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舰船三维数字化设计关键技术探索

摘要：根据现代造船模式的要求，结合实际应用及与先进造船国家的比较，对舰船数字化设计中的关键技术、发展方向和对策作了初步的探索。

关键词：舰船设计；关键技术；三维数字化设计

1 引言

自1990 年代中期以来，随着世界船舶市场的快速发展，船舶设计技术发生了重大变化，现代舰船设计技术随着市场的需要和数字技术及计算机技术的发展而发展起来。当前，以建立一体化的三维数字模型为核心，电子样船技术、虚拟仿真设计、并行协同设计等现代设计方法也已经越来越为设计者所接受。本文根据现代造船模式的要求，结合实际应用及与先进造船国家的比较，对舰船数字化设计中的关键技术、发展方向和对策作了初步的探索。

2 数字化舰船设计关键技术

2. 1 现代舰船设计技术

现代设计是传统设计的深入、丰富和完善，也是传统设计适应新时代技术特征和新设计理念的全新设计方法。仪征目前，现代舰船设计是在信息技术的支持下，以建立一体化的三维数字模型为核心，采用电子样船技术、并行设计、虚拟设计、数值仿真分析、精细设计、产品全寿命管理等现代舰船设计技术，建立舰船设计三维数字化产品模型的研制过程。该产品模型不仅包括设计信息，同时包括管理、建造、使用、维护等产品全寿命的信息。

2. 1. 1 信息技术对舰船设计的影响

信息技术是现代设计的主要特征，对舰船设计产生巨大影响，表现为以下几方面：

(1) 舰船设计手段的更新

计算机技术推动了设计手段从“手工”向“自动”的转变。传统设计以图板、直尺、铅笔等作为工具，效率低、工作强度大。CAX技术的出现和发展，使得“无纸设计”和协同仿真分析已作为现代设计的主流，显著提高了设计效率。当前，又开始新一轮的更新换代，即向三维数字化、智能化、虚拟设计技术的更新。

(2) 舰船产品表示方法的改变

计算机技术推动了舰船产品表示方法从“二维”向“三维”的转变。传统舰船设计利用投影原理和船舶制图表示产品结构，这种二维表示的产品设计，数据简单，信息含量少，缺乏关联性，不便于产品的进一步分析和制造。随着CAD 技术的发展，三维“产品模型”越来越得到广泛应用。它不仅包括反映产品形状和尺寸的几何信息，还可包括分析、加工、材弧形材料、特性等数据，从而可直接用于制造和决策管理。

(3) 舰船设计方法的发展

高性能的计算机技术，促进了一些新设计方法的出现。如：工程分析、优化、虚拟仿真等都涉及大量复杂计算，只有计算机技术的发展才能推动这些方法的进步和应用。新的设计方法如并行协同设计、虚拟设计、协同数值仿真、价值工程、绿色设计等现代舰船设计方法也正在发展和推广应用之中。

(4) 工作方式的变化

传统设计过程采用串行方式进行，设计任务按时序从一个环节传入下一环节，即从概念设计→报价设计→合同设计→基本设计→详细设计→生产设计→...这一垂直、串联的过程。随着CAX 技术、数据库技术和络技术的发展，并行协同设计正得到广泛应用。它要求各相关机构和各设计小组异地、同时、并行地参与设计，并最大限度地交流信息，以缩短设计周期及有助于将各种新思想、新技术、新方法融入到舰船的产品设计中。

(5) 舰船设计与制造信息一体化

前期在研究院所设计的舰船产品数字模型，可直接进入造船厂的生产设计和管理系统，进行计划、工艺规划和NC 编程，进而加工代码可直接传入NC机床、加工中心进行加工。产品数字模型加强了设计与制造两个环节的连接，提高了舰船产品开发的效率。

(6) 设计管理水平的提高

舰船产品设计是一个复杂的系统工程，设计过程中涉及大量设计数据和设计行为的管理。数据库技术的发展改变了传统的手工管理模式，各种MIS、PDM 系统的广泛应用大大提高了舰船设计的科学管理水平，保证了设计过程的高效、协同和安全。

