现代舰船设计制造的基本过程与模式Word文件下载.docx

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现代船舶是一种较特殊的产品，一艘船舶就是一个巨大的复杂系统，它由数以万计的零部件和数以千计的配套设备构成，分成数十个功能各异的子系统，通过船体平台有机地组合成一个整体。

造船生产过程既有大量零部件的加工制造，又有繁杂的逐级装配，而且将经营、物资、设计、计划、成本、制造、质量、安全等等各种不同类型的功能以不同的时空坐标交织在一起。

如此大量异质异构、既离散又相关的信息，被纵横交错地汇聚在一个系统之中，因而船舶工业被誉为“现代综合性工业之冠”，其制造较一般“来料加工、来件组装”的制造业要复杂得多，它是一个国家综合工业能力和水平的缩影。

除了可看出冶金、机械水平外，上层建筑的布置风格可体现民族特征；

内部装修可反映建材、轻纺的水平。

1.1船舶设计的特点

船舶是一种水上建筑物，具有环境条件特殊、类型多、系统复杂、技术含量高、投资巨大、使用周期长等特点。

船舶的种类很多，就民用船舶而言，有运输类船舶、工程类船舶、观光旅游类船舶以及特种用途类船舶。

其中运输类船舶有散货船、集装箱船、滚装船、运木船、多用途货船、冷藏船、油船、化学品船、液化气体船、客船、车客渡船、拖船、驳船等各型船舶。

每种船舶的设计都有各自的特点。

1.2船舶设计的组成部分

每艘船舶设计都是由许多部分组成的一个大系统。

通常，自航运输船舶至少有以下各部分组成：

船体与结构——具有支持全船重量的浮力；

满足装载和安装各种设备所需的容积和地位；

有优良的各项性能（如稳性、快速性、分舱与破舱稳性、耐波性等）；

其结构能保证水密完整性和必要的强度、刚度以及能避免发生有害的振动。

主机与控制——推动和控制船舶以不同的航速航行。

舵装置——控制船舶的航向。

电站——发电和配电，向船上各种用电设备供电。

助航和通信——确定船位，避免碰撞，保持对内和对外的通信联络。

船体开口的关闭装置——保证船体开口能处于关闭状态，以确保船舶和货物及人员的安全。

货物装卸和配载——把货物高效、合理地装进或卸出货舱。

消防——限制火灾蔓延的防火分隔，探知火灾发生和报警以及灭火。

救生——船舶遇难时船上人员自救和营救落水人员。

锚泊和系泊——保持船舶在锚地和码头边停泊时的船位。

防污染——控制油类和其他有害物质对环境的污染。

生活设施——保护和维护船上人员生活的舱室和设备。

以上各部分的设计涉及多门专业。

船舶设计是分专业，分部门协调完成的。

通常，船舶设计分为船体、轮机、电气设计三大部分（不包括各种通用设备产品的设计），其中船体设计又分为总体、结构和舾装设计三部分。

以上各专业和部分的设计工作相互间的关系,如图1所示，其中总体设计与其他各部分的设计都有密切的关系。

总体设计的工作主要包括：

主（要）尺度和船型参数的确定、总布置设计、型线设计、各项性能的计算和保证。

图1船舶设计关系框图

根据以上所述可知：

一艘船是由许多不同功能的部分所组成的，各部分既是一个独立的系统，相互间又有密切的联系；

设计工作是由多种专业合作协调完成的。

因此，船舶设计的一个特点是：

必须贯彻系统工程的思想，考虑问题要全面，决策时要统筹兼顾；

在总体设计中一定要处理好主要矛盾和次要矛盾的关系，要协调好各部门的工作，既要使船舶的各部分充分发挥自身功能．又要使相互关系达到最佳的配合。

船舶设计的另一个特点是：

设计工作是由粗到细，逐步近似，反复迭代完成的。

船舶设计也可以说是一个多参数、多目标、多约束的求解和优化问题。

例如，最初粗估的船舶主尺度完全可能是不能符合各项要求的，只有通过反复迭代、逐步近似的设计过程来校验和修正，才能得到最终的可靠结果。

