高性能船舶设计制造技术研究.pdf

第 31 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.31 No.6Jun.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言在能源紧张的背景下，海洋资源的开发与利用得到了我国高度重视，高性能船舶是资源开发与利用的核心工具，其设计与制造意义重大。但高性能船舶设计制造过程非常复杂，且要求很高，任何环节都不能出错，否则可能导致船舶出现功能缺陷，或带来安全隐患，因此需要了解高性能船舶设计制造的基本要求、流程与主要方法，以便于开展实际工作。着眼于此，有必要展开相关研究。1 高性能船舶设计制造基本要求1.1 经济实用高性能船舶设计制造的成本比普通船舶要高，因此更应当对其成本进行控制，这是经济层面上高性能船舶设计制造的基本要求之一。除此以外，设计制造过程中还要考虑到高性能船舶后续使用方面的收支，尽可能提高收益，降低资金消耗。要满足经济要求，就必须越过技术与经济之间的冲突，如果要追求高性能，势必要投入更多资金来提高技术水准，相反追求经济性，可能会导致技术水平下降，面对该问题，高性能船舶设计制造中理应秉持科学观念，找到技术与经济之间的平衡点，以满足经济要求。高性能船舶设计制造还要考虑船舶实用问题，如果投入了足够多的资金，船舶却无法在实际工作中发挥应高性能船舶设计制造技术研究魏日明（黄海造船有限公司，山东 威海 264300）摘 要：随着国家的不断发展，国内相关领域对于船舶性能的要求越来越高，因此高性能船舶的设计制造技术愈发重要。但高性能船舶定位特殊，与普通性能船舶有很大区别，使得设计制造过程难度增大，实际工作中若不了解设计制造的相关技术手段，可能无法保障船舶性能水平达标，或引发其他方面的问题。着眼于此，本文介绍高性能船舶设计旨在基本要求，然后分析其设计制造流程、方法。通过研究，阐明高性能船舶设计制造技术的主要内容，助力我国高性能船舶生产。关键词：高性能船舶；船舶设计制造；船舶生产；海洋资源开发中图分类号：U671 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.06.012引用格式魏日明.高性能船舶设计制造技术研究 J.船舶物资与市场,2023,31(6):37-39.有作用，或某些方面达不到预期，说明船舶经济性不好。因此设计制造中应当结合客观条件，设定高性能船舶设计制造标准，做好经济规划，同时兼顾经济性与实用性，用最小成本保障高性能船舶功能齐全和性能达标。1.2 安全稳定高性能船舶作为海上作业工具，其安全性必须得到保障，否则会给人、物造成巨大威胁，因此我国很早就高性能船舶安全问题提出了对应的规范制度、法律规定，高性能船舶设计制造理应按照要求进行。目前，对高性能船舶安全性的要求主要体现在：1）不能对人或物造成过度威胁，例如船舶耐波性必须达标，否则遭遇风浪时可能翻船，风险极高；2）不能对环境造成污染威胁，即船舶行驶过程中可能会产出污染物质，这对海洋、大气环境都有害，对于周边生物而言也是一种安全隐患，因此要注意控制污染1。同时，随着高性能船舶的不断使用，会出现损伤、破坏，或者存在部件老化、故障等问题，这些问题会从多个角度导致高性能船舶安全性降低，因此还要求高性能船舶具有良好的可靠性，即高性能船舶的使用寿命要符合标准，便于按规维护，或开展报废处理工作，帮助规避相关风险，这也是高性能船舶设计制造必须满足的基本要求之一。1.3 先进美观高性能船舶需要提供视觉等观感上的良好体验，因此其设计制造过程应满足先进美观要求。先进要求主要收稿日期：2023-03-14作者简介：魏日明（1985-），男，本科，工程师,研究方向为船舶设计与制造。船舶物资与市场第 31 卷 第 6 期 38 内容有：1）高性能船舶性能应当多样化，技术装备应向尖端水平靠拢；2）拥有良好的人机交互性，可快速响应人工操控要求，也能为人工决策提供信息支持；3）在节能减排等方面有良好表现。按先进要求，高性能船舶设计制造应当不断提高船舶性能水平，做好材料选型、细节设计、能源规划，同时兼顾性能要求。美观要求主要侧重于船舶外部造型、空间规划、设施布局，要求在视觉上做到简约大方、恢宏大气，符合社会群体的艺术审美观。