船體零部件標準化設計思路

魏 雷，趙守君，于 洋，汪文灝

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引言

船舶行業是為水上交通、海洋資源開發及國防建設提供技術裝備的現代綜合性戰略產業。現階段，大多數船廠在生產過程中應用較多的是自動化建造方法，隨著智能制造相關應用技術的發展、推廣和應用，一些船廠在分段建造的部分工序上實現了智能化生產，但大范圍應用還未實現，原因之一是造船廠屬于離散型制造企業，訂單類型多，批量小，工業路線交叉復雜，流程斷點多。這種產品特性使得智能制造技術的大范圍應用有較高的技術難度，因此很多船廠僅在個別生產工序上嘗試應用智能制造生產技術。如果將船體結構中大量的肘板、補板、筋板、肋板、肋骨、支撐座等非標準零部件通過標準化設計手段，優化成小品種大批量的產品結構形式，可以降低智能制造的技術實現難度，更容易實現零部件的標準化、流水線作業方式。

1 船廠生產特點

船廠屬于典型的離散型制造企業，具有以下特點：

1）產品結構冗雜。產品類型為多品種、小批量，最終產品由固定個數的零件或部件組成。

2）工藝流程復雜。生產設備的布置不是按照產品而是按照工藝進行布置。每個產品的工藝過程都可能不一樣，需要對中間產品進行理料、調度和配送。

3）整體自動化水平較低。由于生產過程是離散加工，產品的質量和生產效率在很大程度上依賴工人的技術水平，自動化、智能化主要為單元級，例如數控切割、型材切割、小組立生產線等，整體自動化、智能化水平相對較低。

在現有的生產技術條件下，船廠的產品結構不符合自動化、智能化的生產模式。本文將屬性不同但是有共性的船體零部件在設計階段統一標準，促使零部件結構形式向少品種、大批量的產品結構模式轉變，有利于實現生產制造階段的自動化和智能化。

2 船體零部件標準化設計思路

每型船的結構形式源自個性化、定制化設計，具體的結構形式和尺寸根據理論計算得出，不同型船舶之間的結構形式差異較大。即使同一型船同一區域內的零部件，也可能因為計算結果的微小差別或計算方法的不同，導致結構形式的差異。

船體零部件的基本屬性構成包括名稱、板厚、材質、尺寸和幾何形狀。船體中有很多結構相似的零部件，它們會有部分相同的屬性。船體零部件的標準化設計思路是將船體相似結構的零部件設計成屬性相同的形式，從而減少零部件的種類，形成小品種大批量的中間產品。按照標準件、通用件設計和制造模式，簡化建模、出圖和校對工作，零部件集中進行套料、切割、加工、打磨、領用和配送，更容易實現生產工序的連續化、自動化和智能化。

下面以船體結構常見的肘板、補板、肋板、支撐座和T排等為例，分析船體零部件標準化設計思路。

2.1 肘板

肘板是連接2個以上構件的連接件，能增加連接節點的剛性和保證相交結構的連續性，同時可以傳遞各種力，減小連接處的應力集中，改善接頭的工藝性，通常是船體結構中數量最多的一種零件。以某液化氣船為例，全船零件約10萬個，肘板個數約1.7萬個，肘板種類近550種，總重量約20 t，以分段為單位對肘板進行套料、切割和加工，占用多道生產工序。

為減少肘板規格種類，設計階段在滿足結構強度的基礎上整體考慮全船肘板設計，合并板厚和材質，尺寸類似的肘板統一大小，減少肘板種類，增加每種規格肘板數量。生產階段按照通用件和標準件進行集中生產和管理。

2.2 補板

船體結構貫穿孔增加補板的作用主要有3種：

1）水密艙壁，加水密補板。

2）非水密艙壁，加補板補償強度。

3）對有防火或氣密要求的艙壁，加補板保證達到A0級以上防火要求或氣密要求。

同樣以某液化氣船為例，全船零件約10萬個，補板個數約1.4萬個，補板種類約160種，總重量約6.7 t，與肘板同樣存在數量多和種類多帶來的一系列問題。

按照現在的補板設計標準，補板的尺寸和規格主要取決于對應貫穿的型材規格和艙壁材料（圖1）。針對補板尺寸設計，可以將固定的節點尺寸設計成一定范圍內的值，則同一種尺寸規格的補板和貫穿孔可兼容一定尺寸范圍內不同規格的型材。如圖2所示，將

a

和

b

的值設計在一定范圍內，則不同規格的型材貫穿孔可以使用同種規格的補板，從而達到減少補板種類的目的。再從板厚和材質方面統一規格，進一步減少肘板種類。

圖1 補板結構（單位：mm）

圖2 補板設計優化（單位：mm）

2.3 雙層底肋板及加強筋

肋板作為雙層底區域橫向結構，尺寸主要由雙層底高度和縱桁間距確定，肋板外部尺寸基本相同。肋板加強筋的厚度和材質通常與底板不同，生產設計需要選擇不同板厚和材質的母板進行套料，最終一塊肋板上的零件可能來自多張套料板圖。

