（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船体精度控制技术研究.pdf

大连理：t 大学博士学位论文 摘要 船舶精度控制技术是提高船舶质量，降低生产成本的主要手段。国外先进造船国家已 经在船舶精度控制方面有所突破，日立造船公司有明工厂已经做到从下料直到大合拢，实 现了分段全方位无余量，均以补偿量代替余量，并且已从船体扩展到舾装、管系，达到了 全方位无余量。国内精度控制技术也已开展多年，但目前大多数船厂仍然立足于分段无余 量上船台，对于从零件下料即开始以补偿量代替余量的全过程精度控制技术研究推广程度 较差，缺乏对补偿量的理论研究。 本论文对船舶精度控制关键技术进行了重点研究。 一，运用尺寸链原理，解决误差传递以及公差分配问题，然后将尺寸链原理应用到 船舶重量重心精度控制数据库中。运用船舶重量重心精度控制数据库，船厂可以根据尺寸 链的误差传递及公差分配计算方法对重量重心位置进行监控和调整。 二，应用热弹塑性有限元方法研究了焊接角变形问题，并进行了实验验证。如何施加 弹性反变形是这一部分研究的主要内容。本文将利用m s c s o f t w a r e 开发的软件m s c m a r c 进行焊接结构的热弹塑性有限元模拟，对不同面板厚度焊接结构在不同线能量条件下进行 热弹塑性有限元模拟。通过计算结果分析，焊接前施加弹性反变形的结构在焊接后角变形 趋于零。通过焊接试验验证了该结论。 三，介绍了船舶结构尺寸链中补偿环的设置与计算，并且建立了补偿量数据库，同时 应用b p 神经网络技术对焊接补偿量进行建模研究。建立了部分零部件加工变形规律的数 学模型，为部分零部件加工所需补偿量的设计提供了定量依据，为全船实施零部件补偿量 的精度控制方法奠定了基础。 关键词：精度控制；尺寸链；焊接变形；神经网络；反变形 船体精度控制技术研究 a n a l y s i so f h u l l a c c u r a c y c o n t r o l t e c h n i q u e a b s t r a c t s h i p s a c c u r a c y c o n t r o lt e c h n i q u ei sa 1 1i m p o r t a n tn l e a n st oe n s t i r es h i p s q u a l i t ya n dr e d u c et h e c o s to fp r o d u c t i o n m a n ya d v a n c e dc o u n t r i e sh a v ei m p r o v e di ns h i p s a c c u r a c ym a n a g e m e n t y o u m i n gs h i p y a r d i n j a p a nh a sn or e s i d u a lq u a n t i t yi n a l lb l o c k sd u r i n gt h em a n u f a c t u r i n g d o m e s t i c s h i p s a c c u r a c y c o n t r o l t e c h n i q u e h a sb e e nd e v e l o p e df o rm a n yy e a r s ，b u tm o s t s h i p y a r d s h a v en or e s i d u a l q u a n t i t yo n l yd u r i n gp r o d u c i n gb l o c k s s h i p s a c c u r a c yc o n t r o l t e c h n i q u eh a sb e e ne x t e n d e dl o w l y ，w h i c hh a so n l yc o m p e n s a t e dq u a n t i t yi n s t e a do fr e s i d u a l q u a n t i t yd u r i n gw h o l es h i p s p r o d u c t i o n a n dt h er e s e a r c ho f c o m p e n s a t e dq u a n t i t y i sd e f i c i e n t t h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e dt h es y s t e mo fs h i p s a c c u r a c yc o n t r o lt e c h n i q u ea n da p p l i e ss i z e c h a i n p r i n c i p l e t os h i p s a c c u r a c y m a n a g e m e n t t h e p a p e r h a s m a n a g e d t h e p r o b l e m so f e r r o r