（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船体分段合拢设备机械结构模型研究.pdf

武汉理工大学硕士论文 摘要 2 0 0 6 年9 月7 日国防科工委发布了船舶工业中长期发展规划( 2 0 0 卜 2 0 1 5 ) ，力争到2 0 1 5 年使我国成为世界最主要的造船大国和强国。 我国造船业经过多年的努力和发展，已经成为世界第三大造船国，世界船 舶市场份额呈现由日韩向中国转移的趋势。但与日韩等造船强国的技术差距还 不小，尤其在造船工法上远不及韩国造船企业。韩国实施的是环型总段建造法， 总段巨型化( 约3 0 0 ( 0 ) ，而我国造船工法较先进的造船厂总段不到1 0 0 0t ，同时 与总段建造法相配套的流水生产工艺、工法、设备还很落后。尽管在船台或船 坞出现了与先进的造船工法相配套的重型平板运输车、高空作业车和船尾液压 工作平台等先进工装设备，但分( 总) 段合拢方法还是沿用传统方法。 某船厂为了全面推进现代造船模式，缩短船台占用周期，推行总组造船法， 我们为其提出了采用多台具有机器人特性的同步合拢小车自动调整总段位姿的 船台合拢新方案。 本文借助计算机辅助设计，采用三维虚拟仿真技术对船体分段自动合拢设 备机械结构模型进行了初步的研究探讨。针对某造船公司的工艺需求进行了合 拢设备的方案设计，运用系统设计方法，对该同步合拢小车进行了功能分解， 分为上部移船定位模块和下部的支撑结构模块，分别进行分析研究。 在上部移船定位模块设计中，选择了主顶升装置的传动形式以及油缸的选 择，对主油缸与副油缸的布置进行了分析计算。研究了上部模块与船体分段之 间的承接方式以及与下部支撑结构之间的连接形式。 在下部支撑结构模块设计中，根据船厂的实际情况，确定初步的结构形式 及尺寸。并对结构进行了力学简化分析，选择结构计算分析的工况。通过将 s o l i d w o r k s 中建立的结构三维实体模型导入w o r k b e n c h 中进行结构计算分析校 核，并校核了设备中的支撑钢轮及轮轴结构安全，确保合拢作业时，整个合拢 设备结构和船体分段的安全。 最后对本文所做的研究内容做了总结，并指出了进步研究的方向和分段自动 合拢设备的发展趋势。 关键字：船体分段，合拢设备，机械结构模型，计算分析，s o l i d w o r k s ，w o r k b e n c h 武汉理工大学硕士论文 a b s 仃a c t i ns e p t e m b e r7 ，2 0 0 6 ，c o s t i n di s s u e d ”s h i pb u i l d i n gi n d u s t r yl o n g - t e r m d e v e l o p m e n tp l a n2 0 0 6 - 2 0 15 ) ”w eh a v et h ep l a nt om a k eo u rc o u n t r yb e c o m et h e w o r l d sl e a d i n ga n dp o w e rs h i p b u i l d i n gc o u n t r yi n2 0 1 5 a f t e ry e a r so fe f f o r t sa n dd e v e l o p m e n t , o u rc o u n t r yh a sb e c o m et h ew o r l d s t h i r dl a r g e s ts h i p b u i l d i n gc o u n t r y , a n dt h es h a r eo ft h es h i pm a r k e th a st h et r e n do f s h i f t i n gf r o mj a p a na n ds o u t hk o r e a t oc h i n a f o rn a r r o w i n gt h et e c h n o l o g yg a pw i t hj a p a na n ds o u t hk o r e a , c h i n a s s h i p b u i l d i n gi n d u s t r yi sp r o m o t i n gt h ee s t a b l i s h m e n to f am o d e m s h i p b u i l d i n gm o d e ， a n da c t i v e l yi m p r o v i n gt h ec h i n e s es h i p b u i l d i n gi n d u s t r yi nt h ew o r l ds h i p b u i l d i n g c o m p e t i t i v e n e s s ，a sw e l la sa g a i n s tr i s k s h o w e v e r , w es t i l lh a v eg r e a tt e c h n o l o g yg a p b e t w e e nk o r e aa n dj a p a n , p a r t i c u l a r l yl a g sf a rb e h i