以某型船雙層底肋板結構（圖3）為例，該肋板共包括10.0A、12.0A、13.0AH32這3種板厚材質的零件，對應切割板圖 NX01、NX02、NX03。要制作完成該小組立需要切割完 NX01、NX02、NX03這樣3張鋼板，再進行理料、加工和配送等工作。該種模式下從切割開始需要6次配送才能到達組對工序（圖4流程一）。如果將肋板上的加強筋和母材的材質板厚統一，設計時肋板包含的所有零件可以套用1張鋼板，實際生產過程中只需要2次配送就能到達組對工序（圖4流程二）。

圖3 肋板結構

圖4 分段生產工序對比

因此，在統一肋板加強筋板厚和材質的基礎上，確保同一區域的肋板結構相同，設計上按照通用件模式進行設計，生產階段容易實現肋板的自動化、智能化和流水線生產模式。

2.4 支撐座

支撐座作為支撐液化氣船液罐的主要受力構件，起到支撐、限位、防傾等作用，全船支撐座數量為500個～1 000個，同種類型支撐座為100個～200個。詳細設計中同一類型支撐座的結構尺寸相同，但是在實際生產設計模型和圖紙中，因為一些節點的具體要求，同一類型支撐座之間可能存在10 mm以內的尺寸偏差，每個支撐座并不完全相同，相互之間不能通用。

如果在滿足總體強度和規范的前提下，對支撐座結構節點形式進行分析計算和優化設計，制定具體節點的設計允許公差范圍，在生產設計過程中可以將同類型支撐座設計成結構形式相同的標準件和通用件，該類型結構在生產設計時只需要繪制1套圖紙即可，設計和校對的效率大大提高。生產上可以做成支撐座生產線，實現機器人自動裝配和焊接。

2.5 T排

T排是船體結構中常見的構建，數量較多。為了提高自動化生產效率，很多船廠引進了T排流水線，對長直T排進行裝配、打磨和焊接的生產作業。船體中還存在很多趾端放大結構形式的T排，因不是長直形狀，這種形式的T排不能在流水線上生產。通過對結構進行優化，將趾端放大的T排做成“長直T排+肘板”的結構形式，長直部分可以在T排流水線上進行生產加工，這種結構改變對T排結構本身的制作效率有了很大提高。

3 應用實例

吊馬是一種船用附件，傳統生產方法是人工裝配和焊接，效率低下。常用的吊馬型號有91種，因為型號較多，給自動化生產方案制定帶來了很大困難。為了降低吊馬自動化生產線方案的技術實現難度，通過結構優化和合并，將吊馬型號減少到 20種，自動化生產線的設計難度大大降低，實現了吊馬的自動化和智能化生產模式（圖5），質量和效率方面都有很大提升。

圖5 吊馬工作站

4 結論

現代造船的發展趨勢之一就是融合先進的計算機和智能制造技術，因此需要轉變傳統設計理念，積極研究船體零部件標準化、通用化設計，使中間產品更好地與先進的生產方法相結合。

在船舶設計和建造過程中，受制型船結構特點和實際生產條件的限制，基本不存在完全相同的 2個分段，從分段的角度看，標準化難以實現，分段建造仍然是離散型建造模式。但是通過對分段之間進行橫向拆分，分段間存在大量相似或相同的零部件，不同分段間的零部件是通用的或者可以設計成通用的。比如文中提到的補板、肘板、肋板、支撐座和T排等結構，還有船體結構常見的肋骨、橫梁、集裝箱導軌、基座加強和艙口圍等，通過一定的計算和設計手段，做成標準件、通用件，進行集中設計、生產和管理，減少中間生產工序（圖6）。

圖6 整體工序對比

分段零部件標準化設計，對分段設計、制造帶來的影響主要表現在以下幾個方面：

1）設計

相同類型的零部件只需要一套圖紙即可滿足后續生產，建模、出圖和校對的工作量大幅減少，提高效率。

2）生產

設計模式的轉變勢必使生產制造模式發生變化，標準化的零部件設計帶來的是標準的切割、加工、制造流程和工藝，生產流程內無斷點，制造場地固定，容易實現自動化、智能化設備的研制和應用。

3）質量

設計環節減少，設計質量更加容易控制。自動化、智能化的生產線的投入使用使產品質量更加穩定。

4）計劃（周期）

集中生產、領用模式使零部件的制作不受分段生產計劃的制約，計劃更加靈活，縮短了分段制造周期，提高生產效率。

在智能制造技術已經成為一種發展趨勢的環境下，要認清現代造船的發展方向，引進新的生產管理模式，引進人工智能等技術，同時深入研究、優化設計模式，這對豐富和發展我國造船業技術，提高造船水平具有重要意義。