分段建造的精度控制与误差分析

分段建造的精度控制与误差分析

王禧卿刘佳傲杨润畴

 广船国际有限公司  广东省 广州市 511462

摘要：

本论文针对船体分段建造中的精度控制问题进行了深入分析。探讨了现有分段建造工艺的现状及其精度控制中存在的主要问题。提出了通过优化胎架制造工艺和合理设计补偿量与余量来解决这些问题的方法，并详细介绍了具体实施步骤和技术措施。通过对实际应用案例的分析，展示了精度控制方法的应用效果，验证了其有效性。研究结果表明，精度控制技术不仅能显著提高船舶建造质量，还能减少返工次数，提高生产效率，降低生产成本。

关键词：分段建造、精度控制、胎架制造、补偿量、余量

引言：

船舶分段建造是现代造船工业中的核心工艺，其精度控制对船舶的整体建造质量和安全性至关重要。在竞争日益激烈的造船市场，提高船舶制造精度控制水平成为各造船企业关注的重点。然而，复杂的船舶结构和多样的建造工序使得精度控制面临诸多挑战。现有的工艺流程和设备在控制精度方面仍存在一定的局限性，导致建造过程中出现尺寸误差和形状变形。在通过分析现有工艺的不足，提出优化胎架制造工艺和合理设计补偿量与余量的方法，进一步提升分段建造的精度控制水平，以期为船舶制造企业提供有价值的技术参考。

一、分段建造的精度控制现状与存在问题

（一）分段建造工艺的现状分析

分段建造工艺通常包括钢材预处理、数控切割、加工、小组立、中组立和大组立等多个工序。这一系列工序需要严格按照预定流程进行，确保各个分段在尺寸、形状和结构上满足设计要求。尤其在钢材预处理和数控切割阶段，应用了先进的数控技术和自动化设备，大大提高了加工精度。小组立、中组立和大组立阶段则强调分段之间的精确对接和焊接质量，以保证最终成型的船体结构的整体性和强度。由于船舶结构的复杂性和多样性，部分零件仍需进行热处理、冷加工和焊接等特殊工艺，这些工艺环节中任何一个环节出现偏差都会影响到整个分段的精度。

（二）当前精度控制存在的问题

热处理和焊接过程中，由于材料的热膨胀和收缩效应，容易产生尺寸误差和形状变形。胎架制造的精度直接影响到分段的最终精度，胎架中几毫米的误差可能导致分段产生十几毫米甚至几十毫米的累积误差，这在艏艉线型变化较大的分段中尤为显著[1。在分段运输和吊装过程中，受力不均匀或操作不当也会导致分段变形，影响后续的组装精度。划线环节中的误差积累也是一个不容忽视的问题，尤其是在拼板、小组立等阶段，如果划线不准确，焊接后将难以修正。由于部分工序依赖于工人的操作经验和技能，个体差异也会导致精度控制的不一致。

二、解决分段建造精度控制问题的方法

（一）胎架制造工艺的优化

需要确保胎架的设计和制造精度。设计阶段应采用计算机辅助设计（CAD）技术，通过精密计算和仿真，减少设计误差。胎架的尺寸公差应严格控制在±1mm以内，以保证分段定位的准确性。在制造过程中，应使用高精度的数控加工设备，确保每个胎架组件的尺寸精度。具体步骤包括：采用数控切割设备对胎架的主要构件进行切割，切割误差应控制在±0.5mm以内；对切割后的构件进行精密焊接，焊接过程中要采用多层多道焊接工艺，以减少焊接变形；对焊接完成的胎架进行整体测量和调整，确保其平整度和直线度在允许误差范围内。在胎架装配过程中，应使用激光测量设备对胎架进行实时监测和校准，确保每个组件的安装位置准确无误。优化胎架制造工艺，不仅可以提高分段的装配精度，还能减少后续工序中的修正工作量，提高整体建造效率。

