船舶与海洋结构物先进设计制造技术的几点思考

1、船舶与海洋结构物先进设计制造技术的几点思考1造船业先进制造技术发展概述1.1引论先进制造技术（AMT）是造船业发展的根本。造船业由于引进AMT,已由劳动密 集型行业向知识密集型行业发展，它有序地呈现出五种造船模式。我国造船业正由劳力 密集型的分段制造模式向设备密集的分道模式发展。在船舶制造技术方面我国与国际先 进水平的差距正在扩大，只有切实实施现代造船模式的各项AMT，才能在激烈的船舶 市场竞争中立于不败之地。同时，我们还应致力于全面开发船舶的产品模块化、信息数 字化和制造快捷化，迎接知识经济时代对造船业的挑战。1.2先进制造技术使造船业由劳力密集型发展到信息密集型近半个世纪以来，世界级的船厂

2、年产船舶能力由数万载重吨发展到逾百万载重吨。 同时由于持续的研究和应用了适用于造船的先进制造技术，造船业生产效率大幅度的提 高，作业过程由困难、脏乱、危险转化为方便、整洁、安全。二十世纪50年代前，造船业由于应用铆接技术，使古老的木船发展为以钢船为主 体的近代船舶。到60年代，焊接技术普遍替代了铆接技术，使原来以分类为导向的造 船技术向区域导向发展，使原来集中于船台和码头的装配、舾装、涂装作业，扩展到车 间和平台等更大的作业面上进行，提高了生产效率，缩短了造船周期。70年代起，随着 船舶大型化，在新船厂的建设和老船厂的现代化改造中，引进并全面深入地研究了成组 技术，通过不同类型船舶建造过程的相

3、似性分析，以船舶区域、作业类型和施工阶段分 类，按中间产品的概念组织造船的流水和工位固定人员流动的虚拟流水生产，从而开发 了加工不同类型船体结构零件的各类NC切割机，型材、平面分段、管件等专用的加工、 装配和焊接的机械化设备，替代了以往繁重的体力劳动。同时，还使用设施齐全起吊能 力强大的船坞，使原来劳力密集的造船业发生了质的变化，成为现代化的设备密集型产 业，职工总数呈数量级减少。社会技术的分散专业化机制在造船业得到了实际的发挥， 显著提高了生产效率。80年代以来，微电子技术在造船CAD和CAM方面的应用不断 扩大和深入，造船是精度控制技术和船舶工程管理技术日臻完善，从而使得社会技术的 集成机

4、制在造船业中充分发挥作用，达到了空间分道、时间有序的艺术化状态的壳舾涂 一体化（HOP），船厂成为信息密集型企业。1.3当代AMT将把造船业演绎为知识密集的产业为在市场和战场上获取主导地位，工业发达国家提出AMT必须以用户需要为核心， 目标是实现新概念的TQCS。T指新船型的开发时间最短，或从合同谈判到交船时间最 短；Q即要求建立完整和可靠的质量保证体系，把优质的船舶交付船东；C包括船舶研 究、设计、制造、运行和维护，船舶全寿期的费用最低；S为最佳的建造前、建造时和 交船后的服务。以模块更新的方式，保持船舶的先进性，形成船厂与船东的长期依存关 系。AMT内含三个技术群：主体技术群，包括产品设计

5、、工艺过程设计、工厂设计、 装配工艺、测试、包装、环保和维修等技术；支持技术群，包括信息、标准、设备、传 感和控制等技术；基础技术群，包括管理、培训、教育、与用户和供应商联系等技术。AMT是促进科技和经济发展的基础，研究并付诸实践的AMT理论和方法主要有： 成组技术（GT）、准时生产（JIT）、制造资源计划（MRP II）、柔性制造系统（FMS）、 计算机辅助集成制造系统（CIMS）、全面质量管理（TQM）、智能制造系统（IMS）、 精益生产（LP）、灵捷制造（AM）和全球制造系统（GM）等。实质上AMT是硬件、 软件、脑件（人件）和支持网络（技术与社会）的综合与统一。因此，在研究开发和应 用

6、中，若只是对企业原有体系的某些环节乃至全过程计算机化和自动化，而不实施组织 和管理体制的简化和合理化，其结果必然会导致巨额资金的浪费和失败。在AMT理论的指导下，欧美和亚洲的造船强国运用了两种不同的技术路线。其一 是模拟技术路线，在现有造船设备密集的基础上，进一步采用微电子技术、机器人技术、 激光技术；其二是创新技术路线，通过数字化的理念，简化船舶的设计、制造和运行， 以精确和灵捷为特征，致力于创造新一代的造船模式。模拟技术，路线主要体现在最新建成的高度自动化的船舶分段制造车间和模块制造 车间，遍及全厂的计算机辅助生产系统。数字化和灵捷化的造船技术创新主要体现在：正在开发的、通过过程简化和全面

