数字化船舶建造技术在我厂的应用

摘要：本文介绍应用船舶建造设计软件Shipconstructor的数字化船舶建造技术在我厂4年来的施工实践经验，对比过去的生产方式，撰写此文，文中以图文并茂的方式详细阐述该技术在我厂数学放样、生产设计、施工图纸的实际操作情况和在安全生产、绿色造船方面的应用及取得的主要成果。

关键词：数字化造船；绿色造船；中小型船厂；效益

1 数字化船舶建造技术简述

数字化船舶建造技术就是利用计算机系统和多媒体对船舶详细设计进行三维建模辅助、完成生产设计图纸并具有可施工性、可修改性的一种造船技术。这种技术是船舶生产设计优化、缩短建造周期、节约能源及材料、沿着“绿色造船”方向发展的重要措施。它是现代数字化造船模式体系—数字化船舶设计、数字化工程管理、数字化船舶建造三大项目中发展得最快、最关键的一项技术。

本文所述的是应用于国内中小型船厂具有船舶建造仿真、综合放样、自动生成零件生产图纸和船用材料信息功能的数字化船舶建造技术。下面就我厂运用此技术建造的船舶项目分析探究其实现价值。

2 传统船舶生产技术概述

过去，国内中小型船厂因设备使用、科技信息管理、生产流程都处于一种习惯性的模式，生产设备也不及大型船厂，使船舶建造周期规划、材料损耗控制、成本核算都处于较为落后的阶段。本文以广州市番禺灵山造船厂有限公司为例叙述其过去十年船舶生产技术的方式和改变。我公司早期的生产设计主要使用手工绘图，以详细设计图纸直接作为生产图纸，型线放样采用1：1实体放样，管路和电缆没有进行整船放样，而是直接在建造中的船体结构上进行具体布置。随着造船业务的拓展，所造海洋船舶不断增加，排水量增大，结构相对复杂，检验标准更严格，采用传统生产技术将面临零件加工速度慢，船台占用周期长，整船管路电缆综合放样难度大等问题。船厂为解决这些问题而更新了硬件设施，如等离子数控切割机、液压曲板辊弯机、大型压力机和起重机等，而施工图纸采用CAD绘图，这些措施相对解决了零件加工和分段建造速度问题，但生产图纸设计方面仍然相对落后，与各硬件设施的软件系统数据连接不佳。下面列举生产设计与生产设备结合方面仍然存在的一些弊端：

（1）复杂曲面放样困难，放样精度也取决于生产工人的技术水平，往往增加施工过程的修改，产生程度不同的返工现象，从而造成生产周期加长等不良后果。

（2）数控切割零件的利用率低。数控机切割的零件图形是在CAD里绘制并进行人工排列，在排列时需要计算零件的尺寸，这种套料方式效率低，板材利用率也低。

（3）分段建造及合拢技术未达到最优化。分段大小受起重能力和船台空间制约，重量重心采用人手计算，工作量大。

（4）船舶下水压力分布计算，重量重心计算主要使用经验公式。

3 应用数字化船舶建造仿真技术

随着造船业务不断发展及商务运作需要，订购商要求建造周期大为缩短，为适应市场需要，我厂在2008年购买了一套加拿大SSI公司的船舶建造设计软件-Shipconstructor2008。该系统在发挥硬件设备最大效益、生产数据的统筹、缩短建造周期以及节约建造成本方面取得较为满意的成效，但软件系统仍然存在一定的局限性，尤其管路设计中零件投影效果不理想、图纸修改比较困难等问题比较突出。

我们在使用该软件系统的两年时间内，把软件系统与船厂生产的各个环节完全结合，下面就在建和已建船舶项目的数字化技术应用上概要介绍，供同业参考。数字化仿真生产设计从退审图开始，其生产设计流程如图1所示。

