國外艦船數(shù)字化研制體系的發(fā)展狀況與趨勢

聞歆

隨著艦船武器裝備的復雜程度不斷提高，數(shù)字化造船技術成為降低研制風險和成本，縮短研制周期的關鍵要素和有效手段，因此美歐傳統(tǒng)海軍強國均把數(shù)字化造船技術的研究放在戰(zhàn)略發(fā)展的高度來組織實施，推動了艦船數(shù)字化設計制造技術的快速發(fā)展和應用，并且取得了顯著成效。以美國海軍裝備研制為例：

1.三維設計技術已成為艦船武器裝備研制的基本手段，三維可視化技術廣泛應用于各型艦船設計建造的各個環(huán)節(jié)，如美國“福特”級航母的首艦“福特”號（CVN78）成為第一艘完整的在三維設計系統(tǒng)中完成設計的航空母艦。

2.隨著美國海軍的“基于仿真的艦船設計”、“基于仿真的采辦”等項目的推進，虛擬仿真技術已成為降低艦船武器裝備研制風險和成本的重要手段，并廣泛應用于新型艦船武器裝備的研制，如美國“圣安東尼奧”LPD17兩棲船塢運輸艦是第一個在虛擬仿真環(huán)境下設計的艦船，在生產(chǎn)前設計工作已完成了80%以上，而采用傳統(tǒng)設計技術的艦船在生產(chǎn)開始時設計工作最多只能完成20%～30%；在CVN78新型航母研制中大量采用計算機輔助虛擬環(huán)境工具（CAVE）對設計方案的合理性進行校驗，極大提高了設計的效率。

3.在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理方面，艦船產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術已達到相當高的水平，貫穿于艦船設計、建造和全壽期支持的整個過程。美、歐等海軍強國通過“一體化產(chǎn)品數(shù)據(jù)環(huán)境（IPDE）”的建設，從根本上解決了艦船數(shù)字化制造各應用系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互問題，實現(xiàn)了艦船產(chǎn)品在設計、測試和建造等環(huán)節(jié)上的高度集成，并在美國最新研制的CVN78航母、DDG1000驅逐艦、LCS瀕海戰(zhàn)斗艦以及英國的TYPE45型驅逐艦和CVF航母上得到廣泛應用。此外，美國最新研制的LCS瀕海戰(zhàn)斗艦和DDG1000驅逐艦，都采用了智能產(chǎn)品模型（SPM）系統(tǒng)，通過對所有有關設計數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，提供關于艦船系統(tǒng)行為和交叉功能相互關系的模型，從而實現(xiàn)艦船模型的動態(tài)調整，支持艦船產(chǎn)品的異地協(xié)同設計。

4.美國2007年在NSRP ASE項目中，進行了一項旨在提升美國海軍艦船設計建造過程中信息可交換能力的項目——集成造船環(huán)境（ISE，Integrated shipbuilding environment）。ISE通過實現(xiàn)海軍與艦船承包商之間的實時數(shù)字互聯(lián)，提升設計建造過程中相關CAD數(shù)據(jù)和CAE數(shù)據(jù)等信息的管理和交換能力，來提高艦船設計建造的協(xié)同工作能力，從而降低艦船的設計建造成本和周期。

5.在數(shù)字化制造方面，美、歐、日、韓等國的艦船數(shù)字化生產(chǎn)設計系統(tǒng)已延伸到加工設備層，由數(shù)控切割、數(shù)控彎板及管加工設備構成的自動化生產(chǎn)線，極大地提高了船廠艦船建造的效率和快速反應能力。

6.在艦船產(chǎn)品協(xié)同研制方面，國外軍事發(fā)達國家武器裝備研制中廣泛采用以信息技術應用為核心，廣泛采用并行工程、虛擬制造、敏捷制造、供應鏈管理等先進制造技術，運用系統(tǒng)工程的理論與方法，不斷地進行建造模式的轉換和體系重構，持續(xù)地提高艦船的協(xié)同研制能力和適應性。

美國海軍首先通過兩棲船塢運輸艦LPD17項目建立了基于集成產(chǎn)品團隊（IPT，Integrated Product Team）合作的集成產(chǎn)品和過程研發(fā)概念，形成了協(xié)同研制的基礎；通過弗吉尼亞核潛艇研制不斷完善協(xié)同研制體系；隨著數(shù)字化平臺集成優(yōu)化和在全行業(yè)內聯(lián)合開發(fā)成本的提高，通用動力電船公司以及諾斯羅普格魯曼等軍工巨頭開始對協(xié)同研制體系進行進一步深化改進，這一階段以CAD/CAE/CAM數(shù)字化集成為主的工具間協(xié)同以及以艦船全供應鏈協(xié)同為主的管理協(xié)同為發(fā)展重點，核心代表是以產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標準STEP研究為核心的集成造船環(huán)境項目。

可見，美國海軍協(xié)同研制體系及其數(shù)字化平臺的發(fā)展經(jīng)歷了從無到有、從零散到完整、從分散到集成的階段，其三大核心要素分別包括系統(tǒng)工程管理模式，即集成產(chǎn)品與過程開發(fā)方法（IPPD）]；研發(fā)團隊組織模式，即矩陣形式的集成產(chǎn)品小組（IPT）；數(shù)字化支撐基礎平臺集成產(chǎn)品數(shù)據(jù)環(huán)境（IPDE）。美國艦船工業(yè)在協(xié)同研制體系及其數(shù)字化平臺建設上的發(fā)展路線是我國大型水面艦船協(xié)同研制平臺建設的重要借鑒，在協(xié)同平臺建設中的開發(fā)經(jīng)驗以及相關的技術規(guī)范文檔為我國大型水面艦船協(xié)同研制平臺項目的實施提供了重要的技術參考。