t r a n s f e ra n dt o l e r a n c ea s s i g no f s h i p s d i m e n s i o n b yt h ep r i n c i p l e w eh a v eb u i l tt h ed a t a b a s ea b o u ts h i p s w e i g h ta n dc e n t r eo fg r a v i t yb yt h e p r o b a b i l i s t i ct e c h n i q u e o f t h e p r i n c i p l e s h i p y a r d sc a n m o n i t o ra n dc o n t r o ls n p s w e i g h ta n dc e n t r e o f g r a v i t yd u r i n g t h ew h o l e p r o d u c t i o nf r o md e s i g n t oc o m p l e t e t h e p a p e rh a sr e s e a r c h e dw e l dd i s t o r t i o nb yt h e r m a le l a s t o - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tt e c h n i q u e s ， a n dc a r r i e do u ta n e x p e r i m e n t t h em a i n c o n t e n ti sh o wt of o r c ee l a s t i cr e v e r s e da n g u l a rd i s t o r t i o n t h i sp a p e rh a ss i m u l a t e dt h ew e l d i n g p r o c e s so f t h et - j o i n tf i l l e ts t r u c t u r e su s e dt h e r m a le l a s t o - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tt e c h n i q u e sb y m s c sm s c m a r c m s c p a t r a n t h es t u d yh a sc a l c u l a t e dt h e d i s t o r t i o no ft h en l a l c t u r e sw h i c ha r ed i f f e r e n tt h i c k n e s sa n da r et h r o w nd i f f e r e n th e a tf l o w a c c o r d i n g t oa n a l y s i so f c a l c u l a t i n gr e s u l t ，t h es t n t c t u r e st h r o w ne l a s t i cr e v e r s e da n g u l a r d i s t o r t i o n b e f o r ew e l d i n gh a v en oa n g u l a rd i s t o r t i o na f t e rw e l d i n g a ne x p e r i m e n th a sb e e nc a r r i e do u ti n d a l i a ns h i p y a r dt h a tp r o v ee l a s t i cr e v e r s e da n g u l a rd i s t o r t i o ni se f f e c t i v em e a n st oc o n t r o lw e l d d i s t o r t i o ni ns h i p s a c c u r a c y m a n a g e m e n t t h er e s e a r c hh a si n t r o d u c e dt h ec o m p e n s a t i o nd a t a b a s es i m p l ya n du s e dt h ep r a c t i c ed a t af r o m d a l i a ns h i p y a r dt o s t u d ym a t h e m a t i c a lm o d e l sc o n s t r u c t i o nf o rw e l ds h r i n k a g eb yb pn e u r a l n e t w o r k t h i s p a p e rh a s b u i l tt h em a t h e m a t i c a lm o d e l c a l c u l a t i n gc o m p o n e n t sc o m p e n s a t i o n v a l u e b yw e l d i n g d i s t o r t i o n k e y w o r d s ：a c c ur a c yc o n t r o ：s i z ec h a in ；w e i dd i s t o r t i o n ；n e u r a i n e t w o r k r e v er s e dd is t o r t i o n 1 1 叁堕垄：! ：盔堂堕主堂堡堡茎 一 l 绪论 本章对船体精度控制系统进行了介绍。