基于MBD技术的船舶产品的设计与制造研究
孙少文1，刘爱玲2，戴亮2，杨斌1
1
（上海海事大学物流研究中心，上海201306） 2
（上海外高桥造船有限公司，上海200137）
摘要：通过对SWS产品现状的调查研究，从传统工艺制造技术出发，寻求到了SWS产品设计制造存在的问题，并利用MBD技术对产品传统工艺进行了改进，并对SWS使用MBD技术做了可行性分析。结果表明：MBD技术能够通过数据集成模型使得产品的设计与制造更加精确；MBD技术对船舶工艺的影响更多的体现在舾装过程中；影响SWS采用MBD技术的因素是人力资源质量、资金支持、政府政策以及企业已有的或正准备转变的管理理念。 关键词：MBD；船舶产品；流程；SWS；
Reserch on designing and manufacturing of ship products based on
the MBD
SUN Shao-Wen 1，LIU Ai-Ling 2，DAI Liang2，YANG Bin 1
1（Logistics Research Center, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306） 2（Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Company Limited, Shanghai 200137）
Abstract: Through the investigation of present situation of SWS products and From the perspective of traditional process manufacturing technology, problems of SWS in product design and manufacturing was found, which has been improved by the MBD. At the same time, a feasibility analysis was done MBD technology in the application of SWS. The results showed that: MBD technology can be integrated through the data model makes designing and manufacturing of product more precise; The impact of MBD technology on marine craft was more reflected in the outfitting process; The quality of human resources, financial support Government policy and the enterprise's existing or transiting management philosophy are the main factors influencing on application of MBD in SWS.
Keywords: MBD; ship products; process; SWS;
1前言
船舶产品的制造与设计是典型的技术与资金密集型产业，它的技术水平可以作为衡量一国制造业水平的重要指标。我国是制造业大国，但是基于传统技术的低产出、低效率和低水平的制造技术是我国制造业转型的三大障碍。目前，在大型高技术的制造业中MBD(Model Based Definition)技术是制造业产品制造与设计的一次革命。MBD技术改变了传统的由三维模型描述形状信息，用二维图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的分步产品数字化定义方法，用完整表达产品定义信息的三维实体模型作为生产设计制造过程中的唯一依据技术已在复杂程度高的波音飞机设计制造过程中成功应用，效果显著[1]。
对于同样的大型的造船业而言，MBD技术在日韩等发达国家的船舶制造中得到重视和应用，但在国内的船舶行业中却鲜为少见。本文紧抓船舶行业技术转型的前沿与热点问题，通过对船舶行业的背景分析将MBD技术引入船舶产品的制造和设计，同时以解决上海外高桥造船有限公司(SWS)的产品制造与设计的需求为目标，对基于MBD技术的产品设计与制造进行较为深入的实证研究。
目前，国内外关于MBD的应用多集中于飞机、汽车、模具、机床的制造业。Hyun-Woo Kim（2012）在研究MBD的应用中，对MBD技术在韩国的飞机制造、汽车制造和船舶制
作者简介：孙少文（1989-），男，硕士，研究方向：港口航运，物流技术应用，867201000@qq.com。
