1、 水火彎板項目概況一、研究意義船體外板曲面的成型加工是船舶制造的關鍵及重要環節之一。各種船舶的外表面大多都是由復雜的、不可展的空間曲面構成，通常采用燃氣火焰在鋼板表面局部進行加熱，當加熱區達到一定溫度后再降溫，利用金屬的熱彈塑性收縮變形原理，以獲得良好的整體變形，這就是所說的水火彎板工藝。其中影響鋼板變形的因素，有板材的形狀參數(板長、板寬、板厚、曲率大小)，加工參數(加熱線的長度、寬度及形狀、加熱速度)，熱源(氣體火焰、高頻感應、激光加熱)，邊界條件(兩端自由、兩端支撐、四角支撐)，冷卻方式(正面水冷、背面水冷、空冷)等。二、國內外研究現狀目前國內外大部分造船廠的水火彎板工藝都是由技術熟練的

2、造船工人憑借長期積累的加工經驗按照這個一般過程操作的。而這種經驗型的手工加熱模式存在如下的不足:水火彎板加工經驗需要在長期的加工實踐中獲得，培養一名有經驗的技工很不容易。工作環境比較艱苦，勞動條件也較差，因此隨著老工人的退休，很多青年工人不愿意從事這一工種。手工加熱型的水火彎板加工存在加工時間長，成形質量不容易控制，難以實現精度控制等困難。這導致了造船周期長，為后續造船工藝的精度控制設置了障礙。當今世界船舶市場的競爭日趨激烈，為了提高自身的造船競爭力，船廠必須在縮短造船周期、提高造船質量和降低造船成本等方面下功夫。雙曲率船體板的水火彎板成形是一個不可或缺的造船工藝，而手工加熱型的水火彎板加工在

3、成形效率和成形質量上都不能滿足現代造船生產的迫切要求。因此，水火彎板研究具有明顯的工程應用背景和重要的學術價值，實現水火彎板成形的自動化己經是造船界的共識，必須盡決加以解決。作為水火彎板工藝的發源地，日本早在二十世紀五六十年代就開始了對此工藝的探索，七八十年代開始了自動加工設備的研究。1999年日本石川島播磨重工業株式會社研制出一臺曲板成形的自動化加工裝置IHI-。該裝置有以下幾個特點1： （1）自動計算出曲板的加熱路徑和加熱頭熱輸入率等參數，以及加工后曲板形狀變化的誤差。 （2）加工過程中能在PC機顯示屏上對板的實際和理論彎曲狀況進行比較和評估，并進行修正。 （3）采用數控機器和激光測量器，

4、能連續進行彎曲加工和形狀測量。工作臺上設有23個液壓千斤頂，高度可根據選擇的彎曲形狀自動調節。 IHI-系統1軟件自動計算出加工方案然后進行加熱，在加熱時除了鋼板翻身需要人工干預外，全部實現了自動化。它的成形速度遠高于基于手工操作或工人經驗的加工系統，大大減少了加工時間，一個高度復雜的船體曲面以前要23天的手工成形，現在只需要56h，其中還包括23h的方案計算時間。日本在精細化造船方面走在了世界前沿。 日本鋼管公司(NKK)也試制了這樣的設備。韓國漢城大學3,4研制了自動水火彎板加工系統，它可以進行船體外板建模、外板展開、加熱信息計算、鋼板形狀的自動測量，該系統已經在合作船廠進行了試用。美國M

5、.I.T研制用激光作為熱源的全自動水火彎板設備，在薄板水火變形控制研究方面已經有很大的建樹5。Atlantic&Edison焊接研究所有簡易自動水火彎板設備。歐洲如西班牙、意大利、丹麥等也試制過自動水火彎板機。 中國第一臺水火彎板機是由大連理工大學、大連新船重工有限責任公司、清華大學和北京航空航天大學合作研制的，該設備于2001年初通過了863計劃智能機器人驗收專家小組的驗收，成果水平在當時處于領先地位。該機器人控制器6是基于激光測量的高精度仿型測量系統，實現了三維曲面測量和水火加工測量引導，解決了加工時鋼板隨機變形引起誤差的難題。機器人具有4個自由度，可用于復雜曲面鋼板水火成型自動加

