我国数字化造船发展现状

Vol.30 No.3 2008 总第30卷，2008年第3期

我国数字化造船发展现状

曹玉姣

（武汉航海职业技术学院，武汉 430063）

摘 要：从数字化造船概念入手，分析了国内外数字化造船发展动态，以及我国在应用数字造船技术方面存在的主要问题.在此基础上,提出了我国实施数字化造船的若干建议.

关键词：船舶；数字造船；CAD/CAM/CAE；CAPP；CIMS；集成化；信息化 中图分类号：U662.9 文献标识码：A 文章编号：1000-6982 (2008) 03-0006-04

Development actuality about the digital shipbuilding in our country

CAO Yu-jiao

(Wuhan Marine College, Wuhan 430063, China)

Abstract: Start with the concept of the digital shipbuilding, this paper analyses the development trends in the digital shipbuilding at home and abroad, and points out the main problems in the application of the digital shipbuilding technology in our country. On this basis, some proposals about the implementation of the digital shipbuilding in our country have been put forward.

Key words: ship; digital shipbuilding; CAD/CAM/; CAPP; CIMS; integration; informationization

近几年，随着我国造船工业及其经济迅猛发展，信息化不仅支撑了企业的设计、制造和管理等各个方面，并且正在深刻地影响和改变着我国造船工业的体系结构和造船模式.数字化造船成为信息时代船舶工业利用数字化手段支撑和促进“壳、舾、涂一体化”、“设计、制造、管理一体化”等现代造船模式发展的数字化大平台.

1 数字化造船的概念

数字化造船就是以造船过程的知识融合为基础，以数字化建模仿真与优化为特征，将信息技术、先进的数字化制造技术、先进造船技术和现代造船模式，综合应用于船舶产品的设计、制造、测试与试验、管理和维护全生命周期的各阶段和各方面.通过数字化、集成化、网络化船舶产品的开发、设计、测试与试验、制造和管理平台，使船舶产品实现以数字建模和数字样机为核心的数字化设计、以生产制造与生产过程数字控制为核心的数字化制造、以虚拟样机和数字仿真为核心的数字化测试与试验、以现代造船模式和业务流程建模为核心的数字化管理，从而实现数字化造船.

收稿日期：2007-09-03；修回日期：2007-12-03

作者简介：曹玉姣（1979-），女，硕士研究生，教师.研究方向：运输经济与综合物流.

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具体来说，数字化造船主要包括三个主要部分：

1）数字化设计船舶—CAD/CAM/CAE等主体技术的广泛应用；2）数字化管理造船—CAPP（Computer Aided Process Planning, 计算机辅助工艺设计）、PDM（Product Data Management System,产品数据管理系统）、CIMS（Computer Integrated Manufacturing System，计算机集成制造系统）等船舶建造信息支持系统的全面建立；3）数字化建造船舶—数控制造技术和与其配套的船舶建造设备/设施的普遍采用[1].

2 国内外数字化造船发展动态 2.1 国外船厂数字化造船发展动态

世界造船强国从CAX开始，逐步由实施CIMS、应用敏捷制造技术向组建“虚拟企业”方向发展，形成船舶产品开发、设计、建造、验收、使用、维护于一体的船舶产品全寿命周期的数字化支持系统.在数字化造船技术方面，世界先进船厂采用了多种设计软件和造船系统，如CAD/CAM系统、NAPA三维CAD系统软件、Tribon造船系统等，其中Tribon造船系统是在当今造船界中最为流行，受到很多船厂的青睐.

表1、表2显示了日本和韩国先进船厂数字化造船的应用动态.

表1 日本船厂数字化造船应用现状

主要船厂 三菱重工 三井造船 石川岛播磨

数字化造船应用现状

20世纪80年代初，开发并采用完整的CAD/CAM系统及CIMS系统；

2005年，在自身开发MATES基础上，购入由芬兰设计公司开发的NAPA三维CAD系统软件，并且成功投入大型客船建造中.

自行开发采用MACISS设计系统，并整合了Tribon系统中部分模块.

开发出AJISAI系统，该系统可生成一个3D-CAD系统覆盖概念设计参数，建立三维模型到全船模型；此外，该公司还开发了KLEAN(船厂生产计划管理系统.

