張維英，紀(jì)明月，侯垚森，董震鵬

（1.大連海洋大學(xué)航海與船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.上海滬東中華船廠，上海 200120）

我國船舶制造數(shù)字化及信息化淺談

張維英1，紀(jì)明月1，侯垚森2，董震鵬1

（1.大連海洋大學(xué)航海與船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.上海滬東中華船廠，上海 200120）

傳統(tǒng)的船舶制造業(yè)正隨著信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展發(fā)生著一系列的變化。長期以來，我國船舶制造業(yè)僅僅將船舶制造定位于制造工藝,阻礙了我國船舶制造的發(fā)展。我國的造船企業(yè)雖然在近些年得到了較大程度的發(fā)展，但是在生產(chǎn)效率、自動(dòng)化設(shè)施設(shè)備等方面，與造船強(qiáng)國的造船行業(yè)相比還存在著較大的差距。

計(jì)算機(jī)技術(shù)；信息化；數(shù)字化；船舶制造

盡管我國許多船廠很早就提出了“數(shù)字船廠”的口號(hào)，但事實(shí)上數(shù)字化在船廠的應(yīng)用并不樂觀。面對(duì)“BIGDATA”時(shí)代的到來，不扎實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)和編碼等基礎(chǔ)工作，以及沒有準(zhǔn)確齊全的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，我國的船舶制造“軟肋”十分明顯?，F(xiàn)場(chǎng)施工方面，當(dāng)遇到困難時(shí)，如船體結(jié)構(gòu)調(diào)整，沒有能力通過計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算進(jìn)行“再設(shè)計(jì)”，而僅僅通過經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。種種跡象表明，我國船舶制造的數(shù)字化、信息化多停留在概念階段，沒有為船廠帶來實(shí)質(zhì)性的利益。

1 計(jì)算機(jī)應(yīng)用在日韓造船業(yè)的發(fā)展歷史

20世紀(jì)50年代中期計(jì)算機(jī)在日本的船舶制造業(yè)得到發(fā)展和應(yīng)用，其主要的應(yīng)用對(duì)象是外板的展開和簡單的數(shù)值計(jì)算。計(jì)算機(jī)又隨著技術(shù)的提升被逐漸應(yīng)用在船舶性能和結(jié)構(gòu)制造的計(jì)算中。

80年代中期，受到人力資源老化、國內(nèi)其他制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展和日元升值的影響，日本造船產(chǎn)業(yè)決定開始推行實(shí)施計(jì)算機(jī)信息集成制造計(jì)劃，其研究范圍和內(nèi)容在長達(dá)20多年的時(shí)間里不斷拓展?，F(xiàn)如今，日本的造船企業(yè)已經(jīng)形成了較為完備的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠滿足船型結(jié)構(gòu)開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃以及調(diào)度和自動(dòng)化等方面的要求，在船舶材料設(shè)計(jì)、加工和裝配等生產(chǎn)過程方面具備了各個(gè)生產(chǎn)制造階段的信息集成能力。

20世紀(jì)90年代中期CIMS技術(shù)在日本的一些大型船廠基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，1998年開始向各個(gè)中型船廠推廣應(yīng)用。CIMS技術(shù)使用后，可以縮短工期約20%，節(jié)約人工約50%，效果顯著。

2 我國與世界造船信息化差距分析

我國造船行業(yè)自進(jìn)入國際船舶市場(chǎng)以來取得了顯著的成績，但一些問題仍然沒有得到徹底改變，比如生產(chǎn)效率低、競爭力弱、效益低等。近些年來，國內(nèi)一些造船企業(yè)都在大力推進(jìn)轉(zhuǎn)換造船模式，從造船的生產(chǎn)作業(yè)體系和生產(chǎn)管理體系上實(shí)施現(xiàn)代集成造船模式（CIMS），并取得了不小的成效。但一些中小型船舶企業(yè)依舊存在問題，如對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的重視不夠，對(duì)信息化建設(shè)的重要性認(rèn)識(shí)不足；造船生產(chǎn)的準(zhǔn)備工作還不夠充分,尤其是當(dāng)生產(chǎn)進(jìn)度面臨壓力時(shí)，更是出現(xiàn)邊生產(chǎn)、邊設(shè)計(jì)、邊修改的造船，為了追求縮短工期嚴(yán)重忽視了造船技術(shù)的準(zhǔn)備工作，這樣做的結(jié)果就是造成嚴(yán)重的質(zhì)量問題和大量的返工，往往會(huì)適得其反。

3 船廠需要更多的信息化手段介入

計(jì)算機(jī)技術(shù)以及信息技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)的影響是巨大的。20世紀(jì)80年代中期日本就已經(jīng)推廣造船領(lǐng)域計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS），到90年代已經(jīng)實(shí)用化。

目前我國對(duì)先進(jìn)制造業(yè)的理解仍停留在制造工藝的提升。盡管很多船廠很早就提出了“數(shù)字船廠”的口號(hào)，但是就目前而言，僅是對(duì)CIMS中的部分CADCAM計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造的概念進(jìn)行了抽取，在船舶制造方面與上世紀(jì)90年代的日本仍有差距。