(7) 组织模式的开放

络技术的发展加快了数据通信速度，缩短了设计院所与船东及制造厂之间的距离。传统的局限于设计院所内部的封闭设计正在变为不受相关约束的、多方共同参与的、异地协同设计的现代造船模式。为完成一种设计任务形成的虚拟企业或动态联盟将实现优势互补和资源共享，极大地提高设计效率和水平。

现代造船模式的特点是：高质量、高效益和快速反应。其设计是价值工程和快速设计理念；运用异地并行协同设计、制造环境；采用虚拟仿真、数字信息一体化、标准化等技术及先进的总段设计、敏捷设计、模块化设计的现代设计方法。

2. 1. 2 以新的舰船设计理论指导设计

传统设计是以经验为基础，以运用力学和数学形成的计算公式、经验公式、图表、手册等作为依据进行的。随着理论研究的深入，许多舰船工程现象不断升华和总结为揭示舰船设计内在规律和本质的理论，如数字计算理论、非线性分析理论、可靠性理论、疲劳分析理论、多体动力学理论等。现代舰船设计方法是基于理论形成的方法，利用这种方法指导舰船设计可减小经验设计的盲目性和随意性，提高舰船设计的主动性、科学性和准确性。因此，现代舰船设计是以理论指导为主、经验为辅的一种设计。

2. 2 舰船现代设计的关键技术

2. 2. 1 数字化设计流程、标准和规范体系研究

舰船优化设计流程的确定，在继承原有设计流程特点基础上，再造数字化设计流程，确定设计准则和规范、设计质量控制(模型校验、工程更改、文件管理)这也将给挤出机行业提供不竭的发展动力 、设计管理、设计与上下游协调方法、内部设计数据控制传输协议、外部数据交换标推等；开展系统标准和基础标准研究。

2. 2. 2 数据库框架和海量信息处理

由于舰船和数据量都非常大，能有效地处理这一数据的唯一办法是使其分布在通过高速络联络的多台计算机上。因此， 研究分布式计算环境(DCE) 和面向对象的数据库技术是实现三维设计环境的另一个重要环节。

2. 2. 3 舰船三维设计环境建立

适应舰船三维设计信息量大、传递处理速度快、数据库复杂、各设计阶段模型建立修改显示响应速度快、安全保密要求高等特点您不会后悔的，建立具有高性能工作站、高速络、综合通信接口、大型计算机、可视化和虚拟现实设备等三维设计环境系统的规划与选型。

2. 2. 4 快速三线数字设计建模

快速三维数字设计建模是指利用物理的或数字的方法，对舰船产品的实际系统进行快速的描述并获得数字模型。这种模型除了提供精确的几何形状外，还包括了诸如重量、材料需求量、价格、计划和人员资源配备要求之类的特性。这种数字模型应是向制造厂传递舰船设计信息的主要手段，也可促进各方面成员之间的联系。在交船时，这种“建造的”三维产品模型将为舰船使用期内进行生命力分析、姿态控制、状态维护和后勤保障管理提供依据。

下一代的发展将是一种“灵巧”的辅助工具，它代表了因此计算机辅助设计(CAD) 和计算机辅助工程(CAE) 的良好结合。这种模型还能编入其它特性，例如后勤保障模型、经费模型、制造模型等，可打开在虚拟环境中建立虚拟原型的潜力。

2. 2. 5 并行化、最优化和智能化的设计研究

现代舰船设计技术中的并行设计、优化设计及智能化设计(如智能CAD、专家系统等) 均是现代设计技术中的重要设计技术，是设计开发新产品过程不可缺少的方法和技术手段。

(1) 并行设计过程并行设计有时又称为并行工程。这是一种综合工程设计、制造、管理、经营的思想、方法和工作模式。其核心是在舰船产品的设计阶段就考虑到产品生命周期(从概念形成到产品报废) 中的所有因素(包括设计、分析、制造、装配、检验、维护、质量、成本、进度与用户需求等) ，强调多学科小组、各有关部门协同工作，强调对产品设计及其相关过程并行地、集成地、信息一体化地进行设计，使产品开发一次成功，缩短产品开发周期，提高产品质量。其关键技术是建模与仿真技术、信息系统及其管理技术、决策支持及评价系统等。这项技术是提高设计水平的一个重要发展方向。

