船企大型計算機輔助造船技術

船企大型計算機輔助造船技術

1計算機自適應的民工商設計和制造集成系統(tǒng)在現(xiàn)代中國造船行業(yè)的計算機應用已經(jīng)開始考慮船舶性能。在20世紀70年代初,研究機構和船廠,在船舶靜力學、穩(wěn)性、抗沉性以及船舶結構力學等涉及的設計工作中,研制了不少計算設計程序,成功地應用于艦艇設計,并進一步在靜水力計算、船型論證、主尺度確定、結構計算等方面開發(fā)程序。在船舶建造方面,針對放樣技術,研究了船體線型的數(shù)學光順及曲面外板展開的計算機輔助設計程序,輸出準確型值或數(shù)控紙帶進行繪圖、切割工作,部分船廠將零件以手工編碼方式進行數(shù)字化,用于鋼材切割。在20世紀70年代中期,開始了程序系統(tǒng)的研究,相繼出現(xiàn)了船體建造系統(tǒng)、數(shù)控集成系統(tǒng)、管系程序系統(tǒng)、船舶設計程序系統(tǒng)、電纜布置程序系統(tǒng)、船廠管理信息系統(tǒng)等。此階段的計算機硬件以國產(chǎn)DJS-8型為主,繪圖機SM-4型可以與計算機聯(lián)機,程序系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出結果可用于數(shù)控加工。20世紀80年代初期,計算機硬件設備作了更新和提高,擁有IBM-4341機,IBM-4381機,王安VS-100機,PDP11/70機,HP9845機等,促使了船舶工業(yè)綜合大型計算機輔助造船集成系統(tǒng)一期工程的研制,包括從船舶報價開始,進行設計、建造、生產(chǎn)管理,到完工交船的12大系統(tǒng)的6大關鍵技術。它們分別是船體報價系統(tǒng)、初步設計系統(tǒng)、結構設計系統(tǒng)、船體建造系統(tǒng)、船舶管系系統(tǒng)、船舶電力系統(tǒng)、船舶動力裝置選型系統(tǒng)、螺旋槳設計加工系統(tǒng)、船舶生產(chǎn)設計系統(tǒng)、完工交船計算系統(tǒng)、造船工業(yè)管理系統(tǒng)、情報資料檢索系統(tǒng)。六大技術是繪圖技術、數(shù)據(jù)庫技術、漢字信息處理技術、數(shù)據(jù)通訊與網(wǎng)絡技術、計算機與外圍設計聯(lián)接技術。在20世紀80年代中期完成了上述系統(tǒng),初步建立了造船綜合信息處理系統(tǒng),合理地、經(jīng)濟地、科學地解決船舶設計、建造和管理問題,使造船生產(chǎn)效率和質量大大提高,周期縮短,增強了船舶產(chǎn)品在國際市場的競爭能力。20世紀80年代后期,在一期工程基本成功的基礎上,提出造船集成系統(tǒng)二期工程,利用一期工程的成果,借鑒國外的先進技術,開發(fā)出我國新一代造船CAD/CAM軟件系統(tǒng),形成生產(chǎn)能力。通過五年努力,二期工程基本完成了預定目標。2計算機技術設計20世紀80年代造船行業(yè)計算機應用取得的成果是多方面的,其中技術上較成熟、應用面較廣、經(jīng)濟效益較好的,則在計算機輔助設計與建造方面。特別是作為國家重點科技攻關項目的計算機輔助造船集成系統(tǒng)一期工程的研制完成和推廣,成效卓著。2.1水體表面流場該程序較好地解決了求解船體速度場的數(shù)值計算方法。此方法能計算出船體表面各控制點X、Y、Z三個方向的速度值,其次是在此基礎上進行數(shù)值積分,以求得流線分布。采用了LarsLarsson提出的方法,避免了流線的穿入或脫離船體表面。而速度的插值方法則利用有限元的三角形單元的形狀函數(shù)的插值公式,較方便地插值速度積分一個步長后的速度值。該程序集提供理論計算的船體表面的流線分布,并以繪出的流線圖來進行船型阻力優(yōu)劣的比較。