7、模 块化实现船舶设计、制造和运营的共有基础；以两种标准的零件、单焊道、长效涂层、 复式结构等为特征的新一代船舶设计制造技术；以智能化的信息技术为基础的地区或全 球化的虚拟造船企业和仿真造船技术的开发。在现今市场竞争日益激烈的情形下，中国的造船厂更应该加大力度向现代造船模式 转化。在这个过程中，我们首先要看到与世界先进造船技术和管理方式的差距，然后对 症下药采取相应的措施，尽快缩小与先进水平的差距，从而实现向现代造船模式的转化。 2船舶先进设计技术现状及展望设计是现代船舶工业发展的前提和关键环节。基础性的研究工作，涉及船舶水动力 性能和船舶结构与性能技术，是船舶设计的热点，主要包括船舶航行性能预

8、报和优化设 计技术，是确保船型具有优秀的航行性能和结构性能的保障，是新船开发的关键着眼点。 随着船舶不断向大型化、复杂化方向发展，利用先进的计算机技术，提高设计水平，缩 短设计周期，设计出经济、高附加值的船舶已经相当普及。2.1船舶设计常用到的软件Form sysForm sys 由澳大利亚 Formation Design Systems 公司开发，是- -套非常完整的船舶设 计、分析和建造软件，包括船舶阻力及有效马力计算模块、复杂曲面设计、耐波性设计、 航行状态模拟及分析、船舶设计整合的资料库、船体线型设计光顺、船舶水动力性能设 计、数据交换等模块。TribonTribon系统是由瑞典KC

9、S公司设计开发的用于辅助船舶设计与建造的计算机软件 集成系统。Tribon是集CAD/CAM与MIS于一体，并覆盖了船体、管子、电缆、舱室、 涂装等各个专业的一个专家系统。总体上Tribon系统可分为船体设计、舾装设计、系统 管理及维护3大部分。NAPANAPA公司在船舶设计软件中采用3D技术，并在船舶初步设计和基本设计阶段提 出了 3D NAPA船舶模型概念，这一概念已得到广泛的认同。软件特点是可在较短时间 内完成结构初步设计和重量、成本计算，生成可供送审的技术文件和图样，可根据需要 生成结构有限元计算所需的网格模型。该软件与Tribon的接口可以实现曲线的转换、表 面的转换、图的转换等功能

10、。CADDS 5iCADDS 5i是PTC公司针对船舶、航空、航天行业推出的产品，占世界船舶市场15% 的份额。该软件主要包括船体、管系、舾装、电力、空调通风系统等几大模块。船体模 块主要进行船体结构辅助设计，可输入输出全部船体制造所需的工具，如3D管系布置； 电力模块提供船舶电气系统开发的工具，包括3D电缆通道网络、3D布线图以及电缆通 道支撑结构；空调通风模块提供的工具支持开发大型HVAC系统及其结构的能力，并 可输出制造数据；选择船舶系统的设备和电缆库，用户可以创建示意图。国内有部分船 厂在使用NAPA软件进行详细设计，使用Tribon做生产设计，而CADDS 5i可方便与 它们数据互通

11、。2.1.5其它软件常用的船舶设计软件还有：挪威DNV的Nauticus、德国劳氏的Poseidon、美国的 Cadkey产品等。国内各大船厂在设计时通常采用上述一些船舶设计软件。国外设计软件的引进，提 高了我国舰船设计的效率，但与真正满足舰船设计、制造要求差距甚大，更重要的是国 外软件开放性差，难于实现设计、生产和管理信息的集成，国内船厂在使用这些软件时 需要进行二次开发。2.2造船材料现状由于船舶所处的环境条件恶劣，因此，船舶钢材要有足够的强度、韧性和良好的可 焊性。常规船舶如散货船、油轮、集装箱船和杂货船船体建造采用船用结构钢材。一些 船用特种钢材，如含稀土耐蚀B级碳素钢、低合金高强度钢

12、和低温钢、低磁钢开发出来 并投入市场。但外国船东在国内船厂订造的船舶，较少采用国内生产的钢材，大部分信 赖日本、西欧等国进口钢材。2.3船舶建造技术现状船舶产品结构相当复杂，船舶建造涉及到各个不同专业、不同的建造单位、不同的 配套企业。零部件达到数百万件以上，按传统的打造船体、铺管道、装甲板等步骤，造 船周期很长，效率低，组织协调困难。采用分段建造、模块组装技术生产效率高，对建 造精度要求也高。随着计算机技术的发展，以集成制造为现代造船技术核心和基础，而 高技术含量船舶的建造技术成为一个国家船舶建造能力的体现。3我国造船技术与国际先进水平差距3.1精度控制技术在精度控制方面，日、韩已经形成了一

13、整套精度控制管理体制体系，将精度控制管 理贯穿于造船的全过程，即每年制定一个精度管理计划，确定基本方针、工作重点，各 阶段精度控制项目，控制的目标值、实际测量值，责任单位，工艺流程基准线系统等， 并配有先进的三维坐标测量系统。目前，日、韩几乎都达到了分段100%无余量上船台， 除艉柱分段外，所有分段精度控制成功率为80%95%，大合拢间隙基本控制在53mm， 最大为12mm。而我国在精度控制工作方面与国外先进的国家相比存在一定的差距。国内部分船厂 精度控制水平较高，已经基本达到内部构件无余量下料，全船分段无余量上船台合拢， 但大部分船厂还没达到这个水平。据国内专家评价：我国在精度造船和综合管理

