先进设计技术在船舶设计中的应用策略.docx

- Page 1- 机械设计与制造 !"#$ %&& ()$ *+,-.#/01 2/3.4# 5 *+#"6+,7"0/ ! ""# ! 文章编号： < = 8&&8 9 :; %&& & 9 &8% 9 &% 先 进 设 计 技 术 在 船 舶 设 计 中 的应 用 策 略 综 述 陈晓川 < 东华大学机械工程学院， 上海 %&&&D8= 与 简 方明伦 俞 涛 < 上海大学 HK*J 5 机械人中心， 上海 %&&&%= 讯 ?<%,A654 ;65)#) #;6<<654 -)#645 &"616$6)# 65 ,%-)% $, %)6A) /23 B# ;&11)54) HBL( S.+) 9 ,-"+# ?-/ */,-+#.,+R L#4.#/0.#4 H)RR/4/T 2)#4-"+ U#.V/03.71T J-+#4-+. %&&&D8T H-.#+ WC(X *.#4 9 R"#T YU ?+) J-+#4-+. U#.V/03.71T HK*J 5 Z)7.,3 H/#7/0T J-+#4-+. %&&&% H-.#+ 4444444444444444444444444444444444444444444445 5 4 4 4 【 】 摘要 中国加入 >? 后，造船企业将面临更激烈的竞争。通过对船舶行业概况的分析，指出我国 4 4 4 4 的造船企业与先进 国家的造船企业有如下一些差距：造船产量不够高；技术差距大，高技术产品少；串 4 4 行设计周期长，质量难 以保证，生产效率低；成本偏高；生产模式落后；信息化水平低，信息集成度差。 4 4 4 4 针对所存在的问题，我们认为可 以通过实现并行设计、虚拟设计和虚拟企业来提高船舶设计能力，以 4 4 迎接 >? 的挑战。 4 4 4 4 关键词：世界贸易组织；船舶设计；并行设计；虚拟设计；虚拟企业 4 4 4 4 !"#$%&$ $% &( )*+,- ,&(. +,&/ >?0 1*+2 34+56+,7 ,&(2(+. 8+55% -9 :/(% 4(+/4. 9/:2&+&+/,; $% &( 4 4 .*+22 +,7 +,64.&(< .4:-(+. 8( -,-5<=6 +, &*+. 2-2(0 8 2/+,& /4& ./: 6+.2-(+&+. 3&8, /4( .*+2> 4 4 4 4 34+56+,7 ,&(2(+. -,6 -6?-,96 .*+2 34+56+,7 ,&(2(+. .*+2 34+56+,7 /4&2 4& +. ,/& *+7*A .*+2 34+56+,7 :/6 4 4 -,6 &9*,/5/7+. 6(/2. 3*+,6A 6.+7, 9<95 +. 5/,7A B4-5+&< +. 6+% +945& &/ 3 25676A 2(/649&+/, % +9+,9< +. 4 4 4 4 A 5/8 -,6 9/.& +. *+7*A +,% /(:-&+/, +,&7(-&+/, 5?5 +. 5/8; C, /(6( &/ ./5? &*. B4.&+/,. -,6 (9+? >? 4 4 . 9*-55,70 8 2(/2/.6 &*-& +:2(/?+,7 )*+,. .*+22 +,7 6.+7, -3+5+&+. 3< 9/,94(,& 6.+7,0 ?+(&4-5 6.+7, 4 4 4 4 -,6 ?+(&4-5 ,&(2(+.; 4 4 4 4 8 9 ； ； ； ()* +,%-#. /,01- 2%&-) 3%4&567&$6,5 /23 :;6<<654 -)#645 =,50%)5$ -)#645 >6%$0&1 4 4 -)#645； 4 >6%$0&1 )5$)%<%6#) 5 5444444444444444444444444444444444444444444444 中图分类号： 文献标识码： ?B8% C 8 船舶行业概况和国内外的差距分析 了日本 :O& 万吨 ，达到 8%&& 万吨。韩 国现代重工 世界上最大 的船厂 ）与美国 P?H 公司合作开发 以 >.