領(lǐng)先的3D造船軟件FORAN及其應(yīng)用

分類：技術(shù)教程日期：2009-06-10 10:24:30 來源：廠商

1. 當前船舶設(shè)計的發(fā)展趨勢和軟件應(yīng)用中的主要問題

計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)可以提高船舶設(shè)計的效率和質(zhì)量，已經(jīng)成為國內(nèi)造船行業(yè)的共識，國內(nèi)多數(shù)骨干研究所和造船廠已經(jīng)較大范圍應(yīng)用了國際先進水平的3D造船軟件，具有代表性的軟件是Tribon和CADDS5，經(jīng)過多年的經(jīng)驗積累和二次開發(fā)，應(yīng)用水平達到了一定的高度，獲得了一定的效益，目前正在擴大應(yīng)用范圍；在許多尚未采用3D船舶設(shè)計軟件的設(shè)計單位和造船廠，也已經(jīng)認識到3D軟件的重要性，正在進行軟件的策劃和考察，以期盡早升級到3D軟件上，提高設(shè)計水平和競爭能力。

在國際造船業(yè)激烈競爭的環(huán)境下，我國造船業(yè)提出了用15年左右的時間成為世界第一造船大國和造船強國的戰(zhàn)略目標。但目前我國造船行業(yè)在設(shè)計能力、建造模式、船舶質(zhì)量、交船周期等方面還有差距，需要逐步提高，盡快趕上世界先進水平。

采用先進的造船模式無疑是實現(xiàn)以上目標的關(guān)鍵。國內(nèi)造船業(yè)多年來推行的“轉(zhuǎn)模”工作，使船舶企業(yè)各級領(lǐng)導(dǎo)和管理者形成了一定要搞轉(zhuǎn)模的共識，先進的造船模式是提高造船競爭力的必由之路，是科技進步的重要課題，也是實現(xiàn)制度創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的切入點。

作為首要的支撐技術(shù)，采用符合先進理念的設(shè)計軟件、提高設(shè)計水平則是保證轉(zhuǎn)模工作成功的極為重要的環(huán)節(jié)。三維產(chǎn)品建模使多用戶環(huán)境下的船舶設(shè)計與建造更加集成化，這意味著如下特征：

· 設(shè)計人員在一個完全交互的三維圖形環(huán)境下工作；
· 結(jié)構(gòu)和舾裝可以平行設(shè)計；
· 船體外表面、甲板以及艙壁的信息能隨時供正在使用該產(chǎn)品模型的設(shè)計人員調(diào)用；
· 在船上某個分段區(qū)域的設(shè)計人員，可以了解到其他分段區(qū)域的信息，不管相鄰與否；
· 某個分段外舾裝的設(shè)計人員可以使用產(chǎn)品模型中船體結(jié)構(gòu)中最新的信息；
· 最后制造出圖時，比如平面制圖、管道圖以及透視圖等，可以自動參照船體外板、甲板、艙壁、框架形式以及任何船舶構(gòu)件；
· 設(shè)計人員可以在船廠預(yù)先設(shè)定的工作目錄中選擇鋼板、型鋼以及舾裝件；
· 設(shè)計人員之間可進行數(shù)據(jù)交換，遠程用戶之間可同時參與一條船的設(shè)計。

三維產(chǎn)品建模讓設(shè)計者使用這條船的同一個模型，從早期的初步設(shè)計一直到建造，有助于整個設(shè)計過程中數(shù)據(jù)的前后一致性。產(chǎn)品模型的優(yōu)點有以下這些：減少設(shè)計時間、減少溝通環(huán)節(jié)、增強效率、更早的干涉檢查、更容易修改、設(shè)計錯誤的大量減少、設(shè)計信息的主要來源以及給予產(chǎn)品的可利用性。這種技術(shù)還可以包括專家系統(tǒng)以及人工智能。

在船舶設(shè)計中，當前的主要發(fā)展趨勢為：

· 使設(shè)計模式滿足現(xiàn)代造船模式的要求，與生產(chǎn)模式保持一致，提高船舶建造的生產(chǎn)
率和質(zhì)量；
· 采用并行工程，縮短設(shè)計周期，從而加快交船周期；
· 提高設(shè)計質(zhì)量，節(jié)約材料和工時，減少設(shè)計修改，從而提高質(zhì)量、降低成本；
· 建立船舶產(chǎn)品的全3D數(shù)據(jù)庫，為產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)管理、物流管理等系統(tǒng)提供完整的數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)數(shù)字化造船。