1.3船舶设计的基本要求

船舶设计是一项涉及面很广的复杂工作，对设计的要求也是多方面的。

下面从一般意义上归纳一下船舶设计的一些基本要求。

（1）经济、适用

所谓适用是指船舶能满足预定的使用要求。

对运输船舶而言，主要是保证运输能力和提高运输质量，如装载能力、航速、装卸效率等；

对于专用的作业船舶和海洋平台，要能具备完成特定的施工或作业的能力，并能保证作业质量。

此外．船舶的航海性能、操作、船员的生活设施等也是影响适用性的重要因素。

保证新船的适用性是设计中处理各种矛盾时首先要考虑的因素。

提高船舶的经济性是设计工作的重要目标。

船舶的经济性涉及三个基本要素，即建造成本、营运开支和营运收入。

设计中的技术措施是否恰当，决策是否正确，对船舶的经济性会产生很大的影响。

设计工作中必须把经济性放在十分重要的地位来考虑。

有时，一项好的技术措施可能会节约大笔的投资。

但是，一般来说，设计中经常遇到的是技术性能和经济性相互矛盾的情况，这就需要进行技术与经济的综合评估或论证，使之得到合理的统一。

综观现代船舶的发展、新船型的出现和新技术的采用，无一不是受经济因素的刺激。

经济是技术发展的基础和动力，技术是实现经济目的的手段和工具，两者相互渗透、相互推动。

（2）安全、可靠

船舶的安全是关系到人命和财产以及环境污染的重大问题。

因此，安全性是船舶的一项基本质量指标。

为保证船舶的安全，政府主管机关制定了船舶设计和建造的法规，国际组织（例如IMO——国际海事组织）通过政府间的协定，制定了各种国际公约和规则。

这些法规、公约和规则对船舶的安全措施提出了全面的要求。

政府法规是强制执行的，凡是船籍国政府接受、承认或加入的国际公约和规则都纳入在法规之中，船舶设计必须满足这些法规的要求。

此外，人级船舶还要满足船级社制定的人级与建造规范，规范的规定主要也是基于船舶安全方面的考虑。

总之，船舶设计中必须严格遵守法规和规范的规定，满足法规和规范的要求，这是保证船舶安全的最基本的措施。

此外，船舶设计中的可靠性问题也必须加以重视。

船舶使用周期长，船上重要设备和部件的可靠性对安全性和经济性影响很大。

某些设计或设备虽然能满足有关规定，但其可靠性仍可能有很大差别。

因此在设计方案的优选和设备的选用中对可靠性问题要给予充分的重视。

（3）先进、美观

设计的船舶要具有先进性，设计的结果要追求完美性。

先进是指性能优良、技术和装备先进；

完美是指矛盾处理适当、问题考虑周到、布置有序、造型美观。

总体的布置除了要考虑功能以外，造型美观也是要考虑的一个重要方面。

随着人们生活水平和文化修养的提高，对美观和舒适的要求越来越高，设计要求新求美。

有人说“看上去好的船才是好船。

”这当然是夸张的说法，但在评价一项设计时，直觉无疑起着重要的作用。

一项完美的设计会给人耳目一新的感觉，是一种艺术的享受。

1.4船舶设计阶段的划分

根据现代造船的特点，船舶设计一般分为初步设计、详细设计、生产设计和完工文件四个阶段。

下面对各阶段的工作重点和主要工作内容作一介绍。

1.4.1初步设计阶段

初步设计阶段是产品设计的承前启后的重要阶段，主要任务一是配合造船单位为签订造船合同提供全船技术规格说明书、总布置图、中横剖面图、主要设备规格厂商表等。

初步设计的前期工作可因船而异，适当增减；

二是造船合同签订后，按合同及其技术文件的要求，对全船总体性能、结构、装置、系统等进行设计计算和必要的试验，确定主要技术形态；

三是为详细设计提供必要的技术条件和依据。

这一阶段的主要工作，是在深入分析任务书和调查研究的基础上，从全局出发，提出船体、轮机、电气不同专业方面的各种可行性方案，进行分析比较，得出一个能满足船东要求的合理的设计方案。

