船舶焊接与结构设计优化分析

毛雄飞

（中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214400）

0 引言

焊接是将金属与金属之间进行连接的过程。目前，船舶最常见的焊接工艺有4种，分别是电极弧焊、CO2气体保护焊、氩弧焊和埋弧焊。焊接船舶是一项艰巨的任务，由于空间有限，要求焊工不仅要有高超的专业技能，还要能够准确判断合适的焊接位置。

1 多维度创新船舶焊接技术

1.1 改进线性设计降低阻力和油耗

通过对线性设计的持续改进，不断改进船型设计，进一步降低阻力和油耗，为后续的船型优化提供理论依据和参考。从而提高cSCO产品输出的准确性和船舶设计服务能力。通过广泛的CFD分析，进一步优化船舶配置，降低油耗，并根据具体的操作需求进行微调。CFD分析可以更好地预测船舶的特性和性能，对船舶结构进行优化设计，使其更加合理。在长江游轮的设计中，设计了1个跨度为20 m的大型宴会厅，整个面积达到20 m×50 m。这种无立柱设计的大跨度结构在船舶应用中没有参考结构计算方案，从设计材料选择、结构形式、施工放样、装修等方面进行优化，采用有限元计算和强度柔度修正，最大限度地提高结构的稳定性和安全系数[1]。

机翼船头的新几何结构减少了船体的阻力，从而提高了航速或降低了功率，减少了燃油消耗和温室气体排放，还可以减少波浪中的摇摆。试验和运行表明，新结构比传统的船体安装船的船体低50%，这种设计还消除了拍底，使设计更轻的结构成为可能，新的船头概念也增加了船体的容量，减少了它的长度，降低了成本。类似地，可以开发一种新的“球形尾翼”，将水旋转成一个与旋转方向相反的螺旋桨，这将提高推进效率。还可以借助外骨骼结构安装在船体外部，以提供所需的纵向强度，而不是依赖船体结构，这使得在近海和内河航行的船只更轻。

1.2 邀请专家培训优化焊接方案

模块化机电设备布局，根据主要设备的功能，对布局方案进行讨论，以满足最新法规和使用要求，还应在机电设备设计中添加了更和谐的符号概念设计，旨在为船员提供更好的稳定性和安全性。

可以邀请钢结构、工程机械等焊接领域业内知名专家，通过其对焊接设计和钢结构应用的深入和简单解释，帮助参与焊接及相关工作人员理解和应用焊接设计、疲劳原理、应力和变形，以及焊接缺陷分析。雇佣高技能焊工很难，焊工必须熟悉垂直、水平和角焊3种焊接位置。因此，可以从一开始就使用焊接系统，利用系统为必要的手工焊接技能提供全面支持，系统采用产品质量、较长的使用寿命和预设参数，这些参数为各种材料和厚度提供了正确的送丝速度，以确保熔池对焊接无缺陷。

1.3 细查钢板焊缝且提高焊接电压、速率

仔细检查钢板和焊缝，主要焊接材料为造船用钢，因此主要使用直径为1.2 mm的药芯焊丝。粉末填料在焊缝周围形成残留物，可显著减少飞溅。这对于后续的验收测试非常重要，焊缝的强度和外观是测试标准。此外，造船厂还要接受其他严格检查，船舶上使用的所有钢板必须经过测试。例如，当龙骨（船舶的主要纵向构件）连接到船体的外板时，所有材料都由专家检查，检查员通常在船体钢板的焊缝上涂抹粉笔，并在内部涂抹机油。如果油渗入钢板的另一侧，则焊缝中必须有孔，然后必须对焊缝进行修复，这项工作包括将其磨掉、磨平并重新焊接。船上大约30%的十字接头也需要进行X光检查，图像上的小黑点表示可能存在焊渣，导致焊缝多孔，必须进行修复。如果有多个焊道，则必须按照从底焊道到过渡焊道和填充焊道的顺序小心清除残留物[2]。