下面以我厂去年下水的一首56米海洋供应船为例，介绍该技术的实际应用。

3.1 船舶总体型线放样及光顺、有限元模型的生成技术

过去船舶的造型设计只通过平面图纸表达，感染力不强。采用三维技术进行船舶放样，能把设计师的设计思想完整表达出来，增强设计的真实感及制作效果图展示给客户，如图2所示。

我们还针对复杂结构舾装件与船体结构的接合及其工艺安装过程进行三维可视化图形制作，优化复杂船体结构的设计，提高放样精度减少现场返工。某些复杂加强结构需要作局部强度计算，而使用这些已经建好的三维模型则可直接用SAT格式导入所有有限元分析软件中使用，这样可以避免重复绘图（见图3）。型线的光顺和放样源于同一个软件系统，使性能计算及舱容计算与实船误差大大减少，而且同样可以避免重复绘制型线。

图2 56米海供船3D效果图

图3 56米海供船载货区甲板骨架有限元分析云图

3.2　生产设计及施工设计数字化

生产设计使用三维技术及共用数据库，施工图纸采用分段半立体显示及零件加工装配数字化是我厂船舶生产的一大改革，也是SC2008软件系统的核心功能，我们利用该软件系统的功能结合自身生产技术、工艺习惯及设备条件设计出一套完整、具实用价值的生产方法。

下面按过去和现在的船舶生产设计及施工技术对比，介绍数字化仿真技术的应用情况及实现的价值：

（1）型线及外壳板放样

（2）结构零件放样及加工

（3）分段装配图

（4）综合放样

在未使用数字化船舶建造仿真技术之前，船体结构的建造以船台正装、散装为主，就算采用分段建造形式，也仅限边水舱以独立分段建造，分段合拢方案主要依靠施工经验。零件的拼装依靠详细设计平面图纸，因此需要通过文字描述零件的安装位置和安装工艺。零件余量及合拢缝余量未经过严格计算，加放量比较大。由于建造精度未得到严格控制，返工情况比较多。这种施工方式会消耗大量的工时，浪费材料较多，导致增加建造成本。针对以上问题，我们现在使用新技术手段进行优化，具体措施如下：

（1）在结构零件放样时取消全部内部构件余量，而把三维建模做到最仔细，仅限在外板及主甲板分段合拢处增设余量，而且小于50　mm。纵向零件尺寸按比例增设焊接收缩补偿量，曲面结构需要计算弯曲伸张量，按伸张量安排补偿量加放位置，严格控制外板余量的加放，主要为取消一部分外板的纵向接缝余量。胎架按反变形理论设计。

（2）尽可能把所有零件使用数控机切割，这样可使零件尺寸和仿真模型一致。套料过程在计算机里完成，利用人机结合方式优化套料过程，保证材料利用率达到理想目标。

（3）从套料图、零件加工图到分段装配图使用同一套完整的零件编码，零件名称编采用数字化编制，能表达零件的装配位置及工艺。而这些编码是人工设计，计算机自动生成。零件装配编码原则文件里，零件名命名方式为：　项目号-分段号-结构平面号-拼装顺序号-工艺要求号，使工人安装思路清晰，材料分类堆放次序分明，提高堆场面积利用率，从而增加加工装配场地并提高装配效率。

（4）分段划分过程使用电脑模型进行三维可视化划分，根据船台起重能力及空间大小合理设计分段的重量重心，并进行合拢过程模拟，对分段合拢过程分析做到最精确，提高分段建造的安全性。分段装配一改以往平面图形显示形式，采用半立体图形显示，结合数字化编码运用，一般均可满足施工要求，只有在精细结构装配才会再拆分成平面图形。

（5）以分段设计船体结构并制作分段电脑模型另一个重要作用是为舾装、管路、电气综合放样作基础平台，使管路零件走向、电缆走向及其他设备附件综合显现在船体分段模型上，从而很直观显示布置效果，防止以往施工中相互矛盾及位置重叠等现象。