目前國內(nèi)已經(jīng)采用的各種3D船舶設(shè)計軟件，部分實現(xiàn)了上述的功能，也能夠部分滿足現(xiàn)在造船模式的要求，但或多或少地存在下列問題：

· 不能覆蓋船舶設(shè)計建造的所有專業(yè)，或在某些專業(yè)領(lǐng)域功能較弱，需要其它軟件進行補充；
· 功能不夠完善或不符合中國造船業(yè)的特點，需要各個船廠投入大量的人力物力進行二次開發(fā)才能在實際項目中使用，也造成了低水平重復(fù)；
· 軟件的設(shè)計理念相對陳舊，不符合先進造船模式，制約了轉(zhuǎn)模工作的開展；
· 軟件的底層架構(gòu)和開發(fā)語言明顯落后，有的軟件只能在UNIX平臺上運行，使得企業(yè)采購和應(yīng)用成本增加，特別是難以獲得滿足二次開發(fā)需要的人才；
· 軟件內(nèi)部管理多采用文件系統(tǒng)，與其他應(yīng)用軟件（如物流、ERP、PDM等）系統(tǒng)難以交換數(shù)據(jù)，不利于展開以“數(shù)字化造船”為標志的企業(yè)信息化建設(shè)；

2. FORAN軟件的特點

FORAN軟件由西班牙SENER集團開發(fā)，該公司以船舶設(shè)計起家，已有50年的歷史，具有40多年的造船CAD軟件開發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗。目前在進行軟件開發(fā)和應(yīng)用的同時，仍然承接船舶設(shè)計項目。FORAN軟件是世界上應(yīng)用最為廣泛的大型造船專業(yè)軟件之一，全球用戶包括了120家以上的設(shè)計公司和造船廠，近年來更以較快的速度在全球推廣。

圖1. FORAN船體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1. FORAN是由船舶設(shè)計師開發(fā)、為船舶設(shè)計師使用的軟件，符合船舶設(shè)計師、船廠的工作模式和生產(chǎn)特點；FORAN軟件可以用于各種船型的設(shè)計建造，包括常規(guī)客輪、貨船、非對稱船、雙體船等，各種軍用艦船包括航空母艦、巡洋艦、驅(qū)逐艦、潛艇等，也可用于FPSO、海洋平臺等。

2. FORAN于2000年重新編寫代碼，基于Windows、C++語言開發(fā)、OpenGL圖形語言、NURBS數(shù)據(jù)表達、Oracle數(shù)據(jù)庫等，形成了一整套先進的軟件體系和友好的用戶界面；用戶可在FORAN環(huán)境中無障礙地使用中文；其二次開發(fā)環(huán)境非常便于掌握；

3. FORAN覆蓋了造船領(lǐng)域所有的專業(yè)，包括總體設(shè)計、船體結(jié)構(gòu)、管路及HVAC、舾裝、設(shè)備、電氣、住艙設(shè)計等；同時，F(xiàn)ORAN可以滿足初始設(shè)計、送審設(shè)計和詳細生產(chǎn)設(shè)計的全部需求。

4. 全3D的船舶產(chǎn)品模型建立在Oracle數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)管理自始至終由Oracle完成，確保了數(shù)據(jù)模型的統(tǒng)一，同時也為與其他應(yīng)用系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)提供了方便的條件；同時，F(xiàn)ORAN可以支持分布式數(shù)據(jù)存儲和管理，支持并行工程，可以滿足異地協(xié)同設(shè)計的要求，不同專業(yè)的設(shè)計人員可以隨時了解其他專業(yè)的設(shè)計進程、協(xié)調(diào)設(shè)計；

5. 全船的3D產(chǎn)品模型保證了設(shè)計的一致性和數(shù)據(jù)的精確度，同時可隨時進行干涉檢查，可在極大程度上避免設(shè)計錯誤、提高下料精度、減少切割和焊接的余量。這樣可以大量節(jié)約設(shè)計和生產(chǎn)的時間，節(jié)約原材料，為模塊化生產(chǎn)、分段制造、殼舾涂一體化等提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)；