#Q/-.RR 为核心的设计、 8$ 8 国际概况 制造、管理一体化系统。 %& 世纪世界船舶工业经历了一个非常艰难的发展过程 。以 <= 美国：在二次大战时有 8;& 万人，建造 了约 D&&& 艘各种 二战为界，世界造船业 的重心 曾经发生过多次转移，先是欧洲 船舶，其 中的奇蒙德造船厂一天产一万吨的船一艘 。:& 年代全 然后是亚洲，目前 已形成群雄争夺的局面 。从国际方面看，世界 面应用 了并行工程， 采用三维数据模型交互，代替 了实物 8&&G 上的造船强国主要有 日本、韩 国和美国，它们的发展概况简介 模型。%&&& 年 : 月全美六大造船公司 电动船公司、巴士铁工 如下： 厂、国家钢铁和造船公司、托德太平洋船厂、纽波特纽斯船厂、盎 < = 日本 ： 年 年造船量稳居全球 的< = ， 8 8:DE 9 8: & F D& G 格尔斯船厂 ）联合建立 了基于信息技术的造船虚拟企业，实现 居世界首位，以成组技术和并行工程为主导的造船体制 已经建 了造船 HCIJ 系统。 立 。目前正 向虚拟企业和造船的连续采办与全生命周期支援系 8$ % 国内概况 统 HCIJ 方 向发展，其职工人数 已经从 ;& 年代的 8& 多万人下 %& 年来，我国造船业的世界排名从第 8; 位上升到第 位， 降到 目前的 % 万人 。日本 日立造船公司经过 : 年努力，研制成功 占世界造船份额，从 &$ EG 上升到 ;G ，造船吨位从 N 万吨上升 一种 叫做 BK 9 HC2LH 的计算机 辅助造船 HC2M HC* 软件 系 到 “ ” E& 万吨，出口船舶 比例达到 O&G ， 九五 期间每年创汇 8E 统，它 由船体、管系、电气和舱室布置 N 个主要子系统组成。 亿美元，已经成为机 电产品出口创汇 的重要支柱。但是，近几年 <%= 韩 国：近些年通过投 巨资建立大型船坞、扩建设施和引 进 日本人才，全面实现了现代造船体制，建立了 HK*J，引进 了 来 由于亚洲金融危机导致 日韩大规模调整造船工业 。日本七大 系统，目前试 图建立虚拟企业 。 年其造船量首次超过 造船企业的合并计划，韩 国造船业的调整和合并，其 目的就是 HCIJ %&&& 来稿 日期： ! %&&% 9 88 9 8& - Page 2-! ""# ! 机械设计与制造 !"#$ %&& ()$ *+,-.#/01 2/3.4# 5 *+#"6+,7"0/ 为了保持其在 国际造船市场中的垄断地位 。随着 日、韩两 国造 可分，现代造船模式的主要技术基础是深化设计。 船业造船成本 的大幅度 降低 ，我 国的造船低成本优势越来越 造船模式是船舶制造业存在的形式和活动方式，现代造船 小。而重新奋起 的欧、美造船企业与 日、韩等国纷纷 以合作、改 模式可 以表述为：以统筹优化理论为指导，应用成组技术相似性 造、资本与技术输出等方式扩大市场 占有率，甚至在我 国境 内 原理，建立 以中间产品为导 向，按船舶空间划分作业区域 简称 大规模投资，兴建现代化造船基地，企图进一步抢 占我 国船舶 区域 ，按船舶建造过程划分作业阶段 简称阶段 ，按生产作业 市场 。同时，由于加入 :;< 的影响，我 国船舶工业在前后夹击 性质划分壳 船体建造 、舾 设备、管系、电气安装 、涂 涂装 各 下，正面临着更为严重的挑战。与国际先进水平相 比，我 国造船 种作业类型 简称类型 ，形成 以壳、舾、涂一体化和设计、生产、 行业的主要差距表现在 ： 管理一体化的作业体系，实现空间分道、时间有序、均衡连续地 8 =9 造船产量不够高： 年 以来虽然我国的造船量 占世 总装造船 。 界第三位，但与 日本和韩 国仍有 ?$ 倍的差距 。 传统造船模式是按工种专业化的生产体制，即按船舶系统 8%9 技术差距大，高技术产 品少：以国际通用的 AB 个要素、 分解 任务包 ，各工种分别完成作业 。在生产组织上按学科专 ?& 项标准评估 中 日两 国骨干船厂，可发现与世界先进水平 的 业组建技术部 门和管理部 门，按工种专业组建生产车 间和班 综合差距有 = 年，精度控制差距 = 年，但管理体制差距 =B 年， 组。