船體零件套料的發展及現狀

劉平革，朱書峰，鄭兵，成 遠

（金海重工股份有限責任公司，浙江岱山 316200）

船體零件套料的發展及現狀

劉平革，朱書峰，鄭兵，成 遠

（金海重工股份有限責任公司，浙江岱山 316200）

降低船企生產成本，首先就要提高鋼板利用率。采用套料工藝可以提高材料利用率。介紹了套料工藝的優化方案和措施，自動套料軟件的原理變遷和研發進展。實踐證明采用套料自動化和人工合理調節套料相結合的方法，是目前能使船廠效益提高的最好方法。

利用率 預估套料 計算機輔助設計 排料算法

0　引言

造船相當于做衣服，首先需要原材料：布料（鋼板），在不影響衣服質量的前提，哪家的布料用的少，節約的用料采購成本少，那他的收益就比同行業其他廠家更高，在行業競爭中占據主動。造船也是一回事，如果能通過提高鋼板的利用率，減少了鋼板的采購支出費用，也就是提高了公司的收益。那么如何來減少采購（鋼板）成本呢，這就需要我們在設計上動腦筋，想辦法。在鋼板和型鋼套料上想辦法，提高套料利用率。目前船廠板材套料利用率在92～95%算是高的，一般在87～92%。如果要再把利用率提高1%，對公司效益都是可觀的。如果一條180000噸的散貨船，鋼板采購定額11000噸，按1噸鋼板5000元人民幣計算，那提高1%利用率節省支出成本：11000×1%×5000=550000元人民幣（這里僅是鋼板采購成本，不包含運費、加工、涂裝等費用）。所以提高板材套料利用率可以給公司帶來可觀的經濟效益。

1　提高套料利用率的研究

以往的鋼板材料預估是依據最初的排版圖，基本結構圖進行估算的。這個跟設計人員經驗有關，他們預估的鋼板規格的數量會有所不同，有可能與實際需求差距較大，這樣會出現鋼材規格和數量出現多訂，少訂和漏訂現象，從而影響了正常生產秩序，造成了庫存積壓。甚至到后來發現鋼板的排列和分割不合理，厚板和薄板的區域劃分不當，分段劃分的位置不合理等，再去改板規就不可能了，因為鋼板已經訂貨，所以只能做少量的修改，這樣就影響了鋼材的利用率，造成浪費。如果采用預套料工藝可以很好的改變這種狀況，能及早發現前期設計中不合理的問題，從而采用靈活的采購方法。

1.1預套料工藝的優化方案和措施

1）板材尺寸采用了“不定尺”采購方法。傳統的采購是采用了”定尺“的常規尺寸采購方法，所謂"定尺“采購方法就是常規的尺寸采購，比如：1800×8000×板厚，2000×10000×板厚等這種規定尺寸的鋼板，這就是使鋼板的規格受到了限制，也就影響了鋼板的利用率提高。如果采用了不定尺的采購方法，既不常規的鋼板規格尺寸采購，比如：1500×8000×板厚，2600×9000×板厚，3200×10000×板厚等，并按照寬度100 mm的遞增，長度500 mm的遞增板規來采購，就可以在板縫劃分上充分利用合適的板規，提高了鋼材的利用率，減少了余料的浪費。但前提是要預先綜合考慮工廠的鋼板設備加工能力，預處理線設備處理最大板寬和起重，運輸能力以及減少加價訂貨等等。例如：工廠的門式切割機，等離子切割機，火焰多頭式切割機等，下表1是我廠對鋼板的寬度限制數據。

表1　切割設備對鋼板寬度，長度的規定

表2是我廠設備對35 mm以上厚度鋼板寬度、噸位的限制數據。

表2　預處理設備對鋼板寬度，噸位的規定 單位：mm

表2是按照5 mm遞增，厚度超過40 mm以上要送至涂裝車間進行預處理，且重量要滿足鋼材堆場、加工車間的起吊能力，因此單張板不得超過15噸。

缺點是對于單船且不定尺板規少的話，會增加采購成本，鋼廠也不愿意單獨制造模具。

2）零件的分割，優化了板材套料，在套料時發現有的套料不滿意，余料多，利用率上不去，經結構設計人員同意后，只要對零件的分割進行修改，即增加板縫和結構零件，或修改板縫，使套料更合理。

3）板厚的高一級替代低一級的個別少數零件，也優化了板材套料，減少了板材的規 格種類和余料數量。但前提是不影響船體的自重。對于工廠而言，板材規格種類越少越好，這樣對于物質、配套、運輸等工作會減少很多，也節約了成本，這個也是設計必須事先考慮的。在定額板材規格時在不影響船舶質量前提下能盡量減少板材的規格就盡量減少。

