數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在艦船動力裝置生命周期中的應(yīng)用

曹冬華，劉金林，曾凡明

(1.海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北 武漢 430033;2.海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引言

數(shù)字化設(shè)計技術(shù)和生產(chǎn)方式正在從根本上動搖著傳統(tǒng)制造業(yè)的基礎(chǔ)，催生著一場制造業(yè)的技術(shù)革命。隨著數(shù)字化技術(shù)的蓬勃發(fā)展，以數(shù)字化造船為核心的船舶工業(yè)信息化進(jìn)程也不斷加快［1］。艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計作為數(shù)字化造船的基礎(chǔ)和重要組成部分，將引導(dǎo)傳統(tǒng)的艦船設(shè)計模式的深刻變革，從理念、方法、手段、工具等各方面推動動力裝置設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，能夠極大地擴展動力裝置傳統(tǒng)設(shè)計方式的內(nèi)涵，同時將設(shè)計的觸角延伸到傳統(tǒng)設(shè)計無法到達(dá)的領(lǐng)域。國內(nèi)外造船領(lǐng)域和船舶研究院所紛紛針對數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用開展相關(guān)研究［2－6］，但從查詢的文獻(xiàn)來看，目前缺乏系統(tǒng)的研究數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在動力裝置設(shè)計乃至生命周期中的應(yīng)用方法研究［7］，本文正是在此背景下開展相關(guān)研究，在深入分析傳統(tǒng)動力裝置生命周期特點的基礎(chǔ)上，研究將數(shù)字化設(shè)計技術(shù)應(yīng)用到艦船動力裝置生命周期的方法，為艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計工作的開展提供一定的指導(dǎo)，同時也為數(shù)字化造船技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考。

1 傳統(tǒng)艦船動力裝置生命周期的特點

艦船動力裝置的生命周期涉及到設(shè)計、建造、訓(xùn)練、使用、維護等各個環(huán)節(jié)，而設(shè)計階段又包括方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和施工設(shè)計，其傳統(tǒng)生命周期過程如圖1 所示［8］。

圖1 傳統(tǒng)艦船動力裝置傳統(tǒng)生命周期Fig.1 The traditional lifecycle of the marine power plant

1)需求分析階段

在需求分析階段，主要依據(jù)艦船的有關(guān)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)，即依據(jù)艦船的設(shè)計任務(wù)書，提出艦船動力裝置的總體參數(shù)、相關(guān)戰(zhàn)技術(shù)性能指標(biāo)。

2)設(shè)計階段

設(shè)計階段主要分為方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和施工設(shè)計3個階段，完成從方案論證、選型設(shè)計到技術(shù)設(shè)計、計算分析、試驗研究，至最后完成施工圖紙和施工工藝設(shè)計。

3)制造階段

在制造階段主要按照設(shè)計階段設(shè)計的施工圖紙，進(jìn)行動力裝置的施工建造，若存在問題，則需要一定的修改以完成動力裝置的建造。

4)使用階段

當(dāng)艦船完成建造后，需要交付使用，而此時需要對使用人員進(jìn)行培訓(xùn)，因此，通常需要開發(fā)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)以實現(xiàn)對使用人員的培訓(xùn)，往往開發(fā)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的周期較長，費用較高，同時還存在時間上的滯后，難以實現(xiàn)裝備建設(shè)和戰(zhàn)斗力形成的同步。

5)維護階段

在艦船使用的過程中，往往需要對維護人員及維修機構(gòu)人員進(jìn)行培訓(xùn)，以實現(xiàn)對裝備維修保障功能，而在艦船動力裝置中，如主機、齒輪箱等設(shè)備非常復(fù)雜，部分設(shè)備是進(jìn)口引進(jìn)的，造價昂貴，因此對維修訓(xùn)練產(chǎn)生了較大的限制。

由艦船動力裝置生命周期各階段的任務(wù)及特點不難得出，動力裝置生命周期各階段采取的是串行的方式，每個階段基本上均作為獨立的環(huán)節(jié)，上游對下游的考慮很少，導(dǎo)致一定的設(shè)計返工率;各個階段是垂直的、串聯(lián)的過程，信息的共享程度不夠;各專業(yè)間矛盾較大，以致對設(shè)計質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響;特別是設(shè)計院所、造船廠以及使用方的交流比較少，容易產(chǎn)生設(shè)計、制造工藝及使用維護發(fā)生矛盾的情況，這已經(jīng)成為制約艦船動力裝置性能水平及戰(zhàn)斗力提升的瓶頸之一。