在这一阶段的工作中，船舶总体设计是最关键的。

它需要对船舶主要要素的决定、总布置、主机选型、船体型线、主要性能等方面进行细致的工作，通过计算、绘画、必要的模型试验及分析论证等技术手段，得出决定全船技术形态的总体方案。

与此同时，在船体基本结构，主要舾装设备、机舱布置、电力负荷及电站配置、机电设备选型等方面开展初步设计。

1.4.2详细设计阶段

详细设计的依据是造船合同和经审查通过的初步设计技术文件。

主要任务一是对各个具体技术专业项目的设计计算和图纸的绘制，解决设计中基本的和关键的技术问题，最后确定船舶全部技术形态、各项技术要求和标准；

二是提供船舶检验，用船单位和有关部门送审认可的图纸文件；

三是提供造船部门所需的材料、设备、备品、备件清单；

四是为生产设计提供必需的技术条件和依据。

该阶段的设计内容是在上一阶段的总体设计的基础上，对各个局部的技术问题进行深入分析，开展各个分项目的详细设计和计算，调整和解决船、机、电各方面具体的问题和矛盾，最终确定新船全部的技术性能、结构强度、各种设备、材料以及订货的技术要求等等。

在详细设计阶段中，还要进行设计送审工作，即将设计图纸和技术文件送法定检验机构和所入船级社审查。

法定检验机构和船级社对送审的图纸资料目录有具体的规定。

审查通过后还需根据审图意见对设计图纸进行修改。

详细设计完成的主要技术文件也需得到船东的认可。

1.4.3生产设计

生产设计是在详细设计的基础上，根据船厂的条件和特点，按建造的技术、设备、施工方案、工艺要求和流程、生产管理等情况，设计和绘制施工图纸以及施工工艺和规程等文件。

主要任务一是提供建造方案和施工要领；

二是提供表示零部件加工、装配程序和施工图；

三是提供管理图表；

四是实现船舶建造中有关生产、技术、质量管理的协调统一，提高生产效率和经济效益。

生产设计的图纸技术文件目录，由各造船单位确定。

生产设计的详细程度要求很高，要能反映组装和管理的要求。

因此生产设计相当于在计算机上预演完成船舶建造的全过程。

生产设计的详细、完整和深入的程度对提高造船质量、缩短建造周期和提高生产效率有很大的影响。

现代造船中，生产设计必须应用计算机来辅助设汁，否则难以适应制造、加工中应用计算机控制和管理的要求。

当前一阶段完成的是技术没计时，本阶段的设计一般称为施工设计。

施工设计的深度和广度一般不能完全满足建造施工的要求。

通常，施工设计的技术资料缺少施工工艺和施工技术规程等方面的内容，因此造船厂还需要补充施工工艺方面的设计工作。

1.4.4完工文件

完工文件是船舶设计的最后环节，也有的称为完工设计。

主要任务是根据造船单位对产品的实际施工情况和试验结果，编制完工图纸和技术文件，反映船舶设计和建造的实绩，供用船部门指导营运操作和维修管理之用。

部分完工文件如倾斜试验报告、各种装载稳性计算书等，必须送船检机构审查确定。

完工文件目录应在签订合同时明确，或在产品竣工前与用船部门商量确定。

1.4.5船舶设计的基本方法

不同历史时期，按照当时的技术条件，我国船舶设计采用的方法也经历了一个历史的演变过程。

（1）经验设计法

上世纪50年代，江南造船厂统计了大量有关船舶修造的数据资料，并归纳成有效的经验公式设计法，在设计时加以应用；

