1、现代船舶建造方法概要,现代船体建造技术现状,船体建造在整个船舶生产中占据着相当重要的地位，就工作量而言，约占总工作量的3040。因此，新厂建设和老厂改造都要将其视为突破口，放在重要位置。最近，美国政府通过征询专家的意见，对船舶工业优先发展的项目排序如下：1、钢料加工(40)；2、船舶经济(37)；3、营销、市场信息(36)；4、设计制造一体化(34)；5、舾装(34)；6、自动化(32)；7、涂装(31)；8、新的设计思想(29)；9、人力资源与培训(27)；10、分段装配与合拢(24)。,改革开放以来，我国造船技术获得了较快的发展，在船体建造技术方面，除机器人、柔性制造和集成制造技术外，其它
2、许多单项技术都已达到或接近国外先进水平。但是，在总体建造技术水平和先进制造技术方面，还存在着相当大的差距，主要表现在生产效率低，建造周期长和成本高等方面。为此，在我国船厂由传统造船模式向现代造船模式转变的关键时刻，对现代造船模式主要支撑技术的船体建造技术进行跟踪和研究很有必要。船体建造技术涉及方方面面，内容多、范围广，其中最具代表性的是船体放样、下料、船体加工和船体装配等项工艺技术。,现代船体建造技术的几个方面,1.1 船体放样,1.2 船体号料,1.3 船体加工,1.3.1 钢料切割,1.3.2 成型加工,1.3.1.2 数控等离子切割,1.3.1.1 数控火焰切割,1.3.1.3 激光切割
3、,1.3.1.4 水射流切割,1.3.2.1 板材加工,1.3.2.2 型材加工,1.4 船体装配,1.4.2 分段装配,1.4.1 部件装配,1.4.3 船台装配,1.5 船体建造精度控制,1.1 船体放样,随着造船技术的发展，放样已由手工比例发展到数学放样。数学放佯也有一个发展过程，50年代出现数学放样，60年代在船厂中得到广泛应用，70年代发展为图示放样系统，逐步完善。80年代已在造船界广泛应用，但是由于首尾部线型复杂，仍需借助人工或 比例放样，致使许多船厂不得不保留投影放佯的场地。随着计算机技术的迅速发展，现在能对全船的线型和结构实行计算机光顺和放样，还可以用人机对话的方式修改线型和结
4、构布置，并能实现图形显示和自动绘图，且能把所得数据自动存储在数据库中，供下道工序如数控绘图、数控号料和数控切割等使用，从根本上取消了手工放样。目前除船体外，一些线型复杂的舾装件、管系和电缆等放样也都实现了计算机化。,1.2 船体号料,光学号料,电印号料,数控号料,Pneumatic Punching or Scribing Compressed air actuated punch markers or scribes can be used for economical marking of lines and single point marks on the plate surface.
5、 Zinc Marking An oxy-fuel flame fuses zinc oxide powder to the plate surface, forming a light gray mark. This process can be used for marking large layouts at exceptional speeds.,1.3 船体加工,1.3.1 钢料切割,1.3.2 成型加工,1.3.1.2 数控等离子切割,1.3.1.1 数控火焰切割,1.3.1.3 激光切割,1.3.1.4 水射流切割,1.3.2.1 板材加工,1.3.2.2 型材加工,1.3.1.