值得一提的是，先进和美观彼此间同样存在一定冲突，例如要保障高性能船舶功能齐全，可能需要引入DP 动力定位系统、自动舵、消防水炮、光电取证系统、海陆联防通讯系统等先进技术设施，而大量设施要如何安放就会成为美观设计上的难题，但如果追求美观，又可能限制高性能船舶先进水平提升。针对该问题，可以在设计制造中寻找两者平衡点，还可以从其他角度进行控制，例如过多的设施可能导致船舶观感臃肿，同时也使得船舶自重过大，此时在美观设计方面可以考虑选择轻量化铝质材料用于内装，利用该材料特性来减轻船舶自重，同时腾出更多空间进行设计，兼顾船舶美观。2 高性能船舶设计制造流程与方法2.1 流程1）初步设计。初步设计的主要内容有：与制造单位达成合作关系，签订合同后按要求先进行船舶技术方案、图纸设计与规划工作，完成后与设备生产商信息一同提交给对方。过程中设计、规划工作应按照设计标准展开，期间发现问题应进行调整。要按照事前要求对高性能船舶的相关性能、系统参数进行测试，同时分析其力学结构等指标，做好计算调试工作，旨在确认高性能船舶最终制造形态、技术工艺体系等2。出于对细化设计环节的考虑，初步设计环节要做好高性能船舶总体性能设计，过程中需确认船舶设计制造关键点、核心性能等相关因素开展工作，以奠定良好基础。同时依靠专业技术手段在参数运算、图纸绘制以及模型试验等步骤中完成高性能船舶制造方案，方案中要阐明技术明细。确认高性能船舶总体布置、基本结构、主推进系统配置、电能配置等设施的方位、开向等进行初步设计。初步设计的成果将作为高性能船舶设计制造的基础依据来使用，因此工作人员在进行初步设计的同时，应当做好资料保存、整理工作，以便在工作完成后进行技术交底，但在交底前建议对资料进行检查，确认资料内相关信息是否准确，是否符合相关标准要求，发现任何问题都应当第一时间整改。另外，如果高性能船舶初步设计内容比较复杂，那么初步设计可分为若干期展开，以免出错。2）细化设计。根据合同要求以及初步设计所提供的资料可进行细化设计，细化设计主要内容有：科学计算相关技术项目参数，依参数完善高性能船舶设计图纸，若遇到技术难题，需及时解决，填补制造漏洞；应与当地指定检验部分取得联系，向其提交技术工艺、规范标准与设计图纸，图纸必须先经过内部审核，合格后才可提交；向制造单位提供高性能船舶制造所需材料、设备、工具等；为后续生产制造环节提供技术指导等方面的帮助3。细化设计的核心目的是完善高性能船舶设计图纸，因此应当先根据初步设计资料找出其中可能存在的局部技术问题，依靠专业技术及计算方法等寻找解决方法，促使船体、轮机、电气等系统之间保持平衡，由此给出高性能船舶制造的全面要求，以便于生产制造环节衔接。3）生产制造。生产制造环节主要内容有：完成建造方法、工艺技术、制造流程等方案设计，并提交送审，未通过需重复调整；完成高性能船舶部件装配工具、零件加工流程等计划设计，成果要足够详细，每个步骤都要单独列出；依照制造管理规章等要求开始生产制造，过程中要做好高性能船舶生产、技术、质量的协调管控，以提高生产制造效率，也避免资金浪费等类似问题发生。生产制造环节的相关资料必须足够完整、详细，否则对于生产效率及成果质量会有负面影响，因此建议在该环节中运用现代化计算机技术整理资料。4）验收调试。待生产制造环节工作全部完成后，高性能船舶设计制造进入验收调试最终环节，该环节的核心目的是核查实际成果的质量、功能、制造情况等资料，是否与事前提供的技术规范资料相符，若相符代表高性能船舶成果合格，反之可找出其中问题，要求调试4。验收调试环节的相关工作主要围绕完工文件展开，即进入该环节后续根据成果快速整理资料编制完工文件，保障文件齐全、内容真实可靠，然后迅速将完工文件提交给检验机构接受审查，如果在生产制造环节中因故改动了相关制造标准，应明确在完工文件中列出原标准与现用标准，以免误判，例如为了更好地提高制造效率，生产制造中对型线在放样过程中的施工设备进行更换，或因为要求材料规范，选择了其他材料替代，这些事项都应当明确列出。同时，任意整改都可能导致高性能船舶的重量、性能等发生变化，所以整改后要进行检测，得到第 6 期 39 更高后的数据，数据同样要列入完工文件，一并交付审核。完工文件的意义在于反应实际成果性能水平、运行条件，因此其编制要严格按照规范进行，以免漏项、错项。