王 堃, 汪 骥,b, 刘 晓

( 大连理工大学 a. 船舶工程学院, b.工业装备结构分析国家重点实验室， 辽宁 大连 116024)

大型船舶总段建造重量重心控制技术

王 堃a, 汪 骥a,b, 刘 晓a

( 大连理工大学 a. 船舶工程学院, b.工业装备结构分析国家重点实验室， 辽宁 大连 116024)

为解决建造实船重量、重心与设计目标不符等问题，船舶建造中需进行重量、重心控制，而其中大型船舶总段重量、重心控制难度较大。以大型船舶总段为对象，综合分析船舶轻量化因素，结合数理统计等思想，建立分段重量控制模型和重心计算算法，为其设计公差分配。通过所开发的软件，协助建造者进行项目管理。

轻量化；重量、重心控制；船舶总段

0 引 言

轻量化研究已从飞机、汽车领域拓展逐步至船舶领域，尤其是在海洋平台方面，轻量化作为一个重要的标准落实到设计和生产过程中。在海洋平台建造中，生产设备重量变化是造成重量、重心误差的主要因素。然而，船舶相比于海工，影响其重量、重心的因素却有很多。

之前，船舶多在设计阶段中考虑减轻重量和保证重心，却由于建造过程中管理不严、重量误差累积等缘故，造成建造完工后的重量远超出设计重量，重心位置偏离目标位置等情况。为减小误差，提高建造质量，船舶轻量化建造即重量、重心控制研究必不可少。

重量、重心控制技术是项目管理中重要的一环，必须在建造过程中通过计算和控制，保证设计初期设定目标的实现，保证船厂在建造过程中重量、重心的精度要求，做到数据化和程序化管理，提高船厂造船的建造水平和生产管理水平。国内船舶与海洋领域轻量化研究主要集中在海洋工程方面，刘玉君等[1]研究了精度控制中有关尺寸链的计算方法；李艳君等[2]研究了海洋结构物重量、重心精度控制方法；王洪庆等[3]研究了半潜平台重量、重心调平方法。本文首先针对船舶轻量化建造做出分析，其次以船舶尺寸链等为数学基础，结合数据统计思想，研究超大船舶分段建造重量、重心控制和公差分配，最后设计开发软件，帮助建造者动态调整重量、重心，实现船舶建造的轻量化和数字化。

1 船舶轻量化建造

船舶建造[4]过程中的重量误差积累占导致重量和重心误差原因的很大一部分，尤其是艏艉端分段的重量对重心位置的影响最大。大型船舶总段不便于称重，导致在建造过程中工程师对其重量、重心难以把握。因此，控制好总段内每个小分段乃至构件的重量大小，分配好公差，是船舶轻量化建造以及重量、重心控制的重要手段之一，这也对建造者的管理能力提出巨大挑战。

船舶建造主要可以分以下几个阶段：构件阶段、组件阶段、分段阶段、总段阶段、超大总段阶段以及船体阶段。为控制船舶总段乃至船体重量大小和重心位置，每个阶段都需统计信息。构件称重方便，也最易统计，要想实现精细化造船，则应从构件阶段开始统计，随后依次上升，按照船舶各个阶段顺序进行管理。重心位置可以以选件的安装线为基准，朝向船首为正，船尾为负。在各个阶段，统计其阶段结构物的重量大小和重心位置，以设计时的编号为排序，依次排列收入数据库。

另外，轻量化建造中的控制问题一直是一个难点。本文重量、重心控制思路采用的是实时反馈式思路，即从构件建造阶段开始直至船体最终合龙的全部流程进行实时监控，将实际测量数据与计算给出的公差要求进行对比，并将数据进行总结。公差计算主要以数理统计等数学基础为背景，随后通过计算机进行模拟搭载，计算机做出智能判断，预测下一道工序所允许的公差，计算机循环往复完成各个阶段流程。图1为计算机每个阶段的轻量化管理步骤流程。

图1 轻量化管理流程图

2 船舶重量及公差分配

2.1 尺寸链原则

船舶公差分配基础为尺寸链原理，即将公差分配至各个环。船体公差TY可由各船体组成环公差求得

分配思路可先按船厂原先经验，从各个方面出发，给出各个组成环公差，然后校验核算。

现阶段主要有3种公差分配方法[5]：等精度法、协调法和比例法。

(1) 等精度法。将各组件预设相同精度等级，由封闭环公差求出平均公差Ta，再按零件加工难易程度凭经验进行调整。

(2) 协调法。依据尺寸，给定所选船体重要建造目标额定公差，将剩余公差分配给其他次要构件，用分配公式对公差进行动态调整。

(3) 比例法。由于船体部件有建造难易之分以及经济性大小之分，则该方法给定比例系数C，然后代入比例系数得到公差。难加工的船体构件，取C>1；易加工的船体构件，取C<1；中等加工程度的零件，取C=1。在建造过程中，应用比例法分配公差，参考实际工作经验来选取比例系数C的大小，同时考虑构件的生产成本，达到建造的精度目标。

2.2 重量、重心公差分配计算方法

设δ为偏差，r为传递系数，δ+为上偏差，δ-为下偏差，e为中间偏差，其值为上下偏差平均。

(1) 重量公差分配方法为

(2) 重心位置(船宽方向为例)公差分配方法为

2.3 船体建造分段重量、重心动态调整方法

船舶分段建造完成后，将测得的δ与设计计算的公差进行比较并动态调整[6]。

(1) 设计值大于真实值，公差有剩余。将剩余的公差值按着公差分配算法重新分配至其他船舶分段或零件上。

剩余公差由下式计算：

(2) 设计值小于真实值，误差超过要求。为满足建造精度要求，按上述公式(8)～(10)进行公差分配计算，并得出剩余各项结构的建造公差δ，然后依次进行迭代计算。若计算后某项分段的公差过小或建造能力无法满足，则重新制作该分段。

