集裝箱船建造中的數(shù)字化模擬試箱技術(shù)應(yīng)用

楊振，高正杰2，湯赟劍

(1.上海外高橋造船有限公司 工藝研究所， 上海 200137；2.江蘇科技大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

集裝箱船建造過程中，由于集裝箱箱位尺寸精度直接影響后續(xù)貨物的裝載數(shù)目及裝載安全，故而是船東必檢項目[1-2]。該項工作通常是在船塢或者碼頭開展系統(tǒng)實驗，在傳統(tǒng)集裝箱船建造流程中，試箱試驗依賴實體集裝箱開展，利用船塢或者碼頭的吊車逐個箱位吊裝集裝箱，驗證每個箱位的安裝誤差，確保集裝箱能夠順利裝箱、落箱[3-4]。傳統(tǒng)的試箱方案存在很多缺點：①試箱周期較長，極大地占用了船塢和碼頭的資源。以9 400 TEU集裝箱船為例，試箱時船廠需使用集裝箱對各擺放集裝箱的船體位置進(jìn)行逐一驗收，單這一流程就需要30多天的工期;②試箱成本高昂，不利于船企降本增效。由于在試箱過程中，需要占用船塢、碼頭等船企核心資產(chǎn)，需要相應(yīng)的吊車進(jìn)行配合，還需要購置、制造專用的試箱工作等，平均每天的成本要達(dá)到10萬元以上；③由于船舶建造過程中是立體交叉作業(yè)，在試箱的同時其他工作并不能全部停工，存在作業(yè)風(fēng)險，不利于安全存在。因采用的測量工具和分析手段不同，一般把基于全站儀測量分析的模式稱之為數(shù)字化試箱；將基于掃描儀的測量分析模擬稱之為模擬仿真試箱。

1 集裝箱試箱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 試箱報驗標(biāo)準(zhǔn)

1)在實際試箱過程中，標(biāo)箱能從導(dǎo)軌中順利下滑并落到箱錐上。

2)集裝箱上口四角與導(dǎo)軌工作面間距檢查時，單邊縱向間距要求為17.5±6 mm，橫向間隙要求為11±5 mm；由于集裝箱箱腳并不是完全與底錐接觸，集裝箱放置在箱位中可能會有一定的前后左右偏移，所以試箱過程中會考慮雙邊間隙，縱向雙邊間隙和為35±12 mm，橫向雙邊間隙之和為22±10 mm。

3)保證箱角位置3個角接觸，另外一個點間隙值控制在3 mm以內(nèi)。

4)箱角對角線偏差，20 ft集裝箱對角線偏差≤6 mm，40 ft集裝箱對角線偏差≤8 mm。

1.2 試箱相關(guān)船體、舾裝結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)

1)隔艙。中心線偏差±3 mm；導(dǎo)軌與頂板的角尺度±5 mm；橫縱向艙容控制±5 mm。

2)導(dǎo)軌。導(dǎo)軌本體厚度±2 mm；安裝直線度±2 mm；導(dǎo)軌間距±2 mm。

3)箱腳。墊板水平控制≤2.5 mm；箱錐間距控制±2 mm。

2 模擬試箱

2.1 數(shù)字化試箱

2.1.1 數(shù)據(jù)采集

在船塢階段，所有導(dǎo)軌安裝完畢后以及對應(yīng)艙室的結(jié)構(gòu)焊接完成后，以船體中心線作為船寬方向基準(zhǔn)，隔艙100M.K線作為船長方向基準(zhǔn)。把全站儀放置在艙室中間對所測艙室的每根導(dǎo)軌進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最終以點數(shù)據(jù)還原整個艙室。

為了提高測量以及還原實際狀態(tài)的準(zhǔn)確性，需注意點如下：測量層數(shù)至少3層，以便盡可能準(zhǔn)確反映導(dǎo)軌的狀態(tài)；事先在組立階段張貼好反射片，利用反射片全站儀測量精度更高；控制全站儀轉(zhuǎn)站次數(shù)在4次以內(nèi)，全站儀轉(zhuǎn)站次數(shù)越少，累積偏差越小。