6、工，提高生產效率2倍以上。 廣船國際7和上海交大于2005年底也開發出一臺數控水火彎板機。它的加工參數預報系統是基于氧一乙炔火焰對鋼板進行的實驗研究，所以此設備仍采用傳統的氧一乙炔火焰對鋼板進行加熱。該設備經過試用，加工了大量的船體外板(以帆形板為主)。 2006年廣東工業大學采用多軸運動控制系統和三維立體成型的加工方法也研制出一種水火彎板機8,9。該設備的控制系統由多軸運動控制部分和PLC控制部分組成。其中多軸運動控制系統是當前先進的開放體系結構的數控系統，它的特征在于：由工控機把運動數據和運動命令傳遞給多軸控制器，多軸控制器通過伺服驅動器對多軸的電機系統進行聯動控制及位置控制。 2007年

7、上海船舶工藝研究所(船舶611所)研制出SGQ一1241數控感應加熱曲板成形機10。該設備采用高頻感應加熱與計算機數字控制，具有自動加熱、自動均載支撐、自動測量、自動畫線及手動操作等功能。其中的支撐裝置11由稱重傳感器和機電伺服系統構成，它比日本的液壓千斤頂所牽涉到的液壓伺服系統具有更強的實用性。 以上這些設備都是采用龍門架的結構，龍門架結構的優點是結構簡單，剛度高，保證定位精度，穩定性能好，不需要太長的機械手臂。此外，還可以將控制主機、伺服驅動器等放置在距離高溫區較遠的操作平臺上。但是移動龍門架結構的不足是體積相對龐大，需要一定的工作空間和專門的工作場地，不適用于隨機靈活的工況。基于此，20

8、07年大連理工大學又設計了適合于大撓度曲面鋼板自動化加工的懸臂式水火加工機器人12和適用于現場施工的小型曲面鋼板水火加工裝置13。 在數控水火彎板機的加工過程中，加工參數軟件系統起著至關重要的作用。數控系統上的激光測量儀能夠測出鋼板的初始形狀，如板長、板寬、曲率大小等，然后由加工參數軟件系統自動計算出所需要確定的加工參數以達到目標形狀，如在鋼板不同位置上的加熱線長度、加熱線寬度、加熱線形狀、加熱速度、水冷速度、加熱路徑等，再由執行機構按照此方案進行加熱。所以該軟件應該能夠科學的給出加工參數及其工藝過程，以代替工人的經驗。 日本石川島播磨重工業株式會社的IHI-系統中，Morinobu Ishi

9、yama(石山隆庸)14通過建立變形場的有限元模型來確定加熱方案，并給出了自己的計算軟件。 韓國漢城大學的Shin等人15開發了基于關系數據庫管理系統及面向對象技術的水火彎板加工信息系統，它是自動化設備的基礎。該軟件系統考慮了不同船廠的成型習慣，既可以適應大船廠的輥彎后板的水火成形，也能夠應用于中小船廠的完全成形。但其加熱時火焰噴頭的移動速度需沿加熱線分三段變化，這對于實現自動成形是不利的。 上海交通大學董大栓16等人基于曲面疊加的加工參數確定的算法開發了一套計算機輔助加工參數確定軟件：CAFF軟件(ComputerAidedFlameFormingSystem)。他只是驗證了帆形板的加工，而

10、對鞍形板及扭曲板的加工參數的確定的基礎理論存在著較大的設計缺陷。上海交通大學朱枳鋒17,18完成了基于固有應變理論的高頻感應加熱彎板成型計算機輔助系統的總體設計，在此基礎上完成了輔助系統的開發:能根據制定的加熱方案，計算出加熱后的平板變形情況；建立了彎板成型加熱參數和固有應變關系數據庫，并進行了大量熱彈塑性有限元計算，完善數據庫。大連理工大學開發的水火彎板加工參數的軟件系統19-21具有船體外板精確展開計算、水火彎板變形規律數學模型、船體外板水火加工焰道布置優化、船體外板加工用見通數據計算、與船舶設計軟件Tribon系統的集成連接、系統的工程數據庫等功能，并根據系統功能設計建立相應模塊和系統結

11、構流程，應用VisualBasic6.0軟件設計開發了水火成形工藝參數預報系統。它是國內最先進的彎板加工信息的軟件系統，并且在不斷的日益完善。三、水平和發展趨勢 在現代造船生產中，從前期的船舶設計、板材號料和下料，到后期的船體裝配都已基本實現計算機化、機械化和自動化流水線。船體外板的水火加工是整個造船工藝體系中一個不可或缺的環節，它的加工模式無論是在加工速度上還是在成形質量上都拖了現代造船的后腿，這個工藝上的技術革新已是現代船舶制造業迫在眉睫的大事，而且必將帶來巨大的經濟效益。雖然國內外學者對此問題已經進行了許多有價值的研究工作，但目前彎曲鋼板加工這一環節仍靠手工完成的居多，且船板曲面變形受到