3 重量、重心控制软件开发

要实现上述功能，需进行程序开发[7]。由于C#语言的兼容性强、语言简洁等特点，本程序考虑选定其作为开发语言，并结合Tribon软件、OpenGL、SQL数据库和报表软件，为建造者设计重量、重心软件[8]，提供进一步指引。

为方便建造者获取设计信息，将研发中心设计成果较容易地转变到生产实际中，重量、重心软件设计了数据模块。对Tribon软件进行二次开发[9]，抽取生产设计中信息。

数据传输模块的作用有2点：(1)将Tribon软件中的设计数据抽取出来，如结构图形数据、位置数据、重量数据和重心位置数据等。(2)用户数据存储，用户将资料信息、账户信息以及手动输入工程数据等传输并存储进SQL数据库。在数据库内，将数据库按船体结构分层，以便存储数据。现将其分为船体、超大总段、总段、分段、组件和构件等6块分层[10]。表1为系统信息存储内容及类型表。

表1 系统信息存储内容及类型

为使建造者更直观地掌握建造目标信息，重量、重心软件设有显示模块。显示模块作为显示界面，用于用户交互显示，将船体、分段以及组件等通过OpenGL软件将其图形绘制出来。用户可直观地了解现建造阶段模型样式，并能智能化地操作该界面。图2为重量、重心界面。

图2 重量、重心界面

用户可以通过界面操作进入重量、重心计算模块。该计算模块为核心模块，基于数据统计的数学背景，运用算法计算局部乃至整体的重量大小以及重心位置。操作人员将其实际试验测得的重量和重心输入系统，系统自动进行比对，计算公差分配，得出后续建造分配指引以及修改意见。系统进行自动筛选，与数据传输模块进行连接。

最后，软件应有输出模块，用来实现各类报表和帮助文件的输出。本软件采用水晶报表进行系统报表处理，将各阶段的实际偏差和设计目标进行比对输出。图3为报表选择界面。

图3 报表图

本系统的优点在于，用户和软件的交互模式。系统能直观动态地将各类信息展示给使用者。系统自动将生产设计时的Tribon模型数据抽取，节省大量的人力成本和时间成本。并且该系统基于Tribon软件之上进行计算处理，继承了Tribon系统的众多优点，能适用于多种多条船舶建造。

4 结 论

大型船舶分段建造轻量化研究是新船舶建造理念下必不可少的研究方面。通过计算机辅助，建造者能够及时掌握阶段目标信息，从而根据软件计算结果及预报结果，对产品建造进行动态调整，达到项目管理的数字化及科学化。本文对船舶轻量化建造、重量、重心控制思路进行研究，以尺寸链和公差分配为数学基础，设计分析软件，进而实现船舶超大分段建造中的重量、重心控制，为生产建造提供数字指引。本文研究成果可以为船厂质量化、精细化造船作出贡献，提高企业生产效率，降低造船成本，为企业轻量化造船奠定基础。

[ 1 ] 刘玉君, 李艳君. 船体建造精度控制中的尺寸链计算方法[J]. 中国造船, 2004, 45(2):81-87.

[ 2 ] 李艳君, 刘玉君. 海洋结构物重量及重心位置精度控制研究[J]. 大连理工大学学报, 2008, 48(4):533-535.

[ 3 ] 王洪庆, 孙立强, 李德江,等. 半潜平台总体强度模型重量重心调平方法[J]. 船海工程, 2015(2):154-156.

[ 4 ] 周巍, 张维俊. 水面舰船研制过程中重量重心控制方法[J]. 中国舰船研究, 2012, 07(4):1-5.

[ 5 ] 胡日强. 船体建造精度控制关键技术研究[D]. 大连：大连理工大学, 2006.

[ 6 ] 李杨, 王匀, 张永康,等. FDSO浮力超常制造动态重心精度控制原理研究[J]. 船舶工程, 2013(4):82-85.

[ 7 ] 邵国良, 王新, 彭飞,等. 舰船重量重心控制系统设计[J]. 船海工程, 2007, 36(1):11-13.

[ 8 ] TSAO J. Development of a Weight Control System for Ship Construction[J]. Mechanical and Electro-Mechanical Engineering, 2005.

[ 9 ] 朱胤逵. 基于Tribon多平台数据交换技术研究[D]. 大连：大连理工大学, 2015.

[10] 萨师煊, 王珊. 数据库系统概论[M].北京: 高等教育出版社, 2001.

WeightandGravityCenterControlTechnologyofLarge-ScaleShipBlockBuilding

WANG Kuna， WANG Jia,b， LIU Xiaoa

(a. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, b.State Key Laboratory of Structural Analysis of Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China)

In order to solve the problem that the weight and gravity center are not consistent with the design target, the weight and gravity center control must be carried out during the ship construction, but it is difficult for large ships. The block of the large ship is taken as the object, and the ship lightweight factors are analyzed comprehensively. The sectional weight control model, the gravity calculation algorithm, and tolerance are established combined with mathematical statistics. This software is designed to help the engineer to manage the projects.

lightweight; weight and gravity center control; block

国家科技支撑计划子课题任务项目(编号：2014BAF12B07)

王 堃(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为船舶与海洋工程

1000-3878(2017)06-0048-04

U661

A