6、1 数控火焰切割,(1)精度高； (2)切割质量好； (3)自动化程度高； (4)有效切割时间长； (5)钢板尺度不受限制； (6)提高了钢材利用率； (7)热变形小； (8)切割信息易于准备和保存； (9)切割指令易于修改； (10)控制装置稳定可靠。,Oxy-Fuel Cutting,1.3.1.2 数控等离子切割,等离子是一种高效的物理切割方法，它所产生的温度为一般电弧的56倍，产生的气流速度达1500msec以上。因此，它可以切割氧乙炔焰所不能切割的铜、铝、不锈钢等各种高温难熔金属，尤其擅长于切割薄板。其切割速度是氧乙快焰的36倍。由于数控等离子切割的高效生产效率和质量，在造船钢板切割
7、中大有取代氧乙快焰切割趋势。 水下等离子弧切割与一般等离子切割相比具有以下一些优点：(1)切割产生的金属粉尘有99沉淀在水中；(2)噪声频率大大降低，强度极大地减少(85dB1.8m)；(3)切割质量好，端面无圆角，无挂渣；(4)割嘴寿命长；(5)有害气体被水吸收；(6)等离子弧发出的紫外线光有所减弱等。,大型水下等离子弧数控切割系统的组成：1、等离子电源2、割炬3、割炬高度控制系统4、冷却水系统5、水幕系统6、充水平台7、控制系统,Plasma Arc Cutting,Plasma Bevel Cutting,Plasma Marking A low current plasma arc c
8、an be used to mark lines on the plate surface, for bend lines and layout marks.,1.3.1.3 激光切割,采用气体(如 CO2)激光器和固体(如钕、钇铝石榴石)激光器，产生的功率达105106Wcm2，这样大的能量完全足以熔化金属。因而，可以用来切割。激光切割精度在已知的所有热切割设备中是最高的，可达0.10.2 mm。瑞典 ESAB公司第一次推出的可移动式激光数控切割机，可切割宽3m、长4.5m的大型工件，该机最大切割厚度可达68mm。近年来，激光已向大功率发展，功率5Kw的数控激光切割机，能高质量地切割厚至32
9、mm的低碳钢，切割厚12mm钢板的速度约2500mmmin，与现用的等离子弧切割机相当。数控激光切割将是未来造船钢板切割的发展方向。,Alpharex Laser Cutting System,Laser Cutting,1.3.1.4 水射流切割,水射流切割是一种新的切割技术 ，分为纯水射流切割和添加磨料的水射流切割，其原理是将水加压到数百兆帕的高压，然后高压水通过一个特殊设计的、孔径较小的喷嘴以大约3倍的音速喷射出来。这种具有极高动能的水射流可以用来切割各种材料，特别适用于热切割无法进行或者需要采用昂贵的机械切割工具及割缝需要磨光的场合。 水射流切割能够适用于一切材料，如特种钢、钛、铜、铝
10、 、铅、玻璃、橡胶、塑料、陶瓷和天然岩石等。在切割8.5mm厚度 HY80钢时，速度可达254355.6mm/min。,“库尔斯克”号打捞过程示意图,水射流切割与其他切割相比，具有以下特点： 切割不产生热量，因此不会影响金属特性； 可得到高质量的割缝，不会产生任何毛刺、挂渣，割缝边缘平直，表面光滑； 水射流切割所形成的割缝较窄，可大大提高零件尺度精度和材料利用率； 水射流切割不会产生环境和治金污染；水射流切割生产效率高，可切割特殊规格大厚度钢板而不需要多道工序一次成形。,Water Jet Cutting,ESAB 公司的 Hydrocut PR,Specifications of Hydro
11、cut PR,ESAB 公司的 Mid Rail Hydrocut,美国 Flow systems 公司的 The 4x4 BENGAL,Cutting table size 48 x 48 inches 1.22 x 1.22 m Accuracy .005 inches .127 mm Repeatability .002 inches .050 mm Speed range 0 to 300 ipm 0 to 7,620 mm Controller FlowMaster Z-axis adjustability 8 inches, motorized 203.2 mm Operating
12、 pressure 50,000 psi 3,400 bar Cutting head PASER 3 Pump size 30 or 50 horsepower Drive system Servo, all digital,美国 Flow systems 公司的 The AF-6080 Three-Dimensional System Solution,Standard cutting tables Base: 6 ft, 12 ft, 16 ft, 20 ft; Bridge: 8 ft; custom also available Accuracy 0.005 inches Repea