解放后，许多船舶设计和机电设计的经验公式是根据英美专业书籍和手册中取得，如“Shipdesign”、“Marineengineeringhandbook”；

50年代中期，引进大量的苏联造船技术资料，不论在船舶总体、结构、舾装等设计或轮机动力装置、管系系统以及电气等设计上都采用苏联的经验公式，进行船舶设计计算。

80年代引进日本和欧美一些国家的船舶设计资料，使得经验设计的公式和范畴大大增加，经验公式的先进性和准确程度大为提高。

（2）规范设计法

70年代开始，各船舶设计单位及船厂设计研究部门，为加速设计进度，缩短设计周期和提高设计质量，逐步采用规范化的设计方法。

这些规范设计的具体要求：

一是要求根据各国船级社规范的规定公式进行设计；

各国船级社都制订有船舶建造和入级规范；

许多国际组织如IMO等等也对船舶有关设备内容规定了许多法规要求。

因而在船舶设计时为了取得船舶入级证书和航行证书，都必须遵守有关规范或法规的要求，并把这些规定公式作为设计计算的最低要求的依据。

二是根据各国船舶专业标准规定的要求进行设计。

50年代初，在船舶设计中较多采用的是德国DIN等西方标准，50年代中期起采用苏联FOCT船舶标准；

80年代后，则大多采用日本、美国和德国等专业标准进行船舶及其机械设备的设计。

三是根据设计部门自身编制的有关设计标准和设计通则等进行设计。

60年代后，船舶设计院所和各船厂设计部门都从统一船舶设计内容和设计计算方法为前提，根据自身过去积累的设计经验以及收集到的国内外可靠的设计资料，以不同的船型和各项专业项目，编制成为本部门船舶设计的各类设计规定和内容和标准。

（3）母型设计法

主要方法：

一是实物测绘法，二是综合比例放样设计法。

如在“长山号”浮船坞设计中，设计人员到上海船厂综合放样台，与工艺人员一起进行该坞的综合比例放样图绘制工作，并从综合图上绘制零部件施工图。

三是模型模拟设计法，利用缩小比例的模拟模型进行试验或试装等方法，取得设计的最佳值进行设计。

在船舶设计上应用模型模拟设计法最早是船模和推进器，利用缩小比例的船舶模型（装上推进器）在水池中进行试验，得出最佳的设计值。

利用船模不但可得到最佳船舶性能设计，且不断开发新船型。

上海船厂曾利用1：

1机舱模型方法进行900马力港作拖轮批量船的动力装置机械设备、风、水管等的布置的设计制造。

设立机舱模型组，利用缩小比例的机舱模型设计法，作为机舱布置和管系图的施工设计绘制依据，大大提高了设计图纸的精确度和施工质量。

1.4.6船型开发设计

船型开发是船舶设计永恒的主题。

船舶产品与其他制造业相比，最显著的特点在于船舶产品从本质上讲是单件或小批量生产的产品。

三大主流船型即散货船、油船、集装箱船的造船量占全球造船总量的97%以上，以大、中型散货船为例，可分为灵便型、巴拿马型、超巴拿马型、好望角型等系列，而其中以灵便型为例，又有小灵便型、普通型、大灵便型，即便是大小相仿的同一类船，也会表现出个体的差异，如同一个船东造两艘同一型船，可能会因为这两艘船将服务于不同的海域、往返于不同的港口、需针对不同的港口设施和海域情况在设计上作局部的调整。

因此，造船界、航运界的有识之士都曾指出：

船厂单靠自身的积累不可能具备建立船模试验水池这样研究手段的能力，但是产学研联合的技术创新模式可使船厂拥有了国内、国际的资源，技术开发资源的有效组织使船型的开发设计更具有优势。