1997年开发并采用SUMIRE系统，从基本设计到船体结构设计、舾装设计、设备采购、生产计划和工厂自动化控制等整个造船流程进行集成和简化，其船体系统和舾装系统与联合造船共同开发，先进的三维建模系统是其核心系统；

2006年决定引进目前造船界最流行的Tribon造船系统，以替代自身开发的SUMIRE系统，用于分段建造和舾装工作.

自行开发并采用完整CAD/CAM系统（HICADEC）、自动套料系统JNEST+、以及数字造船机器人； 决定引进由日本IBM/达索系统公司提供的CATIA软件，用于舾装设计，同时还将CATIA与船体设计采用的HICADEC—A系统组合成三维CAD系统，并在所属的有明、鹤舞和津三家船厂实施.

1996年，川崎重工将Tribon系统产品信息和其自行开发的先进计算机集成信息管理系统CI2M进行整合，还和南通川崎实现了异地设计数据互通.

表2 韩国核心船厂数字化造船应用动态

企业名称 现代重工

数字化造船应用动态

20世纪90年代末，以PTC公司的Winchile为核心，开发出HICIMS集成制造系统，并全面实施.据称：该系统可使平均设计周期缩短约25%、平均建造周期缩短约10%；

目前，现代重工正在全面采用Tribon系统作为其主流的CAD/CAM系统.

韩国造船业界使用Tribon系统最好的一个船厂，该厂采用Tribon系统在实船上的应用、二次开发和CAD/CAM电子模型的覆盖程度相当高； 2004年8月，该公司全面启用新开发完成的信息一体化综合管理系统，公司综合效益每年可达5100万美元，生产效率可提高7%~8%.

2001年，开始应用由丹麦、日本、美国和韩国的船厂共同开发的GSCAD系统，同时将其应用的分立系统全面整合成基于统一数据库和产品模型的系统；

2003年1月，实施了数字化船厂计划，选择了美国DELMIA公司的IGRIP和QUEST，用于开发新一代与先进造船模式相结合的数字化造船系统.该系统将在虚拟环境下模拟从初始的开发阶段到下水整个造船寿命期的工艺，并使造船工艺最佳化.

住友重机械

万国造船

川崎造船

大宇造船

三星重工

2.2 国内船厂数字化造船发展动态

我国造船工业从1970年开始，采用造船CAM技术，使造船生产效率和加工质量有了较大的提高.20世纪80年代后期，船舶工业统一组织开发了CASIS、CADIS和MIS等造船造机系统，有力促进了船舶企业的信息化进程.随着造船CAD/CAE和MIS技术的发展，产品设计开始丢掉图板，新产品开发设计周期有效缩短，船舶企业现代化管理水平得到提高，船舶制造企业初具国际竞争力并不断壮大.

20世纪90年代中后期，国际先进的造船软件如TRIBON、CADDS5系统开始引进应用，骨干船厂应用三维建模技术建立产品电子信息模型.新技术的应用使国内造船水平上了新的台阶，产品建造总周期得到了有效缩短，产品建造质量明显提高.

CAD/CAM技术的深入应用为推进集成制造技术提供了信息源头，CIM技术和CIMS开始在“沪东中华”、“渤海船厂”和“广船国际”等船厂开发应用.CIMS的应用使产品制造和管理信息集成，从而能够实现制造信息高度共享和企业制造资源优化，全面提高企业运行效率.同时，船厂和科研院所非常重视船舶建造关键工艺装备的更新和改造，引进了平面分段流水线，数控切割机等多种先进自动化造船装备；自主研究开发了CNC切割机、数控肋骨冷弯机、数控弯管机等多种自动化造船装备.

近年来，沪东中华等厂所自主开发了船体建造软件，三维舾装管系设计系统，已在国内数十余家船厂应用；沪东中华已把“数字造船、绿色造船”作为企业发展的基本方针；江南造船正在建设“e江南”，外

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高桥造船公司引进了体现先进造船观念和模式的韩国HANA/CIMS，并正在调试推进应用.沪东中华等单位已逐步开展了船舶企业制造资源配置计划和造船物流管理技术的研究和应用工作.

