摘要：本文介绍了DFMA在船体结构设计中的应用，并分析了其对船厂所带来的经济效益，提出了中国的造船企业，效率之所以比日、韩船企业落后，一个很重要的原因就是DFHA技术在船舶设计和船厂建设中应用不够。
关键词：DFMA 船体结构设计 经济效益
1．概述
DFMA（Design For Manufacture and Assemble)是面向制造及装配的设计技术的简称。它涵盖的内容很多，涉及产品开发、制造、装配、检测、维护、报废处理等各个阶段。DFMA技术于上世纪70年代发源于美国，成熟于90年代。应用DFMA技术进行产品的设计，主要表现在减少产品的零件数(从而精简产品结构)、改进产品的装配性能、加快产品开发、缩短生产周期，从而提高单位时间的生产能力，减少产品维护的时间及难度。据统计，自1990年以来，超过2000家不同行业的公司已经实施了DFMA技术。应用的用户广泛分布于西方工业界，例如航空航天的波音公司；计算机行业的戴尔、英特尔、惠普；消费类产品行业的夏普、3M；制造及设备行业的奥的斯电梯等等。应用DFMA技术进行产品开发，所表现的主要指标为：缩短产品从设计到投产的时间周期30～50％，减少产品零件数量达30～70％，减少产品装配时间达50～80％。笔者通过对该技术的学习和理解，产生了想在船体结构详细设计中进行应用的想法。
2．问题的提出
上个世纪末，笔者就在想一个问题：为什么规模相当、技术设备相当的船厂，日本、韩国的企业比我们的企业生产效率高得多?难道他们的管理水平、人员素质比我们高这么多?答案显然是否定的。
从80年代以来，广船就学习国外的先进造船技术和思想，包括与IHI合作，移植其生产设计技术，管理体制上也学习他们，建立以中间产品为导向的管理结构，深化生产设计，提高了造船的效率。到了90年代中，中船总公司提出了现代造船模式的概念： 以统筹优化理论为指导，应用成组技术原理，以中间产品为导向，按区域组织生产，壳舾涂作业在空间上分道、时间上有序，实现设计、生产、管理一体化，均衡、连续地总装造船。 此后，我们的生产效率有了明显的提高。但是，与日、韩的先进水平相比，我们依然差距较大。问题在哪里呢?
请看下面这段话： 而我国造船模式，虽推行了生产设计，但不够深化；虽理解作业流程优化的重要，但受老厂改造条件的制约；虽学习了日本的生产管理，但管理仍十分粗放；虽理解了生产组织应适应现代造船模式，但改革力度不大；虽引进了国外先进的设计软、硬件，但在生产设计与管理中全面应用还不够，设计、生产、管理的信息集成度不高。这就暴露了我国造船模式与日韩有明显的差距。 这段话对目前我国造船模式的总结是正确的，但笔者认为它忽略了某此因素。
我们的结构详细设计工作，决定了生产现场的全部钢材切割下料、加工、小合拢、中合拢、焊接以及船台大合拢。其耗用的工时约占全船工时的60％。通过学习DFMA，笔者认识到：缩短造船的生产周期(即减少现场的工作量)，可主要通过优化结构的详细设计，减少结构的零件数量，以及减少结构的切割、加工、焊接、装配的工作量的设计思想来实现。基于这样的思想，笔者在38500DWT油船结构的详细设计上，做了一系列的探索。
3．减少现场工作量的设计
3．1减少结构零件的数量
减少零件数量，对于减少现场工作量，起的作用最大。如船厂的条件允许，应尽量选择长 宽较大的板材，以及选择跨距、肋距较大的骨架型式。例如本船选择的板材宽度以2m~2．5m为主，较以前的产品以2m以内为主的设计有了改进。板长(即分段长)笔者提出由10m改为12m，结果在讨论中工程部的同志反映内场起重能力有限才作罢。联想到日本、韩国的一些中小船厂，他们建造的50000DWT货船分段长度可达24m，起重能力达到800t至1000t以上，可以判断我们的内场条件确有不足。此外，国内新建的大船厂如外高桥、龙穴等分段长限制为23．5m，起重能力为600t(韩国的大型船厂的起重能力在3000t及以上。估计今后将影响到其效率的发挥。在日本，一件5 24m的板，不需要任何切割、装配、焊接工作。而我们要拼成5 24m的板，需要9件板拼起来，光是增加焊接长度达58m。装配、铣边、开坡口、打磨、涂装、拍片增加的工作量呢?还没有计算呢。就算我们的作业流程、生产组织、生产设计以及生产管理水平再高，建造工时多过别人都是不奇怪的了。
