船企大型计算机辅助造船技术

船企大型计算机辅助造船技术

1计算机自适应的民工商设计和制造集成系统在现代中国造船行业的计算机应用已经开始考虑船舶性能。在20世纪70年代初,研究机构和船厂,在船舶静力学、稳性、抗沉性以及船舶结构力学等涉及的设计工作中,研制了不少计算设计程序,成功地应用于舰艇设计,并进一步在静水力计算、船型论证、主尺度确定、结构计算等方面开发程序。在船舶建造方面,针对放样技术,研究了船体线型的数学光顺及曲面外板展开的计算机辅助设计程序,输出准确型值或数控纸带进行绘图、切割工作,部分船厂将零件以手工编码方式进行数字化,用于钢材切割。在20世纪70年代中期,开始了程序系统的研究,相继出现了船体建造系统、数控集成系统、管系程序系统、船舶设计程序系统、电缆布置程序系统、船厂管理信息系统等。此阶段的计算机硬件以国产DJS-8型为主,绘图机SM-4型可以与计算机联机,程序系统产生的输出结果可用于数控加工。20世纪80年代初期,计算机硬件设备作了更新和提高,拥有IBM-4341机,IBM-4381机,王安VS-100机,PDP11/70机,HP9845机等,促使了船舶工业综合大型计算机辅助造船集成系统一期工程的研制,包括从船舶报价开始,进行设计、建造、生产管理,到完工交船的12大系统的6大关键技术。它们分别是船体报价系统、初步设计系统、结构设计系统、船体建造系统、船舶管系系统、船舶电力系统、船舶动力装置选型系统、螺旋桨设计加工系统、船舶生产设计系统、完工交船计算系统、造船工业管理系统、情报资料检索系统。六大技术是绘图技术、数据库技术、汉字信息处理技术、数据通讯与网络技术、计算机与外围设计联接技术。在20世纪80年代中期完成了上述系统,初步建立了造船综合信息处理系统,合理地、经济地、科学地解决船舶设计、建造和管理问题,使造船生产效率和质量大大提高,周期缩短,增强了船舶产品在国际市场的竞争能力。20世纪80年代后期,在一期工程基本成功的基础上,提出造船集成系统二期工程,利用一期工程的成果,借鉴国外的先进技术,开发出我国新一代造船CAD/CAM软件系统,形成生产能力。通过五年努力,二期工程基本完成了预定目标。2计算机技术设计20世纪80年代造船行业计算机应用取得的成果是多方面的,其中技术上较成熟、应用面较广、经济效益较好的,则在计算机辅助设计与建造方面。特别是作为国家重点科技攻关项目的计算机辅助造船集成系统一期工程的研制完成和推广,成效卓著。2.1水体表面流场该程序较好地解决了求解船体速度场的数值计算方法。此方法能计算出船体表面各控制点X、Y、Z三个方向的速度值,其次是在此基础上进行数值积分,以求得流线分布。采用了LarsLarsson提出的方法,避免了流线的穿入或脱离船体表面。而速度的插值方法则利用有限元的三角形单元的形状函数的插值公式,较方便地插值速度积分一个步长后的速度值。该程序集提供理论计算的船体表面的流线分布,并以绘出的流线图来进行船型阻力优劣的比较。这可减少甚至完全不进行船模试验,从而节省人力、物力,加快设计进程,提高经济效益。若与数学船型系统联系起来,则为数学船型辅助设计提供了一个评判阻力性能的有力手段。2.2地面模板材料该程序用曲面方法生成光顺、实用船型,解决了国际上长期未能解决的多块曲面片光顺拼接的理论及曲面连接处相邻顶点自动配置等技术关键问题。首次成功用多块曲面,拼接成如球鼻艏、折角、圆舭、单桨、双桨等不同类型的军民船型,用于船舶设计与建造。该程序除在船舶工业上应用外,在汽车、飞机及各种形状机械零件上也可广泛应用。