14、水平方 面要比日本船厂落后1015年。由此可见，我国现行的精度控制无论在技术内容上，还 是在技术水平上均与国外先进造船国家有明显的差距，不适应建立以中间产品为导向， 以生产任务包形式组织生产的作业体系的要求。3.2区域涂装技术我国一流船厂的船舶涂装技术水平已经基本接近或达到国际水平，其表现为：我国 已掌握各种类型船舶（包括成品油船和化学品船）和各种类型涂料的施工技术，且质量 受到国外船东的认可。包括船舶涂装尖端技术一货油舱特殊涂装已日趋成熟，其涂装工 作效率已经接近或达到国际先进水平。但是在涂装管理方面，我国船厂却要比先进造船 国家落后许多，尤其反映在用于船舶涂装的工料消耗与先进造船国家的工料

15、消耗相比上， 有很大的差距。将我国一家在船舶涂装技术和管理方面处于8家骨干船厂中上水平的船 厂近两年来的工料消耗的统计数据，与80年代中期日本一家大型船厂提供的粗略数据 进行对比，其结果是：我国工时消耗率为0.85h/ m2，日本则为0.25h /m2，我国是日本 10年前的3.4倍；在材料消耗方面，是日本10年前的124%。至于大多数船厂的涂装技 术管理水平的差距更大了。另外，由于种种原因，我国在分段建造过程中尚未做到跟踪 补涂，分段二次除锈比例达60%80%，甚至达100%，涂料消耗系数达1.92.0。而日、 韩普遍采用机械化钢板预处理、分段制造过程中跟踪补涂方式，分段二次除绣面积在20%

16、 以下，涂料消耗系数仅为1.21.5。这不只是使油漆大量浪费，而且由于重复施工、返工 工时巨大，使工时浪费了 55%左右，使得现在国内造船统计实动工时约是日本造船工时 的810倍。3.3区域舾装技术日本在60年代就完善了舾装生产设计，解决了现场作业的定工位、定内容、定工 艺等问题，能够按照区域设计绘制和提供工作图、安装图、制作图和零件图等，舾装与 分段制作平行作业十分协调，以船台合拢计划为核心的造船流水作业的各项计划管理特 别协调。并且已采用CAD/CAM将详细设计与生产设计融为一体，下水前几乎安装了所 有的舾装件。更有先进的船厂已经实现CIMS，把生产管理、施工工作要领、工作基准 和基本设计

17、及生产设计全部一体化，使工作效率得到空前的提高，几乎没有任何重复性 的工作。日、韩的预舾装率已经达到95%左右。国内各船厂虽然也已坚持了先行舾装的船舶制造基本原则，开展船体分段舾装、单 元舾装、盆式舾装、二次舾装、翻转舾装等多种灵活的方式，计算机应用也实现了 CAD， 但是对实现制造自动化即CAM来说，却还有很大的差距。大多数船厂还是靠人工理解 零件图去一根根制作管子，人工校对管子，人工焊接管子法兰等，因此水平很底。尽管 目前国内的大型船厂已经逐步走上区域舾装的轨道，但是一些中小船厂还无法实现预制 预装，使得我国船厂的预舾装率只有70%。此外，区域舾装的造船方法必须使现场组织甚至整个体制与之相

18、呼应才能实现，而 目前国内的造船厂，不论是大厂还是中小厂，不论是从原来老厂改变过来的厂还是新建 厂，从生产准备阶段的全套组织到现场施工阶段组织都未真正达到现代造船模式造船厂 的组织水平，这是实现高效造船的潜在制约因素，老的体制必须做深刻的甚至是彻底的 改革，才能适应类似区域舾装的真正高效率生产，这正是我国船厂与先进国家造船厂存 在较大差距的症结之所在。3.4管理方式和水平现今日本、欧共体和美国正在联合研究开发智能制造系统（TMT），其主要内容是 研究系统构筑技术、生产技术、信息技术、新材料应用技术和系统中的人的因素，以形 成一个智能化分布与并行的制造系统。这就对企业的素质和运营水平提出了更高的

19、要求， 更加体现了管理在现代造船模式中的重要地位。我国大部分船厂是在计划经济体制下建立并发展起来的，传统造船模式已经早我国 船厂中沿用了 40多年，已经形成了一套固定的管理方式。但是面对现代船舶工业的分 道制造模式和集成制造模式，这种管理方式，尤其是生产管理体制与其极不协调，严重 制约着船舶工业的发展。因此，我国船厂要想向现代造船模式转化，首先要解决的就是 管理体制的问题，改变目前按“库存量”控制生产过程、按“系统”和“区域”的“库 存量”控制生产过程的管理方式，逐步建立起适应现代造船模式发展的管理方式和方法。 含量船舶的建造技术成为一个国家船舶建造能力的体现。4关于提高中国船舶与海洋结构物设计制造能力的思考中国船舶产品单一，技术水平低，与国际先进水平相比较，有很大的差距。中国船 舶行业的提高，需要整个行业及