2 艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計的內(nèi)涵

艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計是指在計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、并行工程技術(shù)、數(shù)字仿真技術(shù)及虛擬樣機技術(shù)等相關(guān)支撐技術(shù)的支持下，對艦船動力裝置設(shè)計全過程進(jìn)行數(shù)字化描述，以建立的動力裝置的數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，面向艦船動力裝置生命周期進(jìn)行動力裝置設(shè)計的仿真與優(yōu)化、信息融合與過程的集成管理，最終實現(xiàn)艦船動力裝置設(shè)計及開發(fā)全過程的數(shù)字化。從艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計的內(nèi)涵來看，主要包含如下幾個方面的內(nèi)容:

1)設(shè)計對象的數(shù)字化描述

艦船動力裝置設(shè)備眾多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在進(jìn)行動力裝置數(shù)字化設(shè)計的過程中，需要建立動力裝置的數(shù)字化模型，主要包括:數(shù)學(xué)模型、三維模型、仿真模型等數(shù)字化模型，以為數(shù)字化設(shè)計過程提供各種支持。對設(shè)計對象的數(shù)字化描述是進(jìn)行動力裝置數(shù)字化設(shè)計的基礎(chǔ)。

2)信息的數(shù)字化描述

艦船動力裝置設(shè)計的過程中涉及到大量的數(shù)據(jù)、資料、文檔，同時還包括大量的、基于不同平臺的模型，對設(shè)計過程涉及的各種信息采用數(shù)字化的方式處理，能夠更好地實現(xiàn)設(shè)計各階段、各部門之間的信息共享和協(xié)同，從而進(jìn)一步促進(jìn)設(shè)計質(zhì)量的提高。對設(shè)計信息進(jìn)行數(shù)字化描述是進(jìn)行動力裝置數(shù)字化設(shè)計的前提。

3)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同

艦船動力裝置的設(shè)計是多階段、多學(xué)科、多部門的綜合性復(fù)雜學(xué)科，因此在進(jìn)行動力裝置數(shù)字化設(shè)計的過程，應(yīng)能通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)不同階段、不同學(xué)科以及不同部門的協(xié)同工作。網(wǎng)絡(luò)協(xié)同是進(jìn)行動力裝置數(shù)字化設(shè)計的重要手段。

4)面向動力裝置生命周期

艦船動力裝置的生命周期包括需求分析、設(shè)計、建造、使用和維護，傳統(tǒng)設(shè)計過程主要考慮設(shè)計階段中的任務(wù)，而對后期的建造、使用和維護考慮的不是特別的充分。采用數(shù)字化設(shè)計方式應(yīng)能提供對艦船動力裝置生命周期內(nèi)各個階段的支持，在設(shè)計階段就充分地考慮到建造、使用和維護階段的各種問題。面向生命周期是數(shù)字化設(shè)計的關(guān)鍵。

5)充分利用現(xiàn)代設(shè)計理論和設(shè)計工具

艦船動力裝置傳統(tǒng)設(shè)計方式主要依靠設(shè)計師經(jīng)驗和采用的串行方式對設(shè)計質(zhì)量產(chǎn)生了較大的影響，采用現(xiàn)代設(shè)計理論和技術(shù)如QFD設(shè)計理論、TRIZ設(shè)計理論及虛擬樣機技術(shù)等能夠較好地克服傳統(tǒng)設(shè)計方法的缺陷，而采用現(xiàn)代設(shè)計工具能夠更好地為數(shù)字化設(shè)計過程提供各種支持。充分利用現(xiàn)代設(shè)計理念和設(shè)計工具是動力裝置數(shù)字化設(shè)計的重要保障。

3 數(shù)字化設(shè)計方法在動力裝置生命周期中的應(yīng)用

數(shù)字化設(shè)計方法充分運用現(xiàn)代設(shè)計理念、工具，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同環(huán)境下，通過虛擬樣機和仿真的手段，實現(xiàn)對艦船動力裝置生命周期各個階段的支持。

