Технологичность конструкций корпуса судна

Технологичность корпуса судна современной конструкции должна быть учтена на этапе раннего проектирования, чтобы предусмотреть все соотношения систем, их востребованности и затратности при производстве.

Основные понятия. Место технологичности в алгоритме проектирования

Судовой корпус состоит из многих функционально и геометрически связанных конструктивных объектов:

• листов обшивок;
• балок набора;
• многочисленных бракет;
• ребер жесткости;
• книц и т. д.

Свойства конструктивных объектов предопределяют возможность рассмотрения корпуса судна как сложной системы К («Корпус»). Система является частью более сложной системы С («Судно»), которая, в свою очередь, есть часть еще более сложной системы Ф («Флот»), и т. д. Каждая система характеризуется своими целью, структурой и поведением.

Цель системы К — обеспечение функционирования всей системы С в трудных, нерегулярных условиях эксплуатации судна (район Мирового океана, сезон, характер нагрузки судна и т. д.), при установленных сроках службы судна — обеспечение надежности и функционирования судна.

На рис. 1 приведены некоторые примеры взаимосвязей между конструктивными объектами разных уровней и определены иерархические уровни К и С.

Поведение системы, или процесс ее функционирования на протяжении всего срока ее службы от появления технического задания до списания и разборки судна на слом, — это процесс проектирования, постройки и эксплуатации в составе более сложной системы. В связи с этим можно говорить о качестве системы, определяемом потребительской стоимостью конструкции в составе судна. Качество можно рассматривать как «совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением».

Стандарт ИСО 8402 «Словарь терминов» определяет понятие «качество» как «комплекс свойств и характеристик продукции или услуги, который определяет их способность удовлетворять потребности». (Потребности обычно выражаются в показателях, отражающих свойства или характеристики. Показатели могут отражать аспекты потребления, безопасности, пригодности, надежности, ремонтопригодности, экономики и окружающей среды.)

Стандарт ИСО 8402 является терминологической базой стандартов серии 9 000 по обеспечению и управлению качеством, опубликованных ИСО в 1987 г., которые, по мысли авторов этой серии, создают основы «новой эры управления качеством».

Любую техническую систему, в том числе и систему К, можно характеризовать разными свойствами, но, как правило, основными из них являются:

• функциональность (Ф-свойство);
• надежность (Н-свойство);
• технологичность (Т-свойство).

К этому можно добавить также оптимальность (О-свойство), экономичность (Э-свойство) и др.

Определение основных свойств корпусной конструкции было приведено ранее. Здесь же обратим внимание на понятие «технологичность» как свойство, определяющее технико-экономические требования производства и эксплуатации и заключающееся в возможности изготовления и эксплуатации конструкций при минимальных затратах совокупного общественного труда (труд живой и труд овеществленный, включающий стоимость материалов, энергии, информации).

При рассмотрении совокупности свойств единственно правильным решением является расположение их в порядке важности для функционирования системы. Очевидно, что нет смысла стремиться к высокому уровню Т-свойства, если при этом не обеспечивается заданный уровень Н-свойства, и т. д.

Поведение системы К можно представить в виде обмена некоторого количества расходуемых ресурсов (затраты материалов, живого труда, энергии, информации — З) на некоторое количество полученных ресурсов (например, в виде проделанной транспортной работы — Д). Измеряя З и Д в денежном выражении, можно записать, что при нормальном функционировании экономики обмен должен быть сугубо положительным, т. е. Д — З > 0; (Д — З) → max.

Так как система К состоит из подсистемы K_j K_j ⊂ К, а сама система К ⊂ С и т. д., то можно говорить о совпадении или несовпадении тактических целей подсистем более низкого уровня со стратегическими целями более сложной, более высокой системы. Допустим, что в системе С все детали корпусных конструкций выгодно делать индивидуальными для уменьшения массы корпуса и увеличения провозоспособности судна, а в системе К желательна унификация конструктивных объектов для снижения производственной стоимости.