n di nt h es h i p b u i l d i n gp r o c g s s i n s o u t hk o r e a , t h et o t a lr i n gb l o c kc o n s t r u c t i o nm e t h o dw a si m p l e m e n t e d ，t h et o t a l b l o c kw a sg i a n t ( a b o u t3 0 0 0 0 ，b u tt h el a r g e s ts h i pb l o c ki sn o tm o r et h a nl0 0 0 ti no u r c o u n t r y a tt h es a m et i m e , t h ew a t e rp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y , e n g i n e e r i n ga n d e q u i p m e n t s ，w h i c hw e r em a t c h i n gt h em e t h o do ft o t a lb l o c kc o n s t r u c t i o no ft h eh u l l ， a r es t i l ll a g g i n gb e h i n d d e s p i t et h ee m e r g e n c eo fh e a v yp l a tc a r r i e r , h i g h a l t i t u d e o p e r a t i o nc a ra n dw o r kp l a t f o r mf o ra s s e m b l i n go a ra n dr u d d e r , w h i c hw e r em a t c h i n g t h ea d v a n c e dc o n s t r u c t i o nm e t h o d , w es t i l lu s et h et r a d i t i o n a lm e t h o dt oa s s e m b l et h e s u b h u l l ( t o t a l ) b l o c k i no r d e rt os h o r tt h ec y c l eo fs h i pp r o d u c t i o no nt h eb e r t h , as h i p y a r di s p r o m o t i n gt h et o t a ls h i p b u i l d i n gm e t h o d a n dw cd e s i g n e da n e w p r o g r a m w h i c hw a s u s e dm o r et h a no n es y n c h r o n o u sa u t o m a t i cs u b - h u l la s s e m b l yc a rt o a d j u s tt h e p o s i t i o no f t h eo v e r a l lh u l lb l o c ko nt h eb e r t hf o rt h i ss h i p y a r d ，a n dt h ec a rw a s 惭m t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o b o t i nt h i st h e s i s ，ap r e l i m i n a r ys t u d yo ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r em o d e lf o r a u t o m a t i cs u b h u l la s s e m b l yc a rh a sb e e n d o n ew i t l lt h r e e - d i m e n s i o n a lv i r t u a l s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y a n dap r o g r a md e s i g no fa s s e m b l yd e v i c e sw a sd o n ef o rt h e i l 武汉理工大学硕士论文 t e c h n o l o g yn e e d so fas h i p y a r d t h ee q u i p m e n tw a sd i v i d e di i l t ot h eu p p e rp a r to f s h i pp o s i t i o n i n gm o d u l ea n dt h el o w e rp a r to ft h es u p p o r ts t r u c t u r em o d e lb y f u n c t i o n a ld e c o m p o s i t i o nw i t hs y s t e md e s i g nm e t