在企业网建设领域，发展更是迅速.如CSSC总部建立了连接北京、上海、广州、九江四地的中船企业网和集团公司视频会议系统，建立了基于国际互联网，面向国内外船舶行业的服务性网站—中国造船网.各

企业名称 沪东中华

骨干造船企业计算机网络建设方面初具规模，计算机辅助设计制造与生产管理的软硬件平台初步建立，已为建立数字化船舶企业提供了扎实的硬件基础.

船舶工业的信息化建设使我国船舶产品制造能力和水平得到较大的提升，我国开始进入世界第三造船大国地位，在2003年船舶产量占国际市场比例从常年的6%~8%首次突破10%[2].

表3是我国先进船厂数字化造船应用动态.

数字化应用动态

表3 我国骨干船厂的数字化造船应用动态

采用企业信息化系统HDS-CIMS，基本实现造船CAD/CAM/CAPP的开发应用和集成； 2005年，自主开发了三维数字化船体设计系统，加之前期开发的舾装、涂装设计系统形成一套完全具有自主版权的覆盖壳、舾、涂的数字化设计系统.

自2004年引进了韩国HANA公司的ADES系统和CIMS系统以来，完成了集成技术和系统平台研究，对原CIMS框架系统中的66%模块作了较大幅度的修改；自行开发中已经投入应用的模块占27%； 2004年11月，从“单模块局部应用”推广到设计、生产、物资集成应用；

2005年起，通过自行开发设计软件与系统的接口软件WADS，提高了设计效率. 1995年引进Tribon软件（TB5版本），现已彻底实现从二维绘图模式到三维设计的转变，目前配置的三维CAD软件具备约每年2.5条新船的设计能力；

2003年6月，开始启用“e江南I”企业信息化系统；

到2006年为止，Tribon软件各个模块主要应用于船体、舾装的设计，完成了CADDS5到Tribon模型数据的部分转换研究.

已成功使用GSI-SCMIS一期系统，目前正在实施以SPDM为核心的GSI-SCMIS二期系统.

外高桥造船

江南造船

广船国际

3 我国数字化造船存在的主要问题

数字化造船作为实现我国造船工业跨越式发展的重大举措之一正扎实地向前推进.但是，由于种种原因，目前在国内，信息化的整体效益还远未充分体现出来.在数字化生产技术方面，与造船强国相比存在如下问题：

1）数字化设计船舶：基于3D模型的CAD/CAM已得到了广泛地应用，但基本／送审设计和生产设计之间的信息载体仍为纸质图纸.CAE的应用局限于设计分析阶段，在船舶建造过程中CAE的应用程度相当低，而数字化造船更强调CAE技术在制造过程中的应用.此外，日、韩等国先进造船企业船舶平均设计周期为100天，而中国一般要1年才能完成.

2）数字化管理造船：CAPP、PDM、CIMS等船舶建造信息支持系统尚处于起步阶段，标准和编码等基础工作不扎实，并缺乏准确而齐全的基础数据.CIMS系统在设备采购、部件配送等信息管理方面仍属空白.

3）数字化建造船舶：信息流对生产设备和设施的是离散型的驱动，并且仅局限于船体部件加工阶段，船舶建造过程中的集成度、自动化程度和数字化程度还是相当低.

4 关于我国实施数字化造船的若干建议

1）以创新的观念进行数字化体系建设

数字化造船工程已不再是以前普遍存在的“电算化”和“计算机辅助设计、辅助制造、辅助管理”的观念和概念.实施数字化工程的核心是以数字技术改造传统的模式，建立数字化的生产体系、技术体系和管理体系，实现数字化生产方式的转变，否则难以发挥数字化技术应有的作用和效益.

2）建立船舶制造数字化基础体系

数字化制造技术以信息数字化的形式实现信息管理、传输、处理和共享，因此必须首先建立数字化的基础体系.

根据船舶企业的特点从基础标准、数字化设计标准、制造标准、管理标准、数字化试验与评价标准等方面进行研究，制定出符合船舶企业实际以及发展需求的船舶制造数字化标准规范体系；建设相应的基础性和通用性的数据库、知识库和模型库；建立和研究船舶信息集成和数据交换标准和平台，并建立一个通畅、稳定、安全的网络通信平台[3].

