件生產圖紙和船用材料信息功能的數字化船舶建造技術。下面就我廠運用此技術建造的船舶項目分析探究其實現價值。

2 傳統船舶生產技術概述

過去，國內中小型船廠因設備使用、科技信息管理、生產流程都處于一種習慣性的模式，生產設備也不及大型船廠，使船舶建造周期規劃、材料損耗控制、成本核算都處于較為落后的階段。本文以廣州市番禺靈山造船廠有限公司為例敘述其過去十年船舶生產技術的方式和改變。我公司早期的生產設計主要使用手工繪圖，以詳細設計圖紙直接作為生產圖紙，型線放樣采用1：1實體放樣，管路和電纜沒有進行整船放樣，而是直接在建造中的船體結構上進行具體布置。隨著造船業務的拓展，所造海洋船舶不斷增加，排水量增大，結構相對復雜，檢驗標準更嚴格，采用傳統生產技術將面臨零件加工速度慢，船臺占用周期長，整船管路電纜綜合放樣難度大等問題。船廠為解決這些問題而更新了硬件設施，如等離子數控切割機、液壓曲板輥彎機、大型壓力機和起重機等，而施工圖紙采用CAD繪圖，這些措施相對解決了零件加工和分段建造速度問題，但生產圖紙設計方面仍然相對落后，與各硬件設施的軟件系統數據連接不佳。下面列舉生產設計與生產設備結合方面仍然存在的一些弊端：

（1）復雜曲面放樣困難，放樣精度也取決于生產工人的技術水平，往往增加施工過程的修改，產生程度不同的返工現象，從而造成生產周期加長等不良后果。

（2）數控切割零件的利用率低。數控機切割的零件圖形是在CAD里繪制并進行人工排列，在排列時需要計算零件的尺寸，這種套料方式效率低，板材利用率也低。

（3）分段建造及合攏技術未達到最優化。分段大小受起重能力和船臺空間制約，重量重心采用人手計算，工作量大。

（4）船舶下水壓力分布計算，重量重心計算主要使用經驗公式。

3 應用數字化船舶建造仿真技術

隨著造船業務不斷發展及商務運作需要，訂購商要求建造周期大為縮短，為適應市場需要，我廠在2008年購買了一套加拿大SSI公司的船舶建造設計軟件-Shipconstructor2008。該系統在發揮硬件設備最大效益、生產數據的統籌、縮短建造周期以及節約建造成本方面取得較為滿意的成效，但軟件系統仍然存在一定的局限性，尤其管路設計中零件投影效果不理想、圖紙修改比較困難等問題比較突出。

我們在使用該軟件系統的兩年時間內，把軟件系統與船廠生產的各個環節完全結合，下面就在建和已建船舶項目的數字化技術應用上概要介紹，供同業參考。數字化仿真生產設計從退審圖開始，其生產設計流程如圖1所示。

下面以我廠去年下水的一首56米海洋供應船為例，介紹該技術的實際應用。

3.1 船舶總體型線放樣及光順、有限元模型的生成技術

過去船舶的造型設計只通過平面圖紙表達，感染力不強。采用三維技術進行船舶放樣，能把設計師的設計思想完整表達出來，增強設計的真實感及制作效果圖展示給客戶，如圖2所示。

我們還針對復雜結構舾裝件與船體結構的接合及其工藝安裝過程進行三維可視化圖形制作，優化復雜船體結構的設計，提高放樣精度減少現場返工。某些復雜加強結構需要作局部強度計算，而使用這些已經建好的三維模型則可直接用SAT格式導入所有有限元分析軟件中使用，這樣可以避免重復繪圖（見圖3）。型線的光順和放樣源于同一個軟件系統，使性能計算及艙容計算與實船誤差大大減少，而且同樣可以避免重復繪制型線。

圖2 56米海供船3D效果圖

圖3 56米海供船載貨區甲板骨架有限元分析云圖

3.2生產設計及施工設計數字化

生產設計使用三維技術及共用數據庫，施工圖紙采用分段半立體顯示及零件加工裝配數字化是我廠船舶生產的一大改革，也是SC2008軟件系統的核心功能，我們利用該軟件系統的功能結合自身生產技術、工藝習慣及設備條件設計出一套完整、具實用價值的生產方法。

下面按過去和現在的船舶生產設計及施工技術對比，介紹數字化仿真技術的應用情況及實現的價值：

（1）型線及外殼板放樣

（2）結構零件放樣及加工

（3）分段裝配圖

（4）綜合放樣

在未使用數字化船舶建造仿真技術之前，船體結構的建造以船臺正裝、散裝為主，就算采用分段建造形式，也僅限邊水艙以獨立分段建造，分段合攏方案主要依靠施工經驗。零件的拼裝依靠詳細設計平面圖紙，因此需要通過文字描述零件的安裝位置和安裝工藝。零件余量及合攏縫余量未經過嚴格計算，加放量比較大。由于建造精度未得到嚴格控制，返工情況比較多。這種施工方式會消耗大量的工時，浪費材料較多，導致增加建造成本。針對以上問題，我們現在使用新技術手段進行優化，具體措施如下：

（1）在結構零件放樣時取消全部內部構件余量，而把三維建模做到最仔細，僅限在外板及主甲板分段合攏處增設余量，而且小于50mm。縱向零件尺寸按比例增設焊接收縮補償量，曲面結構需要計算彎曲伸張量，按伸張量安排補償量加放位置，嚴格控制外板余量的加放，主要為取消一部分外板的縱向接縫余量。胎架按反變形理論設計。

