基于DFMA理念的船体结构设计_上海造船2011(2).doc

基于DFMA理念的船体结构设计王世利，郑文涛（上海外高桥造船有限公司 上海 200137）摘要: 简要介绍了面向制造和装配的设计思想，结合多个详细设计和生产设计案例的分析，强调了在船舶设计领域推行DFMA的重要性。关键词：DFMA，详细设计，生产设计，效率中图分类号: U671.4 文献标识码: B 文章编号: 1005-9962（2010）04-00Abstract: Introduced the theory of Design for Manufacturing and Assembly briefly, Analyzed several cases of detailed design and production design, emphasized the importance of DFMA implementation in ship design.Key words: DFMA, detailed design, production design, efficiency 0 前 言伴随着中国船舶工业的快速发展，近年中国造船人有了更多的与日韩同行进行交流的机会。交流的内容也不再局限于组织形式、生产流程、生产效率和生产技术等管理层面，而是通过与国外公司进行联合设计或外包设计，实现了基本设计、详细设计和生产设计层面的深层次对接。国内外同型产品的图纸深入比较后，不难发现国外产品的优势不仅仅体现在空船重量方面的领先，而且体现在其整个产品的设计过程中，大量的应用了面向制造和装配的设计（DFMA. Design For Manufacturing and Assembly），而后者在降低生产成本、缩短建造周期、提高生产效率方面的作用尤为重要。1 DFMA简介DFMA是并行工程关键技术的重要组成部分，应用于产品开发、制造、装配、检测、维护、报废处理等各个阶段 1 。目前应用较多的是机械领域的DFA（Design For Assembly，面向装配的设计）和DFM（Design For Manufacturing，面向制造的设计），使机械产品在设计的早期阶段就解决了可装配性和可制造性问题。DFA是一种针对装配环节的统筹兼顾的设计思想和方法，就是在产品设计过程中利用各种技术手段入分析、评价、规划、仿真等充分考虑产品的装配环节以及与其相关的各种因素的影响，在满足产品性能与功能条件下改进产品的装配结构、使设计的产品是可以装配的，并尽可能降低装配成本和产品成本。DFA在产品开发过程中的作用和地位主要表现在减少零件数、改进装配性能、降低产品成本等方面。DFM则指在产品设计的早期阶段考虑与制造有关的约束，指导设计师进行同一零件的不同材料和工艺的选择，对不同制造方案进行制造时间和成本的快速定量估计，全面比较与评价方案各种设计与工艺方案，设计团队根据这些定量的反馈信息，在零件的早期设计阶段就能够及时改进设计，确定一种最满意的设计和工艺方案。 在传统的部门制及串行工程的产品开发模式中，产品设计过程与制造加工过程脱节，使产品的可制造性和可装配性较差，从而导致设计改动量大、产品开发周期长、产品成本高和产品质量难以保证，甚至有许多的设计无法投入生产。DFMA这一设计理念的提出，向传统的产品开发模式提出了挑战。应用DFMA的设计思想和相关工具，设计师可以在设计的每一个阶段都获得有关怎样选择材料、选择工艺以及零部件的成本分析等设计信息。它是一种全新的更加简单，更为有效的产品开发方法，为企业降低生产成本，缩短产品开发周期，提高企业效益提供了一条可行之路。2 详细设计DFMA应用2.1 顶边舱设计图1和图2所示为两艘好望角型散货船的顶边舱结构，两艘船的载重吨位十分接近，具有较强的可比性。仅就顶边舱结构进行全面比对后，就已经发现了180K十处比较明显的优点。图1 国内船厂176K好望角型散货船顶边舱结构图2 国外船厂180K好望角型散货船顶边舱结构1) 斜板T排根数过多，不便于肋板拉入工艺的实施，采取拉入孔和插入孔相结合的变通方式，实现了肋板整体拉入，同时减少了一条焊缝。2) 斜板与外板角接采用了折边型式，方便了分段总组，同时减少了零件数量。3) 斜板T排和甲板扁钢之间的连接筋板优化为单边削斜，甚至可以做到两头均削斜，减少了12个接头，装配和焊接工作均明显改善。