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船舶舾装模块化设计与制造的现状及发展方向

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行业动态
作者:
2017/11/28 18:05
【摘要】:
中国造船工业从20世纪80年代初开始与日本的造船业合作,引入设计、制造、管理技术,经过17年才改变传统的系统导向型造船模式,基本建立了区域导向型的现代造船模式。尽管这种模式尚处在初级阶段,但这对中国造船工业却是一次十分深刻的造船“革命”。  船舶工业的生产过程是一个复杂的有机的整体大系统,随着计算机技术、信息技术在工业中的广泛应用,造船行业正经历着又一次新的技术革命,其目标是通过现代集成制造技术带

  中国造船工业从20世纪80年代初开始与日本的造船业合作,引入设计、制造、管理技术,经过17年才改变传统的系统导向型造船模式,基本建立了区域导向型的现代造船模式。尽管这种模式尚处在初级阶段,但这对中国造船工业却是一次十分深刻的造船“革命”。

  船舶工业的生产过程是一个复杂的有机的整体大系统,随着计算机技术、信息技术在工业中的广泛应用,造船行业正经历着又一次新的技术革命,其目标是通过现代集成制造技术带来造船业更高的经济效益,其主要特征是由区域导向型造船走向中间产品导向型造船。这其中核心技术是基于设计制造一体化的船舶模块化建造技术的发展。

  本文首先就目前国内外模块化造船技术发展现状作一概述,然后重点对船舶模块化设计制造技术的开发与实施进行分析,以为国内向以中间产品为导向的船舶模块化设计制造技术的研究与应用提供思路.

  1 国内外模块化造船的现状

  纵观船舶制造技术的发展,由于制造技术和设计技术的不断进步,已经经历了三个历史阶段,当前正处于第四个阶段,正在形成未来的第五个阶段,即更高水平的造船技术一敏捷制造技术(简称AMT)。目前综合船舶生产模式、企业生产要素密集状态、生产过程断续分界和国外新一代造船技术的研究开发,可归纳如下造船模式的五个发展阶段:

  第一阶段:系统导向型造船模式――船台散装、码头舾装、整船涂装.

  第二阶段:系统和区域导向型造船模式――分段建造、预舾装、预涂装;

  第三阶段:区域、类型和阶段型造船模式――分道建造、区域舾装、区域涂装;

  第四阶段:中间产品导向型阶段――壳舾涂一体化;

  第五阶段:产品导向型阶段――设计制造一体化。

  前两个阶段属于传统造船技术,中间两个阶段属于现代造船技术,第五阶段属于来造船技术。现代造船模式可以理解为以统筹优化理论为指导,应用成组技术原理,以中间产品为导向,按区域组织生产,壳舾涂作业在空间上分道,时间上有序,实现设计、生产、管理一体化,均衡、连续的总装造船。

  船舶建造的模块化概念始于二战期间美国的大量造船,当时,美国曾拥有165万造船职工,建造了军用舰船1768艘。大量标准船的建造促进了焊接技术和分段建造技术的发展。这些建造技术又在20世纪50年代由日本造船业加以发展,60年代,则结合成组技术产生了今天模块化建造技术的雏形。1971年,前苏联正式提出了模块化造船方法,于1977年用此方法建造了10万吨级的“鲍里斯.布托玛”矿油两用船。随后美国开始研究模块化造船方法并开始组织生产,到70年代末,美国的模块化造船思想更趋成熟。80年代中期,我国造船业引入模块化造船,开始了模块化造船技术的研究和探索。由于模块化造船具有明显的优越性而表现出强大的生命力,发展速度很快,从长远来看,它的推广和逐渐完善无疑将带来造般工业上的一场革命。

