船舶上层建筑结构设计与结构建模一体化研究

    张继勋 张迎春

    【摘要】居住区构造采用边设计边建模的作业模式,将节省整体的设计工时及模型作业工时、提高工作效率、提高设计质量,方便舾装设计提前作业,缩短居住区设计周期。

    【关键词】居住区;边设计边建模;结构设计方;生产

    一、设计背景

    船舶上层建筑是指上甲板以上的各种围蔽建筑物的统称,它可以设置各种用途的舱室,如工作舱室、生活舱室、储藏舱室、仪器设备舱室等。驾驶室一般设置在上层建筑的顶层,视野较好。通常在首部的上层建筑成为首楼,在尾部的上层建筑成为尾楼。此外上层建筑还设置在机舱上方,用以围蔽机舱开口,又叫做机舱棚,通常和烟囱结构结合在一起。

    (一)上层建筑结构特点

    上层建筑的功能主要是船员居住、工作及储藏部分工具,其结构主要由前、后端壁,左右侧壁、内墙及各层甲板围成,船体结构相对平直方整,非常直观,但是详细设计图纸量比较多,承载了大量的结构及舾装相关的信息,各专业作业信息交叉,研讨事项较多,导致结构设计与结构建模两个专业作业量均较大且繁琐。

    (二)上层建筑受力特点

    由于上层建筑位于干舷甲板以上,且一般不大于船长的0.15倍,很少承受船舶的总纵弯曲应力,因此在计算时不参与总纵强度计算。受力主要来自局部载荷,上层建筑外墙受力主要来自波浪冲击力,尤其是上层建筑第一层没有保护的前端壁及侧壁受力较大。

    (三)目前设计模式及不足

    按照我司传统做法,在新船设计时上层建筑与其他结构设计图纸一样,由结构设计科利用AUTO CAD软件设计出图后,交由生产设计科进行TRIBON三维建模,结构设计和结构建模使用不同的设计软件,两种软件完全独立,导致这种模式设计周期长,大量的舾装信息二次传递,重复劳动多,且前期设计瑕疵较多,容易出错,结构设计与生产设计之间的对应工作量较多。

    (四)结构设计与结构建模一体化构想

    上层建筑结构相对独立,不需要考虑总纵强度、外板线型的影响,仅需要对其本身结构进行强度、振动等计算;其结构设计图纸不需要像其他船体图纸那样需要船东及船级社审核,仅计划图11-006(STRUCTURAL ARRANGEMENT OF DECK HOUSE)需要获得船东船级认可,其他详细结构图仅用作结构建模或其他部门参考。所以,省略详细结构图的作业,直接建模在理论上是可以实施的。经长期研究摸索,进行设计作业创新,融合结构设计和结构建模两道工序,发挥各自人员的专业特长,成功实现居住区结构设计与建模一体化的作业模式。

    二、结构设计和结构建模一体化设计模式准备工作

    由于一体化设计模式需要作业人员同时掌握两方面的专业知识,需加强作业人员的专业知识教育,同时需要对作业流程,人员职责进行从新规定,以确保一体化作业的准确性。

    (一)设计人员必要的知识与教育

    一体化设计人员须熟练掌握上层建筑规范计算、振动计算、强度校核、结构布置等方面的设计知识;熟悉各种居住区内的舾装布置,又需掌握相关结构的生产工艺、制造经验;熟悉AUTO CAD操作方法及熟练掌握TRIBON建模能力。在综合考虑后,由结构建模人员进行结构设计方面的知识学习,承担一体化设计作业。按照构想,组成了一个四人的上层建筑设计小组,结构设计1人,结构建模3人。为了适应这种作业模式,对居住区结构设计的知识进行了全面的总结,并对结构建模人员进行了详细的专业知识教育,使作业者初步具备了进行详细居住区结构的设计技能,并在实际作业中予以指导,不断进步。

    (二)作业流程及职责划分

    为了防止作业质量下降,实船作业时须明确各专业的职责:

    1、结构设计科负责新船上层建筑设计指导、图纸审核、他科图纸协议审核、船东及船级对应指导等。2、结构建模负责一体化设计工作。在结构设计的指导下,负责具体的结构设计、制图、结构建模、内部对应及协调、船东船级间的对应协助等相关工作。3、结构设计对最终的设计负责,结构建模仅是具体的作业者。结构设计仍在有资格的设计专家的控制下进行,作业质量得到保障。4、有关图纸协议。上层建筑其他专业相关图纸协议仍以结构设计方为窗口,将协议图转发给结构建模作业者,由其进行协议;协议结果经结构设计担当确认后,返却给相关专业。结构建模人员及时把协议结果落实到具体的图纸中。

    三、实船作业

    采用新的设计模式,我司对28,000吨多用途船、61,000吨散货船、60,000吨大开口散货船、308,000吨VLCC、36,000吨多用途船等船舶上进行了一体化设计作业。