4) 内孔上的T型加工面板优化为无需加工，且仅需单面安装的筋板。L3型式的结构方便了装配和焊接，同时减少了加工工作量。5) 取消靠舷侧的肋板角接面板，结构优化，减少了零件数量。6) 肋板整体加强型式优化，加强筋种类压缩，由9种压缩为4种。加强筋和加强肘板由46块减少为34块。7) 通过加厚外侧肘板统一肋板板厚减少板缝，优化排板，拼板长度减少40%。8) 肋板角焊缝焊脚设计偏大，可以普遍下调1mm，减少焊接工作量。9) 减少冗余设计，靠甲板侧的补板由12块减少为3块，靠舷侧的补板由5块减少为3块，靠斜板侧的4个肋板拉入式贯穿孔改为插入式，且不增加补板。10) 压缩斜板T排种类，采用大规格、大间距的设计方法，结果T排由22根减少为18根，贯穿孔、补板和连接筋板均相应减少。2.2 槽型设计槽型舱壁的设计，国内好望角型散货船的单片槽型由上中下三块不同规格的零件拼成，而国外多为一个零件，整体加工。这种设计方法，不但减少了切割作业，降低了加工难度，而且取消了拼板作业，更促进了先进焊接方法的推行。单片加工的精度明显优于三拼板后再加工的精度，结果片体大组对接的时候，就可以采用先进的FAB单面焊接方法，取代双面埋弧焊，焊接效率提高一倍。2.3 双层底压载舱流水孔设计双层底流水孔设计，176K为满足压载舱排水需要加开的流水孔数量是180K的23倍，不但增加了切割和打磨工作量，而且由于开孔过多，又增加出来很多补强结构，既便如此，这些流水孔部位也是最为容易腐蚀的地方，违背推行PSPC的初衷。而180K转换思路，通过吸口的优化处理，就成功的避免了这些问题。2.4 牺牲阳极设计图3所示的两种牺牲阳极型式，前者可以在分段涂装前完整安装，后者在分段涂装前仅能安装马板，而且由于锌块在涂装后安装，马板间距的差错很难发现，结果导致油漆反复破坏。另外，较之于将大量锌块布置在T排复板上的传统做法，将锌块布置到肋板上，大大方便了锌块安装，而且有利于在部件阶段便装焊完毕。 图3 螺栓式和焊接式牺牲阳极通过以上案例不难发现，详细设计在各个区域都普遍存在着大量的可优化项目。应用DFMA理论优化后的结构设计，不但能够改善生产性，促进先进工艺的实施，推动工序前移，而且可以直接取消大量工作，更为难能可贵的是，这些优化工作并不都是以牺牲空船重量为代价的，统筹优化后，其最终空船重量指标仍然是领先的。结合船体结构详细设计的工作特点，DFMA理论无论是在结构总体布置上，还是局部结构的应用上，抑或具体的细节上都有强大的生命力，粗略总结几点如下：1) 减少钢板种类和板规数。钢板种类通常10万吨级油轮50种左右，30万吨级油船和17万吨级散货船100种左右。通过对典型结构的预套料可有效控制板规数。2) 减少结构零件的种类，特别是T排规格和加强筋的种类不宜过多，补板和肘板规格尽量统一。3) 减少结构零件数量。在满足工场能力的情况下，尽量用大板。尽量选择跨距、肋距较大的骨架型式2。国内某船厂同船型优化时，甚至发生过结构零件数量激增15%的极端案例。对于大型船舶，可以考虑把机舱舷侧外板结构由横骨架式优化为纵骨架式，把原来每一个肋位都设置的小组立转变为3-5档肋位设置一个，从而大幅减少零件及小组立数量。4) 分段划分产生后，详细设计应主动修改结构形式，消除无谓的结构切断导致的大量贴附件。减少内外壳平直段横向焊缝，便于流水线高效作业。5) 减少组合件，尽量应用槽型舱壁、压筋板和折边肘板。能够利用型钢时，尽量不要采用组合T排。6) 减少流水孔、透气孔、角隅孔。7) 减轻结构重量。8) 减少焊接长度。9) 减少零件加工数量。主要是优化结构型式，减少面板加工，尽量取消人孔箍。10) 选择易于装配、易于焊接的结构设计。例如首尾狭小区域尽量采用敞开的结构型式、舭龙骨分段间断开、筋板端头尽量S型削斜处理、尽量避免T型面板结构等等。3 生产设计DFMA应用3.1 扩大中组图4所示为散货船双层底分段的纵桁中组扩大，原始方案为肋板不与纵桁中组，单块分别拉入后，再插入纵桁片体。原始方案虽然推行了肋板拉入法，看似先进，但是由于缺少系统的DFMA分析，却造成了实际上的诸多不便，主要有以下几个方面：1) 肋板分别拉入，导致纵桁上面的角钢被切断为27根，采用预先中组工艺后，角钢无需断开，可以合并为6根（12米长度限制）。