  2 成组技术与中间产品

  传统的造船模式采用功能型组织结构,即按共同的生产活动调集资源。工程师和生产人员按功能组织起来。而现代造船模式采用产品导向型组织,即以产品导向型工程分解和成组技术为基础。中间产品是指生产的作业单元,是对最终产品进行任务分解的一个组成部分,也是逐级形成最终产品的组成部分。成组技术(简称GT)适宜多品种生产,即多种产品小批量生产.设计和生产以同一方法加以组织,均以同一产品为目标,在造船中即以中间产品(Interim Product)为目标。一切设计、计划、船体建造、舾装和涂装均按船舶的地理区域进行,船厂把整艘船舶作为最终产品,用工业工程的方法把它分解为零件和层层部件(部件、分段、总段、舾装单元等)以及特定的任务(如涂装、调试、试航)称之为“中间产品”。把所有“中间产品”委托给厂内外专业化高效的生产组织制造,这种先进的造船方法称之为“中间产品”导向型法。“中间产品”是一种概念导向,其目的是将传统的生产过程加以层次化分解,其实质是船舶设计数据信息的一种管理方式。

  现代造船理论的技术权威契里洛先生认为,为了多品种,少批量生产获得大批量生产的效益,合乎逻辑的有序设定公司面临的所有工作,必须应用成组技术。国际一流水平的船厂有序设定工作采用“产品导向的工程分析”(PWBS). PWBS包括船体分道建造法、区域舾装法、区域涂装法。所谓区域是包含一个“族”的产品,如零件、部件、组件、分段或采用特定形式服务的作业。生产者把信息和物资转换为中间产品。

  现代造船企业趋向于总装厂方向发展,其主要任务将只是船体制造和管子制作。近10多年来我国建造出口船舶的经验表明,管子制作已成为船厂生产中的一条短线,影响着造船的进度和产量,并直接关系到船舶建造成本和船厂信誉。推行造船生产设计是解决这一问题和缩短造船周期的有力措施。生产设计开创于日本,早在20世纪50年代初,曾担任日本造船学会会长、石川岛播磨重工业公司董事长的真藤恒先生受到美国汽车和航空工业生产体系中提供必要生产信息和数据方法的启示,在造船行业首次推行了生产设计。我国自1978年开始,从日本引进了生产设计的概念。经过二十多年的认识、探索、推广和提高,我国船舶行业的生产设计水平有了很大程度的提高。基本理顺了生产设计、生产管理和现场施工之间的协调关系。但是统计资料反映:我国造船业单船管子预舾装率几年来一直在65%-75%之间徘徊,与国外先进造船企业的生产率差距相当大,约差10~20倍。所以,我国不少船厂己将管子生产设计和加工列为技术改造的主要内容之一,如江南造船厂、沪东造船厂和广船国际等船厂纷纷引进先进的管子设计软件并对管子车间实施了改造。

  3 船舶舾装模块化

  模块化造船的概念贯穿于船舶的初始设计、建造过程和试航、操作过程。模块化造船的关键是模块化设计。

  基于模块化设计技术的模块化建造方法能够给造船业带来巨大收益,并为长远带来降低设计成本,缩短设计周期,使个性化产品和系列化产品之间的维护、更新、回收和设计再造变得更容易等好处。

  直至近几年,模块化造船概念的应用仍主要集中在有序的建造所需要的生产和装配计划上,生产设计继续按照传统的功能系统方式进行,结果在一张图上表示了一大堆以专业划分的工作,并没有去考虑诸如区域装配等模块化建造概念的应用。问题的关键在于设计,模块化建造不仅要求从系统观点出发,更要求从建造观点出发进行提前设计。这已不是生产设计和成组技术能够解决的问题,模块化船舶设计概念的产生源于设计优化、结构简化、功能单元化、目标多样化。

  造船模块可以定义为,具有标准尺寸和标准件,且主要部件具有可选性的最终产品的预制单元。这种预制单元可以是结构功能单元或系统功能单元。由于模块中含有可选部件,因此可作局部修改,以满足船东的使用要求。实现造船模块化可以从船体结构和船舶舾装两个方面同时推进,根据模块与船体的结构关系,顺装模块可以分为自持式模块和依附式模块两大类。