現(xiàn)在的船廠是否可以設(shè)計(jì)一款可以實(shí)時(shí)顯示分段位置的軟件。這種軟件不是多么復(fù)雜，僅是建立在基本倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)之上。通過這種方法，可以每天早晨告知船報(bào)驗(yàn)項(xiàng)目的詳細(xì)位置，方便報(bào)驗(yàn)，節(jié)省時(shí)間，節(jié)省人力。另外，可以對(duì)這種軟件進(jìn)行不斷的優(yōu)化。比如，可以讓其顯示出項(xiàng)目的大致狀態(tài)，專檢信息，使得一切信息更加直觀，方便獲取，提高效率。雖然現(xiàn)在船廠的內(nèi)網(wǎng)有檢驗(yàn)平臺(tái)，但是過于老舊，并不直觀，詳細(xì)顯示的過于籠統(tǒng)，實(shí)際效果并不理想。

4 有限元分析應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)修改

全船有限元分析、艙段分析、船舶局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，在船舶與海洋工程領(lǐng)域，已經(jīng)越來越多被船級(jí)社及船主在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采納。船級(jí)社等機(jī)構(gòu)已越來越多地在規(guī)范中要求采用結(jié)構(gòu)的直接計(jì)算判斷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否合格，有限元分析更是設(shè)計(jì)者對(duì)于一些新型結(jié)構(gòu)及由新材料建造的船舶設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。

現(xiàn)在我國的許多船廠沒有“再設(shè)計(jì)”的能力。具體說來，當(dāng)船主對(duì)某一結(jié)構(gòu)產(chǎn)生質(zhì)疑的時(shí)候，往往僅僅依靠過往的經(jīng)驗(yàn)要求整改。經(jīng)驗(yàn)不是技術(shù)，技術(shù)部門沒有能力去進(jìn)行求證，是完全按照船東的意思進(jìn)行整改，缺少了主動(dòng)性，沒有客觀依據(jù)。

在喪失主動(dòng)性的同時(shí)，出現(xiàn)了很多因?yàn)榇鞯摹靶难獊沓薄倍M(jìn)行的大規(guī)模沒根據(jù)的整改，嚴(yán)重浪費(fèi)了船廠的物料和人力。現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)部門和質(zhì)檢人員，因?yàn)槿鄙傧嚓P(guān)素質(zhì)培養(yǎng)，缺乏客觀理論根據(jù)，只能任由船主“發(fā)揮”，不僅難以對(duì)船主要求整改的結(jié)構(gòu)進(jìn)行核實(shí)，同時(shí)還給船主留下了業(yè)務(wù)能力不專業(yè)的印象。在當(dāng)下航運(yùn)業(yè)萎靡的時(shí)候，這種情況的出現(xiàn)無疑令人擔(dān)憂。

在對(duì)局部船體的有限元分析中，需要克服的問題還有很多。比如，如果想對(duì)一個(gè)分段單獨(dú)進(jìn)行有限元分析，實(shí)際操作起來，第一個(gè)問題就是當(dāng)網(wǎng)格劃分好以后，如何對(duì)這個(gè)分段加載荷？有限元分析結(jié)果準(zhǔn)確與否，主要依據(jù)兩點(diǎn)：第一是網(wǎng)格的劃分，第二是對(duì)加載荷的考慮。與普通的鋼結(jié)構(gòu)不同，船舶是一個(gè)受力很復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)體，不僅受自身重力作用，還受風(fēng)浪載荷以及一系列動(dòng)載荷，中垂中拱下載荷分部又有變化。就一個(gè)單獨(dú)的分段來說，它的載荷是很難給定的，受力條件太復(fù)雜，而且分段的邊界條件太多，過多的邊界條件的影響使計(jì)算過于復(fù)雜。比如CCS對(duì)入級(jí)的大型貨船，就采用0.5貨倉+1貨倉+0.5貨倉，以減少邊界條件的影響。

針對(duì)要分析的分段載荷問題，唯一可行的方案就是先對(duì)整體進(jìn)行有限元分析，觀察主要載荷在全船的分部，再單獨(dú)看這一個(gè)需要分析的分段，所受的主要全船載荷有哪些，繼而選出主要載荷進(jìn)行分析。

從大的方向講，推行類似對(duì)現(xiàn)場(chǎng)局部結(jié)構(gòu)的有限元分析，是改變傳統(tǒng)陳舊的造船產(chǎn)業(yè)的一個(gè)小的舉措，使以往簡單的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)向科技化產(chǎn)業(yè)過渡。從眼下小的方面來講，可以提升有關(guān)人員的業(yè)務(wù)能力，不僅能夠?yàn)榇瑥S減少不必要的人力物力的浪費(fèi)，還能夠引起船主的注意，從而提升船廠在業(yè)內(nèi)的口碑，益處頗多。

5 結(jié)語

面對(duì)日新月異的時(shí)代發(fā)展，我們工作不能過分的依靠以往的經(jīng)驗(yàn)，為了取得長足的進(jìn)步，我們必須清醒地認(rèn)識(shí)到，經(jīng)驗(yàn)不等于技術(shù)。船廠通過普及ANSYS概念，不僅可以優(yōu)化船舶設(shè)計(jì)，還可以推動(dòng)船廠信息化進(jìn)程，益處頗多。船廠應(yīng)通過更多的信息化手段介入，努力縮短差距。應(yīng)用有限元分析進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)修改，加強(qiáng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)的聯(lián)系，并進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。通過應(yīng)用信息化集成系統(tǒng)對(duì)船舶產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)建造和管理，使船舶產(chǎn)品成為信息化設(shè)計(jì)產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)“數(shù)字化造船”。

[1]熊志鑫. 船體結(jié)構(gòu)有限元建模與分析[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2014.

[2]孫麗萍. 船舶結(jié)構(gòu)有限元分析[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2004.

TP311.52

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