計算機輔助船舶制造技術研究

宋褔高 蘇琳芳

摘 要 本文針對某起重船的設計與制造，闡述計算機輔助船舶制造技術在現(xiàn)代造船業(yè)中，應用廣泛，深刻影響造船工業(yè)轉換造船模式。

關鍵詞 起重船 計算機輔助制造 詳細設計

中圖分類號：TP393.09 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.10.026

Research on the Technology in Computer-integrated Manufacture

SONG Fugao[1]， SU Linfang[2]

（[1] Dalian Shipbuilding Industry Shipping Research Institute， Dalian， Liaoning 116005；

[2] Dalian Maritime University， Dalian， Liaoning 116026）

Abstract In this paper， focus on the Crane Vessels design and manufacture， described that the technology in computer-integrated manufacture transform the shipbuilding industry today.

Keywords crane vessel； CAD； detail design

船舶作為水上建筑物，系統(tǒng)復雜、技術含量高且使用周期長。如何利用計算機輔助船舶制造技術，完成船舶穩(wěn)性、結構強度及剛度等校核，并在總體設計基礎上，即總布置設計、型線設計、各項性能計算，逐步細化模型，完成生產設計以及船舶制造，是由計算機輔助船舶制造技術融合了現(xiàn)代造船模式的先進理念所決定的，即用信息化手段支持“協(xié)同創(chuàng)新、精益制造”。其內涵包括兩個方面。首先，利用數(shù)字化建模技術搭建計算機輔助船舶制造方案的基礎，實現(xiàn)精益制造。其次，針對產品生產、加工工藝以及船舶生命周期管理而構建的數(shù)字化造船管理系統(tǒng)，實現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新。現(xiàn)以某起重船的制造為例，充分說明計算機輔助船舶制造技術對促進造船工業(yè)轉換造船模式，提高企業(yè)整體素質和競爭力，贏得競爭優(yōu)勢具有重大意義。

該起重船主尺度如下：

型長：89.8m

型寬：31.0m

設計吃水：3.2m

垂線間長：88m

型深：6.6m

排水體積：7408.2米3

首先，利用計算機輔助船舶制造工具之一——Maxsurf軟件，針對該起重船的基本設計方案，進行數(shù)字化建模并完成穩(wěn)性校核。數(shù)字化建模主要負責建立各種制造資源的數(shù)字化模型。其基礎數(shù)據(jù)模型包括：產品數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、標準代碼、資源數(shù)據(jù)、計劃數(shù)據(jù)、其他基礎數(shù)據(jù)。由于Maxsurf軟件，利用B樣條曲面和非均勻有理B樣條曲面，基于數(shù)學公式形式，進行型線描述及設計；在保持很好的計算穩(wěn)定性的前提下，來設計復雜的船體外形，通過反復迭代，逐步得到最終可靠的結果，即采用優(yōu)秀的船體型線提高船舶的快速性，所以采用該軟件進行型線設計，完成數(shù)字化建模，并進行穩(wěn)性校核。線型如圖1。

為表達船舶在正浮狀態(tài)下的浮態(tài)和穩(wěn)性要素隨吃水的變化，完成了完整穩(wěn)性許用重心高度計算等，按照水線面、縱傾的定義，插值計算船舶靜水力數(shù)據(jù)，求得不同排水體積或不同吃水及不同橫傾角時浮力作用線至假定重心的距離，即橫交曲線數(shù)據(jù)，并對指定進水點計算其進水角及甲板入水角。再利用該軟件，根據(jù)《船舶與海上設施法定檢驗規(guī)則》國際航行船舶法定檢驗規(guī)則（1999）中IMOA749（18）號決議和非國際航行海船法定檢驗技術規(guī)則（1999）兩部份進行穩(wěn)性計算，數(shù)據(jù)如圖2。

