詳細設計階段鋼結構質量預估

禹 仲， 李佳娜， 張金亮， 李茜茹

(中船重工船舶設計研究中心有限公司， 遼寧 大連116001)

0 引 言

對于各大船廠和船舶設計公司來說，獲得造船訂單并保證優秀的船型技術指標的如期實現，既是立足之本，也是發展之道。迫切的發展需求與造船行業較為粗放的設計生產現狀之間的矛盾日益顯現。隨著船舶所有人對各類技術指標參數實現要求越發嚴格，船舶產品很多重要的技術指標都面臨著考驗，在這一系列的指標中尤以空船質量最為明顯。通過詳細設計階段鋼結構質量預估，可控制船體鋼結構質量，確保滿足技術指標要求，節約成本，提高效率。

1 船體鋼結構質量預估的技術要求與解決方法

1.1 詳細設計階段船體鋼結構質量預估要求

當前詳細設計階段船體鋼結構質量預估面臨精度與效率的雙重要求。明確的精度標準是預估數據與實際建造結果的誤差在3%以內。精度與效率存在對立矛盾，提高預估精度，就需要加大整體工作的細化程度，而細化程度的提高則勢必增加工作量，降低效率。

為解決上述矛盾，對詳細設計階段船體鋼結構質量預估提出以下要求：

第一，找到目標精度與工作時間的平衡點。

第二，針對相應的平衡點設計出合理的預估流程。

第三，優化流程，盡量通過計算機程序來自動承擔模型細化所帶來的工作量，以此來減輕設計人員的勞動，提高生產力和生產效率。

船舶建造各個階段的時間比例如圖1所示。

圖1 船舶建造各個階段的時間比例

1.2 船體鋼結構預估精度與效率矛盾解決方法

本文提出的船體鋼結構預估方法的基本操作流程如圖2所示。

圖2 船體鋼結構預估方法基本操作流程圖

(1) 匯集指定船型的基本數據、合同文件、總布置圖等，明確質量控制目標。

(2) 分析相關專業提供的詳細設計圖紙和基本設計信息。

(3) 對CAD進行二次開發改進結構數據提取方式，使其適于提供滿足相關軟件的質量計算功能所需的構件尺寸位置等幾何數據；通過三維輔助軟件獲得滿足相關質量計算功能的特殊幾何結構的相關參數。

(4) 將數據在相關軟件中轉化成計算模型。

(5) 利用相關軟件的質量計算功能計算質量，得出初步數據。

(6) 分析數據，通過類比和細化進一步得到滿足精度的數據。

2 模型生成和質量計算中的數據提取交換方法

2.1 NAPA軟件和NAPA Steel模塊

NAPA是源自芬蘭的船舶設計軟件。該軟件內容強大，覆蓋船舶與海洋工程的前期開發、詳細設計、生產設計、有限元分析和完工交船等環節，NAPA Steel為其結構設計子模塊。

NAPA Steel模型建立和使用的基本流程：

(1) 前期準備，從船型開發部門獲得NAPA總體設計模塊中定義的基本船體信息。

(2) 在程序環境中定義坐標系、肋位標尺、縱骨間距標尺。

(3) 通過NAPA總體設計模塊獲得包括外板在內的基本輪廓面。

(4) 根據實際的結構圖將船體劃分為相應的部分，建立模型樹狀表。

(5) 根據實際結構圖結合已有的輪廓面按照相應的語法規則創建NAPA Steel模型所用的基礎單元Main Object等。

(6) 在已有的基礎單元上添加骨材和板縫開口等根據規則需要附屬的特性。

(7) 處理橫縱連接的結構和特殊結構。

(8) 進入分析流程。

建立NAPA Steel模型的過程實際上就是數字化的過程，也是將結構圖紙上的設計信息向分析軟件翻譯的過程。識讀和翻譯的目的是將AutoCAD圖形文件所表達的AutoCAD設計語言和數據轉化成NAPA Steel計算軟件可識別的NAPA Steel語言和數據。這是整個分析的基礎，也是所有工作的起點。

2.2 模型生成和質量計算中數據提取交換的方法

一個CAD圖形文件不僅包含了直線、曲線等圖形，同時也包含了圖層、線型等輔助表達屬性的元素，更包含了功能元素用以提供一系列實用工具方法。這些元素被統稱為“對象”，所有“對象”共同組成一個完整的AutoCAD文件。AutoCAD-VBA開發的數據采集對象是指：對于建立NAPA Steel模型有幫助的圖元的幾何參數，比如起始點和終止點坐標、長度、角度等。這些數據存儲于圖元數據類型對應的屬性中，提取數據就要讀取圖元數據類型對應的屬性名稱下的數值。以直線為例，該直線在CAD中的起點坐標為原點(0,0,0),終止點為(100,100,100),在VAB環境中調出該直線的屬性列表如圖3所示。

