摘要：本文旨在对数字化造船当中的一个重要课题和方，即如何在3D平台下完成建模和仿真，以致达成建造优化的研究和探讨。结合广东中远船务已建模型57KBC,35KBC,livestock牲畜船，已及如何利用先进的技术模拟手段，实现了船舶的仿真和工装设计，打造3D数字样船，实现了模拟搭载，优化方案，提高建造精度的目的。
关键词：3D建模 船舶仿真 模拟搭载，建造优化
About detail design of navigation and communication system for livestock vessel
xiaofulin
(Integration Administrate Section,COSCO(GUANGDONG)SHIPYARD CO.,LTD,Dongguan 523146,China )
Abstract：This article aims to the digital shipbuilding which is an important topic and parties, that is, how to complete the modeling and simulation in the 3D platform, resulting reached construction optimization study and explore. Combined model 57KBC Guangdong COSCO Shipyard 35KBC livestock livestock ship, and how to take advantage of advanced technology simulation tools, simulation and tooling design of the ship, like the ship to create 3D digital, analog equipped optimization, improve construction accuracy of purposes.
Keywords: 3D modeling, ship simulation, simulation equipped, construction and optimization.
一、导言
在现代造船中，设计面临新的挑战。由于船舶系统中零部件的复杂性和现代化总装生产模式决定了许多零件必须由船厂外的供应商生产。船舶生产是一项周期长、涉及面广的系统工程，从接定单、设计、制造到后期服务的整个过程中，都要求用统筹的方法进行规划，在船舶产品生产中的设计和建造阶段，合理的设计能极大地提高建造的效率和质量。
二、国内外技术发展现状与趋势
近年来，日、韩造船强国的数字造船开始起步。韩国三星重工正在开发的数字化造船系统汇集目前的造船经验和数字化信息技术，建立虚拟船厂，可在虚拟环境下模拟整个造船过程。
三、项目的产业化前景分析
近几年，随着我国造船工业及其经济迅猛发展，信息化不仅支撑了企业的设计、制造和管理等各个方面，并且正在深刻地影响和改变着我国造船工业的体系结构和造船模式，而数字仿真技术可以对船舶开发，设计，制造，管理和决策阶段进行全方位、全生命周期的最优控制，使造船业务获得最大的经济效益和社会效益；
具体体现在：
（1）能够在设计中进行模型干涉和评估，减少设计差错率；
（2）能够在数字模拟的环境中进行制作，装配，搭载等工序的模拟操作，提前发现问题进行调整，优化流程；
（3）通过模拟技术优化流程，节约了建造成本，缩短了建造周期，为公司承接新订单创造了空间；
数字仿真技术的应用，可以说对于船舶制造业来说是一个划时代的变革。
二、研究开发内容、方法、技术路线
（一）主要研究内容
本项目针对船舶设计建造过程中的生产设计3D建模，项目涉及船舶建造过程中零部件、组件建模转换（数字样船由其他CAD系统建模），接口软件开发，装配、物流规划仿真与优化技术研究应用等。
1、全船电子3D模型仿真建模转换研究
开展船舶三维设计的产品信息、工艺等信息和管理信息的数据重用技术研究。主要包括虚拟仿真统一数据表达技术，信息的提取、解析和重构技术等，打通船舶设计与设计评估仿真、工艺仿真以及物流仿真的数据流与信息流；
2、船舶生产设计虚拟评估技术研究
突破海量数据可视化、高效实时干涉检测、操作空间可行性分析等技术，实现船舶生产设计结果在虚拟环境下的可视化综合平衡；
3、船舶装配工艺虚拟仿真技术研究
