面向多廠建造的船舶結構柔性設計研究

摘" " 要：提升船舶研制效率是每一個船舶企業密切關注的問題之一，“一家設計所設計、多家造船廠建造”（即“一所多廠”）模式能夠顯著提升船舶交付速度。為更好地解決“一所多廠”模式下不同船廠之間存在的差異，本文介紹了面向建造的設計原則，提出了面向多廠建造的船體結構柔性設計方法，并以船體結構分段劃分的柔性設計為例，對面向多廠建造的船體結構柔性設計進行了詳細闡述，為“一所多廠”模式下船舶結構設計提供一種思路。

關鍵詞：柔性設計；船體結構；建造；可生產性

中圖分類號：U664.4" " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標志碼：A

Research on Flexible Design of Ship Structures for

Multi-Factory Construction

YAN Xiaoshun，" MEI Guohui，" ZHOU Xintao

（ China Ship Development and Design Center，" Wuhan 430064 ）

Abstract： Improving the efficiency of ship development is one of the issues that every shipbuilding enterprise closely pays attention to. Such mode of \"one design institute designs for multiple shipyards building\" （i.e. \"one institute for multiple factories\"） can significantly improve the delivery speed of ships. In order to better address the differences between different shipyards under the mode of \"one institute for multiple factories\"， this article introduces the design principles for construction， proposes a flexible design method for ship structure for multi-factory construction， and takes the flexible design of ship structure segmentation as an example to elaborate on the flexible design of ship structure for multi-factory construction， providing a train of thought for ship structure design under the mode of \"one institute for multiple factories\".

Key words： flexible design;" hull structure;" construction;" producibility

1" " "引言

我國是造船大國，正在成為造船強國。在此過程中，提高船舶研制效率是船舶企業考慮的重中之重。在設計中盡可能考慮造船廠生產建造的約束，能夠減少施工建造中的返工，因此，面向建造的設計是縮短船舶研制周期的重要方法之一。在當前一些船舶研制模式中，為減小施工建造的返工，設計單位在船舶設計階段就邀請造船廠有經驗的人員提前介入，作為專家對設計結果反饋意見，設計師再根據意見進行設計調整。這種協同設計模式將后期建造階段會出現的問題提前在設計階段暴露，避免了問題的放大效應，一定程度降低了成本，縮短了研制周期[1-3]。

然而，這種協同模式的問題反饋和協調機制基本可歸結為“設計結果-發現問題-設計調整”的串行模式，依然屬于問題導向型設計，船舶研制效率仍有提升空間。與此同時，當采用“一家設計所設計、多家造船廠建造”（即“一所多廠”）模式進行船舶研制時，不同造船廠的建造能力、建造方式、建造經驗等客觀條件可能存在不可調和的矛盾，就容易導致串行模式失效，這就需要對面向制造的設計進行進一步的研究，即對面向建造的柔性設計研究。不少學者在車輛、航空航天等領域對面向制造的設計進行了諸多的研究[4-6]，但船舶結構領域面向制造的設計模式鮮有報道。

針對上述問題，本文首先對面向建造的設計原則進行整理，從而為“問題導向型設計”向“知識導向型設計”轉變提供基礎。然后對“一所多廠”的研制解決方案等進行分析，提出面向多廠建造的船舶結構柔性設計方法，并通過具體實例進行詳細闡述。

2" " "面向多廠建造的柔性設計研究

2.1" "面向建造的設計原則

在船舶研制工程中，面向建造的設計，主要是把下游造船廠的限制、要求、耗時較多的約束提前在設計階段就進行考慮，從而減少返工，縮短研制周期。本文參考汽車、航空航天及國內外參考文獻，結合長期設計建造經驗，對建造中常遇到的修改設計內容進行整理，形成面向船舶建造的設計原則，具體如表1所示。

2.2" "面向多廠建造的柔性設計方法

當采用“一家設計院所設計、一家造船廠建造”的模式進行船舶研制時，可以采用造船廠提前介入的協同設計方式，實現部分面向建造的設計。然而，當某型船為提高船舶的建造速度，采用“一家設計院所設計、多家造船廠建造”的研制模式時，設計單位就需要在船舶設計時考慮多個船廠的設計約束，如不同造船廠的建造習慣、建造速度、建造順序等約束。這是相當復雜的工作，而且不同造船廠的約束之間的矛盾甚至是不可調和的，設計單位無法形成統一、固定的設計方案。與此同時，對于軍船、郵輪等設備多、結構復雜的船舶而言，不同造船廠的物資到場順序、設備訂貨計劃、工程進度等因素不盡相同，這種矛盾更為尖銳，甚至是不可調和的，這顯著增加了寶貴的人力成本和時間成本。

