计算机辅助船舶制造技术探索

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摘要：本文针对某起重船的设计与制造，阐述计算机辅助船舶制造技术在现代造船业中，应用广泛，深刻影响造船工业转换造船模式。

关键词：起重船；计算机辅助制造；详细设计

船舶作为水上建筑物，系统复杂、技术含量高且使用周期长。如何利用计算机辅助船舶制造技术，完成船舶稳性、结构强度及刚度等校核，并在总体设计基础上，即总布置设计、型线设计、各项性能计算，逐步细化模型，完成生产设计以及船舶制造，是由计算机辅助船舶制造技术融合了现代造船模式的先进理念所决定的，即用信息化手段支持“协同创新、精益制造”。其内涵包括两个方面。首先，利用数字化建模技术搭建计算机辅助船舶制造方案的基础，实现精益制造。其次，针对产品生产、加工工艺以及船舶生命周期管理而构建的数字化造船管理系统，实现协同创新。现以某起重船的制造为例，充分说明计算机辅助船舶制造技术对促进造船工业转换造船模式，提高企业整体素质和竞争力，赢得竞争优势具有重大意义。该起重船主尺度如下：型长：89.8m型宽：31.0m设计吃水：3.2m垂线间长：88m型深：6.6m排水体积：7408.2米3。

首先，利用计算机辅助船舶制造工具之一——Maxsurf软件，针对该起重船的基本设计方案，进行数字化建模并完成稳性校核。数字化建模主要负责建立各种制造资源的数字化模型。其基础数据模型包括：产品数据、工艺数据、标准代码、资源数据、计划数据、其他基础数据。由于Maxsurf软件，利用B样条曲面和非均匀有理B样条曲面，基于数学公式形式，进行型线描述及设计；在保持很好的计算稳定性的前提下，来设计复杂的船体外形，通过反复迭代，逐步得到最终可靠的结果，即采用优秀的船体型线提高船舶的快速性，所以采用该软件进行型线设计，完成数字化建模，并进行稳性校核。为表达船舶在正浮状态下的浮态和稳性要素随吃水的变化，完成了完整稳性许用重心高度计算等，按照水线面、纵倾的定义，插值计算船舶静水力数据，求得不同排水体积或不同吃水及不同横倾角时浮力作用线至假定重心的距离，即横交曲线数据，并对指定进水点计算其进水角及甲板入水角。再利用该软件，根据《船舶与海上设施法定检验规则》国际航行船舶法定检验规则（1999）中IMOA749（18）号决议和非国际航行海船法定检验技术规则（1999）两部份进行稳性计算，数据如图2。

其次，利用计算机辅助船舶制造工具之一的Nupas，进行结构数字化建模及生产设计。该起重船选用Nupas软件完成该项工作。生产设计是在详细设计的基础上，按建造单位的技术、设备、施工工艺及流程、生产管理等情况，设计和绘制施工图纸以及施工工艺和规程等。其中还包括组装和管理的要求。生产设计的详细、完整和深入的程度，直接影响到造船质量、建造周期。计算机辅助船舶制造非常适应现代造船产业的发展。由于Nupas软件能导入基于表面的船体线型数据，如Iges,Rhi-no,Napa,Acis等，内置智能的船体结构拓扑原理及管道规范，统一的逻辑数据，友好地用户界面及三维环境等，所以将Maxsurf的数字化型线模型的iges文件导入Nupas软件中，进行数字化船体三维建模。最终,输出各种二维、三维格式的图纸，例如AutoCad,dwg,dxf,pdf等。其中,生产设计，从广义上讲，是对生产计划的制定、执行、反馈与持续改进起到良好的辅助作用，使整个生产形成闭环管理。包括三大系统和二大数字化共享平台：造船生产计划管理系统、造船物流管理系统、造船MES；造船生产管理门户平台、造船数字化管理建模平台。本文从工艺生产设计的角度出发，介绍相关技术应用。起重船项目的数字建模及生产加工，通过船体结构、舾装、轮机、电气等四大专业分工协作，结合结构与舾装放样、管系放样、电缆放样、船体型线放样、外板和曲型板材展开、型材逆弯、线型光顺、线型处理、胎架制造、型材切口形式等生产工艺来完成。首先，创建三维图纸剖面，建立起重船项目的三维空间主尺度；其次，进入各个图纸剖面进行结构件模型的创建。

整个起重船项目被分割成小分段来细化，各个零件根据位置、轮廓、实体尺寸进行创建。例如，骨材根据板厚方向、球头朝向、端部特征、位置等进行创建，并进行安装方向、焊接收缩量的定义。零件定义之后，组装成部件，部件组装成分段，完成组装策略。其中，套料给出零件在钢板上的排列，切割信息等。一起套料的零件越多，钢材的利用率越高，据此对角钢、球扁钢等进行套料，计算其长度和弯曲的偏移量。再例如胎架设计，首先定义胎架高度，支撑分布及根数，以生成胎架。或者打开一块或几块外板板，在板缝上生成支撑，布置支撑的位置和数量，最终生成胎架。整体自定义的规则选取型材的末端形式和坡口、凹槽类型，利用开孔管理程序进行船体结构上穿管。从三维模型中生成的零件表、材料统计表、重量重心报告、焊接报告和坡口报告、板材零件的几何结构和型材加工信息，方便快捷地进行套料和切割。通过工作分解管理程序，自动地给大组件、小组件、板架零件编号，规划总装策略，自动完成分段建造工作结构的分解计划，生成二维和三维的组装等生产图纸（如各种送审图、结构图、分段图、生产图纸）或草图。除了图纸和零件表以外，相关的数字化生产信息，如切割加工单、表面处理、焊缝、总重和重心等直接提供给切割机、弯机和焊机等数控生产设备。设备直接从三维模型中计算得出相应数据，供设备使用。如图3。总之，在起重船的制造过程中，计算机辅助船舶制造技术，融合了静水力计算程序、稳性计算程序、型线生成程序、船体强度计算等“流水线”式的程序系统，以数据库为核心，良好的人机交互技术，较好地发挥了高速发展的计算机的性能，如速度快、容量高、精度高等，又充分发挥船舶设计者的主观决断。最终，运用计算机辅助船舶制造技术不仅加快了船舶设计速度，而且保证了计算的精度，减少人工重复劳动，从而大大提高了工作效率。船舶工程的技术日趋复杂，船舶设计与制造的难度也越来越大，只有更好的使用计算机辅助船舶制造技术，才能在尽可能短的时间内，完成大量复杂计算和设计，建造出优秀的船舶。计算机辅助船舶设计对促进造船工业转换制造模式，提高整体自动化水平，增强企业核心竞争力，具有重要意义。

作者：宋褔高 苏琳芳 单位：大连船舶重工船研所 大连海事大学