4）型材的自制，可以充分利用板材余料，既減少了余料的浪費，又減少了去采購型材的支出成本。從另一方面講也是提高了板材套料的利用率。

1.2優化套料

優化套料是在預套料的基礎上進行細化套料工藝。在優化套料前必須做好有關的套料準備工作，為后期套料工作的順利開展奠定基礎。

1）預先考慮板縫及板規的選?。涸诜侄蔚膭澐诌^程中必須權衡好主甲板，外板主要結構的板縫布置，對于內部結構的板縫，由經驗豐富的同志規劃。對于板縫設計不合理的地方，應進行合理的處理，根據公司的鋼板預處理和設備加工能力，來決定選用合適的板規。

2）套料批次的規定：套料批次［1］“也就是將幾個分段合在一起套料，我們稱之為套料批次（套料單元），并給一個套料批次命名，如S01”，它是根據船廠的生產計劃和工作方式來確定合理的套料批次；比如在我們廠就有一個專門的工藝部門來確定分段總組方案，總組的分段就和套料批次的分段是緊密聯系的。把需要總組的分段安排在一個套料批次里進行套料，這樣解決了分段零件分類快速查找難的問題。分段在套料過程中，對于個別零件套料造成材料浪費的，必須修改模型中板縫布置，再進行合理套料，如果零件很小不是關鍵構件，還可以強套到高一級的板規材質中，來優化套料圖。

3）套料前的人員培訓：分段零件的套料是一個技術性的工作，雖然現在使用軟件自動套料，相對人來說素質要求有所降低，但是再先進的軟件也不可能將零件套的很好，一般來說自動套料利用率在80%～85%，還必須經過手工干預才能進一步提高利用率，所以套料培訓不單是教會軟件的功能使用，而且還可以有經驗豐富的人員把使用軟件的心得和注意事項，以及發生過的一些錯誤套料圖的案例一并傳授給新的套料人員，這樣減少了新套料人員的出錯率。另外還要進行套料圖的出圖要求及標準培訓。從而提高新套料人員的出圖質量和統一出圖格式。

經采取了上述的優化套料工藝后，套料利用率取得了很大的提升。

1.3實際套料工藝

在有了以上的預套料和優化套料工藝后，我們開始實際套料。實際套料遵循先套大零件，后套小零件的原則，依次從鋼板左下角調出零件排版。使用自動碰靠，旋轉鏡像等功能，使零件緊密排列，一般零件間隙是10 mm，如果個別零件差幾個mm還無法套進，在考慮零件不是重要構件的前提下?？梢赃m當修改縮小零件間隙到6～8 mm，強行把零件拉入進去。這樣避免個別零件再找板子套料。節約了板子。

1） 套料用句俗語說“見縫插針”，只要有縫隙的能套進小零件的地方，就可以往里面套。但前提是鋼板允許套最大零件的數量。

2） 在設計人員同意的情況下，適當增加板縫，可以提高鋼材利用率。同時在套料后產生的余料，管理好再利用，也是在減少工廠的支出成本。公司會借鑒先進的船廠并結合自身的特點，編制出合適的余料管理體系。余料管理體系試圖用切割作業后發生的余料，有效地提高鋼材利用率并最大程度地節減船舶造價。

余料：是指原材料切割后帶有剩余經濟價值的可用余料（二次利用的材料）。

我廠的余料種類的分類基準是按二次利用（再使用）價值作如下分類，見下表3所示。余料種類的管理基準是根據上表3的分類基準進行管理的，見表4所示。

表3　余料種類

表4　余料種類的管理基準

有了如上的完善，科學的余料管理。鋼材的使用率會大大提高，從而降低工廠的成本，取得顯著的經濟收益。

2　自動套料軟件的原理變遷和研發進展

雖然優化套料能達到較高的利用率，但是它花費了套料人員的大量時間，逐漸不符合現代造船的節奏模式。那么怎么能提高套料的效率呢？不言而喻，自動套料有利于提高套料速度和企業信息化的優點。近年來，隨著計算機性能的提高，以及優化算法的出現，能提高一次套料利用率的自動套料軟件在日本IHIMU船廠開始應用。為了提高我國造船的競爭能力，迫切需要使用最佳算法的自動套料系統。

2.1自動套料的原理

自動套料就是用計算機技術，利用合適的排料方法，使零件在排放時，緊密靠近又互不重疊，從而來提高材料利用率。套料零件的排放就是通過算法，這是自動套料軟件的靈魂。近年來國內外不少專家在這個領域做了很多研究，并取得了一定的成果，比如［2］背包算法、組塊技術、零件矩形包絡算法等，都達到了良好的效果，可是還算上套料的總體最優效果。