針對上述情況，需在協同設計過程中，設計單位就先期考慮各個總裝廠的建造能力、工藝水平等因素，增加設計的柔性兼容能力，使同一個設計應用到不同的總裝廠的建造場景中具有最大適應能力，減少不必要的重復勞動和后期協調反復，即面向多廠建造的柔性設計。

首先，進行下游需求收集處理。設計單位可以從多家造船廠標準件建造要求、總段分段劃分原則、結構設計過程中的工藝要求等方面進行調研和需求收集，深入分析設計中需預先考慮的生產設計和建造需求。根據與設計過程的耦合程度，對收集到的要求進行初步分類處理。

其次，多家造船廠工藝要求的協調處理。對于多家造船廠提出的與設計過程緊耦合的設計需求進行匯總，進而開展可行性分析，形成施工設計需要提前考慮的設計要求列表，針對多家造船廠的差異化要求組織協調和處理。

最后，形成柔性解決方案。將設計必須考慮的造船廠不同并且協調無法統一的工藝要求梳理出來，通過對差異化要求的多粒度多層次切分，最大限度提取共性特征，縮小差異化部分，采用基于共性特征的方案重組和基于柔性元模型定制的技術思路，并結合知識工程技術，形成面向一所多廠的柔性解決方案。

面向多廠建造的柔性設計大致流程如圖1所示。

3" nbsp; "面向多廠建造的柔性設計案例

3.1" "分段劃分柔性設計

不同船廠的建造條件、建造能力有差異，例如分段階段的吊裝能力差異，可能造成分段建造對分段劃分設計的修改。例如，某型船采用“一家設計所設計、三家造船廠建造”，其中A廠用于吊裝分段結構的小型起重機吊裝能力為不大于14 t，B廠用于吊裝分段結構的小型起重機吊裝能力為不大于10 t，C廠用于吊裝分段結構的小型起重機吊裝能力為不大于8 t。同時，三家造船廠都有400 t的起重機，但數量相對較少。

在得到上述調研結果后，設計單位可采用最大限度提取共性特征的方法進行柔性設計，即在進行分段劃分時，必須要求分段的重量不得大于8 t。三家造船廠在獲得分段后，可根據設計單位劃分的單元進行組裝，例如A廠可以將兩個重量之和不大于14 t的相鄰分段進行組合，從而提高搭載效率。

3.2" "分段連接柔性設計

為提高造船效率，區域建造與分段造船已逐漸在國內主要船廠中貫徹實施。在分段造船模式下，《艦船通用規范》GJB 4000-2000明確要求水面艦船“總段分段接縫處，外板和甲板的縱向骨架對接縫與板的對接縫一般應相對錯開200 mm”。分段連接設計包含分段縫的位置和板筋錯開的長度及方向，而板筋錯開的方向與分段的搭載合攏順序密切相關。對于以往“一家設計所設計、一家造船廠建造”的模式，設計所將分段錯位連接設計完畢后交付總裝廠，總裝廠根據方案施工，也有少量因為物資到場、設備訂貨、工程進度等原因造成分段搭載順序的變化，導致連接節點需要調整。然而，在“一所多廠”的模式下，不同造船廠的物資到場順序、設備訂貨計劃、工程進度等因素不盡相同，船體結構的建造順序也必然不同，這種矛盾基本無法協調達成一致。

經過上述調研和分析，采用知識傳遞的方法，將上游設計知識約束向下游傳遞，造船廠根據施工建造的實際對設計方案進行細微調整，以達到適應建造且不改變設計原則或設計方案的目的。例如，對圖2所示的甲板結構進行總段分段劃分，形成劃分方案和分段錯位連接的一般原則知識，并通過通用信息模型（Ship Common Information Model， SCIM）將知識傳遞至下游造船廠，如圖3所示。不同造船廠獲得帶標注的三維模型后，則可以根據建造實際，形成從尾至首的建造順序時分段連接（圖4）、從首至尾的建造順序時分段連接（圖5）、先中間后兩邊的建造順序時分段連接（圖6）。

4" " 結語

本文介紹了面向建造的設計原則，提出了在“一所多廠”模式下面向多廠建造的船體結構柔性設計方法，并通過某實例對方法進行了詳細的闡述，本文所述方法采用了最小化單元法和知識依賴型設計，改變了以往問題導向型設計，解決了不同船廠間難以調和的建造順序矛盾，實現了總體設計的柔性，能夠一定程度提升船舶研制效率，為“一所多廠”模式下船舶結構設計提供一種思路。

參考文獻

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