h o d t h e ne a c hp a r tw a ss t u d i e d s e p a r a t e l y i nt h ed e s i g no ft h eu p p e rp a r t , t h et r a n s m i s s i o nf o r mo ft h em a i nl i f t i n gu n i t a n dt h em o d e lo ft h et a n k sw a sc h o s e a n dt h el a y o u to ft h em a i nt a n k sa n dt w ov i c e t a n k sw a sr e s e a r c h e d t h es u p p o r to fh u l la n dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h eu p p e rp a r t a n dt h el o w e rp a r to ft h ee q u i p m e n tw a sa l s os t u d i e d i nt h er e s e a r c ho ft h el o w e rp a r t , t h ei n i t i a lf o r ma n dd i m e n s i o u so ft h e s t r u c t u r ew a sd e t e r m i n e df i r s t l yi na c c o r d a n c e 谢mt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h e s h i p y a r d t h e nas i m p l em e c h a n i c a ls t r u c t i l 】r ea n a l y s i sw a sd o n e ，a n dt h ec o n d i t i o no f s t r u c t u r ea n a l y s i sw a sc h o s e a f t e rt h a t , t h et h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo ft h e l o w e r s u p p o r t s t r u c t u r ew h i c hw a ss e t u pb ys o l i d w o r k s w a si m p o r t e di n t o w o r k b e n c hf o rc h e c k i n gw h e t h e rt h es t r u c t u r a lw a ss a f e a n dt h es t e e lw h e e l sa n d a x l e sw e r ea l s oc h e c k e db ym e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n a l y s i st o 删佗t h a tt h es a f e t yo f t h eh u l la n dt h ee n t i r ea u t o m a t i cs u b - h u l la s s e m b l yd e v i c e s f i n a l l y , t h ec o n c l u s i o nw a sd r a w na n dt h et e n d e n c yo fs t u d yi na u t o m a t i c s u b - h u l la s s e m b l yd e v i c e sf o rs h i pb l o c kw a sp u to u t k e yw o r d s ：s h i pb l o c k ，a s s e m b l yd e v i c e s ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r em o d e l ，a n a l y s i s ， s o l i d w o r k s ，w b r k b e n c h i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特要l , l j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人，已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：立盘e l 期：竺望：苎：12 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 国内外研究现状与发展趋势 1 1 1 现代造船模式 船舶是个古老的行业，造船模式先后经历了整体制造模式、分段制造模式、 分道制造模式、集成制造模式和灵捷制造模式。 随着造船模式的发展，船舶制造业对提高生产效率和建造质量、缩短船舶 建造周期的要求也越来越高。 