圖2. FORAN舾裝管路設(shè)計

6. 在全船的設(shè)計中應(yīng)用了Topological（拓撲化）技術(shù)，實現(xiàn)了船體結(jié)構(gòu)、舾裝、管路、HVAC、電氣、住艙等各種組件及其相互關(guān)系的相對位置定義，在某一足見修改時，系統(tǒng)可以根據(jù)約束條件對相關(guān)組件自動修改，解除了設(shè)計師修改設(shè)計時的顧慮，極大地提高了設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率；

7. FORAN的“實時漫游檢查”功能可以允許設(shè)計師隨時通過漫游方式檢查全船外觀、各個零部件，對船上人員的活動、維修維護、煙霧流向、燈光效果等進行仿真，并隨時修改；

8. FORAN軟件將設(shè)計和生產(chǎn)緊密聯(lián)系在一起，所有的設(shè)計可以隨時根據(jù)需要進行套料、管段制造和安裝，并直接生成小票圖、材料清單（BOM）、自動產(chǎn)生數(shù)控路徑和程序；每一分段或模塊可計算出重量和重心，為指導(dǎo)生產(chǎn)提供依據(jù)；

9. FORAN提供了完整的、可定制的生產(chǎn)策略（建造方針）功能，針對一個項目可以制定出若干種不同的生產(chǎn)策略，生產(chǎn)組織和管理人員可根據(jù)船廠特點方便地定義分段、模塊、中間產(chǎn)品及其生產(chǎn)流程，進行生產(chǎn)規(guī)劃和準備；

10. FORAN軟件的PDM功能包括了船廠級的文檔管理、工作流管理、版本管理、船東變更管理等；

11. FORAN軟件提供了一系列接口，用于與各種軟件系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，其中包括常用的IGES、DXF、DWG、STEP、XML等；其Oracle數(shù)據(jù)庫完全向用戶開放，可以根據(jù)需要提取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與其他應(yīng)用系統(tǒng)（PDM、ERP、物流管理等）的集成。

圖3. 俄羅斯Severnoya建造的艦艇

3. 應(yīng)用FORAN軟件的成功案例

FORAN軟件在全球各地的應(yīng)用中，以其上述先進的設(shè)計理念和功能特點，為船廠建立現(xiàn)代造船模式、提高質(zhì)量、降低成本發(fā)揮了積極的作用。西班牙IZAR造船公司利用FORAN完成了眾多艦船的設(shè)計建造，包括了航空母艦在內(nèi)的各種水面和水下艦艇，以及138,000立方米的液化天然氣船í?igo Tapias等；俄羅斯Severnoya造船廠利用FORAN為中國海軍建造了驅(qū)逐艦等。

以下通過一個小型造船廠Astilleros Zamakona的實例，說明應(yīng)用FORAN所帶來的效益。

3.1. 船廠簡介

1914年成立的Astilleros Zamakona船廠位于西班牙北部，成立初主要建造蒸汽船和帆船。船廠位于比斯開灣的Santurce，距離畢爾巴鄂市10公里。1928年，船廠建造了第一條鉚接船。船廠有300人（包括雇員和外包人員）。1978年，Zamakona開始對建造系統(tǒng)進行現(xiàn)代化改革，1994年船廠進行了一次大規(guī)模的設(shè)備更新。

過去十年中，Zamakona交付了大約80條各種類型的船舶，包括拖輪、海洋供應(yīng)船、漁船、渡船、挖泥船、泥艙船、巡邏艇、引航艇等。

圖4. Astilleros Zamakona造船廠鳥瞰

圖5. Astilleros Zamakona 40 m 冷凍拖網(wǎng)漁船

為了壓縮船舶建造周期，Zamakona船廠布置時考慮到了較大的材料流以及工作機構(gòu)。船廠有三個建造平臺，分別是120X20米、80X14米以及80X11米。裝配碼頭有110米長，10米吃水。兩臺15噸的動臂起重機為建造平臺工作，一臺8噸的動臂起重機則在裝配碼頭作業(yè)。建造平臺上移動的起重機能起吊最多60噸重的分段。船廠有一個1300平方的鋼料場地、2100平方的分段預(yù)裝配區(qū)域以及3300平方的分段預(yù)舾裝區(qū)域。該船廠擁有數(shù)控氧氣切割機、卷板機、型材彎曲機以及管子彎曲機各一臺。Zamakona的內(nèi)部設(shè)計團隊有15人。