（1）开发船型

在开发船型上，船厂从联合设计到市场的引导，大都经历过三个阶段：

①联合设计阶段。

这一阶段主要是学习提高，学习船型、学习关键技术；

提高自主开发船型的能力和水平。

一般是国外设计公司做基本设计，我们做详细设计和生产设计。

②市场导向阶段。

这一阶段主要是根据市场的需求，自主开发适合市场的产品，在市场中处于从属地位。

③引领市场阶段，目前正处于这一阶段的初期。

（2）突破性的关键技术研究

掌握船舶设计的共性关键技术，加强与国内外船东和船级社在新船型关键技术的研发合作是个好办法。

市场驱动的研发战略。

根据市场需求，开发技术先进的船型是设计科研院所的研发战略，满足市场需求的船型才是有生命力的船型。

国内外大船东的优势。

国内外大船东一般都拥有和管理着上百条船，而且每年都有大量的新船订单。

少则五六条，多则十几条，而且一般都是大船。

无论是日本、韩国还是国内的大船厂，都对这些船东格外重视。

因为和大船东的合作就意味着批量船和大船，以及稳定的长期合作。

国际著名船级社的优势。

船级社是审图和验船的机构，同时他们又参与规则、规范的制定与修改。

船级社由于审图和验船的原因拥有大量的新船型资料，这使他们可及时得到最新的设计信息。

同时一些国际著名船级社，如LR、ABS、DNV、GL等，自身都有一定的研发能力，他们的专家对主流船型，尤其是高端船型会长期跟踪研究开发。

一些船级社还掌握着某种船型的关键技术，如GL对集装箱船有十分丰富的经验和先进的设计理念。

而ABS则对油轮有独到的研究。

由于船级社的特殊身份，他们在技术上拥有无法比拟的权威性，深得船东和船厂的信赖。

2.船舶制造的生产过程及工艺流程

2.1船舶制造的生产过程

船舶的制造过程比较复杂。

按照现代造船工艺学的观点，船舶制造可分为3种类型的生产作业，即船体制造、船舶舾装和船舶涂装。

船体制造是将船用钢材制成船舶壳体的生产过程。

从生产的顺序来划分，船体制造包括3个步骤：

（1）将原材料制成船体零件；

（2）将零件组装成部件或进而再组装成分段和总段；

（3）将零、部件或分、总段总装成船体。

船舶舾装是将各种船用设备、仪器、装置和设施等安装到船上的生产过程。

按作业区域和专业来分，船舶舾装包括甲板舾装、住舱舾装、机舱舾装和电气舾装等工作内容。

按工作地点和阶段来分，有内场预制舾装、外场分段舾装、船台舾装和码头舾装（后两者统称为船上舾装）。

船舶涂装是对全船进行除锈、涂漆的生产过程。

按作业顺序来分，船舶涂装可分为钢材表面预处理、分段除锈及底漆喷涂（即分段涂装）、下水前船体外部面漆涂装和交船前船舶进坞进行完工涂装等几个阶段（后两者统称为船上涂装）。

2.2造船基本工艺流程

造船的主要工艺流程如下：

2.2.1钢材预处理

钢材预处理即在号料前对钢材进行的矫正,除锈和涂底漆工作.船用钢材常因轧制时压延不均,轧制后冷却收缩不匀或运输,储存过程中其他因素的影响而存在各种变形.为此,板材和型材从钢料堆场取出后,先分别用多辊钢板矫平机和型钢矫直机矫正,以保证号料,边缘和成型加工的正常进行.矫正后的钢材一般先经抛光除锈,最后喷涂底漆和烘干.这样处理完毕后的钢材即可送去号料.这些工序常组成预处理自动流水线,利用传送滚道与钢料堆场的钢料吊运,号料,边缘加工等后续工序的运输线相衔接,以实现船体零件备料和加工的综合机械化和自动化.

2.2.2放样和号料

船体外形通常是光顺的空间曲面.由设计部门提供的用三向投影线表示的船体外形图,称为型线图,一般按1:

50或1:

100的比例绘制.由于缩尺比大,型线的三向光顺性存在一定的误差,故不能按型线图直接进行船体施工,而需要在造船厂的放样台进行1:

1的实尺放样或者是1:

5,1:

10的比例放样,以光顺型线,取得正确的型值和施工中所需的每个零件的实际形状尺寸与位置,为后续工序提供必要的施工信息.船体放样是船体建造的基础性工序.