這可減少甚至完全不進行船模試驗,從而節(jié)省人力、物力,加快設計進程,提高經(jīng)濟效益。若與數(shù)學船型系統(tǒng)聯(lián)系起來,則為數(shù)學船型輔助設計提供了一個評判阻力性能的有力手段。2.2地面模板材料該程序用曲面方法生成光順、實用船型,解決了國際上長期未能解決的多塊曲面片光順拼接的理論及曲面連接處相鄰頂點自動配置等技術關鍵問題。首次成功用多塊曲面,拼接成如球鼻艏、折角、圓舭、單槳、雙槳等不同類型的軍民船型,用于船舶設計與建造。該程序除在船舶工業(yè)上應用外,在汽車、飛機及各種形狀機械零件上也可廣泛應用。該程序可以短時間內(nèi)進行多方案設計比較,一般1小時可計算4～6個方案,并且在計算機屏幕上立即顯示船體線型的形狀并提供重要靜力性能等數(shù)據(jù),供設計者從中優(yōu)選,提高了設計質量,同時為后續(xù)大量繁瑣的船舶性能計算直接提供精確的數(shù)據(jù),使設計功效提高了數(shù)十倍。2.3設計船的設計系統(tǒng)設計該系統(tǒng)是一個較大規(guī)模的應用程序系統(tǒng),包含60多個程序模塊,組成7個子系統(tǒng):散貨船主尺度分析子系統(tǒng);型線生成及二向光順子系統(tǒng);靜力性能計算、繪圖子系統(tǒng);艙室劃分布置設計子系統(tǒng);初步設計階段各分項計算子系統(tǒng);舯剖面結構設計子系統(tǒng)。應用本系統(tǒng),總體設計師可根據(jù)技術任務書的要求,較快地確定船舶總體形態(tài):主要要素、線型、主體艙室劃分和布置、中橫剖面結構形成等。通過必要數(shù)值計算,證明設計船滿足技術上和使用上的要求。系統(tǒng)運行結果能生成船舶初步設計階段(船體部分)要求的各種圖紙、計算書。2.4胎架各子系統(tǒng)設計HCS-Ⅱ系統(tǒng)由型線光順、外板展開、船體結構零件產(chǎn)生和胎架計算四個子系統(tǒng)組成,以數(shù)據(jù)庫為核心。它適用于包括有球艏、球艉的干貨船、散貨船、多用途船、拖船、漁船及其他類型的內(nèi)河船、軍輔船、駁船和工作船等船舶的建造。2.5工作實際的特點該程序采用混合整數(shù)規(guī)劃法(DCVM)作為優(yōu)化策略,其主要特點是能直接給出符合工作實際的最優(yōu)解。結構設計模型以我國船舶檢驗局《鋼質海船入級與建造規(guī)范》(1983年版)的要求為約束條件,單位船長鋼料體積為目標函數(shù),選取10個設計變量。2.6船舶有害振動的工程化設計該程序為船舶各設計階段,特別是設計初期,預防船體振動,處理船、機、槳的配合,解決船舶有害振動提供了有效的工程方法。該方法還提供了相應的計算機程序,可在微機上實現(xiàn),結果以圖表形式表達,便于應用。2.7計算負荷和短路該系統(tǒng)具有下述主要功能:計算全船電力負荷,選擇主發(fā)電機;計算負荷,選擇應急發(fā)電機;計算變壓器負荷,選擇主變壓器;計算岸電負荷,選擇岸電箱;計算蓄電池負荷,選擇蓄電池組;選擇饋電電纜,進行電壓降校核;計算短路電流,選擇和校核空氣斷路器;計算保護鑒定,選擇保護裝置和起動器。2.8振動、激振力、規(guī)范計算該系統(tǒng)主要包括扭轉振動計算,縱向振動計算,回旋振動計算,校中計算,軸承油膜等效剛度計算,螺旋槳激振力計算和規(guī)范計算等七個模塊。2.9升力線理論計算程序船舶螺旋槳理論設計、性能及激振力預報程序包共包括7個程序:船后伴流場相關計算程序;升力線理論輔以升力面修正方法設計螺旋槳程序;升力面理論設計螺旋槳程序;螺旋槳葉剖面空泡斗理論計算程序;升力線理論預報螺旋槳水動力性能及槳葉表面壓力分布計算程序;升力面理論預備螺旋槳水動力性能及槳葉表面壓力分布計算程序;螺旋槳激振力理論預報程序。