论述了船舶精度控制技术在现代造船模式中的 地位和作用、船舶精度控制技术从四十年代至今的发展过程中所出现的关键技术以及船体 精度控制技术在船舶设计阶段及建造阶段所要解决的问题。并对船体精度控制技术中的关 键技术在国际上的研究进行了详细介绍。最后提出了本文在船体精度控制关键技术方面的 研究目标及论文的主要内容。 1 1 船体精度控制系统介绍 1 1 1 船舶精度控制技术在现代造船模式中的地位和作用 提高船舶质量，降低生产成本，是船舶行业经济发展到一定阶段的必然结果和要求。 而船舶精度控制技术是提高船舶质量，降低生产成本的主要手段。船舶糟度控案i 技术是转 换造船模式、实现壳舾涂体化的基础，只有该项技术的实施才能保证其它相关技术的应 用，如舾装件预舾装等先进技术的实施均建立在船舶精度控制技术研究的基础上。提高精 度控制有益于提高船舶质量，同时为实施机械化和自动化提供先决条件，进而提高劳动生 产率，降低生产成本。 1 1 2 船舶精度控制技术的发展 四十年代初。当工业界掀起质量管理活动时，就开始探索公差与配合在造船中的应 用。五十年代，苏联成功地应用船体建造预修整技术，日本开展统计质煎管理法与群众性 质量管理活动相结合。六十年代，预修整与质量管理技术进步得到发展和应用。七十年 代，结合生产设计，采用p d c a 循环系统，进行分段制造到上船台精度控制。八十年代， 日本成功地应用计算机技术开发了补偿系统。该系统以大量现场实测数据为基础，运用数 理统计方法，掌握热收缩变形规律，使之能为零部件、分段给定一个可靠的补偿量与船台 装配的调整量，以满足构件、分段及船台装焊所产生的热收缩变形量，还建立了船体零部 件热收缩补偿量的子系统。九十年代，日本开发成功“m o n m o s ”测量系统，由一测量 仪和数据控制终端组成，其原理为三角测量法，用近红外线测量分段两边的距离和夹角。 它以微棱镜反射板和旋转靶作为靶的，可测距离为2 1 0 0 m ，一个大型分段的误差仅几毫 米。美国在九十年代初也曾推出一种用于船舶建造中测定尺度及变形的仪器。芬兰开发出 一种新盼船体尺度控翩技术，以芬兰、英国的船厂为实验基地，经过工艺分析和钢料加工 装配研究，推出精度控制管理体系a c m a n ，该尺寸控制总系统能分析测得的结构，通过 计算机分析和模拟能确定两个相邻结构的装配准确性和接口配合情况，将分析结果显示在 船体精度控制技术研究 屏幕上。a c m a n 主要用于船体零部件、分段和总段、船体结构测量，但也可用于测量和 调整胎架的精度，监控焊接变形，通过信息分析改变焊接顺序或工艺，检查预舾装的精 度，以及外构件( 货舱盖、轴的托架吊杆、艉门等) 上船安装时与船体连接处的接口精度 等。a c m a n 继续研究的重点在于型钢、钢板弯曲和成型时的精度控制。 1 1 3 船体精度控制系统 如果将影响精度管理水平的因素分为三部分：机械化程度：船舶精度控制技术；精度 管理活动，则影响精度管理水平的三方面是相互影响，彼此协调，甄为统一的。如果将精 度管理水平比作计算机，则机械化程度相当于计算机的硬件，船舶耩度控制技术相当于计 算机的软件。而精度管理活动相当于对计算机的操作。机械化程度( 硬件) 和船舶精度控 制技术( 软件) 是基础，离开机械化程度和船舶精度控制技术，精度管理活动( 对计算机 的操作) 难以实施和提高。精度管理活动是建立在机械化程度及船舶精度控制技术的基础 上，并使机械化程度及船舶精度控制技术的功能得以实现。离开精度管理话动，机械化程 度及船舶精度控制技术将无法运作。 船体专业对船舶精度控制系统的研究主要指船体建造精度管理( 或称船体精度控 制) 。所谓船体建造精度管理，广义上的概念，是以船体建造精度标准为基本准则，通过 科学的管理方法与先进的工艺技术手段，对船体建造进行全过程的尺寸精度分析与控制， 以达到最大限度减少现场修整工作量，提高工作效率，降低建造成本，保证产品质量的目 的。狭义上的概念，仅指船体建造阶段中的精度管理，而不包括设计阶段实施的精度措 施。 依据生产的阶段性，可将船体精度控制技术分为两部分： 产品设计阶段运用的精度控制措施：， 生产建造阶段实旎的精度控制技术，即狭义概念的船体建造精度管理。 依据精度管理的目的及实现的方式，可将船体精度控制技术分为： 计算补偿量，处理误差分配，并制订精度标准； 对生产现场产生的精度问题进行分析、处理。 产品设计阶段的精度管理主要包括： 计算结构的误差传递规律，并决定零部件及结构的许容误差： 补偿量的确定，加工工艺方法等。 船体建造阶段的精度管理包括：零件加工中的精度管理；组立阶段的精度管理；分段 合拢中的精度管理。