（二）补偿量和余量的合理设计与应用

补偿量和余量的设计需要依据具体的工艺流程和材料特性进行精确计算。一般来说，钢材在焊接过程中会产生热缩变形，通常热缩变形率约为0.5%-1.0%。为此，设计人员在下料时需要预留一定的补偿量。某一尺寸为1000mm的钢板，在经历焊接和冷却后可能会缩短至995mm，此时需要在设计时预留5mm的补偿量。同样，在冷加工和热处理过程中，材料会因冷缩或热膨胀产生尺寸变化，设计时需根据经验公式和试验数据，计算出适当的余量【2】。具体步骤如下：根据材料的物理特性和加工工艺，确定每个工序的补偿量和余量；在下料阶段，严格按照计算结果进行切割和加工，确保预留尺寸的准确性；在焊接和组装过程中，实时监测尺寸变化，通过精密测量工具，如激光测距仪和三坐标测量仪，进行数据记录和分析；在每道工序完成后，进行尺寸校正和调整，确保最终成品的尺寸符合设计要求。通过合理设计和应用补偿量和余量，可以有效抵消工艺过程中的尺寸变化，提高分段建造的整体精度。如表1所示：

表1：分段建造过程中的精度控制参数

三、精度控制方法的应用效果与案例分析

（一）成功案例展示

某造船厂在建造一艘50000吨级的散货船时，采用了优化后的胎架制造工艺和合理设计的补偿量与余量，通过精度控制技术显著提高了建造质量。在胎架制造过程中，该造船厂使用了先进的数控切割设备，将胎架的尺寸公差控制在±0.5mm以内，确保了胎架的平整度和直线度。焊接过程中，采用多层多道焊接工艺，并使用激光测量设备实时监测焊接变形，确保焊缝质量。整个建造过程通过计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）技术，精确计算各阶段的补偿量和余量，补偿量设计为焊接收缩率的1.0%，即每1000mm长度预留10mm补偿量，最终实际测量的变形量为9.8mm，完全符合设计预期。通过这些措施，该造船厂在分段建造的每个阶段都实现了高精度控制，最终船体尺寸误差控制在±3mm以内，远优于行业平均水平。

（二）精度控制方法应用效果分析

某造船企业在一年的生产周期内，通过实施精度控制措施，船体分段的尺寸误差从之前的平均±5mm下降到±2mm，返工率减少了30%。在零件加工阶段，该企业通过数控设备的应用，将数控切割精度控制在±0.5mm以内，切割合格率达到98%以上。部件装配阶段，通过精密测量工具，如三坐标测量仪和激光测距仪，实时监控装配尺寸，装配合格率提高到96%。在分段制造过程中，通过优化胎架制造和合理设计补偿量和余量，减少了焊接变形，保证了分段的外形尺寸精度【3】。具体措施包括：焊接前进行数值仿真分析，确定焊接变形量；焊接过程中使用夹具固定，减少变形；焊接后进行尺寸测量和调整，确保符合设计要求。船坞搭载阶段，通过激光测量系统，精确定位分段对接位置，保证搭载精度。在实际应用中，这些精度控制方法不仅提高了船舶建造质量，还降低了生产成本，提升了企业的市场竞争力。

结语：

本论文通过对船体分段建造中精度控制问题的系统研究，提出了优化胎架制造工艺和合理设计补偿量与余量的有效方法，并通过实际应用案例验证了其效果。研究表明，改进的精度控制技术显著提升了船舶建造质量，减少了返工次数，提高了生产效率，并有效降低了生产成本。这些成果不仅为船舶制造企业提供了实用的技术指导，也为行业内的精度控制研究提供了新的思路。未来，随着技术的不断进步和优化，这些精度控制方法有望在更大范围内推广应用，为船舶工业的发展作出更大贡献。

参考文献：

[1]田从永,孙云虎,王鑫,等.海上油气生产平台建造精度技术[J].石油和化工设备,2024,27(06):136-141.

[2]白鲲,王永伟,宋国辉.船体分段建造现场精度控制工艺研究[J].中国设备工程,2024,(09):116-118.

[3]陈素群.无余量造船工艺在中小型船舶建造中的应用[J].珠江水运,2024,(02):37-39.