2.10兄弟單位新體制下的管理體制PCPSⅢ型是一個面向船舶管系生產(chǎn)設計的計算機輔助設計系統(tǒng)。它是在“PCPS-1”和“PCPS-2”的基礎上,吸收了國內(nèi)兄弟單位同類系統(tǒng)的長處后發(fā)展起來的新系統(tǒng)。本系統(tǒng)可適用于船舶設計院、所,造船廠的設計部門,加工安裝和生產(chǎn)管理部門,對其他專業(yè)(如化工、發(fā)電廠、核工程等)的管系設計、制造和安裝也有一定的參考價值。該系統(tǒng)的特點是按區(qū)域進行生產(chǎn)設計,并以區(qū)域作為處理對象。2.11船舶報價和船價的計算計算機輔助船舶報價系統(tǒng)SPES-Ⅰ是建立在王安VS-100型電子計算機上的一個船舶報價程序系統(tǒng),適用于10000～60000噸級散裝貨船,10000～25000噸級多用途船,3000～7000噸級干貨船的船舶報價。該系統(tǒng)能按照船東所提出的技術要求和指定的設備,由計算機提供船舶設計方案,進行成本和船價計算,并提供國外同類型相近噸位的船價和市場行情參考資料等,輸出有關報價文件和示意總圖等,并可在船東提出修改技術條件時,快速進行修正,提供修改后的船價。該系統(tǒng)由船舶報價設計子系統(tǒng)、成本子系統(tǒng)、商情子系統(tǒng)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件庫組成,由總控程序調度運行,可以聯(lián)合使用,亦能獨立工作。2.12pc/xt序量傳統(tǒng)模式該軟件以BASIC語言編寫,共有33個程序模塊,源程序量200kB,在IBM-PC/XT及其兼容機上運行。該軟件把日常定額管理工作納入計算機管理,改變了傳統(tǒng)管理方法和手段,初步實現(xiàn)了在微機上利用建立數(shù)學模型進行定額管理。2.13編制安全技術文件完工交船計算系統(tǒng)是用于船舶完工設計的計算機輔助設計系統(tǒng)。研制的目的是解決出口船舶和國內(nèi)遠洋、近洋運輸船舶的完工技術文件的編制,做到交船的同時,提交完工資料。該系統(tǒng)能滿足中國船檢局(ZC)、英國勞氏船級社(LR)等規(guī)范要求,能滿足干貨船、散貨船、集裝箱船、多用途船等的使用要求。2.14新型焊接質量檢測系統(tǒng)焊縫缺陷的識別和評級系統(tǒng),是應用微機處理機和負片圖像輸入器而設計的新型的焊接質量檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)以蘋果機作為主處理機,用BASIC語言編寫程序,整個工作過程都以人機交互方式進行。2.15氣墊船輔助包圍法的靜態(tài)形成計算方法“襄指型圍裙靜態(tài)成形設計計算方法”編制成適用于計算機的計算程序,使用簡便、可靠、準確、實用。3cad/最佳技術領域的選擇二期工程的研究目標是在一期工程的研究成果基礎之上,通過新的系統(tǒng)設計,引進新的設計思想,采用新的設計工具,實現(xiàn)新的目標。著重要在使用圖形交互技術和船機電信息共享兩個方面取得突破。在中型機、圖形工作站和微機上開發(fā)若干新一代的計算機輔助船舶設計系統(tǒng)和通用的支撐軟件系統(tǒng),使CAD/CAM技術在更廣泛的領域內(nèi)有新的發(fā)展。用圖形交互的設計方式逐步取代傳統(tǒng)的手工設計方法,改進設計方法,提高設計效率和設計質量,使計算機應用成果盡快轉化為生產(chǎn)力,取得較大的經(jīng)濟效益和社會效益。船舶的設計和建造,涉及到船、機、電多個領域,經(jīng)歷合同前設計、初步設計、詳細設計、生產(chǎn)設計和建造等多個階段。CAD/CAM的應用研究內(nèi)容豐富,工作量大,二期工程的研究項目不能涉及所有領域和階段。