2) 纵桁上面的角钢连续后，可以参与总纵强度计算，调低板厚，有效减轻结构重量。3) 肋板分别拉入后，两侧均为立角焊，而且工人要钻到一个个格子中施工，极为不便。预先中组时，则是在完全敞开的环境下，对一条边进行平角焊。施工环境改善，焊接难度降低，施工效率至少提高两倍。4) 预先中组后，物量显著前移。大型中组时的吊装效率提高数倍，焊接工作量也减少了四分之一，施工周期可以压缩三分之一左右，有效的提高关键工位的产能，消除瓶颈。 图4 双层底纵桁中组3.2 与生产匹配的DAP（DETAILED ASSEMBLY PROCEDURE）DAP即详细组立要领，规划了适合生产流程和业务流程的以船体结构为载体，基于产品导向型的工程分解和组合3。DAP是以分段划分为基础，对分段结构进行分析，结合公司生产能力、场地设备，建立每一个分段从小组立、中组立到大组立三个阶段所有零件、部件、组件的装配关系，DAP是船体结构和装配工艺的综合反映。图5所示的管弄优化设计与DAP密切相关，设计初始方案为内底和外板的扁钢都在主板上安装，所以基于方便片段翻身扣到外板上的考虑，对外板扁钢的贯穿孔进行加宽处理，同时增加补板进行补强。而实际状况却是内外底板的扁钢都不适合在平直流水线前道安装，而20米长的管弄由于缺少纵向结构，必须进行纵向加强。如此以来，将内外底板的扁钢调整到管弄中组阶段安装，才是生产部门的实际需求。装配阶段调整后，外板扁钢的贯穿孔也可以与内底一样，无需加宽，补板全部取消，全船取消1200块。扁钢与贯穿孔的焊接原本要在格子里进行立脚焊，优化后则是在敞开的空间里进行平角焊。20米长的狭长扁钢也需要一分为二进行优化，可有效降低运输和装配的难度。初始方案优化方案 图5 管弄优化设计3. 曲型T排制作船舶艏艉区域有大量的曲型T排，常规的做法是腹板数控切割，面板板条切割，人工组对焊接后，再根据逆直线矫正。然而转换一下思路，既然无论直线T排，还是曲型T排，焊接完成后都需要矫正，那么曲型T排转成直线T排制作，将产生可观的综合效益。曲型T 排腹板转直后，可以直接采用板条切割，无需配置数控切割机，而切割效率却提高五倍以上，钢材利用率也可以大幅度提高十个百分点左右。直线T排通常流水线制作，装焊效率要高于手工T排数倍，而且焊接后产生的变形更加接近于实际要求的曲型，矫正工作量也相应减少。3. 自然坡口图6所示的自然坡口现象大量存在于船体结构装配中，如果不进行修正，必然导致焊接工作量激增，施工效率、焊接质量和精度都会受到影响。长期以来，我们基本上重视了主体结构的自然坡口修正，通常只要开口间隙大于3mm，就要进行修正。但是，实际上无论是主体结构，还是肋板、筋板和肘板等次要结构，只要存在装配角度，就会产生装配间隙， 而且后者由于数量很大，仍然是有必要进行修正的。图6 自然坡口生产设计本身就是面向生产过程的设计，注重于提高建造的可施工性与方便性，以获得低施工成本、高建造效率。从小到套料时引割点和过桥的加放，大到分段和总段建造工艺的设计，能够应用到DFMA理论的业务点是相当多的。总的来说，船体结构生产设计可以按业务性质划分为钢材、套料、加工、结构、装配、焊接和精度七个方面（吊装、脚手和密性设计归属于工法设计范畴），每个方面都蕴含着大量的业务点，如果没有正确的DFMA理论作为指导，则往往会顾此失彼。以钢板为例，过分的强调分道，往往导致钢板数量激增，采购成本、钢配成本和预处理成本都要增加，而且钢板利用率也会有所降低。国内某船厂就发生了同船型优化设计后，钢板数量激增20%的极端案例。再以船舶建造过程中都要用到的工艺孔为例，同船型国内某船厂比韩国船厂少开了50%的工艺孔，看似减少了工作量，实则大大降低了生产效率。4 结 语DFMA提供的设计理念与传统的设计理念有本质的区别，DFMA将设计、工艺和制造等相关部门联系在一起，贯穿于基本设计、详细设计和生产设计的全过程。工艺、制造等相关人员在设计各阶段，对设计方案的可装配性、可制造性和成本进行估计，以成本为核心对方案进行优化。企业要实施DFMA技术，主要领导必须认同DFMA的开发模式，并给予强有力的支持，建立有利于实施DFMA的组织结构，在产品开发初期，保证设计、工艺、制造等部门的人员参与到设计中来，即建立跨部门多专业的新产品开发团队。通过多年的转模工作，我们已经基本建立了适应现代造船的设计模式，遵循着按区域