13、tability 0.003 inches Traverse speed 900 ipm X- & Y-axis, 450 ipm Z-axis Contouring speed 400 ipm Control system Allen Bradley Series 9 or Siemens 840D CNC controllers Z-axis adjustability 24 inches,美国 Flow systems 公司的 The A-Series System SolutionFor Special Applications,Standard cutting tables Base
14、: 4 ft - 20 ft; Bridge: 4 ft - 12 ft; custom also available Accuracy 0.003 inches Repeatability 0.001 inches Traverse speed 1,200 ipm Contouring speed 600 ipm Control system FlowMaster or special Z-axis adjustability 10 inches Cutting pressure 55,000 psi,1.3.2 成型加工,1.3.2.1 板材加工,1.3.2.2 型材加工,船体成形加工是将
15、下料后的零件(平面板、型材等)加工成构件所需实际形状。大体上，弯板作业量约占船体钢材加工工作量的1018，而型材弯制约占916。,1.3.2.1 板材加工,船用板材线型复杂，其加工一直是造船业最困难的工作。通常对于一般曲率不大的板材零件采用常规的冷加工设备，而对于复杂线型外板(双曲板)，仍需要凭借热加工或水火弯板工艺来加以解决。近几年来国内外船体板材加工工艺和设备没有多大新发展。大、中型船厂主要采用大能力、高工效、多用途的常规液压加工设备。国内外所不同的是，国外船厂加工辅助作业机械化程度相当高，大大减轻了工人劳动强度和零件等待时间。对于常规加工设备的数控化，日本在过去的30年中作了不少努力，但
16、效果不明显。日本新建的三菱重工长崎船厂香烧分厂，可以说工艺技术水平和建设规模是世界第一流的。但纵观其钢料加工设备，也只不过是吨位大、功能多，以及输送辊道长和超重设备全等。,香烧分厂钢料加工设备,船体曲板加工技术,水火弯板是船体外板加工成型的一项重要工艺方法，具有技术性强、难度大的特点。长期以来，这项加工工艺基本属于经验型工艺方法，即需要由熟练的技术工人凭长期积累的经验进行加工。由于船体曲面十分复杂，外板的大小、形状多变，对于有经验的老工人来说确定一块曲板的水火弯板加工方案，并加工成型，大都需要两三次甚至更多次火焰加工才能完成。而对于缺少经验的新工人，要加工成设计所需要的曲板就更加困难。因此，目
17、前的经验型水火弯板加工方法加工时间长，质量波动大，难以实施精度控制，多年来已经成为缩短造船周期，提高船舶质量的重大障碍。,目前，工厂的现实情况是：(1)由于水火弯工艺的特殊性，使得这项工艺的经验成分(特别是加热线的设计)显得格外突出。青年工人在短时期内较难以全面掌握这项加工技术，有经验技工的培养困难。在船舶构件加工阶段，水火弯这道工序已经成为一个“瓶颈”工序了。(2)缩短造船周期，提高造船质量、降低造船成本是船厂在国际船舶市场中提高自身竞争能力的重要手段。因此凭手工经验来完成比较复杂的工艺过程无论在速度上还是在质量上都已远远满足不了现代造船生产的需要。也无法全面实现无余量装配及公差造船等先进造
18、船方法的实施。(3)水火弯技术不但难以掌握，而且由于工作环境较为艰苦，劳动条件相对较差，可能造成水火弯板工种后备力量今后出现一定程度的“断层”。因此，水火弯板工艺的革新绝不是可有可无的开发项目，也不能继续拖延，已经迫在眉睫，必须尽快解决，使其在方法上有一个根本性的变革。有效且比较经济的途径就是计算机辅助焰道布置，这种研究项目在船舶加工建造方面有着十分重要的意义，是适应船舶工业发展需要的一项急需课题。,水火弯板工艺方法概述,水火弯板又称线状加热成型(line heating或line heat forming)。它是利用金属板局部受高温冷却后产生的局部热弹塑性收缩变形而达到整体弯曲成型。目前主要