Читайте также: Наружная обшивка и подкрепляющий ее набор

Отмеченное несовпадение целей поведения систем С, К и K_j сразу предопределяет использование для анализа поведения систем и их подсистем одного из основных методов кибернетики — построения математических моделей оптимального управления поведением по общему критерию.

Моделирование со времен глубокой древности выступало как метод познания, как метод субъективного отражения объективной действительности.

Кибернетическое моделирование как метод управления процессом представляется в виде принципиальной схемы:

$\frac{Алгоритм\to Объект\to Цель}{Обратная связь}.$

В кибернетике под управлением понимается такое воздействие на объект, которое обеспечивает достижение заданной цели, а под обратной связью — информация о реакции объекта на управляющее воздействие. Хорошо поставленными обратными связями обеспечивается успех управления. Под алгоритмом управления понимается способ (правило) достижения поставленной цели.

На рис. 2 приведена принципиальная схема управления применительно к конкретным условиям такого управляемого процесса, каким, безусловно, является процесс Принципы проектирования конструкций корпуса суднапроектирования корпусных конструкций.

Конструкции в этой схеме рассматриваются как объект, характеризуемый набором параметров:

$D_{ji}=(d_{il},..., d_{in\left(i\right)})J,$

выбирая которые проектант в зависящих от него пределах организует систему K_j и управляет поведением этой системы.

На протяжении столетий творческая мысль судостроителей всегда была направлена на обеспечение основного свойства всех элементов судна как объекта эксплуатации — надежности. Именно этой проблеме во всех ее аспектах уделялось главное внимание. Именно надежность является основной целью проектирования.

Проектанты располагают почти достаточной информацией в виде:

• правил классификационных организаций;
• Норм прочности;
• различных требований Международных конвенций,

для того чтобы с высокой степенью вероятности исключить принятие технических решений, в которых не предусмотрено обеспечение надежности.

Однако задача проектирования корпусных конструкций никогда не была только задачей обеспечения надежности. Надежность — основа и конечная цель проектирования конструкций, но идти к этой цели можно разными путями: быстрее или медленнее, дороже или дешевле.

Еще в 1921 г. акад. Ю. А. Шиманский указывал, что классификационные правила не всегда дают наиболее технически целесообразные и выгодные конструкции корпуса, поэтому отступления от них, приводящие к облегчению веса корпуса, упрощению работы, его долговечности, являются желательными. Это понимали всегда, но в последние годы во всем мире нарастает беспокойство из-за слишком расточительного расходования всех видов ресурсов.

Когда оно коснулось судостроительного производства, стали активно искать пути повышения эффективности судостроения:

• снижение трудоемкости;
• уменьшение массы изделий (в том числе и корпусных конструкций);
• снижение сроков и стоимости постройки судов.

В проектировании появилось новое направление, связанное с обеспечением технологичности.

Обеспечение технологичности, характеризующей возможность изготовления и эксплуатации изделия при минимальных затратах совокупного (живого и овеществленного) общественного труда, должно выполняться при непременном сохранении требуемого уровня надежности и функциональности. Поэтому в схеме, приведенной на рис. 2, технологичность представлена как промежуточная цель управления процессом проектирования, подчиненная основной цели — надежности. Потребовалось глубокое изучение процессов изготовления и эксплуатации конструкций для включения в алгоритмы проектирования правил и требований к конструкциям, обеспечивающих их производственную и эксплуатационную технологичность.

В последние годы в алгоритмы проектирования включаются такие методы обеспечения технологичности, как:

• стандартизация,
• унификация,
• типизация конструкций.

Метод функционально-стоимостного анализа — специфический метод проектирования, обеспечивающий системное исследование объекта путем отказа от предметного подхода, свойственного существующей практике. За основу исследования принимается функция (функции), которую (которые) проектируемый объект должен выполнять. Этот метод соединяет воедино технику и экономику и обладает большими возможностями, так как он применим для анализа изделий, структур, организаций и технологий. Примеры использования метода при проектировании корпусных конструкций пока единичны.