该程序可以短时间内进行多方案设计比较,一般1小时可计算4～6个方案,并且在计算机屏幕上立即显示船体线型的形状并提供重要静力性能等数据,供设计者从中优选,提高了设计质量,同时为后续大量繁琐的船舶性能计算直接提供精确的数据,使设计功效提高了数十倍。2.3设计船的设计系统设计该系统是一个较大规模的应用程序系统,包含60多个程序模块,组成7个子系统:散货船主尺度分析子系统;型线生成及二向光顺子系统;静力性能计算、绘图子系统;舱室划分布置设计子系统;初步设计阶段各分项计算子系统;舯剖面结构设计子系统。应用本系统,总体设计师可根据技术任务书的要求,较快地确定船舶总体形态:主要要素、线型、主体舱室划分和布置、中横剖面结构形成等。通过必要数值计算,证明设计船满足技术上和使用上的要求。系统运行结果能生成船舶初步设计阶段(船体部分)要求的各种图纸、计算书。2.4胎架各子系统设计HCS-Ⅱ系统由型线光顺、外板展开、船体结构零件产生和胎架计算四个子系统组成,以数据库为核心。它适用于包括有球艏、球艉的干货船、散货船、多用途船、拖船、渔船及其他类型的内河船、军辅船、驳船和工作船等船舶的建造。2.5工作实际的特点该程序采用混合整数规划法(DCVM)作为优化策略,其主要特点是能直接给出符合工作实际的最优解。结构设计模型以我国船舶检验局《钢质海船入级与建造规范》(1983年版)的要求为约束条件,单位船长钢料体积为目标函数,选取10个设计变量。2.6船舶有害振动的工程化设计该程序为船舶各设计阶段,特别是设计初期,预防船体振动,处理船、机、桨的配合,解决船舶有害振动提供了有效的工程方法。该方法还提供了相应的计算机程序,可在微机上实现,结果以图表形式表达,便于应用。2.7计算负荷和短路该系统具有下述主要功能:计算全船电力负荷,选择主发电机;计算负荷,选择应急发电机;计算变压器负荷,选择主变压器;计算岸电负荷,选择岸电箱;计算蓄电池负荷,选择蓄电池组;选择馈电电缆,进行电压降校核;计算短路电流,选择和校核空气断路器;计算保护鉴定,选择保护装置和起动器。2.8振动、激振力、规范计算该系统主要包括扭转振动计算,纵向振动计算,回旋振动计算,校中计算,轴承油膜等效刚度计算,螺旋桨激振力计算和规范计算等七个模块。2.9升力线理论计算程序船舶螺旋桨理论设计、性能及激振力预报程序包共包括7个程序:船后伴流场相关计算程序;升力线理论辅以升力面修正方法设计螺旋桨程序;升力面理论设计螺旋桨程序;螺旋桨叶剖面空泡斗理论计算程序;升力线理论预报螺旋桨水动力性能及桨叶表面压力分布计算程序;升力面理论预备螺旋桨水动力性能及桨叶表面压力分布计算程序;螺旋桨激振力理论预报程序。2.10兄弟单位新体制下的管理体制PCPSⅢ型是一个面向船舶管系生产设计的计算机辅助设计系统。它是在“PCPS-1”和“PCPS-2”的基础上,吸收了国内兄弟单位同类系统的长处后发展起来的新系统。本系统可适用于船舶设计院、所,造船厂的设计部门,加工安装和生产管理部门,对其他专业(如化工、发电厂、核工程等)的管系设计、制造和安装也有一定的参考价值。该系统的特点是按区域进行生产设计,并以区域作为处理对象。2.11船舶报价和船价的计算计算机辅助船舶报价系统SPES-Ⅰ是建立在王安VS-100型电子计算机上的一个船舶报价程序系统,适用于10000～60000吨级散装货船,10000～25000吨级多用途船,3000～7000吨级干货船的船舶报价。该系统能按照船东所提出的技术要求和指定的设备,由计算机提供船舶设计方案,进行成本和船价计算,并提供国外同类型相近吨位的船价和市场行情参考资料等,输出有关报价文件和示意总图等,并可在船东提出修改技术条件时,快速进行修正,提供修改后的船价。该系统由船舶报价设计子系统、成本子系统、商情子系统和系统数据文件库组成,由总控程序调度运行,可以联合使用,亦能独立工作。