集裝箱船建造中的數字化模擬試箱技術應用

楊振，高正杰2，湯赟劍

(1.上海外高橋造船有限公司 工藝研究所， 上海 200137；2.江蘇科技大學 環境與化學工程學院，江蘇 鎮江 212003)

集裝箱船建造過程中，由于集裝箱箱位尺寸精度直接影響后續貨物的裝載數目及裝載安全，故而是船東必檢項目[1-2]。該項工作通常是在船塢或者碼頭開展系統實驗，在傳統集裝箱船建造流程中，試箱試驗依賴實體集裝箱開展，利用船塢或者碼頭的吊車逐個箱位吊裝集裝箱，驗證每個箱位的安裝誤差，確保集裝箱能夠順利裝箱、落箱[3-4]。傳統的試箱方案存在很多缺點：①試箱周期較長，極大地占用了船塢和碼頭的資源。以9 400 TEU集裝箱船為例，試箱時船廠需使用集裝箱對各擺放集裝箱的船體位置進行逐一驗收，單這一流程就需要30多天的工期;②試箱成本高昂，不利于船企降本增效。由于在試箱過程中，需要占用船塢、碼頭等船企核心資產，需要相應的吊車進行配合，還需要購置、制造專用的試箱工作等，平均每天的成本要達到10萬元以上；③由于船舶建造過程中是立體交叉作業，在試箱的同時其他工作并不能全部停工，存在作業風險，不利于安全存在。因采用的測量工具和分析手段不同，一般把基于全站儀測量分析的模式稱之為數字化試箱；將基于掃描儀的測量分析模擬稱之為模擬仿真試箱。

1 集裝箱試箱相關標準

1.1 試箱報驗標準

1)在實際試箱過程中，標箱能從導軌中順利下滑并落到箱錐上。

2)集裝箱上口四角與導軌工作面間距檢查時，單邊縱向間距要求為17.5±6 mm，橫向間隙要求為11±5 mm；由于集裝箱箱腳并不是完全與底錐接觸，集裝箱放置在箱位中可能會有一定的前后左右偏移，所以試箱過程中會考慮雙邊間隙，縱向雙邊間隙和為35±12 mm，橫向雙邊間隙之和為22±10 mm。

3)保證箱角位置3個角接觸，另外一個點間隙值控制在3 mm以內。

4)箱角對角線偏差，20 ft集裝箱對角線偏差≤6 mm，40 ft集裝箱對角線偏差≤8 mm。

1.2 試箱相關船體、舾裝結構標準

1)隔艙。中心線偏差±3 mm；導軌與頂板的角尺度±5 mm；橫縱向艙容控制±5 mm。

2)導軌。導軌本體厚度±2 mm；安裝直線度±2 mm；導軌間距±2 mm。

3)箱腳。墊板水平控制≤2.5 mm；箱錐間距控制±2 mm。

2 模擬試箱

2.1 數字化試箱

2.1.1 數據采集

在船塢階段，所有導軌安裝完畢后以及對應艙室的結構焊接完成后，以船體中心線作為船寬方向基準，隔艙100M.K線作為船長方向基準。把全站儀放置在艙室中間對所測艙室的每根導軌進行數據采集，最終以點數據還原整個艙室。

為了提高測量以及還原實際狀態的準確性，需注意點如下：測量層數至少3層，以便盡可能準確反映導軌的狀態；事先在組立階段張貼好反射片，利用反射片全站儀測量精度更高；控制全站儀轉站次數在4次以內，全站儀轉站次數越少，累積偏差越小。

2.1.2 分析計算

數據采集完成后對箱角水平及導軌前后/左右距離進行計算，并與理論的間隙值進行比較，如果有超差的要求現場及時修正，并向船東提交最終狀態報表，見圖1。

圖1 向船東提交的試箱數據報表示例

通過計算判斷實際試箱是否卡箱。見圖2。

圖2 實體箱與現場測量數據示例

實際間隙值(橫向)=導軌橫向實際值(AD)-實際箱體值(ad)；

實際間隙值(縱向)=導軌縱向實際值(AB)-實際箱體值(ab)。

如果計算值為正值說明不卡箱，如果計算值為負值，說明卡箱。

數字化試箱方案本質上仍然是基于測量的點數據進行點對點數學計算的分析模式，無法實現對整個集裝箱船貨艙的精確仿真建模分析。

2.2 模擬仿真試箱

2.2.1 現場掃描

利用激光掃描儀對集裝箱船貨艙進行掃描，通過掃描還原船體實際狀態，基于逆向工程軟件，對現場得到的掃描模型進行逆向建模，得到集裝箱貨艙的實體模型，見圖3。

圖3 逆向建模示例

2.2.2 分析內容

利用逆向建模后的模型判斷集裝箱船貨艙導軌前后左右間距以及與箱角的相對關系，主要包括集裝箱船導軌前后、左右間距以及對角線長度，見圖4，然后根據其間距關系和對角線長度判定試箱的狀態。

圖4 集裝箱船艙容分析內容

1)艙寬度、長度分析。對逆向建模得到的模型按照一定的間距進行切片分析，自動生成該切片監測點坐標和偏差值，并自動生成精度報表。

2)貨艙箱角尺寸及水平分析。對逆向建模得到的模型與理論數據進行比對分析，生成貨艙箱角定位數據和貨艙箱角水平數據，并自動生成報表。

3)動態仿真。通過對掃描測量的集裝箱船貨艙進行1∶1逆向建模，生產實體模型后，利用動力學仿真技術，對集裝箱試箱整個過程進行動力學仿真分析，再現整個試箱過程并真實反映現場集裝箱船貨艙建造狀態，見圖5。

圖5 基于動力學的試箱實驗分析

4)結果報告。依據向船東報驗的項目，整理生成集裝箱船艙容檢測報告。檢測報告應反映影響集裝箱船裝箱的主要因素精度水平，如導軌間距、箱角水平、箱角定位數據等。

3 3種試箱模式對比

3種試箱模式均有優缺點。數字化試箱和模擬試箱解決了傳統試箱模式占用資源多、試箱周期長、安全隱患多的問題，但兩種數字化的試箱模式也相對的增加了測量和分析工作量，對人員素質有較高要求。詳見表1。

表1 三種試箱模式優缺點對比

以本公司建造的20 000 TEU超大型集裝箱船為例，3種試箱模式效率對比見表2。

表2 3種試箱模式效率對比

從表2可見，基于掃描儀的模擬試箱方式可以大幅縮減整個測量分析的周期，大幅降低了對船廠資源的占用，效費比較高。隨著掃描測量技術以及模擬仿真技術的成熟，基于掃描儀的模擬仿真試箱模式具有無可替代的優越性，這也是后續的發展方向。

4 結論

基于掃描儀的模擬仿真試箱技術在試驗效率、經濟性、安全性等方面具有不可替代的優越性。降低成本、提升效率是企業提升盈利能力的重要手段，基于掃描儀的模擬仿真試箱技術將成為后續船企的發展方向和必然選擇。