CM節點通用型測量裝置研發

羅萍萍，于 洋，魏 雷

（江南造船（集團）有限責任公司江南研究院，上海 201913）

0 引 言

一直以來，船體結構關鍵區域的建造精度備受研究人員的重視，對關鍵船體結構建造監控技術進行研究具有重要意義［1］。按認可的工藝對關鍵節點進行施工，保證計算所得結構在船舶運營中得以實現［2］，并對高應力區域等船體易損節點進行有效控制［3］。根據結構共同規范規定，結構設計評估（Structural Design Assessment，SDA）和疲勞設計評估（Fatigue Design Assessment，FDA）計算評定程序的分析結果和營運經驗確定的高應力和易受疲勞破壞的區域稱為“危險區域”“關鍵區域”或“關鍵位置”［4］。在船舶航行和裝載期間，其危險區域結構會產生很大的應力。船體結構的危險區域通常出現在多板交匯處，為保證船舶航行和裝載的安全性，危險區域的應力必須得到有效傳遞和釋放。根據船級社規范的要求，在設計船體結構時，需保證多板交匯處的理論線或中心線對齊（即相交于1 點），通常情況下保證中心線對齊，見圖1。在進行結構建造時，關鍵區域的結構節點必須得到嚴格有效的監控，該節點又稱為CM（Construction Monitoring）節點［5］。

圖1 中心線對齊示意圖

多板交匯處的結構對位公差若得不到有效控制，在船舶營運過程中極易引發結構開裂等嚴重后果。因此，船級社規范規定CM節點結構對位公差必須得到嚴格有效的監控，以保證船舶安全運營。

1 CM節點結構對位的重要性

在某船試航過程中，在開展壓載艙強度試驗時發現下座墩與內底板交界處“飆水”，在返航時發現內底板有細小的裂痕。經過測量和分析發現引發該問題的主要原因是上下結構錯位，產生了剪力，焊縫缺陷延伸到了內底板上，使其裂開。為解決該問題，對內底板進行了更換，對下座墩進行了重新裝配，耗費了大量人力和物力。

因此，在對船體結構進行設計和制造過程中，必須對CM節點進行有效測量和控制。

2 CM節點結構對位公差測量裝置的現狀

CM節點一般無法直接通過目測保證其對位，目前各船廠普遍采用CM卡板進行輔助測量。同時，隨著科技的發展，從理論上和精度上看，也可采用全站儀、三維激光掃描儀等儀器測量，但都存在一定的局限性。

2.1 專用卡板測量

專用卡板是根據被測量結構的尺寸和特點，按1∶1 的比例專門放樣做成的樣板，在結構端部可接觸的位置，直接通過控制樣板與結構之間的間隙控制結構的對位。在設計階段，需先根據節點的結構模型對測量卡板逐個建模，隨后采用6 mm鋁合金板將其精加工成可實際使用的卡板。有的單位為降低精加工成本，也采用木質卡板。

同一塊專用卡板既可用于進行焊前裝配，又可用于進行同一位置的焊后完工檢查。專用卡板需根據所要監控的節點定制化設計和制造，通用性較差，需求量較大，制作成本較高，現場存儲、查找和使用不便。

2.2 全站儀測量

在建造船體結構時，大尺度構件的尺度值普遍采用全站儀測量。CM 節點作為船體結構的一部分，其結構對位公差也可采用全站儀測量。首先，采用全站儀測量出設定測站點的三維坐標值；其次，將測得的數據反饋到三維設計模型中；最后，通過計算得出結構的對位公差。然而，全站儀測量法需在開闊、無遮擋的空間應用，適用范圍有限。另外，全站儀需至少2 人配合才能測出數據，單人難以操作。

2.3 三維激光掃描成像測量

三維激光掃描成像是一種產品設計技術再現過程，能快速地將實體結構重構成電子模型，并快速地分析出結構尺寸。同樣的，通過三維激光掃描成像也能很方便地得出結構對位公差。

三維激光掃描成像測量速度較快，但三維激光掃描儀的購置成本較高，一次性投入較大。

針對傳統CM節點測量卡板存在的通用性差，存儲和運輸困難，現場查找和使用不便等問題，結合船舶制造行業的特點，開展CM節點分析與歸類、關鍵測量要素提取與控制和通用型測量裝置研發等創新研究，研制一批CM節點對位公差通用型測量裝置，用其測量CM節點的結構對位公差更符合實際生產現狀。通過論證、試用和實際使用，最終將這些裝置推向實際工程中應用，將“專用型卡板”升級為“通用型裝置”，提高測量效率，降低測量成本，提升測量能力。

3 CM節點通用型測量裝置研發

3.1 CM節點分析與歸類研究

本文通過對某型船典型橫剖面圖上的1 770 個CM 節點進行分析，按區域、階段和類型將CM 節點分為16 類節點。有些結構看似相同，實則不同，因板厚和角度存在差異，采用傳統方法測量時，需針對不同的結構采用不同的卡板。通過該分類，尋找不同類型CM節點的相似特征，根據結構相似性對CM節點進行重新歸類，以便尋找相似的測量手段和表達方式。根據結構相似和測量方法相似2 個原則，將CM節點分為有自由邊十字接頭結構、無自由邊十字接頭結構和斜相交有自由邊十字接頭結構等3 類，見圖2。其中t1、t2和t3分別為3 塊板的板厚；θ1和θ2為上下兩個夾角。