2.2自動套料的排料算法

近來，遺傳算法已成為人工智能領域的熱點。遺傳算法GA是美國密歇根大學HOlland教授提出的一種采用進化策略在解空間中尋找最優解的優化方法，它是對生物進化種群過程的模擬，從隨機生成的種群（即優化問題的解集）開始，按照適者生存的原則，經過選擇，交叉，變異等遺傳操作，使種群的整體適應度（即優化問題的目標函數值）向增大的方向進化。

此外，模擬退火算法也在套料優化中經常使用，這是一種解決組合優化問題的隨機搜索技術，它利用一個新解產生裝置和接受準則，不斷對當前解產生疊代，從而達到使目標函數最優化，可以顯著提高板材利用率。但是遺傳算法，模擬退火算法這兩個缺點是計算量大，在我國造船領域引進的成功實例并不多見。日本IHIMU船廠經過長期經驗積累，開發了一套基于遺傳算法上的自動套料系統FINEST。FINEST系統是把零件重疊和分開的情況定義為高的能量級，通過控制溫度和范圍，以及隨機移動和旋轉來實現沒有重疊的零件排列。

FINEST系統在船廠應用的實例證明，與人工套料相比，該算法能提高套料功效90%，提高一次套料鋼板利用率1%～6%。驗證了其可行性。

2.3目前使用的自動套料軟件

目前世界造船先進國家韓國正在使用的CADWI自動套料軟件，以及型材自動套料軟件INFOGET正在被我國大型船廠認可使用。CADWI板材自動套料系統具有快速，較合理的套料利用率。它既彌補了TRIBON套料軟件tribon nesting自動套料功能形成利用率不高的缺陷，也彌補了國產滬東套料軟件自動套料功能零件操作繁瑣復雜難掌握的不足，同時它還達到了可以與日本FINEST自動套料系統相媲美的同等效果。它的一次套料利用率達到了85%左右，經過人工稍微調整可以達到92～96%的滿意效果。與人工套料相比，減少了套料的時間，大大提高了套料效率。然后再與tribon nesting軟件相結合就可以最終導出套料圖和生成切割指令給加工部門生產使用。這套軟件的引用所產生的效果顯而易見，它為公司后續生產，比如物資部門的所需鋼材定額提供了快速準確的依據，為其他生產管理部門的工作安排計劃的布置和實施爭取了充足有利的寶貴時間，也為縮短造船生產進度和交付船舶周期提供了可靠的保證。因此目前CADWI自動套料軟件還是船廠最受歡迎的自動套料軟件。同時INFOGET型材套料軟件也是利用tribon planne系統零件分離后的又一款可行性的比較好的型材自動套料軟件?？梢孕筒淖詣优帕泻蠼o出型材種類和數量定額，給物質部采購訂貨。

3　結束語

目前全球造船經濟并不景氣，如何在低迷的船舶市場中求生存，靠的是什么，就是要依靠先進的設計生產力，設計軟件就是設計人員的必備的工具，作為造船的最初階段，先進的設計軟件加上卓越的設計人員，才是船廠競爭中生存的首要條件。從公司引進CADWI板材自動套料軟件和INFOGET型材自動套料軟件后，設計速度和質量都領先于同類船舶制造型行業。

［1］ 王進， 徐建， 張新波， 杜曉芳. 優化套料方法提高系列船建造材料利用率［J］. 黑龍江科技信息-科技論壇， 2011： 34.

［2］ 龍哲， 羅宇， 陳建波. 板材自動套料算法研究的現狀及應用實例［J］. 造船技術， 2008（1）： 16-19.

Reviews on Hull Parts Nesting

Liu Pingge， Zhushufeng， Zheng Bing， Cheng Yuan
（Jinhai Heavy Industries Company Limited， Daishan 316200， Zhejiang， China）

In order to reduce the production cost ofshipbuilding enterprises， the utilization rate of thesteelshould be improved. Using nesting technology might improved material utilization rate. This paper introduces the optimalscheme and method of nesting technology， principleVariance and development of automatic nestingsoftware. The practice proves that the method of combining the nesting of automatic with manual adjustment is the best way to improve the efficiency of theshipyard at present.

Utilization ratio； estimated nesting； computer aided design； nesting algorithm

U671

A

1003-4862（2015）10-0063-04

2015-08-03

劉平革（1975-），男，工程師。研究方向：船舶船體建造。