重点突破人机交互式装配操作技术、基于装配工艺的装配过程自动生成技术等，实现船舶建造过程快速仿真与优化；
4、船舶建造物流仿真技术研究
重点开展总组搭载物流仿真数学模型构建和智能优化算法等技术研究，实现对建造资源能力评估和作业计划合理性验证。
5、全船3D设计仿真建模标准和数据库研究；
建模标准研究，包括建模范围及结构、制造过程仿真信息提取等；数据库的分析与设计。实现功能包括仿真模型库、设计文档的管理和控制、船舶产品结构管理、工程更改的管理、工作流程设计及管理等。
6、3D数字造船仿真及管理平台开发
3D数字造船仿真及管理的程序开发，实现虚拟制造，并与CAD系统集成形成软件平台（本项目阶段软件将实现初级及“人机交互”的装配过程干涉检查），系统功能还将对企业内外部资源与过程进行全面管理与控制，以实现企业内外部管理的最优化，提高企业的管理水平。
7、工序定额计划工时集成管理研究
结合优化后的3D模拟建造工序核算出各工序定额计划工时，将工时定额信息与设计信息、工艺信息集成在一起，并且与目前实际建造各工序定额计划工时进行比较，分析数字化虚拟建造在减低工时成本方面的成效。
（二）采用的方法、技术路线以及工艺流程
1、本项目系统软件流程：数字样船建模（原CAD系统）→（新开发系统）船舶建造过程中零部件、组件建模转换→装配、物流规划仿真与优化→安全要素分析→输出决策方案。
2、为了整合企业现有技术及设计成果资源，以企业原CAD系统的数字样船建模为基础，在新开发系统上集成零部件、组件建模转换接口软件，使企业原建模成果能在新开发的平台上获得应用；为实现仿真目标，将建立健全即标准化场地、零部件、组件等关键资源的属性及编码体系。
3、设计统一基础平台和应用平台。为充分考虑各个部门的业务需要，保证数据的共享和功能互操作，又具备良好的可维护性和扩展性，本系统采用统一的基础平台，包括操作系统、数据库、信息系统平台和应用平台。采用统一平台，可避免不必要的系统间数据的转换、功能的接口、以及系统升级扩展时大量的维护工作量，保证系统的一致性和稳定性。
采用面向对象的软件设计思想。在软件开发技术中，面向对象的软件开发技术成为当今主流。本项目平台的建设与开发将采用面向对象的软件工程方法。
4、实现不同阶段装配方案优化的理论和方法。对于下述阶段的工艺流程：
典型分段建造流程、分段总组方案、分段/总组搭载；
上建整体吊装施工。
如在分段制造场地的规划问题上就有下述问题需要细化：分段在堆场制造还是在船台制造、场地安排方式、分段开工时间、分段分类，制造胎架及分段排列方向等。为实现壳舾涂一体化，必须按作业类型对场地进行划分，将船体作业、舾装作业和涂装作业融合于同一组织的工场。其基础是按作业划分场所，即以中间产品为导向进行作业现状的划分。为此可划分为：加工场地、小(中)组立场地、分段大组立场地、分段舾装场地、分段涂装场地和分段总组立场地。
在是否计入嵌入脚手架及脚手架施工流程来讨论方案优化目标函数，其思路及问题复杂度是完全不同的。解决问题的初级阶段拟采用半经验、半理论的模式探讨。
5、本项目将对大型钢结构件安全事故机理进行研究，并安全要素进行分析和仿真，寻求安全高效的施工方案。作为初级研究，软件仿真至少提示力学安全要素问题，以警示决策人员安排核算制造过程的工艺力学问题。达到提供安全施工途径并减少野蛮施工的目的。
（四）项目的特色和创新之处
整合企业现有生产设计资源，通过虚拟仿真，提高包括安全在内的生产效率是本项目的特色。
创新点如下：
1、以企业现有设计平台产生“数字样船”的“建模”为基础，自主开发包括安全因素分析的造船虚拟仿真平台；
2、基于以上平台，对生产工艺规划建立评判模型，对工艺方案规划结果进行模糊综合评判。针对企业的实际情况，考虑施工工艺合理性、保证制造过程安全、作业量的均衡性等的分段建造及装配搭载过程优化。
（五）项目达到的技术、经济指标及社会、经济效益
推动造船数字化进程，实现造船精细化管理，主要体现在
1、全船建模完整性>95%；
2、后续同类型船舶的设计工作量减少25%以上；
3、通过制造工程模拟，对重点施工流程和关键施工点进行数字化和精细化控制，优化工序流程，提高工作效率20%，提供安全施工途径并减少野蛮施工；
4、通过核算各工序定额计划工时，集成工时定额信息与设计信息、工艺信息并进行优化，工时成本下降15%。
三、生产设计经验与能力（附实例）