圖3 VBA讀取直線的屬性列表

3 實例數據分析和拓展應用

以在建的某型載重量206 000 t散貨船結構質量預估計算為例，通過206 000 t散貨船結構數據輸入→建?！嬎恪敵鲞^程的演示和后續的數據處理分析逐步說明以下問題：

(1) 以NAPA Steel軟件為基礎，整合CAD-VBA二次開發技術，通過高效的數據采集與分類計算，達到同時滿足船體鋼結構質量統計準確性和高效性的質量重心計算方法，在后文中簡稱“NST-CAD預估法”,將其統計結果與生產設計統計結果進行數據比對，證明NST-CAD預估法的準確性。

(2) 在滿足準確性的基礎上，通過進行NST-CAD預估法建模計算時間與人工Excel表格統計計算時間的對比，以及后續出現修改時二者的耗時對比，證明NST-CAD預估法的快速性。

3.1 NAPA Steel 數據輸入

NAPA Steel輸入數據主要分為貨艙區、艏部、機艙、艉部等4部分，以這4部分為分集合，需要將集合內的所有板結構依照位置命名，根據空間結構定義為Main Object類型下的各類對象，并將對象附屬的板厚、開孔、骨材等其他信息填入相應的表格。整船的構件數據輸入完成后，即可得到該船體結構的NAPA Steel計算模型。

相關數據輸入后船體模型在3D下顯示如圖4所示。

圖4 主船體模型圖

3.2 NAPA Steel 輸出數據基本分析

在模型建成后，經過運算獲得1組與模型相關的質量重心數據，數據的具體數值因建模的精細程度不同而存在一定差異，但在保證計算流程正確的情況下，其反映的數值趨勢是不變的，隨著模型的不斷細化，其結果值收斂于確定的一點，這一點就是所預估鋼結構的真實質量。下面通過基本的數據分析方法，從不同角度描述本船的數值特點。

(1) 船體結構各分集合的總質量和板材質量、骨材質量所占的基本比例如表1和圖5所示。

表1 船體結構質量分布表

圖5 鋼結構質量分布圖

(2) 貨艙質量詳細分析。由(1)中數據可以看出，貨艙區的質量占整船鋼結構質量的80%以上，如此大的比例決定了貨艙區結構建模的重要程度。根據具體分析需要或通過軟件的相應統計功能進一步輸出貨艙區的子結構在貨艙區集合中所占的比例，從而更詳實地顯示其數值的組成。

圖6 貨艙區鋼結構質量分布圖

從圖6不難看出，外板結構和雙層底結構所占比例最大，分別占貨艙區域總質量的20%以上，主甲板和橫艙壁區域分別占15%左右，這4項所占比例超過70%。

3.3 NST-CAD預估法計算結果準確性對比

在得到生產設計統計的船體鋼結構質量后，相關設計人員實際擁有通過不同方式獲得的2類質量數據，即代表詳細設計階段預估精度的“NST-CAD法質量數據”和代表標準質量的“生產設計質量數據”。通過二者的數據對比，討論預估結果的準確性如表2所示。

表2 NST-CAD預估法與生產設計統計質量的數據對比

通過上述數據對比，NST-CAD預估法計算數值與生產設計統計數據之間的質量差比為1.65%，重心差比分別為船長x方向0.91%，高度z方向0.55%，船中y方向忽略不計，達到本文提出的“預估質量數據與實際質量數據的差比在3%以內，預估船長方向重心與實際的重心數據差比在2%的范圍以內，預估高度方向重心與實際的重心數據差比在2%的范圍以內，預估船寬方向重心與實際的重心數據基本無差別”的目標。

3.4 NST-CAD預估法計算結果的快速性對比分析

當前較為普遍的針對詳細設計末期的質量預估方法是通過人工逐項將CAD圖紙中的構件錄入Excel表格中統計計算。下面將這類人工統計方法與NST-CAD預估法進行對比。

CAD圖紙中所表示的結構構件可以近似為30 524個統計單元，這些統計單元分為板材和骨材2類。4個區域統計單元所占的比例如圖7所示。

圖7 統計構件分布比例圖

圖8表明二者之間的工時消耗比，其中Excel表格計算(不考慮修改)約需930個工時，而NST-CAD預估法只需280個工時，只占前者的30%。值得注意的是在艏部、機艙等結構復雜、板塊較為瑣碎的區域，NST-CAD預估法借助軟件的分類處理優勢，可有效地將耗時控制在接近Excel表格計算方法耗時的1/5水平，充分說明其提高效率的作用。