号料是将放样后所得的船体零件的实际形状和尺寸,利用样板,样料或草图划在板材或型材上,并注以加工和装配用标记.最早的放样和号料方法是实尺放样,手工号料.20世纪40年代初出现比例放样和投影号料,即按1:

5或1:

10的比例进行放样制成投影底图,用相应的低倍投影装置放大至实际尺寸;

或将投影底图缩小到1/5～1/10摄制成投影底片,再用高倍投影装置放大50～100倍成零件实形,然后在钢材上划线.比例放样还可提供仿形图,供光电跟踪切割机直接切割钢板用,从而省略号料工序.投影号料虽在手工号料的基础上有很大改进,但仍然未能摆脱手工操作.

60年代初开始应用电印号料,即利用静电照相原理,先在钢板表面喷涂光敏导电粉末,进行正片投影曝光,经显影和定影后在钢板上显出零件图形.适用于大尺寸钢板的大型电印号料装置采用同步连续曝光投影方式,即底图和钢板同步移动,在运动过程中连续投影曝光.适用于小尺寸钢板的小型电印号料装置,则在钢板上一次投影出全部图形.这种号料方法已得到较广泛的应用.

随着电子计算机在造船中的应用,又出现数学放样方法.即用数学方程式表示船体型线或船体表面,以设计型值表和必需的边界条件数值作为原始数据,利用计算机进行反复校验和计算,实现型线修改和光顺,以获得精确光顺和对应投影点完全一致的船体型线.船体的每条型线都由一个特点的数学样条曲线方程表示,并可通过数控绘图机绘出图形.数学放样可取消传统的实尺放样工作,还可为切割和成形加工等后续工序提供控制信息,对船体建造过程的自动化具有关键的作用,是造船工艺的一项重要发展.

2.2.3船体零件加工

包括边缘加工和成形加工.边缘加工就是按照号料后在钢材上划出的船体零件实际形状,利用剪床或氧乙炔气割,等离子切割进行剪割.部分零件的边缘还需要用气割机或刨边机进行焊缝坡口的加工.气割设备中的光电跟踪气割机能自动跟踪比例图上的线条,通过同步伺服系统在钢板上进行切割,它可与手工号料,投影号料配合使用.采用数控气割机不但切割精度高,而且根据数学放样资料直接进行切割,可省略号料工序,实现放样,切割过程自动化.

对于具有曲度,折角或折边等空间形状的船体板材,在钢板剪割后还需要成形加工.主要是应用辊式弯板机和滚压机进行冷弯，或采用水火成形的加工方法,即在板材上按预定的加热线用氧-乙炔烘炬进行局部加热,并用水跟踪冷却,使板材产生局部变形,弯成所要求的曲面形状.对于用作肋骨等的型材,则多应用肋骨冷弯机弯制成形.随着数字控制技术的发展,已使用数字控制肋骨冷弯机,并进而研制数字控制弯板机.船体零件加工已从机械化向自动化进展.

2.2.4船体装配和焊接

将船体结构的零部件组装成整个船体的过程.普遍采用分段建造方式,分为部件装配焊接,分段装配焊接和船台装配焊接3个阶段进行.

部件装配焊接:

又称小合扰.将加工后的钢板或型钢组合成板列,T型材,肋骨框架或船首尾柱等部件的过程,均在车间内装焊平台上进行.

分（总）段装配焊接:

又称中合拢.将零部件组合成平面分段,曲面分段或立体分段,如舱壁,船底,舷侧和上层建筑等分段;

或组合成在船长方向横截主船体而成的环形立体分段,称为总段,如船首总段,船尾总段等.分段的装配和焊接均在装焊平台或胎架上进行.分段的划分主要取决于船体结构的特点和船厂的起重运输条件.随着船舶的大型化和起重机能力的增大,分段和总段也日益增大,其重量可达800吨以上.

船台（坞）装配焊接:

即船体总装,又称大合拢.将船体零部件,分段,总段在船台（或船坞）上最后装焊成船体.排水量10万吨以上的大型船舶,为保证下水安全,多在造船坞内总装