  自持式模块原先是分段或船上的预舾装单元,它具有独立的基座或支架结构,可以在内场预制,完工后在外场安装到船体上。将预舾装单元升级为造船模块,从设计与建造的角度来看,自持式舾装模块是真正的模块即实物造船模块。如:二氧化碳灭火装置、输液系统遥控阀组、海水淡水压力柜、燃油供油、凸轮轴滑油、普通船员舱室等典型船用模块。

  依附式舾装模块通常是指设计模块,因其设备布置范围较广或固定要求较高,实际建造中需以船体分段或船上区域的结构为依托,模块的预制性受船体建造进度所制约,但其设备的可选性和单元的通用性与自持式舾装模块相同,因而可以称为图面造船模块。

  这些模块的特征是:具有独立功能;具有完善的接口特性;互换性强;具有适用性和超前性:商品性。。

  除上述两类以设备为主的模块外,船上还有许多分布的舾装件。分布舾装件模块是依附式模块的一个特例,单元中通常没有供船东选择的主要设备,仅是舾装件在船体结构上布置的一种通用程式。分布舾装件主要是管路、电缆及其附件。其中主机周围的管路单元也可以做成自持式舾装模块,以开展“盆舾装”,这无疑将大大提高管系安装的生产率。分布舾装件模块中,典型的管路模块有管弄单元,单元所含管件可以绑在一起运送,在双层底分段建造的适当阶段装入箱形龙骨,同型船舶的管弄具有很强的相似性,只要在典型模块可选部件的规格尺寸上做适当的调整就可以用于一条新船;典型的电缆模块,如机舱主干电缆单元,单元所含的电缆按其放样长度预裁收卷,在船上舾装的适当阶段,随着船体区域的逐步延伸,将收卷电缆逐步拉放架设,实现电缆预舾装。

  近年来,对船舶舾装模块化的研究主要集中在开发各种船型中应用的自持式的舾装设备模块,而对直接影响造船水平和进度的管舾装模块的研究却很少。对管舾装模块的研究和开发可以从舾装生产设计出发,从典型的船型向类似船型发展。

  船舶管系设计是轮机设计中工作量最大、最复杂、最繁琐的部分,同时也是船舶制造过程中生产设计及工艺设计、加工制造和现场安装工作量最大、最复杂、最繁琐的部分。长期以来,船舶管路设计采用的是在头脑中进行三维构思而用二维绘图表达的传统方式,通过平面、立面、侧面及剖面等几个基本视图表达管路布置和管子加工信息。随着计算机软硬件水平的不断提高和计算机应用技术的不断进步,设计数字化技术实现了产品设计手段与设计过程的数字化和智能化。数字化设计优点集中体现在:减少设计时间、减少生产准备时间、提高生产效率、故障的早期诊断、使改变设计变得容易、尽量减少信息错误及面向生产的数据的可获得性。目前国际上和国内使用的集成化船舶设计软件主要有:TRIBON, CADDS5i, CATIA, NAPA等。近年来世界上许多造船发达国家应用计算机模拟造船,并取得了很大程度上的成功,同时也推动了船舶设计与制造向模块化方向发展。

  模块化造船相对于传统的造船法存在着巨大的优势,但是从目前国内外模块化造船的实践看,要达到真正的模块造船仍有很多工作要做,其中最主要的工作是设计方法的变更。也就是说,模块造船法要想取得突破性的进展,就必须开展模块化船舶的设计研究,充分发挥上述集成设计软件的优势,以管舾装模块化为目标,以舾装生产设计为途径,对管舾装模块的划分、结构形式、通用性、系列性、组合性、标准化、设计方法及相应的组织管理等进行研究是极为必要的,只有这样才能尽早实现设计、生产、管理一体化,实现真正意义上的模块化造船。