2.12pc/xt序量传统模式该软件以BASIC语言编写,共有33个程序模块,源程序量200kB,在IBM-PC/XT及其兼容机上运行。该软件把日常定额管理工作纳入计算机管理,改变了传统管理方法和手段,初步实现了在微机上利用建立数学模型进行定额管理。2.13编制安全技术文件完工交船计算系统是用于船舶完工设计的计算机辅助设计系统。研制的目的是解决出口船舶和国内远洋、近洋运输船舶的完工技术文件的编制,做到交船的同时,提交完工资料。该系统能满足中国船检局(ZC)、英国劳氏船级社(LR)等规范要求,能满足干货船、散货船、集装箱船、多用途船等的使用要求。2.14新型焊接质量检测系统焊缝缺陷的识别和评级系统,是应用微机处理机和负片图像输入器而设计的新型的焊接质量检测系统。本系统以苹果机作为主处理机,用BASIC语言编写程序,整个工作过程都以人机交互方式进行。2.15气垫船辅助包围法的静态形成计算方法“襄指型围裙静态成形设计计算方法”编制成适用于计算机的计算程序,使用简便、可靠、准确、实用。3cad/最佳技术领域的选择二期工程的研究目标是在一期工程的研究成果基础之上,通过新的系统设计,引进新的设计思想,采用新的设计工具,实现新的目标。着重要在使用图形交互技术和船机电信息共享两个方面取得突破。在中型机、图形工作站和微机上开发若干新一代的计算机辅助船舶设计系统和通用的支撑软件系统,使CAD/CAM技术在更广泛的领域内有新的发展。用图形交互的设计方式逐步取代传统的手工设计方法,改进设计方法,提高设计效率和设计质量,使计算机应用成果尽快转化为生产力,取得较大的经济效益和社会效益。船舶的设计和建造,涉及到船、机、电多个领域,经历合同前设计、初步设计、详细设计、生产设计和建造等多个阶段。CAD/CAM的应用研究内容丰富,工作量大,二期工程的研究项目不能涉及所有领域和阶段。选择几个重要的领域和阶段,抓影响设计和建造周期的最薄弱环节,以船舶设计为主线条,在几个重点系统方面先取得突破。《计算机辅助造船集成系统》的主要研究内容可分成四个部分,即船舶总体设计系统、船体结构设计系统、机电设计系统、造船CAD/CAM系统支撑环境研究。3.1船际设计规范和规范的主要类型这个系统可以在船舶设计各个阶段中使用。它的研究目标是在图形工作站和图形支撑软件的基础上,进一步扩大和完善一期工程的研究成果,为船舶总体设计提供具有图形交互功能的辅助设计工具。在二期工程阶段,研究的主要船型是散货、集装箱船等。船舶设计规范是ZC和LR。根据船舶设计任务书中规定的要求,确定主尺度和船型系数,通过船型交换的方法,产生符合船东要求的新船型,完成船舶总体设计过程中的型线设计,总布置设计和性能计算,提供船体说明书的中、英文标准文本。3.2全船构件设计步骤船体结构设计系统是在船东确定的规范及设计人员将线型初步确定的基础上,以图形交互设计手段进行构件的规范设计、校核及分析,定义出全船构件的三维模型,再进一步进行详细设计,给出结构图及分段图,最后结合生产设计的要求,生成零件、加工文件,完成套料、划线和切割信息。3.3机电工程系统机电设计系统是一个综合处理全船船体、轮机、电气信息的辅助设计系统,它可以在船舶设计的各个阶段中应用。3.4有利于提高开发效率目标是为CAD/CAM应用系统的开发提供一个平台,使应用系统的开发人员可以在一个统一的、高起点的软件环境中从事CAD/CAM系统的开发工作,为应用系统的开发提供一系列软件工具,从而提高开发效率。3.4.1数据库管理系统系统从CAD/CAM系统的特点出发,建立一个能方便地描述复杂数据结构的、统一管理图形数据和非图形数据的数据库管理系统。