19、是由氧乙炔焰在钢板表面加热的方法来获得局部高温。几种常见的加热线布置情况如下。,影响金属板局部收缩变形的主要参数有：火焰的移动速度；喷嘴离钢板表面的距离；钢板的厚度；加热线的长度；加热线间距；火焰的功率；冷却方式；喷嘴尺寸等。在实际操作中，如气温的变化，金属板材质的区别，板的几何尺寸，边界支撑条件等也是必须考虑的重要影响因素。,从理论上分析，对于不可展曲面的金属板，将其展开后会出现局部的裂纹和裂缝：,显然，如果要获得展开前的曲面形状(即设计的外板曲面)，需要将展开的裂缝处两边全部连接起来，也就是使裂缝消失才可达到要求。如上所述，金属板局部受高温冷却后会产生局部热弹塑性收缩变形，这就为不可展曲面
20、金属板的成型提供了可行的方法。这些裂缝的宽度和面积(也包括体积)就是设计的曲板所要求的局部必须收缩量。也就是说，水火弯板的关键就是通过局部加热的工艺过程，使被加工的曲板各部分的实际收缩量(宽度、面积、体积)满足曲板各部分的必须收缩量。而要得到精确的局部必须收缩量并依此来设计水火弯板的工艺参数，这也正是问题研究的难点。,在实际生产中，有经验的工人通过对曲板的整体形状(以见通线等为参考)的观察，首先要估算出(凭借以往的经验)各部分(通常以肋骨间距为单位)所需的收缩量，然后考虑如何布置加热线，并且在进行水火弯板工艺过程中，还需要不断地根据总体变形情况，修正已布置的加热线和其它工艺参数。对于经验丰富的
21、老技术工人来说，加工常见形状曲板，成功率和工作效率比较高，但当曲面复杂时，也要反复思考，往往经过几遍加工才能完成。 所以，为了实现现代化的造船生产，必须加强曲板的自动化加工研究。,水火弯板研究课题的最终目标是实现由计算机代替人的经验，提供在速度和质量上都优于人工经验的水火弯板加热信息及各种工艺参数。但是，水火弯板过程是曲板局部的瞬态热弹塑性变形，而影响曲板局部瞬态温度场和位移的因素比较多(其中一些因素是很难确定的)，所以要确定曲板的最终局部变形十分困难。针对这样一个实际工程问题，要达到用计算机来模拟布置水火弯加工焰道的最终目标，需要分阶段地进行探索和研究。,第一阶段，是对水火弯板工艺方法的定性
22、研究阶段。主要研究内容有：根据金属板的材质和强度要求，确定金属板表面加热的最高温度；根据加工板的形状，确定加热线形状；选择不同加热条件下的冷却方式；研究水火弯板主要工艺参数对成型效果的影响等。,第一阶段以在实验室中实验为主的方法来展开研究。通过对一些试验结果的分析，定性地找出加工工艺的规律性，并在此基础上规定部分工艺参数的使用范围等。如在进行高强度钢实验时，发现表面超过700时发生脆化现象，降低了材料的使用强度，因此规定表面温度不得超过550；在不同的冷却方法实验时发现水冷和空冷的不同特点，而背面水冷能够增加角变形等。这些重要的研究结论都是在这个阶段发现的。,第二阶段，是对水火弯板工艺过程中工
23、艺参数与变形参数的定量分析阶段。主要研究内容有：曲板的精确展开方法及厚度修正；水火弯板局部变形与工艺参数的数学物理模型；水火弯板计算机模拟系统等。,第二阶段是水火弯板研究课题的关键阶段。在这一阶段中，需要讨论和制定对水火弯板做定量分析的具体方法，同时还要积累足够多的实船板加工数据，在此基础上，通过水火弯板机理的理论和实验研究建立一套比较完整的水火弯板数学物理模型，并要达到由计算机完成曲板成形加热线等工艺参数的制定和选择的目标。,第三阶段是从我国造船行业的实际出发，依据国内造船厂的特点和条件，从软件和硬件两个方面同时开展研究，提高计算机系统的可靠性和精度，使其在实船中的应用能在行业中推广，并在使
24、用中扩大其使用范围，创造其适用范围，充分发挥作用，创造经济效益，还要同时开展水火弯机械化研究开发，使这一工艺技术向高阶段发展。从技术角度说，这个阶段因为有第二阶段软件方面的基础，重点和难点将转为提高所提供信息的质量、精度，以及设备、测试工具和条件等数控硬件的研制和开发方面了。,第三阶段，是水火弯板数控系统的研究阶段。主要研究内容有：水火弯板专家系统；水火弯板人机交互控制系统等。,国内对水火弯板这项课题的研究起步较晚，从八十年代初开始，哈尔滨工业大学、上海交通大学、大连理工大学相继开展了这项工艺课题的一些实验性的研究工作。八十年代中后期，大连理工大学和大连造船厂合作，在中国船舶工业总公司科技局的
25、支持和资助下，开始了较为系统的定性实验研究。特别是九十年代初期，经由专家推荐，中船总公司的资助，由大连理工大学和大连造船新厂共同合作承担了水火弯板模拟方法的课题研究。到目前为止，在实船板和实验板测试分析，曲板的精确展开方法，计算机辅助加热线等工艺参数设计等方面做了较多的工作，并取得了一些阶段性成果。,从国内外的研究看，目前水火弯板的研究课题已取得了很大的实用性进展，并且已有部分成果在生产中得到了应用。从课题的开展情况分析，现在基本还处于第二阶段的定量分析和补充并完善数学物理模型以及对计算机优化水火弯板工艺设计的水火弯板等进行研究的过程中。国内的研究工作在一些方面已经达到国际水平，在其中的某些方