其中分段合拢是建造中精度控制的重点，有待于进一步研究。 船舶生产中。对精度的追求是在保证船舶精度满足规范及船东要求的前提下，提高工 作效率，降低建造成本。运用优化理论与方法，可将其描述为有约束的优化问题： 大连理： 大学博士学位论文 f m i n f ( x ) ，z = ( z l ，x 2 ，) ls g 。( x ) 0 i ( 1 , 2 ，脚) 鼻( x ) = 0 ( m + 1 ，m + 2 ，m ) 式中： ，( 工) 一建造成本； 晶( z ) 不等式约束： 厅，( x ) 等式约束。 精度为其中的不等式约束之一，即( x ) = 船体完工后的尺寸误差要求的公差， 并且g 。 ) 0 。可见，对船体尺寸精度指标的要求是将船体完工后的尺寸控制在规定的公 差范围内，而不是无限制地追求船体结构及外形尺寸的精确性。 本论文研究的重点在于对产品设计阶段的精度控制技术研究，即：计算结构的误差 传递规律，并决定零部件及结构的许容误差：补偿量的确定，加工工艺方法等。并将在下 一章运用尺寸链原理来研究产品设计阶段的精度控制技术。 1 2 预研概况 国外先进造船国家如日本、韩国、西欧的德、英、法等国在船舶精度控制方面有所突 破。日立造船公司有明工厂已经做到从下料直到大合拢，实现了分段全方位无余量，均以 补偿量代替余量，并且已从船体扩展到舾装、管系，达到了全方位无余量。日本采用有限 元法的数字模拟技术已可应用于钢板的火焰切割、热弯、焊接和水火弯板。 国内精度控制技术也已开展多年。但目前大多数船厂仍然立足于分段无余量上船台， 对于从零件下料即开始以补偿量代替余量的全过程精度控制技术研究推广程度较差，缺乏 对补偿量的理论研究。 在“日本造船学会志”第8 3 3 号工作精度特集中，野本教授将精度管理分为制造开始 前的精度管理及制造开始后的精度管理。 制造前的精度管理，即生产设计中的精度管理，指模拟生产过程，对与精度有关的问 题进行预测，事前制定对策。有代表性的事前精度管理内容包括如下几项： 1 ) 补偿量 用于补偿热输入如焊接、切割等引起的收缩。分为：端部补偿( 在端部增加补偿量， 用于确保构件整体尺寸) ：按比例补偿( 用于确保构件内部接合处的精度，如在每根肋骨 船体精度控制技术研究 闾增加长度) ；调整用的补偿( 在正确预测补偿量比较困难的场合) ；构件接缝处有错位 现象是对应的补偿( 根据过去同型船错位情况而增加补偿) 。 通常采用冷加工矫正焊接变形。对焊道附近由加热而产生变形的部位施加反变形：根 据实验结果及有限元分析结果，用滚轴对纵变形及角变形同时进行矫正，此时加压处产生 塑性变形。 2 ) 曲板的展开方法 采用近似展开法，根据过去同情况的不吻合结果进行修正，可实现高精度展开。 3 ) 分段的分割 分段的分割，即决定合拢时分段的形状及组立时分段的位置。组立时稳定的分段，在 分段合拢时由于自重引起的变形可能会导致分段失稳。 4 ) 加工方法 典型的加工工艺，是在焊接时将被焊材料用摸具固定。 制造中的精度管理，即指制造开始后，从加工、小组、大组至分段合拢各工序中的精 度管理。分为如下两种： 工程中必须实施的精度管理项目； 产生精度问题时的对策。 前者是以精度作业标准为基准的正常业务；后者是一种非定常业务，是以作业标准为 基准对产生精度问题的构件进行修整。 1 ) 加工( 切割、曲面加工) 切割 切割工作已实现机械化。对机械定期检验和修整、切割中消耗品的补充及切割精度的 检验是这一阶段精度管理的主要内容。 三井造船( 株) 玉野事务所引入数控激光切割机已有1 1 年。数控切害机生产线包 括：l 台数控等离子体切断单焰距焊缝坡口机，l 台数控等离子体切断双焰距焊缝坡口 机，i 台双焰距i 型切口切割杌及l 台3 k w 数控激光切割机。 田中制作所生产的数控激光切割装置可切最大板厚1 9m m 。 影响切割精度的因素主要有三种： 机械精度； 熔断精度，指熔断面的尺寸及形状精度； 热变形，切割中，钢材由于加热而产生塑性变形。钢材由于气割、等离子体切割、激 光切割三种切割方式而产生的变形顺次减小。上田幸雄等人采用热弹塑性有限元预测切割 中因热输入而产生的变形。 大连理工大学博士学位论文 曲面加工 影响塑性变形因素比较复杂，除主要因素如加热位置、热输入等外，尚有诸多其它影 响因素。i h i 公司进行了系统的实验，整理在实验中相关的变动因子，建立数据库，并采 用有限元方法，分析影响变形的因素。曲面加工采用高频热源自动线状加热系统。 2 ) 组立 小组立中的精度管理包括在横向构件上安装小骨材及对变形进行修整。有些修整是必 须的。如散货船的舱壁基座等箱形结构，若到工程后期再行叫矫正就比较困难。小组立阶 段的精度管理任务还包括发现前期工程中的错误，如切割错误、图纸错误。 大组立是分段合拢前的最终建造工程，是加工、小组立同合拢阶段之间的工程。一方 面，受前期工程构件精度的影响：另一方面，又要满足后期工程的精度。因而也是比较 难、比较重要的工程。 大组立阶段商精度加工方法的代表是纵骨先装的切槽加工法。即拼板后先装焊纵骨， 所有纵骨装焊后，横向构件由上侧下降安装到拼板。横向构件必须开切口，加补板。 随着自动化技术及数字模拟技术的运用，构件加工精度有所提高。加工方法有所改 进。