2.2 方法1）直接设计法。直接设计法主要是在相关条件已知的情况下，按照专门的理论建立数学关系模型，然后进行计算，依照计算结果确认高性能船舶局部结构的物理量，然后直接生产得到成品。该方法在 20 世纪 90 年代风靡一时，但是主要被用于高性能船舶螺旋桨的局部设计，如舵杆、联轴节等就常用直接设计法4。而后，直接设计法在计算机技术的帮助下走入新时代，使得其应用范围大幅扩展，能在高性能船舶排水量最大吨位、装置模式、航速、破舱稳定性标准、抗沉性等设计问题中提供强有力帮助，能解决许多技术难题。2）分析设计法。分析设计法在高性能船舶设计制造中同样是主流方法之一，主要是对设计制造中的某些技术指标进行层次化分析，从中找到缺陷，会通过参数调试找到最佳性能条件，在原有基础上加以改进。分析设计法常见于小型的高速船舶设计中，如小型铝合金超高速艇就常用该方法，通过该方法对船体线型特征、主机不平衡力矩等因素进行分析，可确认船体基本系数的最佳匹配关系、船尾最佳线型等5。另外，分析设计法还可用于船舶加装领域，例如依靠该方法能够在主机功率不变的条件下，确认船舶尾部加装节流板、导流板的最佳位置、角度，又或者帮助优化带导流鳍的螺旋桨导流帽设计成果，能显著提高船舶航行速度。3）优化设计法。优化设计法在高性能船舶设计制造中相对少见，原因在于该设计法比较复杂，但特定情况下该方法具有明显优势。优化设计法主要是先确认目标函数属于独立目标还是多体目标，然后依照船舶特点建构多维数值模型，根据模型进行线性或非线性优化。优化设计法在高性能船舶设计制造中比较擅长处理复杂问题，即高性能船舶的设计制造过程常遇到复杂问题，此类问题可能同时涉及到适航性、载重量、稳定性、快速性、振动、噪声、能耗等多个因素，且很多因素之间都存在相互影响关系，要同时兼顾非常困难。而通过优化设计法建立数字模型，将每个因素视作目标函数然后进行优化，能够在函数空间内找到最优解。4）模型设计法。模型设计法形式多样，目前比较常见的有：综合比例放样设计法，常用于特殊船舶制造设计，如军用船艇设计制造就常使用该方法。应用中要求设计人员与制造方技术人员一同在综合放样台上开展工作，完成比例放样图绘制，然后按图纸完成制造生产；模型模拟设计法，主要依托于 BIM 等建模技术进行静态、动态设计6。静态设计中，将预先完成的设计图纸数据输入系统，经过系统转换得到等比例缩放的初始模型，再依靠系统搭载的算法，对初始模型进行分析，可知初始模型上是否存在缺陷、问题，如果存在就直接对模型进行参数化调试，如此循环，直到静态模型中没有任何问题存在既可。动态设计中，将没有任何问题的静态模型与动态环境模型相结合，仿真模拟船舶实际航行工况，由此可确认船舶设计是否存在其他问题，若无其他问题，就将现有模型再次转换为设计图纸，模拟该图纸进行生产制造。值得注意的是，模型模拟设计法中船舶制造生产完全按照模型展开，但这只能保障最终成果理论可行，实践中依然有可能存在问题，因此在生产完工后依然要进行实际测试，确认无误后方可送审。3 结语在国际竞争激烈的当下，海洋资源开发成为了国家应对竞争的重要战略手段，对高性能船舶有很高的依赖程度，因此要重视高性能船舶设计制造工作。高性能船舶设计制造流程复杂，要求很高，具有较高的难度，只有掌握其技术要点，并采用合理方法开展工作，就能为其质量提供保障，同时有效支撑海洋资源开发等相关工作展开。由此，相关人员应当了解高性能船舶设计制造技术要点，这对于我国船舶制造行业发展有重大意义。参考文献：1 谭永灿.高性能船舶设计制造技术及运用 J.船舶物资与市场,2022,30(6):30-32.2 王彬.数字化测量技术在船舶智能制造中的运用 J.船舶物资与市场,2021,29(7):91-92.3 林嘉睿,郭烽,齐峰,等.船舶数字化制造的测量技术创新J.中国测试,2018,44(12):1-5+18.4 侯立军,张永亮,李记顺.高性能船舶动力定位系统技术分析 J.农家科技（下旬刊）,2014(1):236-236.5 孙逊,杨光,曲健夫.高性能船舶设计制造技术在实船上的应用 J.舰船科学技术,2014,36(S1):43-51.6 刘彬,向祖权,郭纯轩.智能化制造技术与船体建造焊接变形控制 J.中国水运（下半月）,2015,15(7):1-3+34.魏日明：高性能船舶设计制造技术研究