本系统为应用程序的开发人员及最终用户提供一个存贮、管理、操纵工程信息的工具。通过本系统能实现船、机、电各分系统的数据共享,以及不同设计阶段的数据共享;保证数据的独立性和一致性;减少数据冗余;提高数据的安全性。3.4.2维图形表达为应用系统的开发人员及最终用户提供一个处理二维和三维图形的软件工具。二维图形满足造船应用中的绘图要求,提供完善的二维图形生成、编辑、显示、交互修改、文件管理手段,以满足各设计系统中图纸绘制要求。三维图形处理基本满足船体结构、机电设备、管路、舾装件等形体三维表示、交互布置及交互修改的要求。4机图形工具中小船厂的计算机应用大都是考虑在微机上实现的,利用微机图形工具AutoCAD,自行开发或者购买实用的船舶设计应用软件,购置绘图机、数字化板、扫描仪等硬件,配套成CAD小型系统,在各个船厂发挥越来越重要的作用。4.1一些实用的微型计算机应用包4.1.1船舶线管理系统的设计该系统集母型船的型线变换、型线交互修改和绘制型线图的功能。4.1.2基于数据库的平面布置数据库该软件是一个以AutoCAD为基础的专用软件包,利用AutoCAD开放结构的各种成分进行开发的实用人机交互船舶舱室平面布置设计系统,采取建立平面布置要素的图形数据库,图形建立块结构存放,构造实用菜单,使用户能方便地在微机AutoCAD环境中,交互操作,最后生成舱室平面布置图,并统计家具、设备、门窗,计算舱室面积。4.1.3零件生成和切割本系统具有线型光顺、外板展开,结构定义生成,几何语言描述零件生成,零件套料,数控切割代码生成。在手段上采用交互光顺和交互图形套料,对输入数据进行有效性和完整性检查,切割指令动态模拟检验。4.1.4自动划分管理子系统该程序以AutoCAD为图形支撑,提供自动划分管子零件、管路干涉检查和管工艺性检查、管子零件计算、零件图和安装图输出、区域管子质量质心、管子附件明细表打印等功能。4.1.5放线盘盘的设置该程序能交互进行设备布置,电缆通道的布置,电缆长度计算,紧固件、贯穿件尺寸计算,生成施工用电缆放线托盘表,紧固件托盘表,设备托盘表等。4.1.6辅助悬挂系统的布置，如钩子和钩子该程序由锚样侧面图生成模块,锚样起落试验图生成模块,锚链筒放样子模块,锚台放样子模块等组成,输出各种展开图。4.1.7结构体系计算该系统主要包括:舱室划分和定义、配载及浮态校核、装载稳性计算、自由液面修正、稳性要素计算、极限质心计算、破舱稳性计算及浮态计算、总强度计算、质量分布曲线、浮力分布及载荷分布计算、剪力分布及弯矩分布计算。4.1.8火焰道测试参数本程序系统的输入部分主要输入船板参数、几何尺寸和初始形状、加工参数和焰道布置参数、加热参数、边界条件、局部变形和整体变形的测试参数。计算部分处理船板加工的局部变形和整体变形数据,包含咨询、统计、修改、排序等功能,最后输出图形结果。4.2船舶软件的转变在微型机成为计算机硬件的主流产品的年代,国际上著名的软件公司开始着手把原先在工作站运行的造船软件转向在微型计算机服务器网络的应用软件,从而使各中小船厂成为其客户。因此,因内的企业相继引进了微机版的造船软件,并学习消化进而在实际中应用,为船舶设计和制造的信息化处理起了一定的作用。5国内计算机cap/com系统的研究及应用现状在20世纪90年代中,除了CASIS-Ⅱ期、Ⅲ期工程的相继研发,各科研机构和企业纷纷致力于所引进的国外软件适应性和实用拓展性的研究。同时,某些机构坚持国产造船软件的开发,坚持以市场需求为龙头,逐步扩大在用户界面、数据库应用、三维立体建模、数据通用接口等方面的研究和探索。同时在软件集成、国际标准的采用、信息网络工程的建设方面进行有效的机理研究,为现阶段我国造船业的计算机应用,起了推动作用和探明了方向。