纵骨装焊好后，横向构件己可沿纵骨方向推入，而不须加补板。 纵骨安装作业中，开发并引入了数控高精度组立装冒进行定位。纵骨定位误差在 0 2 m m 以下。 横向构件沿纵骨方向插入中的精度控制：开切口要考虑焊缝，切r z l 宽度通常为纵骨腹 板厚度加3 m m ，横向构件插入前经历多次加工工序，包含如下几项误差：纵骨加工误差 ( 板厚、切割、焊接) ：安装纵骨至拼板产生的误差( g x 骨安装、焊接、矫正变形) ：平 板加工误差( 平板的切割、安装、焊接) ；横向构件自身的误差( 切割、补强材焊接、变 形矫正) 。 需要找出安装中产生误差的原因。累积误差确定为 盯= 盯；+ 盯；+ + 式中 ；一累积误差的平均值： x ，各项目的误差平均值： 盯一累积误差的标准偏差； ( 1 2 ) ( 1 3 ) 船体精度控制技术研究 盯一各项目的标准偏差。 根据测量结果，累积误差的平均值主要是焊接及变形矫正产生的收缩。累积误差平 均值须在设计时予以补偿。设补偿后的x = 0 ，且盯= o 7 5 m m ( 2 a = 1 5 m m ) ，则横向构 件能以9 5 4 4 的概率通过切口，插入纵骨。而4 6 的横向构件将与纵骨形成摩檫或碰撞 之类的干扰，需进行矫正。 3 ) 分段合拢中的精度控制 提高精度控制技术的目的是要在保证船舶质量的前提下降低生产成本。欲降低生产 成本，就需要减少因精度问题而发生的修整作业；而提高精度控制技术，可以扩大自动 化、机械化的适用范围。 分段合拢中发生的最大精度问题就是错位现象。错位发生时，必须修正。首先切开 焊肉并重新安装错位构件，再焊接。 提高分段合拢精度的措施： 设置基准点，通常分段合拢中的船舶姿态是最终的姿态，因此在坞内设立基准点及基 准线。 明确精度测量任务，选用有多年经验的老工人担任分段定位工作，但目前此种技师数 量趋于减少。现已制成分段合拢定位要领指导书。随着系统化的进行，分段精度的提高， 坞内作业自动化、机械化范围的扩大，可实现无人化作业。 针对船体建造精度控制中具体的精度问题，要采取不同的措旌和手段。r i c h a r dl e e s t o r c h 2 1 介绍了华盛顿大学研究者和t o d d 的研究成果，该成果用于处理分析船舶产品生 产中收集到的数据，以提高精度控制水平；y a s u h i s ao k u m o t o 妇1 介绍了影响船舶尺寸误差 的主要因素，以及一系列质量控制方法；野本敏治1 研究了以船舶设计与生产系统 ( s o d a s ) 为基础的预测焊接变形的精度计划系统：武市祥司b 1 对船体分段合拢阶段的分 段定位决策系统；奥本泰久6 1 运用遗传算法来决定分段合拢中的分段位置；山川武人7 噶“9 1 及g e o r g ej b r u c e 1 0 1 详细介绍了焊接变形的焊前对策及焊后处理。 叶家玮在船体建造测量及数据处理技术1 一书中对船体建造精度标准、尺寸补 偿及精度控制技术等问题进行了阐述，介绍了尺寸链的基本概念、应用方法并提供了尺寸 链计算的一般公式。 在补偿量研究方面，尤其是对焊接应力和变形的研究上，国内外研究成果较多。薛忠 明n 2 1 详述了国内外有关焊接变形预测技术的最新研究进展。早期对于焊接变形的估计大 多基于经验或简化计算方法。2 0 世纪5 0 年代，w a t a n am 和s a t o hk “”开始关注低碳钢薄 板结构焊接现象，第一次提出了焊缝收缩的概念，并给出了一系列预测焊接变形的公式。 2 0 世纪7 0 年代，t a n i g u c h icu 4 利用完整的数值分析和实验方法研究了铝板结构角接头 大连理j f 大学博士学位论文 的变形情况，得到了各种角焊缝的板厚与角变形之间的相互关系。s a t o hk ”在系统研究 的基础上得出了低碳钢、高强钢、铝合金及不锈钢等不同材料制造的焊接结构中残余应 力、角变形、横向收缩与焊接热输入之间的简单关系式。多年来，k a r l s s o nl 印、 m a s u b u c h ik 7 1 和m c d i l ljmj “扣等许多专家学者对大型复杂焊接结构进行三维热弹塑 性有限元分析，建立了很多复杂的数学模型；t e n gtl 9 1 对t 型接头角焊缝进行了热弹 塑| 生有限元模拟，分析了焊接过程的热力行为与焊接残余应力和角变形问题。由于热弹塑 性有限元分析计算复杂、收敛困难，很难用于实际焊接结构的应力与变形分析。后来， u e d ay 旺、k o j io o t o h 旺、a b a c h o r s k i 啦! 及s e u n gi is e o 1 等发展了基于线弹性有 限元的固有应变模式；d a n i ew i c zsr 【2 4 1 对海洋船体结构进行了试验和数值模拟研究， 以试验方法确定焊缝的固有收缩值，并将其应用于有限元结构分析的模型中，利用线弹性 有限元成功的预测了大型海洋船体结构的焊接变形。随着计算机技术的发展，t s o l i a n g t e n g n ”、0 a v a n l i 嘶1 及a b a c h o r s k i 旺7 1 利用热弹塑性有限元技术分析了t 型焊接的 残余应力及变形；d e a nd e n g “”对焊接变形采用弹性有限元法进行预估id e om v 等旺9 1 对 焊接结构采用二维热机模型来预估焊接残余应力和变形。 