Будет интересно: Изменение технологии грузовых работ и перевозки грузов — определяющий фактор в развитии конструктивных типов судов

Модульное формирование техники (построение техники на модульном принципе) — комплектование разнообразных технических систем с большим различием характеристик из небольшого, экономически обоснованного количества типов и типоразмеров одинаковых первичных общих элементов — модулей.

Пути обеспечения технологичности конструкций

Повышение эффективности строительного производства традиционно видят в механизации (замене ручного труда механизмами и машинами), а затем и в автоматизации производства.

Разработка теоретической базы обеспечения технологичности судостроения требует выбора стратегии поиска наиболее эффективных направлений работ в этой области. Ряд исследований СПГМТУ позволил в качестве организационной формы обеспечения технологичности судостроения предложить создание системы «Отраслевое обеспечение технологичности» и ее подсистем — «Корпус», «Судовой энергетический комплекс» — и выполнение необходимых научно-исследовательских работ для создания такой информационной базы в помощь проектанту, чтобы с высокой степенью вероятности исключить принятие технических решений, в которых не предусмотрено обеспечение технологичности.

В настоящее время могут быть названы два пути обеспечения технологичности: модульное судостроение и система комплексной стандартизации (рис. 3). Возможно совершенствование отдельных технических решений в виде частных усовершенствований некоторых конструкций корпуса, поиск более совершенной формы корпуса, оптимальной по техническим и экономическим критериям шпации и т. д. Такой путь решения задач технологичности можно назвать локальным.

Чем выше мы поднимаемся по иерархическим уровням системы «Судно» — от деталей к узлам, комплексам, подсистемам, — тем выше становится абсолютное значение относительного экономического эффекта, полученного в результате повышения степени технологичности изделия данного уровня. Один процент снижения стоимости на уровне «Судно» на два-три порядка значимее одного процента снижения стоимости на уровне, например, «Узлы».

Следует обратить внимание на важную особенность судостроения: технические решения, принятые на ранних стадиях проектирования (например, при разработке эскизного проекта), уже невозможно скорректировать на последующих стадиях. Отсюда практический вывод: максимум внимания (и соответствующих научно-исследовательских работ) по обеспечению принятия технологических решений именно на ранних стадиях проектирования судна.

Если сосредоточить усилия на решении задачи обеспечения технологичности на высших уровнях иерархии — «Судно» и «Флот», — то, по нашему мнению, открывается генеральный путь обеспечения технологичности — переход на модульный принцип форматирования всей судовой техники, в том числе корпусных конструкций на базе комплексной стандартизации судостроения. Однако переход к методам комплектования судов из сборочных единиц — модулей — способен дать наибольший экономический эффект, если будут теоретически разработаны и организационно осуществлены меры по ограничению того многообразия конструктивных решений, которое наблюдается в настоящее время.

В частности, многообразие форм и размеров конструкций явно вошло в противоречие с попытками механизации производства на основе отдельных усовершенствований или экстенсивного наращивания мощностей, приводящих к затрате огромных средств без существенного повышения технического уровня производства и производительности труда. Коротко это выглядит так: надо подчинить проектные решения законам современного производства без ущерба для функциональных качеств создаваемой техники.

Можно даже выдвинуть лозунг:

«Новой технологии — новые проектные решения!».

И здесь на первый план выступают изобретатели новых технических решений. Можно показать, что между деятельностью изобретателя, стремящегося ко всему новому, оригинальному, и стандартизатора, держащегося за устоявшиеся, повторяющиеся решения, нет антагонистических противоречий; их примирит экономист, ищущий оптимальное решение по общим для всех заинтересованных лиц народно-хозяйственным критериям.

Таким образом, можно назвать следующие основные пути обеспечения технологичности:

• оптимизация конструкций по критериям технологичности в границах традиционных решений;
• активный поиск новых технических решений, отвечающих новым технологиям;
• решение глобальной задачи модульного формирования техники, интегрирующей все другие пути.

Чтобы успешно решать эти проблемы, надо понять, что такое технологичность, не путать ее с понятием технологии и, наконец, усвоить, что обеспечение технологичности — дело рук и ума проектантов.