（2）盡可能把所有零件使用數控機切割，這樣可使零件尺寸和仿真模型一致。套料過程在計算機里完成，利用人機結合方式優化套料過程，保證材料利用率達到理想目標。

（3）從套料圖、零件加工圖到分段裝配圖使用同一套完整的零件編碼，零件名稱編采用數字化編制，能表達零件的裝配位置及工藝。而這些編碼是人工設計，計算機自動生成。零件裝配編碼原則文件里，零件名命名方式為：項目號-分段號-結構平面號-拼裝順序號-工藝要求號，使工人安裝思路清晰，材料分類堆放次序分明，提高堆場面積利用率，從而增加加工裝配場地并提高裝配效率。

（4）分段劃分過程使用電腦模型進行三維可視化劃分，根據船臺起重能力及空間大小合理設計分段的重量重心，并進行合攏過程模擬，對分段合攏過程分析做到最精確，提高分段建造的安全性。分段裝配一改以往平面圖形顯示形式，采用半立體圖形顯示，結合數字化編碼運用，一般均可滿足施工要求，只有在精細結構裝配才會再拆分成平面圖形。

（5）以分段設計船體結構并制作分段電腦模型另一個重要作用是為舾裝、管路、電氣綜合放樣作基礎平臺，使管路零件走向、電纜走向及其他設備附件綜合顯現在船體分段模型上，從而很直觀顯示布置效果，防止以往施工中相互矛盾及位置重疊等現象。

圖4為按分段設計的生產圖紙。

圖4 56米海供船升高甲板分片裝配圖

以往我廠的舾裝、管路及電纜是各專業生產車間根據原理圖和布置圖在船臺直接進行其具體布置設計和零件放樣，導致各專業同時放樣會出現相互干涉情況較多，返工次數增加。為改善這些不良現象，我廠決定研發綜合放樣技術，讓各專業技術人員使用同一個數字化建造仿真系統，合理制定工作流程和區域劃分，在電腦里完整繪制舾裝立體圖、完整的管路系統、電纜托架圖及電纜走向圖。在船體結構模型繪制完畢并且部分分段開始建造的時候其他專業可開始進行布置和放樣，在設計時期進行多次有必要的個專業零件布置協調會議，確保艙內空間利用率最大化。數字化船舶建造仿真技術能極大減少管子余量、活動管數目、電纜材料浪費、艙室裝修的影響及各種施工耗時。另外，使用此技術繪制的起錨機、拖纜機、收纜機等舾裝設備的安裝示意圖均以立體形式顯示，能使安裝步驟方法更為清晰，從而提高安裝速度。

3.3 生產進度及材料成本優化

經過數字化船舶建造仿真技術進行生產設計后，圖紙的速度和質量得到一定提高并且通過減少結構余量，提高鋼料利用率，減少返工數量及電算化材料配額清單節省成本。響應“數字化造船”和“綠色造船”兩大主題。通過56米海供船的母型船（其母型船未使用數字化技術生產）建造進度和材料用量對比總結，56米海供船在勞動力投入、建造工時、能耗及材料用量上共節省成本約15%。

4 數字化造船對安全生產的效應

數字化船舶建造系統由于能得到精確的全船各分段重量、重心位置數據，從而可以根據船廠起重設備布置、起重工藝技術的特點優化分段設計、指導吊裝作業，大大降低吊裝作業的危險性。

數字化船舶建造仿真技術也為船舶下水計算提供了更有力的理論依據，在船舶下水時，其完工量僅為部分完工，而且各船下水時重量分布情況也有差異，以至于使用母型船換算法也難以得到足夠準確的數據，使用手工計算對這種船舶個分段完工量程度不一、重量分布不規則的船舶下水過程重量、重心及壓力計算長期困擾著技術力量相對薄弱的中小型船廠。鑒此，使用數字化船舶建造仿真系統進行船舶下水計算是最佳的技術手段，這是由于船舶建造仿真系統本身就能按建造進度拆分船體分段及局部結構，而且計算速度快、準確度高。下水重量、重心及壓力分布計算數據也對整個船舶下水安全性分析起關鍵性作用，從而大大提高船舶下水的安全性。

由于數字化分段綜合放樣的實現，為分段舾裝、管路、電纜混合安裝提供基礎條件，大大減少船體結構分段成型后多種專業項目的交叉作業量，從而減少生產安全隱患，提高機、電設備安裝作業環境的安全性。

5 今后設想

（1）發展工程現場數字化系統，把技術部的三維電腦模型直接作為施工文件直接在工（下轉第頁）（上接第頁）程現場使用，并可在工程現場利用計算機即時查取所需的施工數據，減少工程現場交談次數，并進一步縮短生產周期及節約能源。

（2）組建工程管理信息集成系統（ERP系統），整合倉庫管理、供應采購、成本核算、工程管理的數據信息庫，逐步實現船舶生產管理數字化。

（3）繼續完善已有的數字化船舶建造仿真技術，軟件系統需要根據實際情況進行升級或改用其他功能更好更適合我廠的軟件系統。

6 結束語

以上僅為本廠在實施數字化船舶建造仿真技術過程的簡介，雖然取得一定的成效，但還未完全達到理想效果，今后仍需按上述的設想進一步深化和完善，使其提升到更高的技術平臺。本文僅介紹針對本廠實際情況而編制的流程和措施，但愿能為其他中小型船廠提供參考，從而達到拋磚引玉的目的。

參考文獻

[1]ShipConstructorSoftwareInc.（SSI）ProductPresentation2008