国内关于焊接变形模拟的研究始于2 0 世纪8 0 年代。哈尔滨工业大学的酚踢唐教授 3 叩、上海交通大学的汪建华等3 。3 7 1 做过不少关于焊接热应力过程有限元模拟方面的研 究：谢雷等”引用弹塑性有限元法研究了铝合金对接焊的固有应变的变化规律，得到了固 有应变，然后用弹性板单元有限元法对大型铝合金机车车顶盖的部分结构的焊接变形进行 了预测；李冬青等对焊接动态位移场进行了建模与数值模拟；刘黎明等1 以新型船舶高 强度钢为主要对象，在物理模拟试验和有限元分析基础上，通过人工神经网络建立船舶分 段钢结构焊接变形数值模拟模型。 而对于反变形研究方面，国内外研究较少。在船厂生产中实施的反变形，都是根据经 验并不断在实践中进行调整。 1 3 研究目标以及论文主要内容 本文借鉴机械专业对尺寸链原理的研究，将尺寸链原理系统地应用到船舶精度控制技 术中。运用尺寸链原理，建立船舶重量重心精度控制数据库。 运用b p 神经网络对船用钢焊接收缩量进行建模研究；运用热弹塑性有限元分析来计 算焊接变形和残余应力。 研究解决焊接变形的措施一反变形研究。如何施加反变形是这一部分研究的主要内 容。本部分将采用已有的有限元软件，建立合理的物理模型，对结构进行计算、分析，并 结合实验，建立船体结构反变形的量化模型。 船体精度控制技术研究 1 。4 小结 本章通过论述船舶精度控制技术在现代造船模式中的地位和作用、船舶精度控制技术 的发展过程以及船体精度控制技术中的关键技术在国际上的最耨研究情况，表明了本文将 在船体精度控制关键技术方面的研究对于船舶产品质量的提高以及船舶制造行业的发展具 有一定的意义和作用。 大连理工大学博士学位论文 2 船舶与海洋工程产品重量重心精度控制研究 本文开发了船舶与海洋工程产品重量重心管理数据库，并应用尺寸链原理建立了船 舶与海洋工程产品制造过程的重量重心监控和调整方法。本章将首先介绍尺寸链原理所用 到的数理统计基础正态分布规律，对极值法及概率法计算尺寸链的数学通用函数式进行 了推导。对于组成环呈现非正态分布的情况，则提供相对分布系数及分布不对称系数来折 合修正，将其转化成正态分布的比例关系来处理，然后进行尺寸链误差的综合。本章将以 一个船体底部分段尺寸链的形成过程为例详细说明尺寸链的构造方法及其在船体精度控制 中的应用过程，并分别提供极值法以及概率法的应用算例。本章还将运用尺寸链原理推导 用于船舶重量重心精度控制的误差传递以及公差分配的计算公式，并提供概率法进行重量 重心控制的算例。然后以前述推导的船舶重量重心精度控制的误差传递以及公差分配的计 算公式为基础，进行船舶重量重心数据库的结构特性设计。 2 1 数理统计基础 实践证明，在正常情况下制造批同类工件时，接近平均尺寸的工件数量最多，偏离 平均尺寸较大的工件数量较少，而超出某一范围、具有很大误差的工件数量极少，甚至没 有。根据实际测量结果，可发现这些误差具有一定的分布规律，即正态分布规律。正态分 布曲线由正态分布概率密度函数给出： ( x + 、 式中： 盯均方差； 掣平均值。 特别地，当u = 0 ，盯= 1 时，称z 服从标准正态分布，其概率密度函数计为： 胁丽1 e - 萼( 刚。) 首先介绍标准正态分布的概率计算。 记庐( x ) 为标准正态分布的分布函数，即 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 譬 去 船体精度控制技术研究 ) = f q ，( t ) d t = 去e 一鲁出 ( 2 3 ) 当x 的值确定下来后，函( x ) 的值可由标准正态分布表查到。 x 落在任意的实数口，b ( a 6 ) 区间的概率为：p 曲 x 6 = 驴( 6 ) 一$ ( 口) 由标准正态曲线的对称性，有面( 一x ) = 1 函 ) ，且西( 0 ) = o 5 。若服从参数为 “，盯的正态分布可通过线性变换将其化为标准正态分布，即z ：x - i , 服从标准正态 仃 分布：z 的分布函数f ( x ) 可写成： 足x ) ：p x 石 ：p 墨竺s 型l ：疹( 型) l 盯 仃j 盯 ( 2 4 ) 例：若x 服从参数为，盯的正态分布，求 p z 一| 盯ip z 一l 2 0 r ) p i z 一a 1 3 a 解 p x 一l 口 = p 缸一盯 x + 仃 = 西( 型旦! ) 一函( 生旦! ) 叮盯 2 廖( 1 ) 一岱( 一1 ) = 2 西( 1 ) 一l - - 0 6 8 2 6 类似地有，p x - p o ，有 鼓 占j = 旦f 一 彬 ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) ( 2 4 5 ) ( 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) 夫连理一。