選擇幾個重要的領域和階段,抓影響設計和建造周期的最薄弱環(huán)節(jié),以船舶設計為主線條,在幾個重點系統(tǒng)方面先取得突破?！队嬎銠C輔助造船集成系統(tǒng)》的主要研究內(nèi)容可分成四個部分,即船舶總體設計系統(tǒng)、船體結構設計系統(tǒng)、機電設計系統(tǒng)、造船CAD/CAM系統(tǒng)支撐環(huán)境研究。3.1船際設計規(guī)范和規(guī)范的主要類型這個系統(tǒng)可以在船舶設計各個階段中使用。它的研究目標是在圖形工作站和圖形支撐軟件的基礎上,進一步擴大和完善一期工程的研究成果,為船舶總體設計提供具有圖形交互功能的輔助設計工具。在二期工程階段,研究的主要船型是散貨、集裝箱船等。船舶設計規(guī)范是ZC和LR。根據(jù)船舶設計任務書中規(guī)定的要求,確定主尺度和船型系數(shù),通過船型交換的方法,產(chǎn)生符合船東要求的新船型,完成船舶總體設計過程中的型線設計,總布置設計和性能計算,提供船體說明書的中、英文標準文本。3.2全船構件設計步驟船體結構設計系統(tǒng)是在船東確定的規(guī)范及設計人員將線型初步確定的基礎上,以圖形交互設計手段進行構件的規(guī)范設計、校核及分析,定義出全船構件的三維模型,再進一步進行詳細設計,給出結構圖及分段圖,最后結合生產(chǎn)設計的要求,生成零件、加工文件,完成套料、劃線和切割信息。3.3機電工程系統(tǒng)機電設計系統(tǒng)是一個綜合處理全船船體、輪機、電氣信息的輔助設計系統(tǒng),它可以在船舶設計的各個階段中應用。3.4有利于提高開發(fā)效率目標是為CAD/CAM應用系統(tǒng)的開發(fā)提供一個平臺,使應用系統(tǒng)的開發(fā)人員可以在一個統(tǒng)一的、高起點的軟件環(huán)境中從事CAD/CAM系統(tǒng)的開發(fā)工作,為應用系統(tǒng)的開發(fā)提供一系列軟件工具,從而提高開發(fā)效率。3.4.1數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)系統(tǒng)從CAD/CAM系統(tǒng)的特點出發(fā),建立一個能方便地描述復雜數(shù)據(jù)結構的、統(tǒng)一管理圖形數(shù)據(jù)和非圖形數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)為應用程序的開發(fā)人員及最終用戶提供一個存貯、管理、操縱工程信息的工具。通過本系統(tǒng)能實現(xiàn)船、機、電各分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享,以及不同設計階段的數(shù)據(jù)共享;保證數(shù)據(jù)的獨立性和一致性;減少數(shù)據(jù)冗余;提高數(shù)據(jù)的安全性。3.4.2維圖形表達為應用系統(tǒng)的開發(fā)人員及最終用戶提供一個處理二維和三維圖形的軟件工具。二維圖形滿足造船應用中的繪圖要求,提供完善的二維圖形生成、編輯、顯示、交互修改、文件管理手段,以滿足各設計系統(tǒng)中圖紙繪制要求。三維圖形處理基本滿足船體結構、機電設備、管路、舾裝件等形體三維表示、交互布置及交互修改的要求。4機圖形工具中小船廠的計算機應用大都是考慮在微機上實現(xiàn)的,利用微機圖形工具AutoCAD,自行開發(fā)或者購買實用的船舶設計應用軟件,購置繪圖機、數(shù)字化板、掃描儀等硬件,配套成CAD小型系統(tǒng),在各個船廠發(fā)揮越來越重要的作用。4.1一些實用的微型計算機應用包4.1.1船舶線管理系統(tǒng)的設計該系統(tǒng)集母型船的型線變換、型線交互修改和繪制型線圖的功能。