3.1 需求分析階段

在需求分析階段需要根據(jù)艦船設(shè)計任務(wù)書的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能提出明確而具體的指標(biāo)、要求和有關(guān)的規(guī)定，同時還需指出進(jìn)行設(shè)計時必須遵循的各種約束條件。在需求分析階段，對于新艦船及其動力裝置只有一個模糊的概念，即它的具體造型、功能指標(biāo)、性能指標(biāo)等特征還沒有完全確定，對其中一些特征的認(rèn)識是停留在頭腦中的抽象化表示，因此在此階段必須將需求準(zhǔn)確且真實地反映出來;另外，需求分析除了需要獲取船東的需求外，還要對獲取的需求進(jìn)行分析和評估，以確定哪些是合理的、哪些是可以實現(xiàn)的、哪些是可以經(jīng)濟地實現(xiàn)的。

利用數(shù)字化設(shè)計中的虛擬樣機技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠根據(jù)需求對設(shè)計對象進(jìn)行可視化和數(shù)字化描述，描述其功能和外部行為的結(jié)構(gòu)模型;借助數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行動力裝置的功能仿真、給設(shè)計部門演示和說明其功能的具體要求;給出動力裝置的性能指標(biāo)要求。在需求分析階段，船東是十分重要的角色，因此，采用數(shù)字化技術(shù)使船東能夠有效地參與到需求分析工作對需求分析工作的質(zhì)量具有決定性的作用。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)使得船東能夠在需求分析階段就看到動力裝置的外觀、布置等，并可通過粗略的功能仿真展示其主要功能，從而獲得較為準(zhǔn)確的意見反饋，指導(dǎo)需求的修改。這是一個反復(fù)迭代的過程，如圖2所示，根據(jù)修改的需求不斷修改數(shù)字化模型，直到獲得較為滿意的結(jié)果。這種通過數(shù)字化方式的需求分析比傳統(tǒng)的需求分析更具有直觀性，通過可視化的虛擬模型將用戶和設(shè)計人員之間的理解歧義減小到最小的程度，保證所獲取需求的準(zhǔn)確性，使開發(fā)的動力裝置能夠真正滿足需求。

圖2 數(shù)字化設(shè)計方法對設(shè)計需求分析的支持Fig.2 The Support of the digital design method to the design demand analysis

3.2 初步設(shè)計階段

初步設(shè)計主要根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，經(jīng)過分析比較，提出一個最合理的、原則性的動力裝置方案，并原則上確定其主要技術(shù)措施，提供必要的論證材料、計算資料和附圖。目前在方案論證階段應(yīng)用計算機輔助設(shè)計技術(shù)已經(jīng)做了較多的研究，圖3為艦船動力裝置計算機輔助初步設(shè)計的一個典型方案［9］，該方法能將盡可能多的動力裝置各種可行的組成方案進(jìn)行各種性能指標(biāo)比較、評估，完成多目標(biāo)綜合尋優(yōu)的論證，找出最佳的和較佳的系統(tǒng)方案。同時該方法能夠較好地擺脫完全依賴設(shè)計者經(jīng)驗進(jìn)行方案論證的缺陷，依靠計算機進(jìn)行各種計算和輔助決策，對方案論證能夠起到較好的支持作用。這種計算機輔助論證的方法為動力裝置的初步設(shè)計提供了一個較好的思路，但是從查詢的文獻(xiàn)來看，當(dāng)前還沒有專門的針對艦船動力裝置方案論證的軟件。而且該方法還存在弊端:缺乏網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的支持，從而在信息的獲取，數(shù)據(jù)的交互方面存在較大的問題，影響設(shè)計的質(zhì)量;缺乏數(shù)字化方法的支持，如果在進(jìn)行性能指標(biāo)計算的過程中加虛擬樣機模型和仿真模型進(jìn)行計算，將能更好地提高性能指標(biāo)計算的精度。為此，建立如圖4的基于數(shù)字化設(shè)計的艦船動力裝置方案設(shè)計框架，采用并行設(shè)計的理念，基于網(wǎng)絡(luò)平臺，利用虛擬樣機技術(shù)及仿真技術(shù)的支持，在數(shù)字化設(shè)計支持平臺上進(jìn)行動力裝置的方案論證，將突破傳統(tǒng)計算思路的限制，在方案論證階段獲取更多的信息、數(shù)據(jù)的支持，從而獲得滿意的論證結(jié)果。