关于骨材跨距，根据船级社规范，通常取4至5档为一个强框间距，但是今后的规范将会越来越灵活。船级社通常都接受结构布置超规范的情形。笔者在本船的首部甲板设计中，使强横梁的间距最大达到了7档，减少了一根强横梁。这既减少了零件数量，又方便了主甲扳与首部区域的施工条件，重量还有所减少。
货舱的纵横舱壁采用了槽形壁的型式，与平面仓壁相比，零件数量大大减少。虽然重量相当，但切割、装配、焊接的工作量明显减少。在槽形横壁的设计中，上方不设强横梁，减少了大量的零件数量。
在舷侧压载舱水密壁板和底部水密肋板上，连接纵骨的扶材的设计以前的产品都设计成球扁钢加两端加肘板的型式，本船全部设计成E型板的扶材型式。当然，由于是水密结构，其E型板的板厚及端部的尺寸比非水密扶材要略大，以满足其强度要求。零件数量按每1道横舱壁减少100个，5道横舱壁减少500个。减少的工作量包括：放样、装配工作量、焊接长度等都有明显减少，重量也减轻了。
在本系列船3＃船的设计中，根据SOLAS公约新增的第Ⅱ-1／3-6条的要求，在货仓区边压载仓内应增设1道平台，以满足检验通道的要求。设置了该平台后，笔者分析了位于该位置内壳上纵骨之间设置的扁钢和肘板，每个剖面有16个零件，全船共计480个零件，它们起的作用就是防止板格的横向Buckling。而加设了该平台后，对保证该区域板格的横向Buckling强度有好处。因此，在设计中全部取消了这480个零件。
另外，本系列后续D型船的货仓甲板结构设计中，笔者提出了一种优化的设计方案：就是取消上甲板的52#、60#、82#、90#、112#、120#、138#和146#共8根强横梁，然后将上甲板的甲板纵骨由原来的HP280 12和HP220 10两种规格变成HP280 12一种规格。这个方案也得到了DNV的认可。这样改的好处是：虽然重量没有明显的变化，但由于零件数减少了500多个，现场装配、切割、开坡口、焊接长度将明显减少。同时也有利于舾装管子设备在甲板上的布置。后来由于时间节点的原因，这个好方案才没有实施。总之，笔者在处理各个区域的结构的设计时，尽量考虑减少零件的数量。笔者也在此建议我们的设计人员：在结构的设计中要提高对零件的数量从严控制的意识，因为控制零件数量的最大好处是减少现场的工作量，其次才是重量的减轻。关于减少零件数量的例子还有很多，限于篇幅，不多作介绍。
3．2减轻结构重量
减轻结构重量，可以减少现场的工作量。这一点相信所有人都会同意。本船的结构重量指标达到了世界先进水平。对减少现场工作量，作用已发挥到最大。
3．3减少切割长度的结构设计
前面提到的减少零件数量的设计事例，同样会带来减少切割长度的效果。笔者再举一例：首制船中，我们设计的舷顶列板上端与上甲板平齐，而在上甲板上沿着整个货仓装有1条150 15的挡油扁铁，在后续船上，笔者提出将舷顶列板伸出甲板之上150，就可起到挡油扁铁的作用。可减少约480m的切割长度以及大量的装配、焊接工作，在讨论中由于担心舾装布置不便的原因没能实施。
3．4减少焊接长度的结构设计
同样，前面提到的减少零件数量的设计方法，也会产生减少焊接长度的效果。现再举一例：每条船上，都有大量的肘板，其中带有T型面板的数量也很大，本船设计中，我们将其多数改成无面板的肘板，焊接长度得以减少，切割和装配的工作量也得到减少。另外，强力构件的两端可设计成加大头，也可设计成加肘板的型式。我们尽可能地设计成加大头而不是加肘板的型式，减少了焊接长度，也减少了零件数量和切割长度。