4.1.2基于數(shù)據(jù)庫的平面布置數(shù)據(jù)庫該軟件是一個以AutoCAD為基礎的專用軟件包,利用AutoCAD開放結構的各種成分進行開發(fā)的實用人機交互船舶艙室平面布置設計系統(tǒng),采取建立平面布置要素的圖形數(shù)據(jù)庫,圖形建立塊結構存放,構造實用菜單,使用戶能方便地在微機AutoCAD環(huán)境中,交互操作,最后生成艙室平面布置圖,并統(tǒng)計家具、設備、門窗,計算艙室面積。4.1.3零件生成和切割本系統(tǒng)具有線型光順、外板展開,結構定義生成,幾何語言描述零件生成,零件套料,數(shù)控切割代碼生成。在手段上采用交互光順和交互圖形套料,對輸入數(shù)據(jù)進行有效性和完整性檢查,切割指令動態(tài)模擬檢驗。4.1.4自動劃分管理子系統(tǒng)該程序以AutoCAD為圖形支撐,提供自動劃分管子零件、管路干涉檢查和管工藝性檢查、管子零件計算、零件圖和安裝圖輸出、區(qū)域管子質量質心、管子附件明細表打印等功能。4.1.5放線盤盤的設置該程序能交互進行設備布置,電纜通道的布置,電纜長度計算,緊固件、貫穿件尺寸計算,生成施工用電纜放線托盤表,緊固件托盤表,設備托盤表等。4.1.6輔助懸掛系統(tǒng)的布置，如鉤子和鉤子該程序由錨樣側面圖生成模塊,錨樣起落試驗圖生成模塊,錨鏈筒放樣子模塊,錨臺放樣子模塊等組成,輸出各種展開圖。4.1.7結構體系計算該系統(tǒng)主要包括:艙室劃分和定義、配載及浮態(tài)校核、裝載穩(wěn)性計算、自由液面修正、穩(wěn)性要素計算、極限質心計算、破艙穩(wěn)性計算及浮態(tài)計算、總強度計算、質量分布曲線、浮力分布及載荷分布計算、剪力分布及彎矩分布計算。4.1.8火焰道測試參數(shù)本程序系統(tǒng)的輸入部分主要輸入船板參數(shù)、幾何尺寸和初始形狀、加工參數(shù)和焰道布置參數(shù)、加熱參數(shù)、邊界條件、局部變形和整體變形的測試參數(shù)。計算部分處理船板加工的局部變形和整體變形數(shù)據(jù),包含咨詢、統(tǒng)計、修改、排序等功能,最后輸出圖形結果。4.2船舶軟件的轉變在微型機成為計算機硬件的主流產(chǎn)品的年代,國際上著名的軟件公司開始著手把原先在工作站運行的造船軟件轉向在微型計算機服務器網(wǎng)絡的應用軟件,從而使各中小船廠成為其客戶。因此,因內(nèi)的企業(yè)相繼引進了微機版的造船軟件,并學習消化進而在實際中應用,為船舶設計和制造的信息化處理起了一定的作用。5國內(nèi)計算機cap/com系統(tǒng)的研究及應用現(xiàn)狀在20世紀90年代中,除了CASIS-Ⅱ期、Ⅲ期工程的相繼研發(fā),各科研機構和企業(yè)紛紛致力于所引進的國外軟件適應性和實用拓展性的研究。同時,某些機構堅持國產(chǎn)造船軟件的開發(fā),堅持以市場需求為龍頭,逐步擴大在用戶界面、數(shù)據(jù)庫應用、三維立體建模、數(shù)據(jù)通用接口等方面的研究和探索。同時在軟件集成、國際標準的采用、信息網(wǎng)絡工程的建設方面進行有效的機理研究,為現(xiàn)階段我國造船業(yè)的計算機應用,起了推動作用和探明了方向。20世紀90年代后期,各企業(yè)和科研單位在引進國外船用軟件的基礎上,開發(fā)適合我國船廠實際生產(chǎn)設計的施工設計輔助軟件模塊或軟件包。相繼在各船廠和科研單位開發(fā)的有基于Tribon的船體、風管、電氣等專業(yè)的拓展開發(fā),三維圖形與二維施工圖紙的轉換處理,基于CADD5的生產(chǎn)設計應用,自主知識產(chǎn)權的三維建模,數(shù)據(jù)庫建設的研究工作,軟件產(chǎn)品的標準采標工作的探索,以及虛擬現(xiàn)實技術在造船產(chǎn)業(yè)中應用研究。