现代造船模式首先在日本形成，是对先进造船企业造船理论和实践的总结， 是以中间产品组织生产为基本特征的总装造船模式，主要由统筹优化的造船理 念、面向生产的设计技术、均衡连续的作业流程、严密精细的工程管理和高效 合理的生产组织等基本要素构成。 现代造船模式是提高生产效率、缩短造船周期的重要手段。面对日益严峻 的国际竞争环境，我国造船业在向世界造船强国目标奋进的过程中，不仅要面 临与日、韩等国更加激烈的竞争，还将经受市场变化、材料设备价格上涨和汇 率变动等一系列风险的考验。加快建立现代造船模式是中国船舶工业走新型工 业化道路的战略选择，也是直接关系我国造船企业生存与发展的一项紧迫任务。 在这种情况下，国防科工委提出全面建立现代造船模式行动纲要 ( 2 0 0 6 - - 2 0 1 0 年) ，全面推进船舶行业建立现代造船模式。 建立现代造船模式的实施要点主要是：以总装化为主线，推进造船生产体 系改造；深化设计，为建立现代造船模式提供支撑；以工程计划为导向，推进 管理精细化；以信息技术为手段，促进信息集成化；围绕缩短造船周期，推进 相关制造技术发展；加强基础管理；夯实现代造船模式的基础【1 1 。 其中围绕缩短造船周期，主要是要推行分段总组造船法，发展单元组装、 预舾装和模块化技术，发展精度造船和先进涂装技术，加强船台( 坞) 总装工 艺方法研究。 武汉理工大学硕士论文 1 1 2 船台( 坞) 上船体分( 总) 段合拢方式 由于船厂中船台( 坞) 数量有限，船台周期很大程度上制约着船厂的生产。 船台装配俗称“大合拢 ，是船体结构整体装配的工艺阶段。这是一道被广大造 船工人视为费时最多、劳动强度最大、工作环境最差、严重影响船台周期和船 体建造质量的老大难工序。 在船体建造中，船台装配是一道技术性强、质量要求高的关键工序。长期 以来，世界各国的一些船厂一直采用在分段一端施放2 0 5 0 毫米的余量，吊上 船台后再进行两次定位、划线、切割、合拢的工艺。 通常，是先在船台( 坞) 合拢区勘划出船台中心线、肋位线、肋骨检验线 以及绘制标杆上的高度线，在船体分段上也相应的勘划出分段定位线( 包括船 体中心检验线、肋骨检验线和水平检验线) 和对合线。 进行分段合拢作业时，先将基准分段吊装在船台( 坞) 上进行定位，再吊 装后续分段。通过各种测量仪器( 设定的标杆、水平仪或者经纬仪、软管水平 仪、卷尺等) 测量后续分段与基准分段之间的相对位置关系，对后续分段进行 第一次定位后，测量并切除余量然后再对后续分段进行第二次定位，伎其相对 于基准分段准确定位，之后进行合拢焊接【2 1 。其中分段位置和姿态调整的方式根 据所用设备的选用而不同，传统的有利用吊车吊装定位，还有用船台小车来进 行调整定位。 通过长期的探索研究，各船厂都提出了各自的解决办法来应对船台( 坞) 装配这个难题，在这个过程中，船台无余量装配工艺逐渐发展起来。 在当代，日本造船比较发达，在控制分段的施工误差和施工变形方能取得 了较好的进展。日本相关船厂在建造大、中型船舶时，控制造船各道工序的施 工误差，施放适量的工艺余量，实现了平行中体部位的分段的无余量制造和船 台无余量装配，而在型线复杂的首、尾部的分段还是采用在一端放2 0 - - 3 0 毫米 余量两次定位的工艺。 在西欧及前苏联的一些船厂则是通过分段预修整( 即分段制造完毕后，进 行余量划线、切除其余量) 的方法来达到船台无余量装配。 通过上述的方法使得原来的两次定位减少为一次定位，减少了吊装时间5 0 * , 6 以上，以及减少了船台装配工作量3 0 以上，大大地降低了船台装配的劳动强度， 提高了生产效率和船台大吊车的利用率，缩短了船台周期p j 。 2 武汉理工大学硕士论文 在我国，船舶分段建造时一般采用留余量法。随着技术水平的逐步提高， 我国在实施无余量造船技术中的某些方面。如尝试对建造过程的精度管理、提 高设备性能等方面取得了可喜进步。 1 1 3 船体分段合拢设备的技术现状和特点 现阶段，船体分段的合拢仍然处于手工操作阶段，一般是由装配工人和吊 车司机互相配合吊运、定位安装，在此期间吊车不能用于其他用途，或是在船 台上用船台小车进行合拢。其中使用吊车进行吊装定位过程中精度不易控制， 且分段焊缝中存在很大的应力，影响建造质量。传统的船台小车能沿着固定的 轨道运动，只有一个顶升油缸，只能在高度方向和船长方向上调整分段。这两 种方式都存在效率不高，依赖于操作者个人已有的经验的缺点。此外还有利用 单( 多) 台平板车驮运分段进行调整合拢的，不过这种方式目前屋内还没有应用， 国外技术比较成熟，如图1 - 1 所示为国外某船厂利用多台平板车配合浮吊进行 航母艏总段合拢。 图卜1 多台平板车进行航母艏总段合拢 为了提高造船效率，缩短船台周期，国内外相关机构都在研究船台分( 总) 段合拢设各。目前船台自动合拢小车主要有两种形式：整体式( 图l - 2 ) 和分体式 ( 图卜3 ) 。 整体式合拢设备是由两根与行走轨道平行的纵粱、放在纵粱上的横梁和托 起两根纵粱的船台小车构成，纵粱铰接在其下方的船台小车上。其中，每个单 体小车上面有主液压缸( 高船体度方向) 和副液压缸( 船体宽度方向) 各一个，采 用轨道式行走，通过一定的方式控制主、副液压缸以及小车位置来实现船体分 段在左右、上下的运动以及绕三轴旋转。 