12、鋼板材質、環境溫度、氧及乙炔的流量、噴嘴高度、冷卻方式、支撐形式、加熱速度、焰道間距和鋼板特征等眾多因素影響，船板曲面成形機理十分復雜，由于水火彎板過程中最終形狀和加工參數間的關系的復雜性，到目前為止仍沒有一個可為大多數人接受的關于水火彎板過程中加工參數和最終形狀間關系的理論和完美的確定加工參數的方法。即使對于已經取得的結論和方法，或因是其假設條件和工程實際不相符合，或計算過程和步驟過于復雜，或結論仍需作進一步地驗證等原因而無法應用于工程實踐中。目前國內的廣船的設備主要是應用在帆形板的成型過程中，存在加工板形單一，而且工藝軟件對加工完不理想的板形不能進行二次計算生成焰道，存在焰道形成過程的數學

13、建模和焰道算法不夠完善問題。 同時水火彎板工藝完全實現自動化還有許多有待于完善的地方，例如：數控設備樣機存在速度不夠理想、缺少與生產設計的數據接口和設備穩定可靠性急需提高等問題，并且在智能化、集成化以及精度上與發達國家同類產品有較大的差距，上述因素直接導致相關技術成果轉化困難，沒有形成成熟的數控設備產品，因此形成了制約造船生產效率的瓶頸，必須進行深層次的研究。四、研究方法（1）船板加熱變形機理分析、影響因素分析研究；研究鋼板熱變形機理和應力分布與熱源特性參數的關系，通過模擬實驗和實測試驗，在獲得大量工藝參數數據的基礎上，研究熱源輸入功率、移動速度、加熱路徑、材料特征、幾何參數、冷卻條件、附加載

14、荷等因素對船板變形的影響，并通過有限元計算得出影響船板變形的主要因素和成型規律。（2）三維船板曲面測量技術研究及系統開發針對船板曲面加熱彎板作業環境和工況條件，開發三維船板曲面實時測量技術，實現三維船板曲面多點動態實時測量，形成船板曲面加熱彎板的實時三維數據，并通過實驗驗證系統的可靠性。（3）船板曲面熱加工成形數據庫及專家系統開發在船板曲面加熱彎板機理分析研究的基礎上，開發船舶集成制造軟件系統接口軟件，直接抽取船板曲面三維模型與彎板數據進行匹配，形成工藝參數與變形三維數據庫，開發船板加工軌跡、加工指令數據知識庫、智能推理的專家系統，自動生成確定一次和二次加工成形工藝參數；五、技術路線六、可行性

15、分析本項目采用熱彈塑性有限元方法，通過建立三維熱力耦合有限元模型，深入分析船用鋼板熱加工成形機理和不同參數條件下的成形規律，對成形過程中的變形進行三維實時動態測量，結合工人的實踐經驗和實驗，直接抽取船板曲面三維模型與彎板數據進行匹配，形成工藝參數與變形三維數據庫，和船體建造系統軟件（如Tribon） 相連接，根據輸出的目標曲面形狀，給出優化的加熱方案，并能直接輸出數控指令和生產管理信息，最終形成集應用軟件、數控設備、加工工藝技術為體的曲面成形加工系統。綜上所述，該研究基礎理論成熟，研究方向明確，思路清晰，研究梯隊合理，研究條件具備。通過大量的計算和實驗，在三年內完成研究目標是完全可能的。古希臘哲學大師亞里士多德說： 人有兩種，一種即“吃飯是為了活著”,一種是“活著是為了吃飯”.一個人之所以偉大，首先是因為他有超于常人的心。“志當存高遠”,“風物長宜放眼量”,這些古語皆鼓舞人們要樹立雄心壯志，要有遠大的理想。有一位心理學家到一個建筑工地，分別問三個正在砌磚的工人：“你在干什么？”第一個工人懶洋洋地說：“我在砌磚。” 第二個工人缺乏熱情地說：“我在砌一堵墻。” 第三個工人滿懷憧憬地說：“我在建一座高樓！”聽完回答，心理學家判定： 第一個人心中只有磚，他一輩子能把磚砌好就不錯了；第二個人眼中只有墻，好好干或許能當一位技術員；而第三個人心中已經立起了一座殿堂，因為他心態樂觀，胸懷遠大