    (一)设计要领

    居住区边设计边建模模式设计主要分二部分:一是初步设计及建模(11-006制作);二是详细设计及精细化建模(各层甲板RELEASE图制作)。

    (二)初步设计及建模

    根据船舶总布置图(G/A)、内装布置图等确定钢墙的布置,确定暴露甲板的倾斜坡度及走向;通过规范计算和振动计算,确定各甲板和钢墙的厚度,确定DECK BEAM SPACE及DECK BEAM规格,确定内外壁的STIFF SPACE及STIFF规格,确定内壁波形壁布置。初步确定主要的分段划分,利用TRION软件对甲板、内外壁、DECK BEAM、门孔等进行大骨架进行结构建模。通过振动计算,确定GIR.的布置并计算其规格。初步设计结束后将各层甲板图及主要截面从TRIBON中调出,导入AUTO CAD中,进行结构计划图(11-006)的制图作业。11-006初步完成后发给船装、机装、内装等设计科及制造部门进行协议,并进行居住区的分段划分、组立要领和搭载要领的确定。协议结果编入11-006,本图经结构设计方审核签字后,送审船东船级并配布给他科作业。

    (三)详细设计及精细化建模

    基于11-006及最新的舾装来图及其他信息,在TRIBON系统内进行居住区的详细设计及精细化建模。

    按照其他专业要求进行必要的结构及布置调整。比如:

    1、加入分段缝,根据钢材的采购规格布置板缝;2、门、窗、设备开孔的布置和调整;3、确认DECK BENM布置及规格及端部形式;4、确认GIR.布置及规格,部材贯穿孔追加、肘板的确定及GIR.端部形式的确认。5、确认电梯井加强材的布置及顶部吊钢丝绳用的横梁设计。6、内外墙壁的板厚确认及调整,悬挑甲板下结构加强计算和校核,他科的设备加装在居住区甲板或壁上,进行强度校核,布置补强材加强。7、确认与周边结构的连接部分,需要加强的,通知相关构造的设计者进行补强追加。8、根据制造要求,追加焊接收缩量、撘载余量、坡口、过焊孔、添加防变形条材等相关信息。等等。根据CHECK LIST,逐项进行检查确认设计图纸,最终由结构设计担当检查确认后签字发行。

    (四)对应事项

    1、船东、船级意见对应

    以结构设计方为窗口,由结构设计方具体负责对应事务,为提高结构建模相关人员的结构设计水平,可参与协助对应。处理结果指示建模相关人员具体落实。

    2、内部对应

    内部对应即指居住区建造过程中,公司内部各部门或设备厂家间的对应。一般直接由建模作业者进行对应,结构设计科应及时了解并进行指导。最终结果应在结构设计担当确认后执行。

    四、结构设计与结构建模一体化作业模式的优点与不足

    (一)一体化作业的优点

    1、设计周期缩短。采用设计和模型一体化作业模式,省去了结构设计出图的设计周期,结构建模提前进行,模型提前完成,在结构模型基础上的进行舾装作业,相应提前。我司308K VLCC整个居住区的设计周期比传统提前了两个月左右,节约了大约1500工时。2、有效避免信息的二次传递造成的错误现象。作业人员直接与船、机、电相关人员协议,协议结果直接体现在图纸中,取消了结构设计科对信息的二次传递。3、设计工时明显减少。减少信息的二次传递,提高了信息传递的效率及准确性,模型作业人员直接与船、机、电相关人员协议,协议结果直接体现在模型图纸中,取消了结构设计科传递信息的环节,效率提高,准确性提高。省去结构详细设计图纸的制作,如11-601、11-602等,模型RELEASE图与结构图合二为一,减少了二维结构图纸制图及不必要的重复事务性工时。4、设计不具合减少、且更合理。由于建模人员具备生产设计及制造经验,模型比较直观,能很方便地发现一些比较隐蔽的设计错误和不合理设计,可以及时进行修正,大幅度提高了设计合理性与正确性,设计不具合大大减少,减少现场的返工,设计出的结构更加方便制造,提高了制造效率。5、扩展员工作业技能。一体化作业人员,掌握和融合了两个专业的知识,增加了员工技能,充分体现了我司着重培养多技能复合型人才的人才策略,边设计、边建模,使原先简单枯燥的建模作业不再乏味枯燥,作业强度降低,提高了作业者的学习积极性与主动能动性。

    (二)一体化作业的不足

    由于一体化作业周期提前,在详细设计与精细化建模阶段,其他专业有些信息不能及时准确给出,导致后期TRIBON系统中模型修正量增大,浪费了工时。一体化作业还需要舾装等相关专业给予适当配合,上层建筑舾装布置设计尽量提前,并尽早取得船东的认可,以减少后期的修改工作量。

    五、总结

    通过目前几艘实船设计验证,我司采用的上层建筑结构设计与结构建模一体化的作业模式,有效地提高了设计及制造效率,上层建筑设计周期大幅缩短。一体化作业目前尚在进一步完善阶段,相信在累积更多经验以后,一体化作业可在更大范围内推广,以提高设计效率、缩短设计周期。