人学1 尊士学俺论文 嘭颤， 颤= 型- 彤 彤( 吒一哐) 占t = 占；一万；= 生了 彬 f 1 1 ( 2 4 8 ) ( 2 4 9 ) 最后根据概率法计算占f + 、九一、( 中间偏差“e ”法) 根据式( 2 1 7 ) ，( 2 1 8 ) 及( 2 1 9 ) ，推导出如下结果 6 t = 圭( 甄+ 强) p ，= 丢( 占；，十占乏) = 喜晰一| 1 i 晒f 2222 月 1 ；= i = i ( 鸭坼t ) 一吉1 善( 嵋强+ d 置)vr ；l 5 x = 6 ：一6 ；= j j ；j 赢 ( 2 5 0 ) ( 2 ，5 1 ) ( 2 5 2 ) ( 2 5 3 ) 在实践中，估算重心位置误差有一定困难。因此，在设计阶段，可假设重心位置为 定值，没有偏差。则式( 2 5 3 ) 简化为 呤阿 ( 2 5 4 ) 船体精度控制技术研究 例：已知某船结构部件数据如下表2 4 。 表格中，x 表示部件i 沿船宽方向的坐标；所有变量都服从正态分布。 表2 4 结构重量重心数据 t a b 2 4t h ed a t ao f t h e g r a v i t ya n d i t sc e n t r e 根据概率法计算重量，根据式( 2 4 1 ) ( 2 4 4 ) ，得到如下结果 妨= 4 1 7 8 7 ( 0 靠= 4 6 1 3 ( t ) 6 = 4 6 4 ，o o ( t ) 然后根据式( 3 4 5 3 5 3 ) ，得到： 彤= 0 0 3 5 7 ( m ) 颤= 一o 0 4 8 0 ( m ) 6 x = 0 0 8 3 7 ( m 1 该算例比较简单。对于大型复杂结构，零部件数量较大，而且分专业，因而需要借助 计算机技术来实现精度控制。 2 5 产品重量重心数据库设计 重量控制是海洋工程项目管理的一项重要内容，在海洋工程产品生产中，要严格的 进行重量以及重心位置的控制，以期望在设计初期设定的重量重心能在完工后得到保证。 火连理： 大学博士学位论文 海洋工程产品重量重心数据库设计就是要在海洋工程产品生产企业中，通过合理的逻 辑设计和有效的物理设计，构造较优的数据库模式，建立数据库应用系统，满足海洋工程 产品建造中企业对重量重心控制的各种信息需求。 数据库设计的内容主要包括两方面：结构特性设计、行为特性设计以及物理特性设 计。结构设计是指数据库结构的设计，设计结果要得到一个合理的数据模型，这是数据库 设计的关键，是数据库系统的核心和基础。数据模型是反映现实世界中事物及事物间的联 系，对现实世界模拟的精确程度越高，形成的数据模型越能正确描述现实世界。 本文中的海洋工程产品重量重心数据库设计主要指数据库的结构设计，即狭义概念上 的数据库设计( 或称为数据库结构设计) 。 2 5 1 首先对重量重心数据库进行需求分析 在需求分析设计阶段，要对整个系统的应用情况进行全面、详细的调查，收集支持系 统总的设计目标的基础数据和对这些数据的处理要求，确定用户的需求。在这一设计阶段 要收集到基础数据和一组数据流程图。 在众多分析和表达用户需求的方法中，结构化分析( s t r u c t u r e da n a l y s j s ，s a 方法) 是个简单实用的方法。s a 用自顶向下，逐层分解的方式分析系统，用数据流图、数据字 典描述系统。在s a 方法中，可将任何系统抽象为如图2 7 所示的数据流图。 在重量重心控制系统中，数据来源主要包括各生产设计部门( 如船、机、电、舾装 等) ，产品投入生产后，还包括各车间提供的数据。总之，在重量重心控制系统中，重量 重心数据来源是一个动态的过程，贯穿于整个生产过程始终。 数据处理主要对各重量重心相关数据进行计算，最终的数据输出则是目标产品的重量 重心相关数据。 图2 7 数据流图 f i g ，2 7t h e d a t af l o w 船体精度控制技术研究 数据流图表达了数据和处理的关系，数据字典则是对系统中数据的详尽描述。对数据 库设计来讲，数据字典是进行详细的数据收集和数据分析所获得的主要成果。 一般来说，数据字典应包括对以下几部分数据的描述： 数据项：数据项是数据的最小单位，对数据项的描述应包括：数据项名、含义、别 名、类型、长度、取值范围、与其它数据项的逻辑关系。 数据结构：数据结构是若干数据项有意义的集合。对数据结构的描述应包括：数据结 构名，含义说明并列出组成该数据结构的数据项名。 数据流：数据流可以是数据项，但更一般的情况下是数据结构，表示某一过程的输入 或输出数据。对数据流的描述应包括：数据流名、说明从什么过程来，到什么过程去，以 及组成该数据流的数据结构或数据项。 数据存储：数据存储是处理过程中要存取的数据，也是数据结构。对数据存储的描述 应包括：数据存储名、说明、输入数据流、输出数据流、数据量( 指每次存取多少数 据) 、存取频度( 指每天或每周或每小时存取几次) 和存取方式。 处理过程：对处理过程的描述应包括处理过程名、说明、输入数据流、输出数据流， 并简要说明处理工作、频度要求、数据量以及响应时间等。 在船舶重量重心数据库中，一个主要的数据流就是零件。在数据字典中对零件做如下 描述： 数据流名：零件重量重心数据 来自过程：来自各设计部门或生产部门 数据结构：零件 重量 重心位置 1 ) 数据结构：零件 组成：零件号 数量 状态属性( 设计值还是真实值) 零件号：零件号是船体零件的唯一标志，每一零件均有唯一的零件号与之对应，零件 号要与前一级的组件号对应。 