武汉理工大学硕士论文 整体式合拢设备多用于大型船体分段的合拢，其结构强度比较好，空间大， 设备的布局好，合拢时有较好的工作平台可以承载船体分段，作业时比较平稳， 但缺点也很明显，主要是使用不灵活，场地限制，安装调试要求较多。其中的 移动小车都具有独立的控制单元，可以单独控制使用，同时每台小车都是模块 化设计，系统具有良好的互换性【4 】【5 1 。 图卜2 整体式合拢设备 分体式设备则具有一个主油缸( 船体高度) 和两个副油缸( 分别进行船长 和船宽方向定位) ，电机驱动自行走。进行合拢时，用多个无相对定位的离散分 布的单体，通过一定的控制方式，协同运作从而完成船体分段合拢所需要的空 间位置和姿态的调整。这种方式能够通过控制单体设备的分布摆放位置和数量， 灵活地适应各种尺寸大小以及重量的分( 总) 段，同时有搬运和移动方便的优 点 6 1 ，但是其控制有一定的难度。 由于分体式的结构使其在承载分段时，没有整体式结构那样好的平台，在 一些船体分段线形变化较大的部分，如用于船体艏艉部分段时必须考虑各个单 体和船体之间的承接方式，必要时需要在这些曲率变化大的部分加上一些特殊 的工装，要特别注意船体分段的安全问题。目前此类产品已有h i m e n 液压研发 销售并用于实例，如图1 - 3 所示，其产品为分体无轨式单体结构。 船体分( 总) 段在船台合拢时，要通过位置和姿态调整来实现和基准分段的 准确定位。而合拢设备采取的结构形式不同，船体分段的空间位置和姿态的调 整的方式也不相同，同样其控制方式也不同。在确定合拢设备结构形式的时候， 应综合考虑船厂对设备的功能需求、应用空间位置大小、船体分段大小以及拟 4 武汉理工大学硕士论文 采用的控制方式等多个方面的困素。 图卜3 分体式合拢设备 目前国内多所高校和研究机构在这方面进行研究工作，主要有中科院自动 化研究所、渤海重工、北京航空航天大学、上海交通大学、华中科技大学、大 连理工大学和7 1 2 研究所等 7 1 1 5 9 1 。上述机构在整体式合拢设备中都有所突破。 分体式的设备，目前国内主要是h i m 刚液压在进行相关的开发和销售，国内若 干船厂采用了其设备。 1 2 论文的目的与意义 经过多年的努力和发展，我国已经成为世界第三大造船国，且随着中国造 船业的崛起，世界船舶市场份额呈现由日、韩向中国转移的态势。 目前由于美国金融危机的影响，海运需求萎缩，运力严重过剩，世界造船 业由一年前的异常繁盛突然跌到谷底。我国船厂手持新船订单中散货船比例过 大，在船市兴旺中又长期积累了大量泡沫。船东要求撤单和延期交船的现象开 始显现，中国造船企业在经受“接单难”的同时，将接受“交船难”的重大考 验。 在这样严峻的形式下，提高造船质量、缩短造船周期，提高中国造船在世 界造船行业中的竞争能力以及抗击各种风险的能力，是中国造船业必须要认真 武汉理工大学硕士论文 思考的问题。 长期以来，国外各大船厂都在研究各种船体分段装配合拢方法，出现了自 动焊接机器人、自动合拢设备、高空作业车和船尾液压工作平台等先进的工装 设备【1 0 】【1 1 1 。在我国，尽管也引进了重型平板运输车、船尾液压工作平台等先进 工装设备，但分( 总) 段合拢方法还是沿用传统方法，我国大部分船厂的合拢 作业还是利用吊车和传统船台小车吊装定位为主，依赖操作者个人经验，没有 形成标准的作业规范，容易受到装配条件的变化、工人情绪等的影响，无法保证 每次的判断与规划都完全相同，严重影响了船台上分段合拢的质量和效率的提 高。 在这种情况下，研制专门用于船台上船体分段合拢、满足分段合拢所需要 的精确定位功能的自动化设备，可以释放吊车、解放人力，有助于缩短船台周 期和提高船舶建造质量。 1 3 论文的主要研究内容 本文主要工作是：通过调查船厂现有船台船体分段合拢方法及设备现状， 针对某船厂的生产工艺流程及技术需求，设计了国内外还没有运用实例的分体 有轨式结构的船体分段合拢设备，对其机械结构进行了分析研究。 以下是本文各章的内容摘要： 第l 章绪论，简要地说明目前船体分( 总) 段合拢方式以及船体分段合拢 设备的技术现状，分析研究分段合拢设备的必要性，给出论文的整体架构以及 各部分的简单摘要。 第2 章主要是针对某船厂的生产工艺流程、需求以及原有工艺设备条件进 行船体分段合拢设备原理方案设计。 第3 章主要进行船体分段合拢设备上部移船定位模块的研究。 第4 章主要是对船体分段合拢设备下部支撑结构模块进行研究，利用 s o l i d w o r k s ，a n s y sw o r k b e n c h 建立合拢设备的三维实体模型并进行有限元计算， 对其结构进行分析校核。 第5 章是总结与展望。 6 武汉理工大学硕士论文 第2 章船体分段合拢设备方案设计 2 1 船体分段合拢设备适用场合 船体分段是由各种零、部件组装而成的船体局部结构【1 2 】。船舶的外壳一般 是流线型的，只有船中附近的线型趋于平坦。把一船体分成分段后，根据其内 部结构特点，有的分段结构复杂，外板曲度大，称为曲面分段或非平面分段； 而有些分段的外型是平直的或近似平直的，结构简单有序，称为平面分段。平 面分段至少有一个面完全平直【1 3 】，如图2 - 1 所示。而船体分段依据其所在船体 结构位置的不同又可分为甲板分段、舷侧分段、底部分段、舱壁分段、船艏艉 分段和上层建筑分段。 ( a ) 曲面分段( b ) 平面分段 图2 1 船体分段定义 船体分段划分的基本原则为：保证船体强度分割的合理性；原材料的最大 利用率；起重设备能力的最大利用率；施工工艺的合理可操作性：施工生产的 均衡性等。 