Показатели технологичности

Свойство «технологичность» должно быть величиной измеряемой. Это дает возможность отойти от общих, практически мало что говорящих качественных оценок типа «более или менее технологичная конструкция». Представляется удобным ввести показатели технологичности, смотря на них как на величины, изменение которых количественно характеризует результаты работ по обеспечению технологичности. Удобно также разделять их на две группы — технические показатели и экономические показатели. Оба вида показателей могут быть выражены как в абсолютных величинах, так и в относительных.

Как правило, конструктивные изменения приводят к изменению массы m, трудоемкости Т и стоимости конструкции С. Эти же величины непосредственно (например, масса) или опосредованно (например, стоимость) отражают и влияние работ по обеспечению технологичности на экономию ресурсов. Логично принять m, Т и С в качестве основных показателей технологичности.

Технические показатели технологичности

Их основное достоинство — неизменяемость и постоянство масштаба единиц измерения.

Например, масса конструкций во все времена и в любой стране одинакова Если не обращать внимания на различие в величине ускорения силы тяжести на экваторе и полюсах.x, что дает возможность сравнивать по этому показателю конструкции вне зависимости от времени и места их проектирования и изготовления.

Имеют право на существование и так называемые частные технические показатели, характеризующие какие-либо отдельные конструктивные, технологические или эксплуатационные параметры конструкций, например:

• относительная длина цилиндрической вставки;
• количество примененных типоразмеров профильного и листового проката;
• книц;
• тавровых балок;
• удельное значение применения ручной и автоматической сварки;
• степень унификации и стандартизации конструкций;
• коэффициент использования металла и т. д.

По-видимому, хотя и с некоторой осторожностью (все-таки живой труд, а не металл), к техническим показателям можно отнести и трудоемкость изготовления конструкции Т. Обычно Т измеряют в человеко-часах, и эта величина или ее отношение (затраты на 1 т конструкции и т. д.) указывает на успех (или неуспех) соответствующего принимаемого технического решения.

Обратим внимание, что к относительным величинам вида человеко-часы/тонны надо относиться очень осторожно: число человеко-часов, затрачиваемое на изготовление 1 т конструкций сухогрузного судна, сильно отличается от числа человеко-часов, затрачиваемых на изготовление, скажем, 1 т конструкций ледоколов. Но если мы знаем, что на верфи α в стране А на эту конструкцию затрачивают 100 чел.-ч/т, а на верфи b в стране В на аналогичную конструкцию — всего 15 чел.-ч/т, то уже можно делать серьезные выводы.

Экономические показатели технологичности

Оценка конструкции в денежных единицах удобна тем, что она позволяет привести разнородные показатели технологичности к одному эквиваленту.

Структуру производственной себестоимости корпусных конструкций можно выразить формулой:

${С}_{ПР}={С}_{М}+{С}_{ТР}+{С}_{Ц}+{С}_{З},$

где:

• С_м — стоимость материала;
• Стр — стоимость труда;
• С_ц и С_з — цеховые и заводские расходы.

Средние значения соотношений величин составляют:

• С_м = (0,40 – 0,45)С_пр;
• Стр = (0,10 – 0,15)С_пр;
• С_ц + С_з = (0,50 – 0,40)С_пр.

Механизация и автоматизация способствуют уменьшению трудоемкости Как, и где изготавливают составные детали корпусных конструкций?изготовления конструкций, но при этом часто неизбежны большие капитальные вложения на создание технических средств механизации и автоматизации. Эти затраты в виде дополнительной доли косвенных (цеховых и заводских) расходов переносятся на стоимость конструкции, увеличивая ее.

Разумеется, снижение трудоемкости не должно сопровождаться таким увеличением капитальных затрат на технические средства производства, которое произведет увеличение производственной стоимости конструкций, т. е.

(С_пр)_нов < (С_пр)_стар.

