國外艦艇裝備先進設(shè)計方法研究

楊清軒，魏 征，劉 洋，李 奔

(1.國防科技工業(yè)局軍工項目審核中心，北京 100039；2.中國人民解放軍92578部隊，北京 100161；3.中國船舶集團有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

計算機技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)在艦艇裝備設(shè)計領(lǐng)域的成功運用，促使艦艇裝備設(shè)計成為一項蘊含多學科知識與技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)工程。組成該系統(tǒng)工程的設(shè)備系統(tǒng)/分系統(tǒng)、設(shè)備裝置與功能部件，技術(shù)復(fù)雜。艦艇系統(tǒng)工程總體設(shè)計就是將數(shù)量眾多的設(shè)備和功能部件及其組成的系統(tǒng)/分系統(tǒng)，按其空間特性、屬性特征和時域特性進行優(yōu)化組合與綜合技術(shù)集成，形成一個滿足艦艇總體功能要求且具有特定形狀的有機整體。由于涉及的設(shè)備不僅多，而且技術(shù)復(fù)雜，使得在優(yōu)化組合與綜合技術(shù)集成的設(shè)計過程中存在許多難以處理的矛盾。采用串行設(shè)計模式，缺少協(xié)同因素考慮，難以得出系統(tǒng)的整體最優(yōu)解。此外，由于設(shè)計過程分散進行，不僅需要增加大量人工協(xié)調(diào)管理過程，還有可能造成反復(fù)修改，導(dǎo)致設(shè)計周期變長和研制成本的增加。建立的可行工具/過程/方法能夠有效支撐艦艇裝備實現(xiàn)高效率優(yōu)化設(shè)計[1]。

1 國外艦艇概念設(shè)計

概念設(shè)計的重點是完成獨立系統(tǒng)性能、船舶總體性能/需求、作戰(zhàn)概念和成本間的權(quán)衡，以探索性設(shè)計為主，重點關(guān)注艦艇裝備的任務(wù)需求，以需求為牽引，開展適用于作戰(zhàn)任務(wù)需求與場景運用的裝備方案探索。概念開發(fā)重點關(guān)注裝備的最終狀態(tài)，進行方案可行性、技術(shù)可實現(xiàn)性分析，以形成裝備開發(fā)方案[2-3]。

圖1 典型艦艇概念設(shè)計流程Fig.1 Conceptual design process of a typical ship

概念設(shè)計屬于復(fù)雜系統(tǒng)工程，涉及多個學科，同時，涉及多設(shè)備功能屬性、特征屬性、時域?qū)傩栽O(shè)計，需要完善的數(shù)據(jù)庫作為支撐。現(xiàn)階段，艦艇裝備設(shè)計基本采用多通道的“螺旋式設(shè)計流程”方法，主要以美國代表，即通過反復(fù)迭代各設(shè)計要素，從而實現(xiàn)各要素之間的相互修正。設(shè)計要素主要包括重量、體積、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、阻力、動力、浮力等。首先系統(tǒng)地選擇設(shè)計要素，并在之后的迭代計算中反復(fù)修正所選要素，即可得到一個滿足所有約束條件的平衡式設(shè)計。利用“螺旋式設(shè)計”方法得到的結(jié)果僅是一個可行的基礎(chǔ)方案，需要進一步完善才能形成一個最佳的設(shè)計方案。在圍繞螺旋的各路徑中以逐漸增加細節(jié)的方式，直到達成滿足所有約束并平衡所有考慮的單獨設(shè)計[4]。

圖2 經(jīng)典設(shè)計螺旋與美國“弗吉尼亞”級核潛艇設(shè)計螺旋Fig.2 The classic design spiral and the US Virginia-class nuclear submarine design spiral

2 國外艦艇詳細設(shè)計先進技術(shù)

2.1 模塊化設(shè)計

現(xiàn)代軍事裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)密集、更新?lián)Q代速度快，加之裝備多樣化需求與現(xiàn)行“多研制、少生產(chǎn)”政策之間的矛盾，使得規(guī)模經(jīng)濟生產(chǎn)方式面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。“模塊化”作為現(xiàn)代標準化的核心內(nèi)容和基本工作形式，為解決上述問題提供了一種行之有效的策略，即通過模塊的不同組合，實現(xiàn)裝備的“多品種、小批量”生產(chǎn)，達到裝備多樣化與低成本的有機統(tǒng)一，并大大縮短研發(fā)周期，加快列裝速度，實現(xiàn)裝備研發(fā)的“高時效性”。同時，模塊化策略還可以有效降低新裝備研發(fā)的技術(shù)風險和市場風險，優(yōu)化國防工業(yè)結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)國防科技創(chuàng)新的有效途徑。