各工种作业在空间上干涉，在时间上干扰，互相争夺生产资 信息技术的差距达到了 => 年 。我国主要产 品为普通产品，顶级 源，影响作业进展，工程很难控制，致使生产效率低下。与传统 I J 8 9 的如巨型油轮 （ ） （ ） 模式 比较而言，现代造船模式具有 以下优越性 ? ： = 成本降 CDEE 、大型豪华客轮、大型液化气船 D(F 和 8 9 8 9 8 9 核动力航空母舰都没有建造过 。 低，周期缩短 。% 生产率整体提高。 工作环境改善 。? 设 89 串行设计周期长，质量难 以保证，生产效率低，交货周期 备利用率提高。 较长：例如，建造 ?$ % 万吨级货船，日本的建造工时为 =% 万，我 现代造船模式的实现是需要从多方面开展的，可 以说是一 国为 =%& 万，设计建造周期约为8 =B G %& 9 个月，是国际先进水平 项复杂的系统工程项 目，从现代设计技术发展的角度看，为了有 的 =$ B 倍 。 效地提高产品开发能力，采用并行设计、虚拟设计和虚拟企业是 8? 9 成本偏高：虽然我 国的工资水平是韩 国的 =H =，但物料 造船行业通过信息化提高设计能力的努力方 向。 利用率低、粗放管理、物资采办等费用较高，又缺乏有效产品成 %$ = 并行设计 本预控手段，导致了造船成本偏高。 并行设计是并行工程的核心 内容，船舶的并行设计方法是 89 生产模式落后：如表 = 所示，在当代 日本、韩 国等先进造 基于计算机 网络来实现 的，即各类专家通过计算机 网络、统一的 船企业均 已完成 了传统造船模式 向现代造船模式 的转换过程 ， 产品数据模型进行船舶造型、可制造性、经济性、可靠性、可装配 我 国 目前一般处于第二、三级水平，即我国还基本沿用传统体 性等的分析，不同的意见通过网络反馈，修改数据模型，使异地 制，主要体现在管理方式与手段落后、计划制定粗放、配套供应 工作的专家同时在新的模型上继续工作，直至完成所有设计任 手段落后等方面 。 务。这样不仅提高设计效率，减少设计时间而且 由于船舶产品 表 = 造船技术发展阶段表 IJ 生命周期中各种 问题得到充分考虑，使设计质量也大大提高。 对于技术密集型的造船行业，实施并行工程设计要求先进的造 系统导 向 系统和区域导 向 区域、类型和阶段 8 中间产 品9 导 向 船设备和技术与之相适应，这包括管理技术， 第一级水平 第二级水平 第三级水平 第 四级水平 第五级水平 EK2H EKLLH EK* 一体化， 等。一般来说，实现并行工程的主要步骤有 I J ： 船 台散装 分段建造 分段建造 壳、舾 、涂一体化 设计 、制造一体 L2* 码头舾装 预舾装 区域舾装 化 （） 建立企业 网和工程数据库，初步实现 、 、 = EK2 EKLL EK* 整船涂装 预涂装 企业涂装 功能。 劳动密集型 设备密集型 信息密集型 知识密集型 （） % 进行信息集成，推行 L2* 技术、特征建模技术，形成一 离散型生产过程 连续型生产过程 个 、 、 的集成系统 。 传统造船 现代造船 未来船船 EK2 EKLL EK* 首先在设计、工艺、制造部 门建立统一的产品模型，初步 8A9 信息化水平低，信息集成度差，基础信息获取不及时、不 实现并行工程 ；进一步将企业管理方面的 、 与 准确，无法支持快速决策 。 *MN *OLMM EK2H EK* 系统进行集成，实现全厂范围内的信息集成，全面实现并 % 提高造船企业竞争力的途径和策略 行工程 。 中国加入 :;<，将意味着 国内企业与国际企业在同等条件 在并行设计 中采用 的软件工具为 2PQ，针对造船成本偏高 下进行竞争，国内企业在短期内必须承受极大的压力，提高造船 的实际情况，可 以采用面 向成本的设计方法 （ 2/3.4# P)0 E)37 R 企业的产品竞争力是求得生存和发展的必由之路。产品的竞争能 R 2PE 。它最早出现于九十年代初期，是 2PQ 的一个分支，它 力来 自价格竞争和非价格竞争。价格竞争是企业运用价值手段同 是指在满足用户需求的前提下，尽可能地降低成本，通过分析和 竞争者进行营销较量来争取顾客，扩大销售，占有市场。