3）吸收国外先进技术加强开发，建立自己的造船软件产业

目前国内船舶企业的三维设计软件系统基本采用国外引进软件，国外造船软件在关键的功能范围内均

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不开放，影响企业数字船舶设计、制造、管理集成平台的建立；引进软件费、实施费、软件维护费不断攀升，已成为企业的负担，影响了企业信息化进程；引进软件在安全性方面有较大的变数，影响国防企业信息安全. 我国经过对引进系统的消化吸收和20多年相关软件的开发研究，完全有能力开发研制具有自主知识产权的造船软件系统，建立自己的造船软件产业.

4）加快建设数字化造船工程保障体系

建设数字化造船工程保障体系首先是培养和建立一支高素质人才队伍.这是实施数字化造船工程的重要保障.此外，必须加快建立我国造船软件系统开发、维护、培训、解决方案咨询产业队伍，将数字化造船技术的主动权掌握到自己的手中，这是最有效的保障.

5 结束语

世界造船已经进入更高层次的数字化阶段，全球造船业正在研究全球化的资源优化集成，以全面数字

化、全面模块化和网络平台等为技术支撑，建立动态的造船联盟——虚拟企业.中国造船业要想在这个未来的动态联盟中占有一席之地，信息技术的赶超是重中之重.日韩造船企业的崛起为我们做了很好的示范，而欧洲和北美许多船厂的倒闭又给我们以警示，能否适时地转换造船模式，采用先进的现代造船模式进行船舶制造可以说是现代造船企业成败的关键.在这种环境下，数字化造船既给我们提出的新一轮挑战，更昭示着一个很好的机遇.

参考文献：

[1] 张明华.精益造船模式研究[M].北京：中国经济出版社，

2005.

[2] 中国投资咨询网.2006年中国船舶制造业分析及投资咨

询报告[DB/OL].http://www.ocn.com.cn/.2006.2. [3] 吕航.我国将走进数字造船时代[J].中国船检，2004, (1):

27-30.

（上接第29页）

220

主船体合应力 200

桩架轴向应力

180 象鼻合应力

桩架最小合应力 160

140 120

100

80

60

40

0 5 1015 20

前倾角度/°

应力/MPa 图8 应力曲线

25

3.2 起重工况

根据计算结果，由图8可知，起重工况时桩架在不同倾斜角度时的应力变化桩架起重能力随前倾角的增大明显下降，特别是从9°开始，有较大的降幅. 3.3 桩架放倒工况

根据计算结果，桩架放倒工况时桩架重力通过撑杆传递至中纵舱壁上，舱壁上出现了最大应力和最大变形，但应力水平和变形均较小，在许用范围之内. 3.4 就地抗风工况

根据计算结果，桩架就地抗风时：1）正面迎风时，构件应力水平较低，在安全范围之内，桩架最大应力出现在油缸附近，支撑结构最大应力出现在中纵舱壁上.各构件变形较小；2）侧面迎风时，总体应力水平

较正面迎风时大，结构变形也较大.在船首斜壁上和象鼻附近的桩架上有较大应力出现，但仍小于许用应力，结构有足够的抗风强度.

4 结论

本文利用有限元软件建立了打桩船桩架与其支撑结构的有限元模型.利用板、梁、杆、MPC等不同类型的有限元单元成功模拟了桩架、主船体主要构件、象鼻结构及油缸、撑杆、铰支座等结构.分析了桩架、桩架支撑结构在打桩作业、起重作业等4种工况时的结构应力，得出应力结果，绘制了桩架的起重特性曲线，并进行了强度校核，分析了桩架在不同倾斜角度时的应力变化.根据分析结果，确定了桩架中的主要受力构件，对部分构件进行了优化，表明打桩船桩架结构设计合理，其强度与稳性满足中国船级社入级要求，桩架底部的象鼻等支撑结构也具有足够的强度.

参考文献：

[1] 郭振邦，汪海成，徐慧.计算机辅助打桩船撑杆设计[J].

天津理工学院学报，2004, 20(1): 64-67.

[2] 吴晓源，王一飞，李辉.打桩船桩架结构强度有限元分

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水电出版社，2003.

[4] 唐军，唐淼.93米打桩船桩架的起立工况分析[J].船舶设

计通讯，2003, (3-4): 56-66.

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