  4 未来造船模式展望

  传统的造船业被定义为3K行业,即肮脏、困难、危险的行业,是劳动力密集型产业。由日本造船学会钢船工作研究委员会编写,1975年出版的《钢船工作法》〔第一卷〕总论中,有四处论述了“壳舾一体化”。该著作在论述“未来的造船厂”时提出,把船厂中的“人”从繁重和肮脏的体力劳动中解放出来,改进作业方法,将“劳动力密集”的产业转变为“设备密集”和“头脑(知识)密集”的产业。

  传统的个性化商品与服务的目标是:通过收取来自满足顾客特定需要的解决方案附加值的奖金的能力,达到一个增长的收益。就造船业来讲就是船厂要千方百计的满足船东和船级社的各种要求。造船企业不得不采纳那些能够兼顾效率和用户化的战略。批量定制(Mase Customization,简称MC)迎接这个挑战,提供可以给予每个顾客确切想要的、大量生产的、个性化定制的商品和服务,价格仅仅稍高于批量生产的产品。MC是完全建筑在先进科技基础上的“知识密集”型的生产方式。结合造船其主要特征将可能是:以产品全面模块化和信息全部数字化为基础,动态链接的大规模的社会化生产。根据每个船东的不同需要,依靠其快速变异功能的设计系统和快速整合功能的制造系统,把分散在各地的各具专长的企业链接整合,快速地生产船舶。它将成为未来制造业的主导生产模式。唯有这种生产模式,能以低成本和高质量适应产品个性化的需求。模块化造船恰好是能够适应批量定制的要求,不断的开发和完善舾装模块,使得各种船型在一定可选性的基础上能够选用尽可能多的通用模块,这对于船舶制造以及运行中的维护都是非常有意义的。

  未来造船模式,就是造船计算机集成制造系统(Shipbuilding Computer Integrated ManufacturingSystem,简称SCIMS) 。未来造船技术创新,是集成一体化机制的更进一步发展。依靠信息高速公路、信息数字化和网络化把分散在异地的各家模块工厂、材料和设备制造厂、船厂等相互链接起来,及时地、可视化地异地联合生产,实时监控全部生产过程,形成一个动态的、以产品为导向的“无缝整合”的建造系统。这种SCIMS为未来的彻底的模块化造船提供了强有力的技术支持,只有在这样的系统中才能有效的实现彻底的模块化造船。

  生产中心造船模式是一种全新的综合型生产组织方式。它是一种独立的相对封闭的责任生产单元,它能建造专门的分段并开展相应的预舾装工作形成模块产品;或制造专门的功能(设备)单元模块;或进行总装工程形成终端产品。根据生产中心的性质可分成职能中心和制造中心;根据中心的设置位置和体系结构,又可分为实体中心和虚拟中心。虚拟中心比实体中心更具灵活性,也更具有竞争力。

  虚拟中心是一个虚拟企业,它是动态联盟的盟主工厂或称之为龙头企业,能充分发挥其承接造船订单、船台、船坞、合拢船舶和试航交船的能力。船体建造、舾装、涂装和管件制造的大量作业,将由各类高效的专业化的模块工厂承担。许多模块工厂为一家船厂提供所需的各类模块。一家模块工厂又为多家船厂供应其所需的高质量、低成本的模块。虚拟中心在信息技术和智能技术的支撑下,运用最先进的通讯联络监督控制方式,形成跨地域的高效联动,为船舶的设计制造,跨越时间和空间的限制,实现众多工厂和企业“无缝整合”和“异地同行”。这种彻底的模块化的总装造船方式使船厂和模块厂的生产效率骤增,成本骤降。

  以计算机应用技术为依托,以模块化总装造船为目标,以成组技术理论和敏捷制造思想为指导,实施批量定制的未来造船模式将造船业走向新纪元的标志。(全球化制造高级论坛暨21世纪仿真技术研讨会论文集)

  

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