(2) 全过程的优化设计现代舰船设计技术中的一般性优化设计方法及其应用已日趋成熟，普通的连续变量优化设计、混合离散变量优化设计，已发展到随机变量优化设计、模糊变量优化设计，单目标优化设计已发展到多目标优化设计。

(3) 人机结合的智能化设计过程舰船产品设计是一个创造性的思维、推理和决策的过程，CAD技术在舰船产品设计中的成功应用，使设计领域产生了深刻的变革，由人完成的设计过程，已转变为由人机密切结合共同完成舰船设计过程的智力与智能活动。如人工智能原理和专家系统(包括普通专家系统与模糊专家系统) 技术应用于CAD 产生了智能CAD( ICAD) 系统，实现了对设计过程基于符号性知识模型和符号处理的推理工作，用于完成概念设计的有关内容。可以说，智能CAD 系统是模拟人脑对知识处理，并拓展了人在舰船设计过程中的智能活动。

2. 2. 6 面向产品寿命周期全过程的舰船设计

随着科学技术的发展和日益增长的社会需求，舰船产品的类型及性能迅速地发生变化，舰船产品的寿命周期问题越来越引起人们的关注。对舰船产品质量要求的含义也在不断变化，不仅要满足功能要求，对技战性能、安全性、可靠性、合理的寿命、方便使用和维护保养条件与方式也提出了更高的要求，并要符合有关标准、法律和生态环境要求及满足人性化功能的要求等等。为贯彻这些标准和要求，需要设计、制造、管理、维护、使用等一系列环节有严格的技术措施加以保证，其中最重要的是设计、制造水平，因为舰船产品的质量是设计和制造出来的，而不是检验出来的。因此，现代舰船设计技术的重要内容之一就是面向产品寿命周期全过程进行科学设计，以满足市场与用户对产品质量的要求。

2. 2. 7 协同仿真分析

三维设计数字模型与CAE 数值仿真分析及虚拟现实仿真设计验证接口等等研究，需要设计小组对舰船的应力、声响应、冲击响应、疲劳、可维修性/可靠性以及重量和费用控制进行分析。要与设计协同，建立分析模型，可由一个专家系统通过分析程序选择和设计数据检索向工程师提供指导。进行持续的灵敏度分析，以确保设计特性优化。对设计方案利用电子可视技术审查，并根据性能和费用分析选择最优设计。分析结果存储在数据库中，并与仿真系统进行数据交换联接，提供可视设备显示。

2. 2. 8 设计管理

舰船设计是以产品结构视图(总段、分段、剖面视图和系统观图) 为基础。随着设计深入，设计出必需的详图，在充分研究后确定，在基于舰船的模块、分段产品数据上增加制造、质量和测试要求。

设计方案在设计过程任何阶段都能进行修改，使设计所遭受的损失很小。对设计方案审查是连续、实时进行的，以查明是否存在干涉或其他诸如对操作或维修来说不适当的流动路径或不足空间之类的布置问题。这些问题需要迅速地查出和解决，自动进行修改。差错、不适当设计以及基于错误信息的斩拌机设计结果是随设计进展而被改正，避免了设计返工而耗用大量工时。手工对这一过程的管理已力不从心，而需要科学方法即信息化技术管理。

随着设计深化，制造方参与选择对制造厂最有利的、对制造成本有影响的设计详图，以减少制造成本和时间。含有关于装配、装配顺序、焊接和测试信息的制造数据同设计数据联接，对设计部件/ 装配件/ 系统的性能进行仿真以确保符合规格书，并确保设计向建造的平稳过渡。

2. 2. 9 新船型开发顶层设计研究

以知识为驱动，综合采用上述技术和成果，采用参数化、模块化和定制化设计，快速建立设计模型，用于总体优化、数值仿真分析，进行多方案决策。

3 我国船舶数字化设计与先进造船国家的差距

我国船舶数字化设计与先进造船国家比较，总体投入和规划不够；生产、运营、管理体系没有与数字化管理模式配套；产品设计、制造、管理信息一体化的集成度低；没有数字化设计的标准、规范体系；以产品数据库为核心的设计、制造、客户和供应商协同平台没有建立；许多重要领域的数字化技术应用仍为空白；船舶核心软件主要依靠国外进口，设计定制化二次开发没有系统化和规模化；船舶设计数字化的作用远远没有发挥出来，制约着我国产品研制水平底、周期长、质量不高，自主开发创新的双高船不多。