上海海事大学物流研究中心。
项目编号：12dz1124801；GK2013027；
造的应用进行了类比分析，并指出MBD技术将会随着制造业的转型而成为普遍的制造技术[2]。周秋忠和范玉青（2008）认为MBD解决了产品尺寸、公差和工艺信息在三维实体模型中的描述问题,使三维实体模型成为制造过程中的唯一依据。并通过三维数字化协调建模、三维工艺仿真设计与三维数字化工艺现场应用，真正实现了无图纸三维设计制造技术，缩短了产品研制周期，改善了生产现场工作环境,提高了产品质量和生产效率[3]。范玉青和周建华（1996）通过对传统技术与三位实体模型技术比较得出，MBD技术已在飞机行业中得到成功应用[4]。杜福洲和梁海澄（2010）提出了基于MBD的航空产品首件检验方法，以实现三维数字化产品检验，在分析MBD技术应用体系的基础上，对航空首件检验标准进行研究[5]。师利娟（2012）使用三维标注模型作为制造依据，真正实现模具设计、制造和检测的协同，达到缩短模具生产周期，提高企业效益的目的[6]。张荣霞等（2011）提出了一种基于MBD的零件制造模型的管理方法[7]。姜红明等（2012）从传统基于图纸的设计加工技术与MBD技术对比的角度，来分析MBD技术实施诸多优点和对传统设计研发部门带来的挑战[8]。冯潼能（2011）从MBD的基本思想、特征以及发展趋势的角度对制造业的协同管理的重要性进行了论证[9]。冯潼能等（2012）讨了在大型飞机研制中的基于MBD技术在数字化协同设计制造中应用的一些方式方法以及存在的问题，提出了比较适合于目前国内航空企业实施MBD的一些思路[10]。
根据国内外已有的MBD技术应用研究成果以及国内造船行业发展状况，且进一步参照上海市外高桥船舶产品制造设计的需求。本文在文章的第二部分将展示上海市外高桥造船有限责任公司的产品设计制造的现状。第三部分，对MBD技术在船舶产品（船体零部件和船舶舾装）和传统技术进行比较研究，且结合MBD技术，从船体和零部件的设计与制造、船舶舾装方面进行研究。第四部分，对船舶产品设计制造中MBD的应用的可行性分析。第五部分，通过结合上海市外高桥造船有限公司的实际情况提出一些具有管理和实践意义方面的建议。
2.外高桥造船有限公司船舶产品现状
外高桥造船有限公司（SWS）是国内领先的造船企业，其船舶产品的制造技术和生产理念可以很好地反映我国目前船舶制造行业的现状及发展趋势。但是SWS在船舶制造的技术和理念方面依然与发达国家（韩国、日本）有着较大的差距。从产品生产设计技术方面发现SWS产品的技术瓶颈并提出解决方案。
在复杂零部件的结构设计过程中，目前大部分企业实现了以三维建模为主要设计手段，但在向生产车间传递制造信息过程中，还依赖于二维与三维结合的图纸表达方式，图纸的空间局限性限制了图纸的表达能力，也因此限制了复杂模型从设计向生产的顺利转化，制约着设计和生产能力的进一步发展。
设计员2D、3D设计工具（CAD、Catia）2D图纸办公室审签系统档案室2D工艺工艺员CAPP详细工艺设计（文字描述和2D草图）数控加工工人现场NC编程（master CAM）&常规生产加工 图1.传统设计生产流程图
如图1所示，在传统设计生产流程中，由于所有设计内容及工艺内容全部以二维图纸的形式传递，导致产品的实际构型需要在设计、工艺和生产等环节中不断进行三维、二维投影转换。如图1中的红线区域，各环节中容易出现理解偏差等问题，并且对于结构复杂的零件，从设计人员开始就面临绘制设计图纸的难题。对于一个复杂的结构件，由于内腔的多凸台和多衔接面特性，设计图纸内往往需要包括大量的标注信息，在图纸设计过程中，随着所需标注数量的增加，遗漏或过约束的可能性随之提高，从而使得船舶产品制造过程中出现不合格产品甚至废品。在有限的图纸空间内，如何有效的布置尺寸标注，方便审签人员、工艺人员和加工车间准确快速地理解设计意图，已成为设计人员在绘制图纸时面临的主要难题。
因此，SWS目前在船舶产品的设计与制造中从产品质量和制造效率上迈向新的台阶，必须整合2D图纸和3D模型的现状，并且采用一种新的技术取代以2D图纸传递的方式。特别是SWS在生产管理中正在向“精益化生产”转变，这也是日本和韩国在产品制造上的核心理念[11]。MBD技术可以完整的表达产品尺寸公差等信息的三维实体模型，将原有的3D模型+2D图纸的传统模式进行了较好的集成。因此SWS在产品设计和制造上，可以采用MBD技术进行改进，从而提升产品合格率和提升产品生产效率，有力的推动精益生产。
3.MBD技术下（SWS）产品设计制造的改进
3.1 零部件生产设计流程的改进
近年来，MBD技术在多行业中得到了较为迅速的发展，特别是在航空行业，MBD技术已经较为成熟。MBD技术可以理解为将一个零部件进行完整定义的技术，包括构造、注解、基本属性、材料、审批和更改等信息，还包括工艺工程、加工仿真等内容，完整的MBD技术下的产品设计与制造可以满足产品流程中各个阶段人员的需求，提供有效的信息集成。