使用气体保护管焊接时,应提高焊接电压和速率,以缩短电弧直径,提高开槽程度,但增加间距也会降低根部深度。同时,采用液化天然气为主要燃料能够降低约80%的CO2排放量和60%的汽车油耗。船舶用多丝电弧焊分为多丝明弧焊和多丝埋弧焊技术,与传统的焊缝分段封闭(如焊条电弧焊、药芯焊或反应气体保护焊)比较,气电立焊接技术适合于各种大厚板材高效连接组件和船舶焊缝,通过双丝气电垂直式高效连接技术和焊接振荡装置,能够提高大厚钢材的熔透,更细的焊接丝,也能够得到更小的热量输入,从而极大地提高了生产效率和焊缝品质。

2 从多角度综合优化结构设计

船舶设计中包括大量的节能储备和优化整体性能的技术解决方案。这些复杂环境的解决方案和经济可行性通常来自综合处理系统和方法，包括船舶设计、设备选择、造船厂和其他参与者。随着国内现有设计手段的改进和实船技术设计能力的验证，设计的可靠性不断得到确认，造船业越来越转向更先进的解决方案。在开发新的船舶设计时，应整合布局以开发不同阶段的需求。船舶焊接设计的前提是做好充分的技术储备工作，分析船舶的技术现状和性能特点，储备必要的效率解决方案，提取出最经济、最优化的潜在需求方案并提交给客户选择，这是最终的方向。帆船技术团队正在努力加强吸收能效测试，确保产品性能经得起能效验证，这是促进企业发展最直接、最有效的途径。

在航行效率价值的应用设计中，船舶承载着变革性的使命，为项目在技术上的发展，许多优势加速了设计的高效性和客户的互动性，在互动中弥补了各自的不足，船舶航行的标准化对设计中的各种应用具有重要意义，为了满足在使用技术的前提下，相同的物理量变化的需求，为了保证最成熟的技术和对量的需求的快速响应，该系列标准适用于更多的国内外航运企业和船东。船舶焊接与结构优化的核心服务理念应是为航运企业解决船舶建造过程中的问题，目标是以最高的性价比生产高效的交付流程。为了保证船舶设计和管理的顺利完成，我们应从增强工程师主体性、做好人力资源管理、做好设计准备、加大数据管理投入4个方面提出了船舶设计的高效保障措施，为了保证船舶设计方案的实施，降低设计成本。

船厂经过深入研究推广应用逆变焊机是今后发展的方向，推广应用具有一定的基础，可以预期，随着逆变焊机质量不断提高，价格进一步下降，随着其对造船厂焊接工艺的适应性需要提高。为了保证焊接质量，焊接过程中必须保持机架的整体温度，一旦温度低于一定水平，整个机架也需要重新进入加热炉。焊接中的温度维护与监测、焊接材料品种与焊接参数匹配、焊缝性能与效率平衡等一系列参数都是在初步试验的基础上，研究和优化焊接工艺来确定的，这些都是机架质量的保证，在第一次机架焊接完成并通过检测和尺寸检查后，充分验证整个过程的可靠性，机架焊接的下一阶段应围绕每月生产100根的目标大力推进。

当然，为了成为造船厂的替代产品，除先进性外，逆变焊机还应具备造船焊接工艺所需的适应性和可靠性，更重要的是保证船厂的可靠性，能够维护8年以上的使用期限,并把总维护量减少在1%以下，价格也应该具备市场竞争性。一方面从更高的货物运输和更高的进口成本角度看,每个发展中国家都在为全球通货膨胀付出巨大代价,另一方面,由于世界国际贸易的扩大,中国交通运输和造船业也正接受着大量的国际商业订货。在集装箱货物运输力量极度不足的状况下,我国也在积极应对,焊接难点是焊接材料必须朝高强度、高韧性、低硫磷和节能环保型等方面发展。由于需求量的日益扩大,商业订货日期越来越紧迫；由于疫情不断、紧张多变的全球关系造成了工业生产和交通运输的严重停顿与延迟；日益攀升的售价和延期的交货期,使得高端焊接材的进口更加尴尬和频繁。通过高品质的本地化产品和服务，为行业展示了一批融合中西技术研发实力的产品。不仅为造船、航空航天、汽车工业、轨道交通、压力容器、机械制造等领域带来卓越的解决方案，运输国内重量级高端产品，解决终端应用中的稳定送丝、气孔敏感性等产品应用问题，以及稳定供应，协同应用开发和其他个性化需求问题[3]。