3.3 技術(shù)設(shè)計階段

技術(shù)設(shè)計是根據(jù)方案設(shè)計所確定的主要技術(shù)措施、選型及布置方案，提供動力裝置詳盡的計算書、說明書、明細(xì)表及安裝布置圖。技術(shù)設(shè)計階段需要計算和處理大量的數(shù)據(jù)，同時需要實現(xiàn)對各類計算書、說明書和圖紙的有效管理，其特點是計算量、信息量大。由于技術(shù)設(shè)計階段計算及信息處理的復(fù)雜性，傳統(tǒng)動力裝置技術(shù)設(shè)計階段往往缺乏統(tǒng)一的計算及數(shù)據(jù)管理平臺，不同部門在針對不同設(shè)備進(jìn)行計算處理時容易造成數(shù)據(jù)管理的混亂。因此需要采用數(shù)字化設(shè)計方法通過建立統(tǒng)一的動力裝置計算模型、按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行管理，從而實現(xiàn)較好的解決技術(shù)設(shè)計階段存在的各種問題，圖5描述的為數(shù)字化設(shè)計方法對動力裝置技術(shù)設(shè)計的相關(guān)支持功能。

3.4 施工設(shè)計階段

施工設(shè)計階段主要秉承技術(shù)設(shè)計的意圖，完成全部施工圖紙和施工工藝設(shè)計，使得船廠能夠按照這些圖紙資料順利而經(jīng)濟建造出達(dá)到預(yù)定戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)的艦船。采用虛擬樣機技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)圖紙的生成，同時能夠?qū)崿F(xiàn)對可裝配性、可維護性等相關(guān)工作的分析;利用虛擬樣機和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)管路、電纜的放樣;利用虛擬現(xiàn)實和人體工程學(xué)，能夠?qū)崿F(xiàn)機艙布置的人體工程學(xué)分析，圖6說明了為數(shù)字化設(shè)計方法對動力裝置施工設(shè)計的相關(guān)支持功能。

3.5 生產(chǎn)制造階段

在確定設(shè)計階段的各種性能指標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定目標(biāo)之后，開始進(jìn)入生產(chǎn)制造階段。數(shù)字化設(shè)計技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對生產(chǎn)制造的支持，主要包括直接生成各類圖紙、仿真動力裝置的制造過程，實施輔助設(shè)計加工生產(chǎn)線，數(shù)控加工等。生產(chǎn)制造主要由船廠完成，其過程是非常復(fù)雜的，涉及到多學(xué)科領(lǐng)域和技術(shù)，本文對生產(chǎn)制造過程不做詳述。

3.6 使用維護階段

采用數(shù)字化設(shè)計方法在設(shè)計階段就能夠給后期使用維護人員的培訓(xùn)提供較好的支持，依靠在設(shè)計階段開發(fā)的虛擬樣機模型、仿真模型等模型，開發(fā)針對使用維護人員培訓(xùn)的操作使用虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)和虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，具體如圖7所示，這種虛擬系統(tǒng)以軟件的形式發(fā)放，硬件系統(tǒng)可根據(jù)需要進(jìn)行配置，選擇普通微機或大型圖形工作站，這樣在設(shè)計階段就能夠?qū)⑻摂M訓(xùn)練系統(tǒng)提供給受訓(xùn)人員，同時通過網(wǎng)絡(luò)提供在線的培訓(xùn)支持，這種虛擬訓(xùn)練方式不僅能夠?qū)崿F(xiàn)與裝備的同步建設(shè)，促進(jìn)艦船戰(zhàn)斗力的快速形成，同時能夠節(jié)約經(jīng)費。

圖7 數(shù)字化設(shè)計方法對使用維護階段的支持Fig.7 The support of the digital design method to the use and maintenance stage

4 結(jié)語

1)針對當(dāng)前艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計中存在的缺乏系統(tǒng)地將數(shù)字化設(shè)計方法應(yīng)用到動力裝置生命周期中的問題，提出開展將數(shù)字化設(shè)計方法應(yīng)用到艦船動力裝置生命周期的方法研究;

2)在分析艦船動力裝置生命周期特點及存在的問題基礎(chǔ)上，深入研究了動力裝置數(shù)字化設(shè)計的內(nèi)涵，為將數(shù)字化設(shè)計方法應(yīng)用到動力裝置生命周期奠定了基礎(chǔ);

3)研究了將數(shù)字化設(shè)計方法應(yīng)用到動力裝置需求分析階段、初步設(shè)計階段、技術(shù)設(shè)計階段、施工設(shè)計階段、生產(chǎn)制造階段及使用維護階段的方法，能夠為動力裝置數(shù)字化設(shè)計工作的開展提供一定的指導(dǎo)，同時為數(shù)字化造船技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考。

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