对于研发部门来说，上述二维图纸的信息传递成为影响产品设计制造的精益化的最大障碍，那么基于MBD技术的产品设计与制造的优势如图2所示。由图2，从绿框包含的流程可以清晰地看到传统产品设计制造的路径（二维图纸的传递）得到了有效的集成，MBD技术使得原有的二维图纸加三维模型的模式更加集成化。降低了因信息理解差异而造成的不合格产品。
CATIA3D建模MBD模型设计员工艺员DELMIA3D机加工设计三维数据编程MBD模型审签系统数据管理系统3D/2D工艺文件G代码工人现场数控加工&常规生产加工MES管理 图2.基于MBD的产品设计生产流程
如图2，整体上看，在基于MBD技术的设计生产流程中，产品从设计到生产都是在三维模型的基础上进行的。模型中同时集成了工艺、生产和检验等环节中必须的信息，保证了产品设计数据在产品任何环节的一致性，能够解决基于图纸进行生产设计面临的问题，同时基于模型数据一体化的MBD使得产品的状态管理显得更加的简单准确。
3.2船舶舾装设计的改进
在船舶产品不仅仅限于建造船体的零部件产品，还包括船舶舾装设计。由于船体的建成只是提供了一个漂浮的壳体，要使船舶完成使命，还必须安装各种船舶设备和进行各种处理。舾装设计以船体建造为基础，为了适应船体的建造方法，船舶舾装必须有正确的工作方式、合理的组织形式以及完善的管理措施。SWS作为国内先进的船舶制造商不能仅限于船舶零部件产品的精益化而采用MBD，再进一步的船舶舾装中MBD技术的采用也会使得SWS的产品制造提升一个新台阶。
船舶舾装的内容一般包括：机舱内各种装置、系统和属具，船上控制船舶运动方向、保证航行安全和运营作业所需要的各种设备与用具等。舾装作业的内容大体上可以分为：甲板舾装、住舱舾装、机舱舾装和电气舾装。针对SWS船舶舾装的现有流程模式，采用MBD技术进行改进。
电气甲板住舱机舱管子加工车间甲板舾装工段住舱舾装设计组机舱舾装设计组电气舾装设计组船舶设计部舾装组甲板舾装设计组MBD模型住舱舾装工段机舱舾装工段舾装部电气舾装工段生产计划技术组 图3 基于MBD技术的SWS舾装设计流程
如图3所示，按照区域划分的舾装流程，分工到具体的舾装设计小组。通过MBD技术的采用，各个设计小组根据船体的具体尺寸、型号和设备规格要求对舾装所需要的零部件及原材料进行设计，将数据集成的三维模型提交各个生产车间，从而能够保证舾装按照原有的设计规划精确、高效的完成。 3.3 船舶整体工艺的MBD技术应用
船舶的制造是一项复杂的系统工程，因此MBD的应用不能割裂船舶制造工艺的整体性。零部件产品的MBD应用与船舾装过程中的MBD技术需要进行适当的衔接，这样才能够制造出尽可能满足客户的精益产品。
船体船舶舾装设计分段大单元大单元单元部件部件部件单元部件部件单元部件部件单元部件零部件成品产品零部件制造3D模型注释信息状态1的MBD零件模型状态2的MBD零件模型…………….状态n的MBD零件模型零部件制造模型原材料采购订单需求 图4.基于MBD技术的SWS船舶产品设计流程
由图4可以看出，船舶的总设计流程能否设计出符合客户需求的产品，关键在于船舶零部件制造是否精细。MBD技术对零部件的规范化和属性集约化进行了很好的技术支持，从采购原材料到零部件成品制造的一系列环节都是采用的MBD模型。对于舾装设计工作，也是在零部件产品设计的基础上进行的，因此MBD对于船舶舾装设计的影响主要是已有产成品精细化的后续影响。
从理论上，不管是零部件还是舾装设计的精细化都需要MBD技术的支撑。从整体的船舶制造上，更是由于MBD的应用才能够使得精细化产品能够更好地在作业流程中进行延续。
4.（SWS）MBD技术实施的可行性分析
MBD技术在制造业中的优势，更加坚定了该技术是未来船舶产品制造与设计中的新趋势，作为SWS是否能够继续引领中国船舶市场，关键在于SWS是否可以成功应用MBD技术，是否具备使用MBD技术的条件。
SWS必须和能够使用MBD技术有着复杂的原因。其中，本文将从船舶制造业行业趋势、SWS采用MBD的优势和SWS经营理念三个方面对MBD技术的实施进行可行性分析。 (1) 船舶制造业的行业趋势（日韩）
从上世纪70年代起，世界造船中心转移到了东亚，经过30年的发展世界80%以上的商船造船量集中在亚洲，逐渐形成了韩国、日本和中国的三足鼎立的态势。然而相对于日韩的造船技术与管理水平，我国的造船业还停留在传统的制造业层面，与发达的造船国家有着很大的差距。
表1 中日韩综合技术水平对比表 技术项目 设计技术 基本设计 详细设计 生产设计 制造技术 切割 焊接 舾装 吊装
日本 100 100 100 100 100 100 100 韩国 95 105 105 95 90 90 95 中国 80 60 60 70 70 60 60