对于每个船厂，根据其实际情况的不同，在遵循以上的基本原则的前体下， 还要考虑很多方面的原因，最主要的是根据生产工艺以及船厂的起运设备的吊 运能力来划分船体分段，有时候还要考虑船台、场地、道路、桥梁承重等多方 面的因素。 船舶建造的方式有很多种，如总段建造法、塔式建造法、岛式建造法、串 联建造法等。其中，总段建造法船台装焊工作量少，工作条件好，有利于缩短 船台周期。 现代造船模式要求全面推行分段总组建造法。对船厂而言，要结合总装造 7 武汉理工大学硕士论文 船作业优化主流程，尽量减少分段总组的数量，增加其重量，结合企业实际情 况，有选择地发展巨型总段建造、船坞快速搭载、平地造船、浮船坞造船等新 技术，最大限度地发挥船台( 坞) 核心生产资源的能力。 现在大部分船厂都在积极地推行分段总组建造法，要求尽量减少分段数量， 增大总段重量。为了更快、更多地造船，近年来韩国船厂开始应用巨型总段建 造法，其中吊进船坞进行大合拢分段( 已大部分完成舾装工作) 的重量已提高到 2 0 0 0 3 0 0 0 t ，甚至更重【1 4 1 。 对船体建造而言，又可划分为零件加工、部件、装配( 小组) 、分段装配( 中 组) 、分段组合( 总组) 、船台合拢五个作业阶段。在船台装配合拢中，底部分段 装配定位工作量颇大，一般占船台上主船体装配工作量的4 0 5 0 e 1 4 1 。 但是由于船体分段结构形式的多样性和复杂性，船体分段合拢设备并不能 适用于所有的分段，其适用范围为平直的或是底部外板曲度较小的船底分段， 以及带有平直或曲度较小底部的总段 传统的底部分段的船台定位作业处于繁重而落后的手工操作状态，底部分 段的高度位置主要依靠安放在墩位上的油压千斤顶进行调节。为了搁置分段， 必须经常搬运及叠放沉重的墩木。这些手工操作的装备数量多、重量大，而且 船底与船台表面之间的距离仅1 2 1 6i l l ，作业往往是在人不能直立的条件下进 行，工效低、工时多、劳动繁重。 而船体分段合拢设备，其主要作用是在船台装配时完成待定位分段相对于 基准分段在空间位置、姿态的定位和调整，改变以往船台合拢作业长期占用吊 机、依靠工人手工操作状态，提高船台装配合拢的质量和效率，缩短船台周期。 船体分段合拢设备的设计、使用应该和船厂的具体生产工艺相结合，其使 用方法与待合拢的分段的重量有很大关系。对于整体式设备而言，其最大承载 能力已经限定，而分体式设备的单台承重能力是确定的分体式设备使用时一 般是4 个成一组，根据船体分段大小以及控制方式去选择使用的组数，可多组 设备联控使用。同时控制多组船体分段合拢设备也可以完成巨型分段在船台 ( 坞) 的装配，但这对分段合拢设备的控制有很高的要求。 武汉理工大学硕士论文 2 2 设计方法和设计平台 2 2 1 现代机械设计方法 随着科技的飞速发展，机械产品向着大型化、多功能多用途化方向发展， 目前机械产品方案设计所用的方法，可分为四大类：系统化设计方法、结构模块 化设计方法、基于产品知识特征的设计方法、智能化设计方法 ( 1 ) 系统化设计方法 系统化设计思想是上世纪7 0 年代由德国学者p a h l 和b e i t z 教授提出的。 系统化设计是建立在系统工程的基础上的，系统的主要特征是具有整体性和分 解性【i5 1 。系统工程方法将事物当作整体系统研究，分析系统各组成部分的有机 联系和系统与外界环境的关系，是较全面的综合研究问题的方法。 产品设计中，产品本身就是系统，产品的功能、结构、评价目标等都可用 系统工程方法处理。用系统工程方法进行产品的原理方案设计，是从功能分析 入手，通过总功能分解，功能元素求解和功能解组合形成多种方案，再经评价 筛选求得最佳原理方案【1 6 1 【1 7 1 。 ( 2 ) 结构模块化设计方法【硌】 定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品( 如通用零件 部件等) 描述设计任务。分解任务时就是考虑每个分任务是否存在对应的产品 解，这样能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，预测生产能 力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性。 ( 3 ) 基于产品特征知识的设计方法 用计算机能够识别的语言描述产品的特征，利用其设计领域专家的知识和 经验来建立相应的知识库及推理机制，再利用已存储的领域知识和建立的推理 机制实现计算机辅助产品的方案设计。 ( 4 ) 智能化设计方法 根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实 技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述 产品的结构。 