3 创新思维使用模拟自动化探索设计空间

3.1 裂纹尖端的张开位移测试技术

为了满足船舶设计严格的环境目标，有必要突破传统的设计方法，采用创新思维，通过使用模拟自动化探索设计空间，项目不仅可以显著提高生产效率，还可以帮助工程团队专注于创新，从而不断提高船舶性能并保持竞争优势。如何使用仿真驱动的船舶设计方法，船舶设计过程复杂且耗时，在初始设计中，时间有限，提出了一种建造过程可以最小化资本支出（CAPEX）的船体设计，同时满足客户的运营成本（OPEX）和验证要求，这一直是一项具有挑战性的任务。裂纹尖端的张开位移(crack tip opening Displacement,CTOD)的测试技术,可以精确评价较厚钢管与焊缝连接处的抗破裂特性,现已成为中国海工装备与大型钢结构设计施工中的核心技术。在钢板的可焊性证书中,当今世界上所有发达国家船级社均需要进行CTOD测试,并将此视为发证与否的最主要根据。湍流建模是计算流体动力学（CFD）模拟所有实际工业问题的基本要素。

3.2 AMD人造丝7处理器

为了进一步提高船舶设计的效率，应计划更新一些性能相对较低的硬件PC平台。经过对市场主流处理器平台的综合分析，了解到新一代AMD人造丝7处理器的性能一直受到采购部门的高度关注。同时，为了在设计工作中亲身体验AMD Rayon 7处理器的应用性能，通过E-Works联系了AMD。经过充分协商，AMD表示，愿意提供1台带有人造丝7处理器的PC。AMD PC演示版的特色是Ryzen 7 1700X处理器、8GB DDR4 2400MHz RAM，AMD Radeon RX580图形卡和256GB SSD。AMD Radeon RX580图形卡采用Polaris架构和更先进的第三代FinFET 14nm Polaris20内核，8G视频存储容量，视频存储宽度256 Bit，带宽256 GB/s，同时改进了封装技术。由于技术和产量的提高，多显示器图形卡的工作效率得到了提高。为了在设计过程中更直观地了解AMD样机的性能，可以使用企业内部的PC兼容机与AMD样机进行了对比测试。对船舶设计过程中的船体、涡轮机和电气主要步骤进行了测试，所使用的软件也广泛应用于船舶设计软件中，AMD平台能够很好地满足当前的应用需求，经过这么多年的开发，硬件性能也有了很大的提高，与专业工作站的差距不明显，价格更具优势。未来，应更加注重选择专业设计的硬件平台，这些技术可以提高容量和速度，同时降低建造成本。

3.3 SESAM平台

SESAM是个船舶设计强度分析软件，主要用于江海直达船舶的波浪载荷分析，PATRAN软件是关于有限元分析软件，主要用于测试江海直达船在10种工况下的性能。东信软件是一款海洋管道系统放样软件，用于驳船分段舱底系统的放样测试，以及管道、设备和电缆通道的布置。从测试结果来看，采用AMD Rayon 7处理器和AMD RX580图形卡的PC平台在船体、船舶和电气部件的设计过程中，性能全面优于企业现有机型。SESAM平台在计算江海直达船波浪载荷时，比现有平台节省了0.8 h，效率提高了33.33%。利用PATRAN软件对江海直达船进行了10种工况下的性能测试，节省了0.2 h，效率提高了28.57%。在使用东信软件进行船体设计、轮机设计和电气设计的过程中，效率分别提高了20%、24%和25%。综合评价结果表明，在船体试验、海洋工程试验和电气分级试验中，样机的总时间比原模型少18.2 h，总效率提高到20.9%。SESAM可用于计算波浪荷载，从原型机和原型机的价格对比分析，企业现有的设计模型采用核心I7处理器，原型机采用的处理器为AMD RYZEN 7处理器和AMD RX580图形卡，这两个处理器在性能上存在显著差异。总体而言，在AMD平台上性能更出色、价格更低，反映出更高的性价比,这对项目后续的硬件平台选择有很好的参考价值。

4 结语

国内风电市场正如火如荼，大部分风电安装船和电缆敷设船尚不具备动态定位功能，因此需要一定数量的起锚船协助运营。早期阶段应根据实际使用的特点进行了设备配置。在设计过程中，要求技术人员仔细审查设计图纸，完善工艺标准。同时，还要求施工人员做好每个细节，找出施工过程中的重点和难点，并制定后续的船舶优化解决方案。