2.1.2 分析計算

數(shù)據(jù)采集完成后對箱角水平及導(dǎo)軌前后/左右距離進(jìn)行計算，并與理論的間隙值進(jìn)行比較，如果有超差的要求現(xiàn)場及時修正，并向船東提交最終狀態(tài)報表，見圖1。

圖1 向船東提交的試箱數(shù)據(jù)報表示例

通過計算判斷實際試箱是否卡箱。見圖2。

圖2 實體箱與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)示例

實際間隙值(橫向)=導(dǎo)軌橫向?qū)嶋H值(AD)-實際箱體值(ad)；

實際間隙值(縱向)=導(dǎo)軌縱向?qū)嶋H值(AB)-實際箱體值(ab)。

如果計算值為正值說明不卡箱，如果計算值為負(fù)值，說明卡箱。

數(shù)字化試箱方案本質(zhì)上仍然是基于測量的點數(shù)據(jù)進(jìn)行點對點數(shù)學(xué)計算的分析模式，無法實現(xiàn)對整個集裝箱船貨艙的精確仿真建模分析。

2.2 模擬仿真試箱

2.2.1 現(xiàn)場掃描

利用激光掃描儀對集裝箱船貨艙進(jìn)行掃描，通過掃描還原船體實際狀態(tài)，基于逆向工程軟件，對現(xiàn)場得到的掃描模型進(jìn)行逆向建模，得到集裝箱貨艙的實體模型，見圖3。

圖3 逆向建模示例

2.2.2 分析內(nèi)容

利用逆向建模后的模型判斷集裝箱船貨艙導(dǎo)軌前后左右間距以及與箱角的相對關(guān)系，主要包括集裝箱船導(dǎo)軌前后、左右間距以及對角線長度，見圖4，然后根據(jù)其間距關(guān)系和對角線長度判定試箱的狀態(tài)。

圖4 集裝箱船艙容分析內(nèi)容

1)艙寬度、長度分析。對逆向建模得到的模型按照一定的間距進(jìn)行切片分析，自動生成該切片監(jiān)測點坐標(biāo)和偏差值，并自動生成精度報表。

2)貨艙箱角尺寸及水平分析。對逆向建模得到的模型與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，生成貨艙箱角定位數(shù)據(jù)和貨艙箱角水平數(shù)據(jù)，并自動生成報表。

3)動態(tài)仿真。通過對掃描測量的集裝箱船貨艙進(jìn)行1∶1逆向建模，生產(chǎn)實體模型后，利用動力學(xué)仿真技術(shù)，對集裝箱試箱整個過程進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，再現(xiàn)整個試箱過程并真實反映現(xiàn)場集裝箱船貨艙建造狀態(tài)，見圖5。

圖5 基于動力學(xué)的試箱實驗分析

4)結(jié)果報告。依據(jù)向船東報驗的項目，整理生成集裝箱船艙容檢測報告。檢測報告應(yīng)反映影響集裝箱船裝箱的主要因素精度水平，如導(dǎo)軌間距、箱角水平、箱角定位數(shù)據(jù)等。

3 3種試箱模式對比

3種試箱模式均有優(yōu)缺點。數(shù)字化試箱和模擬試箱解決了傳統(tǒng)試箱模式占用資源多、試箱周期長、安全隱患多的問題，但兩種數(shù)字化的試箱模式也相對的增加了測量和分析工作量，對人員素質(zhì)有較高要求。詳見表1。

表1 三種試箱模式優(yōu)缺點對比

以本公司建造的20 000 TEU超大型集裝箱船為例，3種試箱模式效率對比見表2。

表2 3種試箱模式效率對比

從表2可見，基于掃描儀的模擬試箱方式可以大幅縮減整個測量分析的周期，大幅降低了對船廠資源的占用，效費比較高。隨著掃描測量技術(shù)以及模擬仿真技術(shù)的成熟，基于掃描儀的模擬仿真試箱模式具有無可替代的優(yōu)越性，這也是后續(xù)的發(fā)展方向。

4 結(jié)論

基于掃描儀的模擬仿真試箱技術(shù)在試驗效率、經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面具有不可替代的優(yōu)越性。降低成本、提升效率是企業(yè)提升盈利能力的重要手段，基于掃描儀的模擬仿真試箱技術(shù)將成為后續(xù)船企的發(fā)展方向和必然選擇。