3．5减少零件加工量的设计
减少零件加工量的设计，对减少现场工作量是显而易见的。现举一例：在货仓内壳的设计中，原方案在内壳上设了多达8道折角线，其出发点是为了增大仓容。这使得其工艺性降低，建造难度加大。我们对其进行了优化设计，不但减少了3道折角线，还增大了约200m3的仓容，不但减少了结构零件的加工量，还确保了规格书要求的仓容要求。另外，我公司建造的一些由外单位设计的船舶，在机仓双层底实肋板人孔上(主机座附近)，都设有一环形扁铁，加工量很大。本船的设计中，笔者将其取消，而且实肋板的板厚还有所减小，得到了DNV的认可，减少了大量的加工工作量。
4．提高现场施工效率的设计
4．1易于装配、易于焊接的结构设计
本船的许多连接节点，在设计中，都充分考虑了现场易于装配、焊接。例如首部舷侧纵骨与首柱中龙筋之问的面板削斜连接；首、尾、机仓的强肋骨与舷侧纵桁的面板削斜连接；尾柱外板设有直径120的园钢，都是为了现场安装、焊接容易而专门考虑的。此外，在处理大量的局部扶材、扁铁的设计时，本船都充分采用了削斜的形式。其比例远高于以前设计、制造的船舶。因为采用削斜的方式对于装配和焊接是很方便的。而且它们数量巨大，每条船都有成干上万根这样的构件，加起来节约的现场工作量是十分可观的。在设计纵骨贯穿孔时，将贯穿孔上的R50通焊孔改成10 10的切角，(内壳纵骨)可让焊工节省焊接时间，因为这样的孔数量巨大，节省的时间也是极为可观的。这样的设计对强度更有利。
4．2避免结构复杂的设计
在本文中以及本人发表的另一篇文章中，多处提到了避免结构复杂的设计，这里不再重复。
5．减少重复工作的设计
5．1增加通用件、标准件的结构设计
增加通用件、标准件的设计，对减少现场的工作量，效果也是很明显，本船的结构设计己做到肘板、短扁铁、补板的统一。结构型式的布置与联接，节点型式等都可考虑通用化与标准化。我公司后续设计的油船都直接借鉴了本船的许多好的设计构想，实际上它们己经上升为通用、标准的设计。从发展的角度，我们应将它们整理成标准。
5．2减少材料尺寸规格的种类
适当减少材料规格种类是有利于提高现场施工效率的，但这样设计会增加结构重量，在设计中要权衡。
以上列举的一些思路和方法，都大量地在本船的结构设计中得到运用，限于篇幅，在此不一一列举。
6．几个初步结论
DFMA在本船的应用还只是初步的，在设计中的应用还需要理论的支撑，还需要和规范、建造工艺有机地结合，也受到工厂的硬件设施(比如起重能力、生产线对分段的长与宽的制约以及对板材的长与宽和型材的长度)的制约。它也是一个系统工程，需要很多人的共同努力，才能不断提高。从另一个角度，深刻理解DFMA，在我们建设新船厂时，可帮助我们从提高效率的角度，确定起重能力、分段尺度。实施DFMA，可有助于应对PSPC新规范对国内船厂的冲击。因为PSPC新规范首当其冲的问题是要保证大合拢后压载舱涂层破损率 2％，而国内的骨于船厂为3％至9％，要降到2％以下有一定难度，而日韩等国船企由于板长分段大，起重能力强，在大合拢后的压载舱涂层破损率控制在2％以内相对要容易很多。由此可知这一条款是针对中国船企的。
实施DFMA，还可做到提高钢材利用率，减少钢材和焊材的消耗以及节约能源，减少气体的排放，可以说是绿色造船技术的一部分。
通过前面的讨论，可以得出：我们的造船周期、效率与日韩的差距明显。根本原因除了我们的造船模式在作业流程、生产组织、生产设计及生产管理方面与日韩有差距外，我们在DFMA在设计的应用上和船厂建设的应用上与日韩有明显差距。而这一点是我们目前还没有认识到的。明确了这一点，我们追赶日、韩就有了新的手段，新的目标。我们也可以将DFMA列入我们的研发计划，并且作为造船模式的一个有机组成部分，使得我国在2015年成为第一造船大国而增加一个有力的工具，从而形成自己的核心竞争力。笔者相信，应用好DFMA，会给我们的造船企业带来很好的经济效益。