其次，利用計算機輔助船舶制造工具之一的Nupas，進行結構數(shù)字化建模及生產設計。該起重船選用Nupas軟件完成該項工作。生產設計是在詳細設計的基礎上，按建造單位的技術、設備、施工工藝及流程、生產管理等情況，設計和繪制施工圖紙以及施工工藝和規(guī)程等。其中還包括組裝和管理的要求。生產設計的詳細、完整和深入的程度，直接影響到造船質量、建造周期。計算機輔助船舶制造非常適應現(xiàn)代造船產業(yè)的發(fā)展。由于Nupas軟件能導入基于表面的船體線型數(shù)據(jù)，如Iges，Rhino，Napa，Acis等，內置智能的船體結構拓撲原理及管道規(guī)范，統(tǒng)一的邏輯數(shù)據(jù)，友好地用戶界面及三維環(huán)境等，所以將Maxsurf的數(shù)字化型線模型的iges文件導入Nupas軟件中，進行數(shù)字化船體三維建模。最終，輸出各種二維、三維格式的圖紙，例如AutoCad，dwg，dxf，pdf等。其中，生產設計，從廣義上講，是對生產計劃的制定、執(zhí)行、反饋與持續(xù)改進起到良好的輔助作用，使整個生產形成閉環(huán)管理。包括三大系統(tǒng)和二大數(shù)字化共享平臺：造船生產計劃管理系統(tǒng)、造船物流管理系統(tǒng)、造船MES；造船生產管理門戶平臺、造船數(shù)字化管理建模平臺。本文從工藝生產設計的角度出發(fā)，介紹相關技術應用。

起重船項目的數(shù)字建模及生產加工，通過船體結構、舾裝、輪機、電氣等四大專業(yè)分工協(xié)作，結合結構與舾裝放樣、管系放樣、電纜放樣、船體型線放樣、外板和曲型板材展開、型材逆彎、線型光順、線型處理、胎架制造、型材切口形式等生產工藝來完成。首先，創(chuàng)建三維圖紙剖面，建立起重船項目的三維空間主尺度；其次，進入各個圖紙剖面進行結構件模型的創(chuàng)建。整個起重船項目被分割成小分段來細化，各個零件根據(jù)位置、輪廓、實體尺寸進行創(chuàng)建。例如，骨材根據(jù)板厚方向、球頭朝向、端部特征、位置等進行創(chuàng)建，并進行安裝方向、焊接收縮量的定義。零件定義之后，組裝成部件，部件組裝成分段，完成組裝策略。其中，套料給出零件在鋼板上的排列，切割信息等。一起套料的零件越多，鋼材的利用率越高，據(jù)此對角鋼、球扁鋼等進行套料，計算其長度和彎曲的偏移量。再例如胎架設計，首先定義胎架高度，支撐分布及根數(shù)，以生成胎架。或者打開一塊或幾塊外板板，在板縫上生成支撐，布置支撐的位置和數(shù)量，最終生成胎架。整體自定義的規(guī)則選取型材的末端形式和坡口、凹槽類型，利用開孔管理程序進行船體結構上穿管。從三維模型中生成的零件表、材料統(tǒng)計表、重量重心報告、焊接報告和坡口報告、板材零件的幾何結構和型材加工信息，方便快捷地進行套料和切割。通過工作分解管理程序，自動地給大組件、小組件、板架零件編號，規(guī)劃總裝策略，自動完成分段建造工作結構的分解計劃，生成二維和三維的組裝等生產圖紙（如各種送審圖、結構圖、分段圖、生產圖紙）或草圖。除了圖紙和零件表以外，相關的數(shù)字化生產信息，如切割加工單、表面處理、焊縫、總重和重心等直接提供給切割機、彎機和焊機等數(shù)控生產設備。設備直接從三維模型中計算得出相應數(shù)據(jù)，供設備使用。如圖3。

圖3

總之，在起重船的制造過程中，計算機輔助船舶制造技術，融合了靜水力計算程序、穩(wěn)性計算程序、型線生成程序、船體強度計算等“流水線”式的程序系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)庫為核心，良好的人機交互技術，較好地發(fā)揮了高速發(fā)展的計算機的性能，如速度快、容量高、精度高等，又充分發(fā)揮船舶設計者的主觀決斷。最終，運用計算機輔助船舶制造技術不僅加快了船舶設計速度，而且保證了計算的精度，減少人工重復勞動，從而大大提高了工作效率。船舶工程的技術日趨復雜，船舶設計與制造的難度也越來越大，只有更好的使用計算機輔助船舶制造技術，才能在盡可能短的時間內，完成大量復雜計算和設計，建造出優(yōu)秀的船舶。計算機輔助船舶設計對促進造船工業(yè)轉換制造模式，提高整體自動化水平，增強企業(yè)核心競爭力，具有重要意義。