图4为按分段设计的生产图纸。

图4 56米海供船升高甲板分片装配图

以往我厂的舾装、管路及电缆是各专业生产车间根据原理图和布置图在船台直接进行其具体布置设计和零件放样，导致各专业同时放样会出现相互干涉情况较多，返工次数增加。为改善这些不良现象，我厂决定研发综合放样技术，让各专业技术人员使用同一个数字化建造仿真系统，合理制定工作流程和区域划分，在电脑里完整绘制舾装立体图、完整的管路系统、电缆托架图及电缆走向图。在船体结构模型绘制完毕并且部分分段开始建造的时候其他专业可开始进行布置和放样，在设计时期进行多次有必要的个专业零件布置协调会议，确保舱内空间利用率最大化。数字化船舶建造仿真技术能极大减少管子余量、活动管数目、电缆材料浪费、舱室装修的影响及各种施工耗时。另外，使用此技术绘制的起锚机、拖缆机、收缆机等舾装设备的安装示意图均以立体形式显示，能使安装步骤方法更为清晰，从而提高安装速度。

3.3 生产进度及材料成本优化

经过数字化船舶建造仿真技术进行生产设计后，图纸的速度和质量得到一定提高并且通过减少结构余量，提高钢料利用率，减少返工数量及电算化材料配额清单节省成本。响应“数字化造船”和“绿色造船”两大主题。通过56米海供船的母型船（其母型船未使用数字化技术生产）建造进度和材料用量对比总结，56米海供船在劳动力投入、建造工时、能耗及材料用量上共节省成本约15%。

4 数字化造船对安全生产的效应

数字化船舶建造系统由于能得到精确的全船各分段重量、重心位置数据，从而可以根据船厂起重设备布置、起重工艺技术的特点优化分段设计、指导吊装作业，大大降低吊装作业的危险性。

数字化船舶建造仿真技术也为船舶下水计算提供了更有力的理论依据，在船舶下水时，其完工量仅为部分完工，而且各船下水时重量分布情况也有差异，以至于使用母型船换算法也难以得到足够准确的数据，使用手工计算对这种船舶个分段完工量程度不一、重量分布不规则的船舶下水过程重量、重心及压力计算长期困扰着技术力量相对薄弱的中小型船厂。鉴此，使用数字化船舶建造仿真系统进行船舶下水计算是最佳的技术手段，这是由于船舶建造仿真系统本身就能按建造进度拆分船体分段及局部结构，而且计算速度快、准确度高。下水重量、重心及压力分布计算数据也对整个船舶下水安全性分析起关键性作用，从而大大提高船舶下水的安全性。

由于数字化分段综合放样的实现，为分段舾装、管路、电缆混合安装提供基础条件，大大减少船体结构分段成型后多种专业项目的交叉作业量，从而减少生产安全隐患，提高机、电设备安装作业环境的安全性。

5 今后设想

（1）发展工程现场数字化系统，把技术部的三维电脑模型直接作为施工文件直接在工（下转第页）（上接第页）程现场使用，并可在工程现场利用计算机即时查取所需的施工数据，减少工程现场交谈次数，并进一步缩短生产周期及节约能源。

（2）组建工程管理信息集成系统（ERP系统），整合仓库管理、供应采购、成本核算、工程管理的数据信息库，逐步实现船舶生产管理数字化。

（3）继续完善已有的数字化船舶建造仿真技术，软件系统需要根据实际情况进行升级或改用其他功能更好更适合我厂的软件系统。

6 结束语

以上仅为本厂在实施数字化船舶建造仿真技术过程的简介，虽然取得一定的成效，但还未完全达到理想效果，今后仍需按上述的设想进一步深化和完善，使其提升到更高的技术平台。本文仅介绍针对本厂实际情况而编制的流程和措施，但愿能为其他中小型船厂提供参考，从而达到抛砖引玉的目的。

参考文献

[1]　ShipConstructor　Software　Inc.（SSI）　Product　Presentation　2008