零件属性：只有两个可能值，即设计值( d ) 或真实值( t ) 。 2 ) 数据结构：重量 组成：重量值，如果零件属性值为设计值d ，则重量组成还应包括系统误差，偏差 ( 上偏差、下偏差) 大连理工大学博士学位论文 表2 5 船舶工程重量重心数据结构 t a b 2 ，5t h ed a t as t r u c t u r eo f t h e g r a v i t ya n d i t sc e n t r e 3 ) 数据结构：重心位置 组成：重心位置值，如果零件属性值为设计值d ，则重心位置组成还应包括系统误 差，偏差( 上偏差、下偏差) 。 2 5 2 重量重心数据库设计 对重量重心数据库进行需求分析之后，就要对数据库进行结构设计。数据库设计中， 数据分析、抽象与概念结构设计是整个数据库设计的关键。数据模型是数据库系统的核心 和基础，下面介绍概念模型和描述模型的工具毫一r 图。 在e _ r 图中： 用长方形表示实体型，在框内写上实体名： 用椭圆形表示实体属性，并用无向边把实体与其属性联系起来： 船体精度控制技术研究 用菱形表示实体间的联系，菱形框内写上联系名，用无向边将菱形分别与有关实体相 连接，在无向边旁标上联系的类型。若实体间的聪系也具有属性，则把属性和菱形用无向 边连上。 根据船舶分段建造的生产特点，可以将数据库概念模型按照生产的先后次序描述为如 下实体：船舶工程、总段、分段、组件及零部件。船体、机装、电装、舾装结构都按照在 船舶完工后的最终位置来确定其实体间的从属关系。 用船舶工程表示工程实体，则实体具有名称、代号、日期、重量、重心五个属性，用 卜r 图表示，如图2 8 所示。 图2 8 船舶工程实体与属性e - r 图 f g 2 8f i 仉1 r ee ro f 小i n sn m i e e t 名称和代号，船厂的每一种船舶产品都对应着一个名称和唯一的代号； 同期，为最近一次重量重心修改的日期； 重量，重量来自于总段的计算，有重量设计值、系统误差、上偏差、下偏差4 个数 值； 重心位置，重心位置来自于总段的计算，有重心位嚣设计值、系统误差、上偏差、下 偏差4 个数值：每一个值又包括沿船长、船宽、型深( x ，y ，z ) 三个方向变量。 总段实体与属性间关系如图2 9 。 总段的名称和代号在该船舶产品中是唯一的，重量及重心位置数据来自于总段的计 算，有重量设计值、系统误差、上偏差、下偏差4 个数值；以及重心位置设计值、系统误 差、上偏差、下偏差4 个数值。 总段的状态属性表示该总段的数据是设计值( d ) 还是完工后的真实值( t ) 。当总段 的状态属性为d 时，重量以及重心位置的系统误差、上偏差、下偏差取值均为0 。 大连理工大学博士学位论文 图2 9 总段实体与属性e - r 图 f i g 2 9f i g u r ee - r o f b l o c k s 总段、分段的数据结构与整个船舶工程相似，但需要增加三个描述：总段名称，代 号，状态属性。 组件及零部件的实体与属性间关系如下： 图2 1 0 组件及零部件实体与属性e - r 图 f i g 2 1 0f i g u r e e - r o f c o m p o n e n t s 组件及零音日件的数据结构与整个船舶工程相似，但需增加专业属性、代号、状态属性 三项描述，专业属性表达该组件及零部件属于船体、机装、电装、舾装结构中的哪种。 实体与实体间的关系描述如下： 船体精度控制技术研究 图2 1 1 实体关系e - r 图2 11f i g u r ee ro f e n t i t i e s r e l a t i o n 2 6 产品重量重心精度控制过程 重量重心控制过程见图2 1 2 。 一，在设计阶段，当零件的重量及重心位置( 包括设计值及误差) 确定下来后，可以 按照公式( 2 3 9 ) - 公式( 2 5 4 ) 来计算全船重量及重心位置的误差，如果计算得到的全船 重量及重心位置误差超过许容误差，则需要对零件的制造进行监控，并通过采取有效的加 7 - 2 2 艺方法、提高工人素质等措施降低零件的误差，从而保证全船重量及重心位置误差在 许容误差范围内。 二，隆着工程进展，已完工的零部件数据由原先设计阶段的设计值及误差变为确定的 真实值。因而每个月重量控制领导者都需要根据最新测量结果计算全船结构的整体误差。 如果计算的结构误差超过许容误差，那么重量控制领导考就器要采取质量控制措施，以保 证最终的完工产品成为合格品。实践中，提倡采用概率法计算。以该方法为基础，重量控 制领导者每月根据各部门各专业提供的最新重量结果，计算全船重量及重心位置，并将以 前每次汇总结果绘制出一条关于时间的重量及重心位置函数曲线。根据这条关于时间的重 量及重心位置函数曲线，可以直观地把握全船重量及重心位置随建造过程以及工程进展的 变化情况。为了保证产品精度，努力提高日常的精度管理水平及搜集数据是必不可少的。 大连理1 入学博士学位论文 2 7 小结 图2 1 2 重量重心控制过程 f i g 2 1 2t h ep r o c e s sc o n t r o l l i n gw e i g h ta n dg r a v i t