20世纪90年代后期,各企业和科研单位在引进国外船用软件的基础上,开发适合我国船厂实际生产设计的施工设计辅助软件模块或软件包。相继在各船厂和科研单位开发的有基于Tribon的船体、风管、电气等专业的拓展开发,三维图形与二维施工图纸的转换处理,基于CADD5的生产设计应用,自主知识产权的三维建模,数据库建设的研究工作,软件产品的标准采标工作的探索,以及虚拟现实技术在造船产业中应用研究。在微机的CAP/COM系统开发工作中逐步形成了若干占前导地位的开发应用软件的单位,在竞争互补的局面中,使我国造船软件的发展处于顺应国际潮流又适应我国特殊情况的发展架势。随着国家对科技创新的支持和鼓励,部分大型企业和科研机构开展了造船CMS的研究和基础性理论探索,对MRP技术,企业的管理信息化系统等分别进行了应用性的开发和研究。这些机理性和基础性的探索工作为我国造船行业采用计算机集成制造信息系统奠定了基础,从而为我国逐步使用有自主知识产权的造船软件系统辅平道路。5.1该软件于船舶制造中得到了两次应用某工厂在引进的工作站CAD软件的基础上,开展了三维生产设计辅助系统的研究。5.1.1立体模型布置通过建立包含船体结构、机电设备、铁舾件在内的三维立体模型,按1∶1的比例进行布置,作为舾装三维生产设计的工作背景,重点对管系和电缆的走向进行协调和优化。5.1.2系统工作环境设置按照统一约定的产品装配树并行设计,以专用PART为基本组成单位,在相同区域内将并行设计的所有专用PART合在一起,形成该区域的三维生产设计模型。专用PART分类和调用基本方法为:(1)船体结构按部件、分段、立体分段以及铁舾件分别进行构模和子装配,最终以总段构成工作背景投入装配树。(2)机电设备由单个模型按安装位置调用,形成舱室布置模型构成工作背景,投入装配树。(3)管系按系统类别分别构模,形成专用PART,再以舱室为单位投入装配树,全船共计150个专用PART。(4)电缆按系统原理走向图分别进行通道构模,进行子装配后形成舱室区域模型,再投入装配树。专用PART分别规定在不同的图层,参照《船舶管路和识别符号的油漆颜色(GB3033-82)》和《舰船色彩标准(HJB37-90)》配以不同的颜色,使之相互之间的空间关系表达清楚。在装配树中用结点表达专用PART之间的从属关系,满足干涉检查、优化调整和专业设计的需求。5.1.3生产设计阶段船体、舾装、电气在专业工作界面约定后并行开展生产设计,并确保专用PART能被本区域设计人员正确和灵活地引用及装配,最终合成区域三维综合布置模型。5.1.4软干涉现象设计干涉检查是三维综合布置不可逾越的设计步骤,从根本上讲,消除模型实体之间的干涉点是三维综合布置的基本要求,关系到生产设计是否符合船舶的实际状态。干涉类型有两种,一种是硬干涉,即模型实体之间物理形状产生碰撞,俗称“硬碰硬”。另一种是软干涉,它表示模型实体之间不产生直接碰撞,但如何考虑模型实体的安装、操作、维修、交通等因素产生的干涉,俗称“软碰软”或“软碰硬”。例如在船员床辅正上方布置一根管路,从空间上两者无碰撞,但实际影响船员起居。再比如,管子布置影响设备、结构的门盖开启也属于软干涉的范围。限于技术条件,在计算机上只处理硬干涉,对于软干涉现象,通过对舱室模型渲染后的浏览,以人工判断加以解决。以管系为例说明某产品的干涉检查流程:(1)管系构模过程中及该系统模型形成后,有两种干涉检查(CHECKCLEarance和TCHECKINTdrferdnce)方式进行系统内部检查,可以报告管子(附件或阀件)之间的碰撞情况,包括干涉点类型、坐标、干涉距离、实体类型和位置、实体数据库指针等,供设计人员查找、判别及修改。(2)合成三维