Если же это условие не выполняется и

(С_пр)_нов > (С_пр)_стар,

то можно говорить только о социальных эффектах — уменьшении доли малопривлекательного и опасного ручного труда или о неграмотном ведении хозяйства.

В схеме модернизация—автоматизация—стандартизация последней принадлежит далеко не последняя роль в повышении эффективности производства. Во-первых, стандартизация, как правило, существенно уменьшает многообразие технических систем, сокращает количество типоразмеров элементов конструкций, переводя производство из индивидуального или мелкосерийного в крупносерийное или даже массовое с его неоспоримым преимуществом — существенным удешевлением единицы продукции.

Во-вторых, открывается возможность упрощения механизированных и автоматизированных процессов проектирования и изготовления конструкций (например, в системе автоматизированного производства благодаря повторяемости одинаковых решений уменьшается объем программного обеспечения в банке данных), возможность обоснованного отказа от универсального оборудования или гибких производственных систем и вытекающего отсюда снижения затрат на создание технических средств автоматизации и механизации Стандартизация традиционно базируется на предшествующих ей типизации и унификации.x.

С позиций народного хозяйства в целом, а не только одной ее отрасли, какой является судостроение, затраты ресурсов на достижение определенных целей использования системы С («Судно») или Ф («Флот») слагаются из стоимости создания этой системы и затрат на ее функционирование — стоимости эксплуатации. Такой показатель принято называть приведенными затратами (ПЗ):

$ПЗ={Е}_{н}{С}_{с}+{С}_{э},$

где:

• Е_н — нормативный коэффициент эффективности капитальных затрат;
• С_с — производственная себестоимость судна, или, что правильнее, цена судна для морского флота;
• С_э — эксплуатационные расходы.

При исследовании проблем технологичности во всем мире широко пользуются показателем масс m, реже — трудоемкости Т и совсем редко — стоимости С. Доступность и простота нахождения массы конструкции уже отмечались. К сожалению, нормативная база определения трудоемкости изготовления конструкций довольно груба и не позволяет с необходимой точностью оценивать изменение трудоемкости при изменении многих параметров конструкций d_j.

Определение стоимости — самая трудная часть оценки работ по обеспечению технологичности, так как точность определения отдельных составляющих стоимости неодинакова и сильно подвержена серьезным колебаниям в зависимости от конъюнктуры цен на материалы, живой труд, оборудование, энергию на внутреннем и мировых рынках.

Использование показателя «Приведенные затраты» возможно только на верхних уровнях системы К, когда удается построить математическую модель для исследования его изменения под воздействием результатов работ по обеспечению технологичности. Обратим также внимание на то, что сравнение конструкций по любым экономическим показателям должно выполняться очень осмотрительно: стоимость единицы материала, одного человеко-часа может сильно отличаться не только в разных странах, но даже и на разных верфях. Экономические показатели сильно подвержены влиянию рыночной конъюнктуры.

Предлагается к прочтению: Материалы конструкций корпуса, активно используемые в судостроении

Все это говорит об относительности свойства технологичности: конструкция, высокотехнологичная в одних условиях (состояние промышленности, соотношение цен на материалы и труд и т. д.), может оказаться самой неудачной, нетехнологичной в других экономических и организационно-технических условиях.

Сделаем некоторые основные выводы из вышесказанного.

1. Успехи обеспечения технологичности конструкций находятся в руках проектантов.
2. Технологичность конструкций — свойство относительное.
3. Новым технологиям нужны новые конструктивные решения.
4. В практике судостроения есть немало примеров обеспечения технологичности конструкций корпуса.

Накопленный опыт решения задач обеспечения технологичности конструкций отражен в обобщающей монографии М. К. Глозмана «Технологичность конструкций корпуса морских судов». Здесь же мы кратко рассмотрим проблему модульного судокорпусостроения.