9 武汉理工大学硕士论文 2 2 2 计算机辅助设计方法 计算机辅助设计( c o m p u t e ra s i d ed e s i g n ，即c a d ) 技术是随着计算机技术 的发展而发展起来的，是人们不断将计算机技术引入到机械设计和制造领域而 产生的一门综合性应用技术，机械c a d 的过程如图2 - 2 所示： 设 计 修 改 图2 2 机械c a d 过程 c a d 技术主要应用于下列几个方面：二维图形处理代替传统的手工绘图；将 图形和符号存入图库以便在其它图形中调用；进行工程分析如有限元分析、优 化设计、物理特性计算和数据管理和数据交换等；进行参数化设计，减少设计 人员工作量，缩短产品设计研发周期；利用三维造型技术以实现装配、运动仿 真、干涉检查。 利用c a d 技术可促进设计工作的规范化、系列化、标准化，提高设计质量、 缩短设计周期、降低设计成本、加快产品更新换代的速度【1 9 l 。 2 2 3s oi d w o r k s 简介 s o l i d w o r k s ( 以下简称s w ) 是生信国际有限软件公司推出的机械设计软件， 其特点为：功能强大、易用性和高效性。 s w 有全面的零件实体建模功能，实际建模是生成特征和添加特征的过程， 在s w 环境下可以由草图形成特征和直接添加特征两种方法。由草图形成特征的 基本方法是选择草图平面在草图平面上绘制草图利用草图形成特征； 1 0 武汉理工大学硕士论文 直接生成特征是直接在实体模型上形成特征，利用系统或设计者已定义好的参 数化特征进行特征定位和输人参数化尺寸，如倒角、圆角、阵列、镜向、筋板、 抽壳、孔特征、圆顶特征等【2 0 】【2 i 】。 除了强大的建模能力，s w 可以方便的从三维实体模型快速的生成完整的工 程图纸，还可以进行模具制造以及计算机辅助工程分析、虚拟装配、动态仿真 等一些其他c a d 软件无法完成的工作。 s w 提供对装配体进行静态干涉检查和动态碰撞检查的功能，以保证任意两 个零件在空间上不得有相互重叠，并且可以形象逼真地进行动态模拟装配体上 零件的运动，以便于设计者能及时地从中发现问题并进行修改【2 2 1 。 此外，s w 还提供几乎所有c a d 软件的输入及输出格式转换器。s w 提供数据 接口可以和a n s y sw o r k b e n c h 之间无缝连接，实现机械c a d 与c a e 系统的完美 结合【2 3 1 。 对于复杂零件可利用s w 强大的实体造型和曲面造型功能建模，再将模型导 入a n s y s 进行有限元分析，这样可将s w 和a n s y s 的强大功能结合起来，更加方 便快捷的进行机械结构的设计分析。 2 2 4 本文采用的设计方法及平台 船体分段合拢设备的设计研究是个系统工程。本文中将采用系统设计方法， 对该设备进行功能分解，将复杂的系统分解成简单的元素，从功能分析入手， 通过总功能分解、功能元素求解和功能解组合形成多种原理方案。同时引入模 块化设计的概念，以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品、通用零件部 件进行设计，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通 过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。 在本次研究中，将借助于计算机辅助设计，用三维虚拟仿真技术对船体分 段自动合拢设备机械结构模型进行研究。具体做法是先用s o li d w o r k s 进行三维 实体建模进行方案的设计分析，再将三维实体建模导入a n s y sw o r k b e n c h 中进 行结构强度校核，从而得到针对某船厂的满足技术要求的船体分段合拢设备的 机械结构设计研究。 武汉理工大学硕士论文 2 3 船体分段合拢设备方案设计 本节中，将对船体分段合拢设备的功能进行分析，利用s o li d w o r k s 进行三 维虚拟仿真设计，完成船体分段合拢设备的原理方案设计。 2 3 1 设备主要技术要求 任何机械设备都是供客户使用的，必须满足使用者的要求。造船机械设备 是供船舶建造生产使用的，必须满足船舶建造工艺的要求。设备功能应尽量完 善，特别是设计新产品，必须在原有产品的基础上不断加以改进，以保持和提 高产品技术上的先进性。首先设备必须能够有效地执行预期的技术功能，这包 括执行技术功能的可行性和可靠性两个方面，其次是要满足经济性要求，再者 要满足劳动保护的要求。 基于上述原则，鉴于目前国内大多数船舶建造工艺水平，我们对武汉南华 高速船舶工程股份有限公司、武汉青山船厂、广州文冲船厂和广船国际进行了 调研。 其中，广船国际较早进行了数字化造船的研究，其生产模式较为先进，全 厂大力推行分段总组造船来缩短船舶在船台的建造周期。“小分段，大总段 是 该厂船体分段的建造方针。截止2 0 0 5 年数据，广船国际的合拢生产流水线中， 按照已有工艺设备状况，其船体分段重量能做到8 0 t l o o t 。近年来，该厂成批 量建造的灵便型液货船( 如成品油轮) 的吨位在3 0 0 0 0 t - 4 0 0 0 0 t ，以1 艘3 8 5 0 0 t 波士顿船宽成品油轮为例，其分段重量分布见表2 一i 2 4 1 ： 表2 - i广船3 8 5 0 0 t 成品油轮分段重量分布表 分段总个数 l 6 分段重量分段数量占分段总数比例 l o t 以下 1 48 1 0 t 3 0 t2 71 5 3 0 t 8 0 t1 2 67 2 8 0 t 以上 95 广船国际现有船体分段起运设备有：1 5 0 t 自行式液压平板车2 辆、2 0 0 t 自 行式液压平板车1 辆、吊机1 0 0 t 、1 2 0 t 共8 台。 