圖2 3種接頭結構示意圖

3.2 通用型測量裝置研發

3.2.1 檢測方法研究

首先，明確每類結構的對位公差定義、公差范圍和采用的測量方法。圖3 為3 種接頭結構的測量方法示意圖，分別得出各自的對位公差a。

圖3 3種接頭結構的測量方法示意圖

3 類接頭結構的對位公差需同時滿足

3 種接頭結構的測量方法如下。

1）對于有自由邊十字接頭結構，有

2）對于無自由邊十字接頭結構，有

3）對于斜相交有自由邊十字接頭結構，有

3.2.2 主要控制要素分析

對測量控制要素進行提取，每種結構可用3 塊板的板厚t1、t2和t3，上下2 個夾角θ1和θ2，以及有無自由邊等6 個要素表示。在提取要素時，去掉一些為定值或不影響測量的要素，剩下的即為研發裝置時所要控制的要素。表1 為提取的控制要素，其中“√”表示該項為影響因素；“／”表示該項不是影響因素。

表1 提取的控制要素

3.2.3 通用型測量裝置研發

基于表1 所示控制要素，對通用型測量裝置進行研發。

3.2.3.1 斜相交十字接頭結構測量裝置研發

該類型測量裝置的研發思路如下：

1）利用有自由邊的特點，在左側測量，采用三點定位。

2）通過垂向定位尺消除水平板厚的影響并進行垂向支撐定位；通過角度尺消除上夾角的影響并進行水平向定位；通過斜向定位尺消除斜板厚度的影響；通過水平定位尺消除垂直板厚的影響。

此外，通過裝置本身的結構調節消除板厚和夾角的影響。通過測量尺直接讀出對位公差值。由此，成功研發出第一套通用型測量裝置，見圖4。

圖4 通用型測量裝置研發示意圖

針對斜相交有自由邊十字接頭結構，研發出3 套通用裝置。

3.2.3.2 有自由邊十字接頭結構測量裝置研發

針對有自由邊十字接頭結構，主要考慮下、上板板厚t1和t2的影響，研發出1 套通用裝置。

3.2.3.3 無自由邊十字接頭結構測量裝置研發

針對無自由邊十字接頭結構，只能在上側或下側測量，主要考慮上板t2和水平板t3的影響，研發出2 套通用裝置。

按上述研發思路，完成所有通用型測量裝置的研發，見圖5。

圖5 3種接頭結構的通用型測量裝置示意圖

4 通用型測量裝置實用性評估與鞏固

通過裝置本身的結構調節消除板厚和夾角等變量的影響，并進一步結合現場使用的便利性等因素進行實用性評估和優選，擇優推選出3 套裝置（見表2），保證每種節點都有與之對應的測量裝置，裝置編號與圖6一致。對裝置結構的尺寸進行詳細設計，保證具備裝置實際制造生產的條件。研究成果適用于所有在建船型，滿足CM節點的測量需求，推廣應用的前景廣闊。

表2 優選出的3 套通用型測量裝置

4.1 實用性評估

1）針對有自由邊十字接頭結構，研發出一套測量裝置。該裝置使用簡單，可直接讀出對位公差值，使用效果很好。為規范操作，制定該裝置的使用方法。

2）針對無自由邊十字接頭結構，研發出2 套測量裝置。由于該裝置使用簡單，下發數據簡便，現場測量不易產生偏差，將其作為優選裝置。為規范操作，也制定該裝置的使用方法。

3）針對斜相交有自由邊十字接頭結構，研發出3 套測量裝置。由于該裝置的測量原理簡單，現場測量方便，將其作為最優裝置。為規范操作，同樣制定該裝置的使用方法。

通過聯系生產廠家結合圖紙進行溝通，最終完成3 套最優測量裝置的制造，見圖6。這些裝置已在現場應用，測量的數據準確有效，得到了有關部門的一致認可，達到了現場試用的成熟度要求。

圖6 3種接頭結構的通用測量裝置實物

4.2 標準化與社會效益

4.2.1 標準化

為規范從設計到使用的整個測量流程，編制《CM 節點測量流程》作業指導書，包含CM 節點的形式、類型、測量原理和測量過程中的注意事項等。

為指導現場實際操作和提升現場測量流程的規范性，編制《通用裝置使用方法》作業指導書，詳細說明每個測量裝置的結構組成、材質、刻度范圍、精度、附圖說明和具體的實施方式，確保測量效率得到穩步提升。

4.2.2 社會效益

本文所述通用型測量裝置適用于所有船型的CM節點測量，能完全取代傳統的專用卡板，其受益群體包括船舶制造企業、船東和船級社。

通用型測量裝置的推廣應用將促使CM節點測量技術發生重大變革，順應“三化造船”的趨勢。

5 結 語

本文基于船廠對CM節點測量的實際需求和面臨的痛點問題，從設計源頭出發，創新性地提出了CM節點結構對位公差通用型測量裝置的概念，通過測量裝置研發到實物制造，實現了從設計到制造的落地，最終達到了現場試用的成熟度要求。

通用性測量裝置研發是一個“從無到有”，“從有到好”的過程，完全根據建造產品的實際特點自主研發、設計，提升了船廠在CM節點測量和控制方面的水平和能力，將“專用型卡板”升級為“通用型裝置”，助力了整個船舶行業的高質量發展。