Модульное судокорпусостроение

Переход на модульное формирование техники определяется как генеральный путь обеспечения технологичности (см. рис. 3). Такое утверждение вытекает из рассмотрения закономерностей развития техники, технических систем (в дальнейшим Т-системы). Сейчас в развитии техники прослеживаются следующие закономерности:

• социальная необходимость в удовлетворении постоянно растущих разумных потребностей ведет не только к непрерывному чисто количественному увеличению выпуска разнообразных Т-систем, но и к непрерывному увеличению разнообразия их функционального назначения;
• расширение и уложение спектра реализуемых функций Т-систем вызывают увеличение количественных требований к параметрам (давления, скорости, температуры) и прочим элементам Т-систем;
• бурное развитие техники сопровождается очень быстрым (опережающим) ростом многообразия элементов Т-систем без существенного улучшения их качества и без увеличения многообразия их функций.

Все сказанное справедливо и для судостроения.

Стремительное увеличение многообразия техники («типоразмерный взрыв») привело к тому, что производство и эксплуатация (последняя даже больше) стали испытывать избыток этого многообразия. Начался интенсивный поиск путей укрощения «типоразмерного взрыва». В связи с этим справедливы следующие утверждения:

• Т-система может удовлетворять своему функциональному назначению, имея различную структурную организацию;
• в сообществах Т-систем (их стали называть техноценозами по аналогии с сообществами живых существ — биоценозами) с большей вероятностью выживают в экономическом смысле те системы, которые имеют в своем составе больше общих элементов.

Сейчас принято общие элементы, встречающиеся в разных Т-системах, называть модулями, а Т-системы, содержащие одинаковые элементы-модули, — системами, построенными на модульном принципе.

Термин «модульное формирование техники» (МФТ) — наиболее общий, полностью отражающий именно стратегический характер концепции. Сущность МФТ — комплектование разнообразных нестандартных комплексов с большим различием характеристик и функций из небольшого, экономически обоснованного количества типов и типоразмеров одинаковых первичных (типовых и стандартных) общих элементов-модулей.

Модуль в таком понимании — это самостоятельное конструктивно и технологически завершенное изделие, имеющее автономную документацию на изготовление, полностью собранное, прошедшее функциональную проверку и готовое к монтажу. Модули могут легко соединяться, образуя сложные Т-системы, разъединяться и заменяться при ремонте или модернизации с целью получения систем с другими компонентами и характеристиками.

Основное преимущество МФТ — наличие возможности обеспечить предварительное, еще до начала проектирования Т-систем, упорядочение состава их элементов. Модульное формирование техники позволяет избежать «технического хаоса» и его следствия — необходимости последующей унификации.

Модульное формирование техники — диалектический путь преодоления объективно сложившихся противоречий между стремлением потребителей получить технику со все большим многообразием функций и стремлением производителей к устоявшемуся производству однородной продукции. Это проблема многоаспектная. Объектами построения на модульном принципе могут быть почти любая промышленная продукция, в производстве которой имеются варианты повторяющихся технических решений, и почти любые технологические и информационные процессы, в которых имеются варианты повторяющихся ситуаций.

Будет интересно: Ограждение открытых палуб фальшбортами, леерами и волноотбойниками и подвижные соединения

Принято различать модуль-меру и модуль-изделие: конструктивные (КМ) и функциональные (ФМ) модули. Применительно к судокорпусостроению под КМ можно понимать модуль-панели (МП), модуль-секции (МС), модуль-блоки (МБ) и соединительные модуль-узлы (СМУ) — плоскостные или объемные типовые корпусные конструкции, из набора которых можно формировать различные районы корпусов и надстроек судов разнообразных архитектурно-конструктивных типов. Для практической реализации такой схемы постройки корпусов и надстроек разработаны типоразмерные ряды МП и МС.

Область технически возможного и целесообразного по экономическим критериям применения МП, МС и СМУ довольно ограничена, она определяется формой обводов корпуса, длиной цилиндрической вставки и т. д. Поэтому применение КМ в судокорпусостроении должно рассматриваться как комплексная задача, успех решения которой, в первую очередь, определяется на начальных этапах проектирования судна. Разработанные типоразмерные ряды МП и МС применимы для корпусов судов внутреннего и смешанного плавания и корпусов плавучих буровых установок.