从表2 1 可以较清楚地知道大部分分段分布在3 0 t 8 0 t 之间，而广船国际 的船台吊机联合起重能力可以达到4 0 0 t 以上，大量的单个分段吊装上船台，既 1 2 武汉理工大学硕士论文 不能使吊机使用效率最高，而且又需增大施工人员的作业面积。在现有的设备 及场地状况下贯彻好“小分段，大总段 的建造方针，以缩短船舶船台建造周 期为目标，进行分段总组造船，在船台生产中是很好的模式。 某船厂原来为平地整体式造船，原有轨道式移船小车若干，依靠卷扬机牵 引运动，采用的是横向式下水。由于其原有工艺设备比较落后，加上承建船舶 吨位较小，在船体建造过程中主要依靠吊机吊装来进行船体装配，不能很好适 应现代造船模式激烈的市场竞争。该厂正寻求引进自行式液压平板运输车以及 船体分段合拢设备，拟从生产工艺流程上进行改革，大力推行分段总组造船。 本文中，针对该船厂的工艺需求进行分段合拢设备的研究。合拢设备采用 分体式，考虑到该厂今后承建船舶有大型化的可能性，参考上述广船国际的分 段大小，将单台合拢设备承载能力定位在3 5 t ，其技术要求如下： ( 1 ) 垂向顶升行程( 船高方向，z 方向) ：3 0 0 m ； ( 2 ) 推拉行程( 船宽和船长方向，x 和y 方向) ：1 5 0 m m ； ( 3 ) 能够实现四机联动，联动时，能够单独对任意一台进行控制，单机控制 时，其它三台必须能够随动； ( 4 ) 垂向调整时应能够适应船体分段底部接触面不平整情况，确保安全： ( 5 ) 具有远程集中操作功能，既可实现单台控制，也可实现多台联动控制； ( 6 ) 留有远程控制数据接口，以便与精度测量分析软件进行链接，通过精度 测量软件自动调整分段合拢精度： ( 7 ) 合拢设备在定位作业时要有x ，y ，z ，r z ( 绕z 轴旋转，幅度较小) 四个方向 位移调整功能； ( 8 ) 设备的高度方向上小于9 5 0 m 。设备的有效宽度( 由钢轨中心至设备内侧) 不超过1 0 0 0 咖，不影响轨道行走以及布墩； ( 9 ) 单台设备承载能力不小于3 5 t 。 2 3 2 设备功能分析 船体分段合拢设备主要用于船台( 坞) 上船体分段合拢作业时待合拢分段在 空间上位姿的调整定位，采用分体式结构形式。整个系统由机械系统、液压驱 动系统、控制系统组成，本文主要研究机械系统，按照其功能可以分解为上部 的移船定位模块和下部的结构支撑模块。 船体分( 总) 段在船台合拢时，要通过两种调整：位置调整和姿态调整来实 武汉理工大学硕士论文 现待合拢分段与基准分段的准确定位。位置调整是指分( 总) 段在空间三个维度 上( x 、y 、z 方向) 的平移运动，姿态调整则指分段绕空阃坐标轴的旋转。在姿态 调整的同时，会伴随产生一定的位置变化。 船体分段合拢过程中，对于分段的定位精度，一般要求为2 眦，外高桥船厂 要求达到1 b m ，各个船厂对精度控制的实际需求要根据具体情况而定。 要实现上述功能，考虑到某船厂实际生产的精度要求，设备采用一组三维 微控液压油缸来实现。在船高方向布置一个主油缸，在船宽和船长方向分别布 置一个副油缸，利用伺服控制系统精确控制每个油缸控制量的变化量，从而实 现船体分段合拢过程待合拢分段的位姿调整。 上部移船定位模块依靠下部的结构支撑，而支撑结构则根据船厂具体生产 工艺、设备使用空间以及船体分段大小等情况进行设计，一般可分为有轨式和 无轨式。其中有轨式具有在船台( 坞) 轨道上行走功能；无轨式放置位置比较 灵活，作业时直接与地面接触，可用叉车或吊车运输，也可选择自带动力行走。 2 3 3 有轨式合拢设备方案设计 武汉理工大学硕士论文 ( 1 ) 依靠卷扬机的牵引，合拢设备空载运行，用平板车将待合拢的船体分 段移动到预定位置，并按位置放置好。 ( 2 ) 利用吊车将分段吊往基准分段附近，进行粗略的对位，同时移动分段 合拢设备保证位置大致正确。 ( 3 ) 通过控制吊机将分段慢慢地放下，在此过程中注意合拢设备的定位， 通过控制主顶升油缸，以使船体分段与合拢设备接触并得到稳定支撑。 ( 4 ) 去除吊钩，撤出吊机，使用合拢设备进行待合拢分段的支撑。 图2 4 合拢设备粗略的对位 ( 5 ) 通过控制合拢设备对分段的定位进行微调，使其与基准分段定位准确。 图2 - 5 合拢设备承接船体分段 武汉理工大学硕士论文 ( 6 ) 通过点焊以及一些定位装置( 如拉马) ，来固定分段的定位。 ( 7 ) 增加固定的支撑墩，对船体进行稳定支撑，然后进行连接焊接。 ( 8 ) 降下顶升液压缸，移出合拢设备，进行后续分段的定位和支撑。 2 3 3 2 有轨式合拢设备设计方案 根据某船厂的实际需求，我们进行了图2 - 6 所示的单体式船体分段合拢设 备的方案设计： 3 1 一主向 l i i 缸2 一可酬链3 ，4 一斟洫5 一键黼6 一姥结构 7 一漱 底 湫罩8 一j 隧吊耳9 一支姐1 0 一辅助行走轮 图2 6 有轨式单体合拢设备示意图 从图中看到该设备为单体式设备，其特点为： 单台设备的设计能力为3 5 t ；4 台单体设备为一组( 3 5 t 4 ) ，成组配套使用， 根据实际分段大小选取设备组数；每台设备都能单独进行控制，也可以联机控 制多台设备；可以在轨道上进行前后运动，无动力装置，用卷扬机牵引前进后 退；具有三个油