26、面甚至已经处于领先地位。,在实验研究方面，进行了火焰成形动态过程测试的分析；研究了火焰成形中工艺参数对成形效果的影响；分析了不同的收边方法；探讨了预弯板横向曲率对火焰成形效果的影响程度；对水火加工平板成形参数和帆型板成形参数的确定进行了实验和分析；讨论了水火弯板过程中的不同冷却方法。,在理论分析和模拟方法的研究方面，完成了考虑塑性变形的精确外板展开方法的研究及数学模型的建立；运用梁的弯曲理论，建立了水火弯板的一维的数学模型；应用数学回归模型。并给出了模型中主要参数的适用条件，分析误差产生的原因；应用分段圆弧样条函数拟合曲板辊压线，推导了典型双曲面板和扭曲板局部所需收缩量的近似计算公式；提出了一
27、种水火弯板焰道设计的优化方法；开发了一个水火弯板实验数据库管理系统；构造了规则板水火成形专家系统的方案设计思想；研究了钢板自重对水火成形加工效果的影响等，初步完成了计算机模拟系统的编程工作。,1.4.2 分段装配,1.4.1 部件装配,1.4.3 船台装配,由于数放和数控等新工艺的采用，零件加工精度不断提高，使得装配工作的机械化得以实施。据统计，装配焊接占船舶建造总劳动量的1218。因此，提高装焊工作的机械化自动化水平，不仅可以减轻工人劳动强度，还可以有效地缩短周期和提高质量。,1.4 船体装配,1.4.1 部件装配,部件通常有四类，T型材组合件、平面分段内部构件，曲面分段内部构件，铁舾装件。
28、国外大中型船厂一般采用T型材生产线，有的已形成自动生产线，配以自动输送辊道，门式高精度切割机，以及采用机器人装焊的装焊机和相应的分类装置，生产效率相当高。英国有钢厂轧制不同规格T型材供船厂选用。日本有专门拼装各种T型材的专业工厂。对于平面和曲面分段内部的部件，日本和美国等船厂，一般采用零件定位装配焊接翻身集配的工艺流程。根据批量的大小，一般用人工在平台上焊接，或用传送辊道等辅助输送，采用机械化焊接设备。大量生产，也有组建机械化构架生产线，或成为某一分段流水线的一部分。对于一些铁舾装件，一般都是在船体车间的规定区域的平台上组装。,1.4.2 分段装配,在船体建造中，分段的制造，占据了相当比例的工
29、作量。其中平面分段的工作量更多些。因为其重量要占到船体重量的5070，对VLCC船舶则高达70以上。因此，造船界对分段制造，尤其是平面分段的制造，都非常重视。各主要船厂都普遍采用了平面分段装配生产线，而且技术水平和生产效率都在不断提高。,丹麦B&W船厂曾投资组建了一条小型双层底分段流水线。已于1990年投产，用于双层底夹层结构及类似构件。此流水线按工作站原理设计，设7个站(以后将扩展至9个)。施工时，工件置于平台上，由工人逐步装焊；平台置于气垫(由比利时Aero Go公司制造)上，每完成一道工序，气垫将平台移动一个站位，工人在原工位不动。分段从头站移动到末站需9个工作日，即9天完成一个分段。到
30、达末站时，完工的分段运出，平台由吊车吊回到起始站，用作下一个待装焊分段的基座。这条双层底分段生产线的生产率为每吨46个工时，比1986年所用生产方法提高一倍。由于工人重复做同一作业，技术熟练，加之职责分明，故而质量高，工时降低，即使发生差错，检查也方便。,日本IHI公司也建立了平面分段流水线。共有10部分组成：数控高精度门切机；纵材自动输送装置；纵材自动定位装置；板列自动装配装置；板列自动焊接装置：板列自动矫正变形装置；板列自动除锈涂装装置；板列接缝(衬垫)装置；横材插入装置；焊接机器人。,板列自动矫正变形装置；板列自动除锈涂装装置；板列接缝(衬垫)装置；横材插入装置；焊接机器人。,数控高精度
31、门切机 纵材自动输送装置； 纵材自动定位装置； 板列自动装配装置； 板列自动焊接装置：,Arrangement of robot equipment,船台装配主要指船台(坞)大合拢，由于船台(坞)是船厂的主要造船设施，也是提高产量的关键。国外船厂为了提高生产率，采用不少先进的建造方式，主要根据船台(坞)布置和起重运输情况来定。日本船厂目前采用的建造方式一般有；水平建造；塔式建造；多点(岛式)建造；串连式建造；先行建造。其中，串连方式和先行建造为一些大型船厂广泛采用。如三菱公司和香烧船厂利用970米长船坞和知多船厂利用810米长船坞实施三工位船坞串连造船。日本钢管公司津造船厂的500米长船坞和住友重工追滨船厂的560米长的船坞部是设计成双坞门和中间活动闸门，以便采用先行建造法。,1.4.3 船台装配,建造方法,香烧工厂,