广东中远船务采用韩国生产设计模式，并在此基础上增加了一些单元模块化设计，充分体现了“船体是基本，舾装是关键”和“壳舾涂”一体化的先进造船理念，具备一年完成两型新船和三个大型改装船的生产设计能力。目前已先后完成5.7 万吨、3.5 万吨散货船、livestock牲畜船、PSV和Barge等海工项目，以及多型改装船的生产设计。下图是5.7万吨散货船生产设计图纸图例。
施工设计能力
四、三维设计现状和仿真研究
为更好的实现工厂化和用户化，广东船务结合工区和专业室的要求，对该软件进行了二次开发。现已完成“平面型材自动套料软件”；“船舶管系及风管支架敷设程序”；完成了“自动弯管机接口程序”的开发；“管加工区电算化集配程序”的开发，“管系设计报表（PML）自动生成程序”；“铁舾制作图材料明细自动生成程序”；“铁舾托盘（PML）上传CIMS 自动生成程序”；“电气焊接件制作图材料明细自动生成程序”；“套料草图上自动生成零件名表程序”； “分段套料零件查找及校对程序”；“数控设备喷码信息生成程序”；“型材下料草图添加加工、组立、套料位置数据”；“组立后分段重量重心生成”；“二次划线图增加纵骨角度”；“胎架图增加板缝交点高度”等健全图纸和报表的软件。具体实例见下图。
五、综合放样情况（附实例）
机舱管系放样及制作实例如下图所示。
截止目前，广东船务造船建模率，船体100%，舾装99.5%
1），船体：
船体室在固化57K及35K船的分段永久加强的基础上，在N392项目上进一步提高分段大组及总组用临时加强建模比率，用分段余料统一套料，目前已达到了99%；主要采取了以下措施：与工法室密切配合，列出全船分段临时加强及永久加强明细，并按区域进行划分，统一套料，套料清单向工区发放、交底。
2），轮机：
通过建模需求按区域及分工不同划分为机装管系、外区管系和铁舾三部分，根据其主要负责区域的设备及管系进行建模。各个区域建模情况由其组长根据每周实际情况进行计划、调配和跟踪，以达到舾装建模率的要求。
3），舾装：舾装室在固化57K及35K船的铁舾建模比率的基础上，在N392项目上进一步提高了建模比率，目前已达到了100%；主要采取了以下措施：详细地列出全船的舾装件明细，并按区域进行划分，逐项落实到责任人，同时也列入到日常工作计划中，每周进行检查跟踪落实，确保舾装建模率的完成；同样，T/B及PSV项目也将采用以上措施，保证舾装的建模率。
4），电气：
目前在建的两型船上我们的项目建模率达到了100%,达到集团要求。
对于新船型，电装在设计初期根据船舶或者项目的实际情况，收集全船电气设备，分区域，分系统列出建模项目，并填写建模计划表，随着设计的进展，逐步细化，最终细化到每件设备及每件支架，建模项目的细化能够确保我们的建模率达到100%目标值。
六、 模拟搭载仿真建造实施
广东中远船务已经建立了比较完善的精度管理体系，从钢材切割到船台合拢均制定了精度控制方案，编制精度测量图，在现场施工中进行严格的自检和专检，对存在的差异进行分析并及时修正，对后续产品提出完善建议。目前已经交付以及正在下水的几条散货船，全船188 个分段除三个特殊分段外，其余全部无余量船台合拢，修割率17.5％。
下图为分段检验测量表实例。
通过模拟建造优化之后，出吊装图（下图）：
七，结语：
至此，广东中远船务工程有限公司已经利用先进的技术模拟手段，实现了几型船的仿真设计，打造了57KBC,35KBC,livestock牲畜船，PSV等高性能船舶的3D数字样船，实现了模拟搭载，优化方案，提高建造精度的目的。
参考文献：
[1]船舶产品设计虚拟评估系统研究及工程应用，2009.5，中国造船工程学会计算机应用学术委员会2009年CAD/CAM学术交流会议论文集,第35页合著
[2]我国数字化造船技术的现状和展望，2008.9
[3]《数字军工》期刊2008年9月，2008年第9期，总第15期，第12页，独著
[4]船舶制造三维设计系统SB3DS的开发和应用，2008．12，《舰船科学技术》期刊，2008年12月，第30卷第6期，第5页，合著
[5]虚拟仿真技术在船舶建造过程中的应用概述，2008.4，中国造船工程学会计算机应用学术委员会 2008年MIS/S&A学术交流会议论文集,第58页，合著
论文作者:肖付林
论文发表刊物:《基层建设》2017年第27期
论文发表时间:2017/12/28
标签：建模论文; 船舶论文; 项目论文; 套料论文; 工时论文; 技术论文; 作业论文; 《基层建设》2017年第27期论文;