3.2. 以前使用的方法

在實現(xiàn)三維產(chǎn)品建模以前，Zamakona一般都用傳統(tǒng)的、不借助計算機的畫圖技術(shù)來進行設(shè)計。入級圖紙通過外包，室內(nèi)進行1:1的放樣。能夠傳遞給車間的信息非常少，特別缺乏機械和舾裝專業(yè)的信息。船體結(jié)構(gòu)預(yù)先焊接，管系和空調(diào)管道則只能在船體結(jié)構(gòu)建造完成后由建造師決定。

3.3. 使用三維建模產(chǎn)品以后

1993年，為了在質(zhì)量以及交船洲其方面能同其他西班牙以及歐洲船廠競爭，Zamakona船廠決定實施CAD/CAM/CIM系統(tǒng)。經(jīng)過評估以后，選擇了FORAM。剛開始實施時，只選用了線性優(yōu)化以及船體結(jié)構(gòu)模塊，1995年實施了另外兩個機械和舾裝模塊。

船廠的設(shè)計所有8臺FORAN工作站及兩臺AutoCAD工作站。由于所有成員必須從原有的1:1手工放樣轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代化的3D造船模式，這種轉(zhuǎn)變過程中必然需要培訓(xùn)，并轉(zhuǎn)換設(shè)計思想。
每個模塊的培訓(xùn)包括四個星期。在應(yīng)用該系統(tǒng)以后的第一條船（海洋工程供應(yīng)船）的設(shè)計過程中，兩位Zamakona的設(shè)計人員在SENER公司借助工程技術(shù)支持（Technical Assistance）工作了兩個月。接下來的設(shè)計在船廠進行，而且沒有出現(xiàn)差錯。由于設(shè)計人員已經(jīng)習(xí)慣了三維設(shè)計模式，后續(xù)的機械和舾裝模塊就不再需要這種直接的技術(shù)支持。

升級到三維產(chǎn)品建模以后獲得了以下提高：

· 節(jié)省35%的材料成本
· 節(jié)省35%的人力成本
· 建造周期縮短25%
· 節(jié)省30%的設(shè)計人員開支
· 建造產(chǎn)品質(zhì)量提高
· 如今每年交船10條，而1980年時一年交船4條。

之所以有這樣顯著的提高，是由于給生產(chǎn)提交了更多更好的信息、生產(chǎn)過程中所發(fā)現(xiàn)的設(shè)計錯誤明顯減少（低于3%）以及因而在材料和人力上開支的降低、更準確的材料預(yù)估、設(shè)計工時的減少、分段預(yù)裝配、更早得出材料清單、能為數(shù)控切割機以及彎管機提供數(shù)控信息以及提供給計劃部門信息。

4. 總結(jié)

國內(nèi)造船行業(yè)正在快速發(fā)展，生產(chǎn)能力的逐步提高，對設(shè)計質(zhì)量、交船周期、建造成本等提出了越來越高的要求。FORAN軟件先進的理念和完善的功能，正是協(xié)助造船企業(yè)建立健全現(xiàn)代造船模式有力的工具。

目前大力倡導(dǎo)的轉(zhuǎn)模，是要建立以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向的區(qū)域作業(yè)。隨著轉(zhuǎn)模的不斷深入，生產(chǎn)設(shè)計要按中間產(chǎn)品出圖，組織生產(chǎn)要以中間產(chǎn)品進行區(qū)域定置作業(yè)，而且還提出了中間產(chǎn)品成品化，要求其質(zhì)量與尺寸精度嚴格控制。這些從提高中間產(chǎn)品的質(zhì)量、尺寸精度與提高生產(chǎn)效率的轉(zhuǎn)模要求，也是推進船舶先進制造技術(shù)體系中應(yīng)用其核心技術(shù)與基礎(chǔ)技術(shù)的要求。

FORAN軟件可以在全3D集成環(huán)境下進行船舶產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計和建造，集中體現(xiàn)了總體設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計一體化的思想，同時提供了良好的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和多種數(shù)據(jù)接口，可以為國內(nèi)造船企業(yè)的數(shù)字化、信息化架設(shè)中起到重要的作用。