圖8 工時消耗比例圖

通過上面的假設可以得出以下結論:第一，在工時消耗方面，NST-CAD預估法與Excel表格計算法相比有著明顯的優勢；第二，在出現結構修改乃至多次結構修改時，NST-CAD預估法的工時消耗水平始終可以保持低位，且呈不斷降低的趨勢，而Excel表格計算由于考慮到各類復雜因素所以趨勢不定。2種方法的工時消耗比例變化趨勢圖如圖9所示。

圖9 工時消耗比例變化走勢圖

3.5 NST-CAD預估法計算結果數據應用價值分析

在獲得較為準確的NST-CAD預估法計算結果后，數據的主要應用價值有2點：第一，在詳細設計階段預估鋼結構質量重心數據，輔助詳細設計和修改。第二，進一步得到各個分項的統計數據，在此基礎上通過細化分析得出各個部位隨板厚增加和骨材尺寸變化而引起的質量增量，從多個角度反映影響質量變化的實質原因。

在實際質量估算中，估算數據與真實數據存在一定差異。大量的近似計算成為影響預估結果的重要因素，在沒有數據對比的情況下，所謂的近似計算并沒有實際的標準，只有與實際的質量重心對比才能通過差值統一反映出優劣。由于構件以板材為單位，板材上包含骨材，分別討論在3種極端情況下板材、骨材的尺寸變化用以反映每1個結構區位的參數變動對整個計算結果的影響。表3列出貨艙區不同部位主要構件的板厚變化和骨材尺寸變化對整體質量的變化影響，通過分析可以說明以下幾個問題：

第一，研究板厚增加1mm質量的增加比例。從比例上看,橫艙壁內縱實肋板的質量變化最顯著，占原始質量的7.56%，而主甲板質量變化最小，變化了2.53%。變化百分比越高，說明此處板厚增加對質量的影響越明顯。實際增加數值則以“橫艙壁”結構的106.3t為最高，說明如果平均增加板厚，則橫艙壁對整船質量變化影響最大。

第二，在得到上述數據后，對比生產設計提供的標準數據，通過差值質量的換算，可知結構預估計算的準確程度。精度如何通過平均板厚或骨材尺寸變化抵消，這樣的經驗對日后的修改和新的工程的近似替代計算有指導意義。

第三，除了鋼結構質量計算，在實際的工作中，常常會遇到其他的質量預估問題，比如在做傾斜試驗時，貨艙的底部存在污泥或污水、甲板上有灰塵等，這些都可以利用上述表格作近似估算。如：在明確雙層底甲板板厚增加1mm質量的增加值后，只要測量雙層底甲板的污泥厚度，對比二者密度，就可以換算出污泥的大概質量。

表3 構件變化對質量的影響

4 結 論

通過本文的研究得出如下重要結論：

(1) 在整個船體鋼結構質量預估計算中，貨艙區結構所占比例最大：在貨艙區結構質量分布中，外板和雙層底占比例最大。從板材和骨材的角度來說，板材質量占比例最大，所以在整個預估過程中，外板平均板厚的變化對結構質量影響最明顯。在設計中合理地控制鋼結構的板厚，特別是外板的厚度對優化船體鋼結構質量控制意義重大。

(2) NST-CAD預估法所提出的將結構質量預估與詳細設計圖紙在數據層面交互的方法能夠有效地保證預估精度，能夠明顯地提高預估效率，能夠為后續二次乃至多次修改提供極大的便利。

(3) NST-CAD預估法所提供的模型能夠強有力地與結構專業乃至其他專業保持緊密的聯系，通過質量預估搭建1個平臺，在這個平臺上可以研究質量的變化，可以交互修改結構，可以出結構圖，可以進行強度、疲勞、振動等有限元計算，使質量預估工作成為整個船舶詳細設計階段的1個核心節點，承上啟下。

最后，本文論述的基于詳細設計的鋼結構質量中心預估方法的研究意義并不僅僅是對于理想結果的追求，同時也是對于詳細設計階段結構數據衍化的一種探索。隨著船舶詳細設計領域的不斷發展，隨著對結構設計理解的不斷加深，一體化的設計理念將得到進一步的實踐印證和技術支撐。相信在不久的將來，從事詳細設計的工程師們可以優化設計階段各類分工，消除各種軟件的技術隔閡，讓結構詳細設計的內容并不單純停留在AutoCAD圖紙上，而成為一種流動的數據有機體，順暢地在船型開發軟件、繪圖軟件、規范校核軟件、性能計算軟件和有限元分析軟件間流動和完善。