在微機的CAP/COM系統(tǒng)開發(fā)工作中逐步形成了若干占前導地位的開發(fā)應用軟件的單位,在競爭互補的局面中,使我國造船軟件的發(fā)展處于順應國際潮流又適應我國特殊情況的發(fā)展架勢。隨著國家對科技創(chuàng)新的支持和鼓勵,部分大型企業(yè)和科研機構開展了造船CMS的研究和基礎性理論探索,對MRP技術,企業(yè)的管理信息化系統(tǒng)等分別進行了應用性的開發(fā)和研究。這些機理性和基礎性的探索工作為我國造船行業(yè)采用計算機集成制造信息系統(tǒng)奠定了基礎,從而為我國逐步使用有自主知識產(chǎn)權的造船軟件系統(tǒng)輔平道路。5.1該軟件于船舶制造中得到了兩次應用某工廠在引進的工作站CAD軟件的基礎上,開展了三維生產(chǎn)設計輔助系統(tǒng)的研究。5.1.1立體模型布置通過建立包含船體結構、機電設備、鐵舾件在內(nèi)的三維立體模型,按1∶1的比例進行布置,作為舾裝三維生產(chǎn)設計的工作背景,重點對管系和電纜的走向進行協(xié)調和優(yōu)化。5.1.2系統(tǒng)工作環(huán)境設置按照統(tǒng)一約定的產(chǎn)品裝配樹并行設計,以專用PART為基本組成單位,在相同區(qū)域內(nèi)將并行設計的所有專用PART合在一起,形成該區(qū)域的三維生產(chǎn)設計模型。專用PART分類和調用基本方法為:(1)船體結構按部件、分段、立體分段以及鐵舾件分別進行構模和子裝配,最終以總段構成工作背景投入裝配樹。(2)機電設備由單個模型按安裝位置調用,形成艙室布置模型構成工作背景,投入裝配樹。(3)管系按系統(tǒng)類別分別構模,形成專用PART,再以艙室為單位投入裝配樹,全船共計150個專用PART。(4)電纜按系統(tǒng)原理走向圖分別進行通道構模,進行子裝配后形成艙室區(qū)域模型,再投入裝配樹。專用PART分別規(guī)定在不同的圖層,參照《船舶管路和識別符號的油漆顏色(GB3033-82)》和《艦船色彩標準(HJB37-90)》配以不同的顏色,使之相互之間的空間關系表達清楚。在裝配樹中用結點表達專用PART之間的從屬關系,滿足干涉檢查、優(yōu)化調整和專業(yè)設計的需求。5.1.3生產(chǎn)設計階段船體、舾裝、電氣在專業(yè)工作界面約定后并行開展生產(chǎn)設計,并確保專用PART能被本區(qū)域設計人員正確和靈活地引用及裝配,最終合成區(qū)域三維綜合布置模型。5.1.4軟干涉現(xiàn)象設計干涉檢查是三維綜合布置不可逾越的設計步驟,從根本上講,消除模型實體之間的干涉點是三維綜合布置的基本要求,關系到生產(chǎn)設計是否符合船舶的實際狀態(tài)。干涉類型有兩種,一種是硬干涉,即模型實體之間物理形狀產(chǎn)生碰撞,俗稱“硬碰硬”。另一種是軟干涉,它表示模型實體之間不產(chǎn)生直接碰撞,但如何考慮模型實體的安裝、操作、維修、交通等因素產(chǎn)生的干涉,俗稱“軟碰軟”或“軟碰硬”。例如在船員床輔正上方布置一根管路,從空間上兩者無碰撞,但實際影響船員起居。再比如,管子布置影響設備、結構的門蓋開啟也屬于軟干涉的范圍。限于技術條件,在計算機上只處理硬干涉,對于軟干涉現(xiàn)象,通過對艙室模型渲染后的瀏覽,以人工判斷加以解決。以管系為例說明某產(chǎn)品的干涉檢查流程:(1)管系構模過程中及該系統(tǒng)模型形成后,有兩種干涉檢查(CHECKCLEarance和TCHECKINTdrferdnce)方式進行系統(tǒng)內(nèi)部檢查,可以報告管子(附件或閥件)之間的碰撞情況,包括干涉點類型、坐標、干涉距離、實體類型和位置、實體數(shù)據(jù)庫指針等,供設計人員查找、判別及修改。(2)合成三維