4 708 研究所的设计应用与研究工作

正在逐步建立数字化设计体系，结合产品设计和研制，进行了比较完整3 型舰船三维设计，并建立仿真模型，采用了内部并行设计、舾装部件模块化设计、舱室布置优化设计，取得很好的效果。随着信息化示范工程等项目的建设，将研究建立舰船数字化集成设计、制造体系框架和应用模式，探索符合我国造船业实际需求的舰船数字化集成设计、制造体系结构并建立相应的体系框架，打通舰船数字化集成设计、制造信息系统，建立与该体系配套的舰船设计、制造和管理模式。目前正在进行关于三维设计的设计流程、顶层设计、规范和标准体系、CAD 与CAE 接口、CAD 与虚拟仿真接口、与船厂异地并行工程机制和规则研究、研究分析现代造船生产和工艺模式、明确船厂对各个设计环节数字化模型要求等工作。随着研究和具体项目实施和开展，将对提高设计水平和质量，加速新船型开发，缩短整个造船周期发挥重要作用。

5 展望与对策

5. 1 现代设计技术的发展趋势

(1) 设计过程的数字化不仅要完善工程对象中确定性变量的数学描述和数学建模，而且更要研究非确定性变量，包括随机变量、随机过程、模糊变量(人的智能、经验、创造力、语言及政治、经济、人文等社会科学因素) 等的数学描述和数学建模。

(2) 设计过程的自动化和智能化研究健全、研究、发展各种类型的数据库、方法库和知识库，及自动编程、自学习、自适应等高级商品化软件的研制，如研究设计知识、数据信息的获取与处理技术、智能CAD 人工神经络专家系统的模型和应用软件等。

(3) 动态多变量优化和工程不确定模型优化(模糊优化) 和多目标优化等优化方法与程序的研究，并进一步发展到广义工程大系统的优化设计研究。

(其中中国的需求量约3500kt4) 虚拟设计和仿真虚拟试验及快速成形技术的深入研究，是一种以计算机仿真为基础，集计算机图形学、智能技术、并行工程、人机工程、材料、成形工艺、光电传感技术和多媒体技术为一体的综合学科研究。

(5) 面向集成制造和分布式经营管理的设计方法、人员组织及规划的研究。

(6) 面向生态环境的绿色设计理论与方法的研究，如绿色产品的设计、清洁化生产过程的设计、产品的可回收性设计等。

(7) 注重基础性设计理论及共性设计技术的深层次研究。基础性设计技术，如动态设计、疲劳设计、防断裂设计、减摩和耐磨设计、防腐蚀性设计及运动学、动力学、传动技术、弹塑性理论等，是许多现代设计技术的知识源泉和数学建模的理论基础。

(8) 综合虚拟现实物理仿真，沉浸感( Immersion) ：逼真的感觉，能给人们以真实世界的感觉，让人感觉全方位地沉浸在这个虚幻的世界中，包括视觉，听觉等；交互性( Interac有机胶水tion)：虚拟现实与通常CAD 系统所产生的模型是不一样的，它不是一个静态的世界，而是可以对参与者的输入作出反应。虚拟现实环境可以通过控制与监视装置影响或被参与者影响。自然的交互：运动，姿势，身体跟踪等；数字样机的动态精确大装配；设计关键技术通过仿真验证取代试验。

5. 2 发展舰船数字化设计工程对策

(1) 总体规划是在消化吸收国外先进技术基础上，制定适合我国数字化设计的工程规划。

(2) 观念创新、管理模式再造和创新。

(3) 建立数字化设计流程、规范和标准体系。

(4) 建立数字化开发、设计、试验验证、管理标准集成平台。

(5) 加强引进软件的二次开发和具有自主知识产权的软件开发。

(6) 实施人才高地建设战略，加强科研研发投入，形成创新和吸引一流人才的机制。

第一作者简介：高志龙，男，研究员。1945 年生，1977 年上海交通大学船舶结构力学专业硕士研究生毕业，主要从事船舶结构力学研究和信息化技术应用及信息集成技术研究。(end)

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