而产品的 研究产 品制造过程及其相关的销售、使用、维修、回收、报废等产 成本在很大程度上决定了产品的价格，但产品成本的大部分在设 品全生命周期中的各个部分的成本组成情况，并进行评价后，对 计阶段就已经决定了，因此采用现代设计方法，提高产品设计水 原设计 中影响产 品成本的过高费用部分进行修改，以达到降低 平是降低产品成本的关键。现代造船模式与设计能力的提高密不 成本的设计方法 IA J 。为了实现面 向成本的设计，必须注意收集 - Page 3- 机械设计与制造 !"#$ %&& ()$ *+,-.#/01 2/3.4# 5 *+#"6+,7"0/ ! ""# ! 与全生命周期成本 8998.6/ 91,:/ 9)37 数据有关的信息，这 提高，这种方法将企业 内外联为一体，达到了资源的充分共享 些信息从发生 的时间方面看 ，可 以分为企业 内和企业外两部 和利用 。 分。由于篇幅所 限，对这些信息中所包括的内容、成本估算方法 美 国 & 年代在美 国国防部 的领导下成立 了海事敏捷研究 ; = 和 ; = 。 （ ） 大学、五家船厂、 和信息收集方法请分别参见文献 < > 组 *+0.7.T/ +4.:.71 40)"U ，该组织 由来 自8/.4- %$ % 虚拟设计 海军、船东、船级社、供应商和设计部 门的代表组成，从事有关 在并行工程 中为了达到并行的 目的，必须建立高度集成的 造船的敏捷制造研究，包括如何从技术上、组织机构 以及人力 资源上使现有的船舶建造方式过渡到敏捷制造 。 年 月全 主模型，通过它来实现不同部 门人员的协 同工作；为了达到产 %&&& 品的一次设计成功，减少反复，它在许多部分应用了仿真技术； 美六大造船公司 电动船公司、巴士铁工厂、国家钢铁和造船公 主模型的建立 、局部仿真 的应用等都包含在虚拟制造技术 中， 司、托德太平洋船厂、纽波特纽斯船厂、盎格尔斯船厂 联合建 可 以说并行工程 的发展为虚拟制造技术的诞生创造了条件，虚 立了基于信息技术的造船虚拟企业 。 拟制造技术将是 以并行工程为基础的，并行工程的进一步发展 总之，设计技术的发展是有一定规律可循的，但它们之间 （ ） 也是有一定的交叉的，从并行设计到虚拟设计，再到虚拟企业 方 向是虚拟制造 ?*?.07"+: *+#"6+,7"0.#4 。 所谓虚拟制造又叫拟实制造，它利用信息技术、仿真技术、 的实现将极大地提高我 国造船企业的产 品开发能力。当然，上 计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行 面主要论述的是技术 问题，但因为人是一切 的根本所在，所 以 全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产 从设计人员的情况看，有关人员的素质提高、培训和使用仍将 前就采取预防措施，从而达到产 品一次性制造成功，来达到降 是一切工作的中心 问题 。计算机的普及 以及数控机床 、加工中 低成本、缩短产品开发周期，增强产品竞争力的 目的 ; = 。虚拟 心、工业机器人的应用，使现代造船具有很高的 自动化水平，但 设计是虚拟制造技术在设计方面的具体应用，即在真实产品加 它不是无人工厂 。现代造船业要求技术人员懂经营，管理人员 工之前，通过实施有效的产品设计方法和手段，建立产 品的功 懂技术，操作人员一专多能。为此，要充分认识到人在现代造船 能和结构信息模型；同时对产品的结构、功能、性能进行仿真， 中的核心地位和关键作用，调动各类人员的积极性和创造性， 作为对设计的指导和对用户需求的预评估 。 并按现代造船模式对人才 的要求进行多层次、多形式 的培训， 舰船虚拟设计是虚拟技术在船舶设计中的应用，对舰船研 培养真正的企业家作为领导者；培养有综合技能、能独立处理 制过程实现两个层次的虚拟过程：一是设计阶段使用户能够参 问题、善于与他人协作的人作为管理者；培养跨专业工作的人 与，达到预先体验产品性能的 目的；二是制造系统层次上强调 作为设计者；培养适应复合工种的多面手做工人，从而造就一 对生产制造性能进行有效的评价 。虚拟设计过程中的信息共享 支符合现代造船要求的员工队伍 。 一般通过产品模型数据交换标准