目前，世界上主要的核潛艇研制國家，美、俄、英等國均在設(shè)計階段采用模塊化設(shè)計，增強潛艇設(shè)計靈活性的同時，更易于實現(xiàn)標準化建造、現(xiàn)代化改裝以及新技術(shù)植入。美國新一代“哥倫比亞”級彈道導(dǎo)彈核潛艇，按照美國國家審計署2017年12月發(fā)布的潛艇評估文件，該核潛艇整體將分為6個部分開展分段設(shè)計工作，其中通用導(dǎo)彈艙已完成詳細設(shè)計，洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司按照合同將“三叉戟Ⅱ”型戰(zhàn)略武器系統(tǒng)集成到通用導(dǎo)彈艙中，相關(guān)建造工作已先于核潛艇整體建造計劃先期開展，“哥倫比亞”級核潛艇項目辦公室計劃在導(dǎo)彈發(fā)射管裝艇前完成發(fā)射管84%的裝配工作，以降低工作難度、提高效率。另外，首段、控制艙段及尾段同屬于先期設(shè)計建造部分。

俄羅斯較早進行了艦船模塊化技術(shù)的探索，俄羅斯艦船模塊化技術(shù)統(tǒng)稱為“船舶設(shè)計和建造模塊—組裝法”，采用模塊化原理的船舶設(shè)計、建造和改裝方法。采用此方法時可將技術(shù)器材組合在一個根據(jù)功能特征和地區(qū)特征建立起來的裝配—安裝單元，以求通過獨立地完成裝配—安裝工作和船體形成來縮短船舶建造周期，改善可修性及可改裝性，其中“技術(shù)器材”應(yīng)理解為“產(chǎn)品、機械、儀器、專用技術(shù)裝備”。

英國新一代“無畏”級彈道導(dǎo)彈核潛艇采用模塊化設(shè)計，整體將提提劃分為前、中、后3個“大型分段”，16個結(jié)構(gòu)單元，最大程度地實現(xiàn)模塊化建造，總體提高整體的建造效率。

圖3 國外潛艇裝備典型設(shè)計流程Fig.3 General design process of submarine equipment

圖4 “哥倫比亞”級核潛艇模塊設(shè)計意圖Fig.4 Columbia-class nuclear submarine module design intention

圖5 “無畏”級核潛艇建造單元結(jié)構(gòu)劃分Fig.5 The construction unit of Dreadnought-class submarine nuclear submarine

2.2 三維建模設(shè)計

三維建模設(shè)計技術(shù)通過模擬三維實體模型進行沖突檢查、優(yōu)化設(shè)計，已成為先進國家新一代水面艦艇設(shè)計的基本手段。目前以美、英、法為代表的核潛艇裝備設(shè)計先進國家，均在其新一代核潛艇裝備（包括“弗吉尼亞”級、“機敏”級、“梭魚”級核潛艇等）中采用三維設(shè)計技術(shù)，為其提供前期設(shè)計能力以及培訓和海軍建筑設(shè)計方面的支持服務(wù)[5]。在潛艇設(shè)計過程中，可以通過3D CAD系統(tǒng)來完成輔助設(shè)計。從建模仿真的角度來看，利用3D CAD系統(tǒng)可以顯示潛艇的不同系統(tǒng)以及整個潛艇概況。

以美國紐波特紐斯船廠艦艇的設(shè)計為例，其在艦艇設(shè)計中均采用了三維設(shè)計軟件。美國紐波特紐斯船廠采用的三維設(shè)計軟件是法國達索公司開發(fā)的CATIA軟件，該軟件采用CAD/CAE/CAM一體化設(shè)計，最早由法國達索公司開發(fā)用于飛機設(shè)計，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、造船、機械制造、電子/電器、消費品行業(yè)，能夠模擬從方案設(shè)計到詳細設(shè)計、裝配、維修的全部設(shè)計過程。以2001年達索/IBM公司發(fā)布了CATIA V5軟件為例，其主要構(gòu)成和功能如下：

1）初步設(shè)計模塊

初步設(shè)計模塊中提供了4個子模塊，包括結(jié)構(gòu)預(yù)布置子模塊、艙室定義與通道子模塊、系統(tǒng)空間預(yù)留子模塊和系統(tǒng)布線子模塊。

圖6 CATIA軟件的結(jié)構(gòu)預(yù)布置與艙室定義Fig.6 The CATIA software structure pre-arrangement and cabin definition

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊

結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊中提供了4個子模塊，包括結(jié)構(gòu)功能設(shè)計子模塊、船舶結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計子模塊、板及型材結(jié)構(gòu)設(shè)計子模塊和設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)子模塊。

3）通用系統(tǒng)與舾裝模塊

通用系統(tǒng)與舾裝模塊中提供了5個子模塊，包括管路設(shè)計子模塊、管路和設(shè)備原理圖子模塊、管線設(shè)計及管線原理圖子模塊、通風設(shè)計子模塊和通風原理圖子模塊。

4）電氣系統(tǒng)子模塊

電氣系統(tǒng)子模塊中提供了4個子模塊，包括3D線槽與導(dǎo)管設(shè)計子模塊、電子電纜布線子模塊、電氣連接原理圖子模塊、3D波導(dǎo)設(shè)計及3D波導(dǎo)原理圖子模塊。

5）跨專業(yè)應(yīng)用模塊

跨專業(yè)應(yīng)用模塊中提供了4個子模塊，包括設(shè)備布置子模塊、支架設(shè)計子模塊、系統(tǒng)原理圖子模塊和人體模型構(gòu)造器子模塊。

6）分析模塊

分析模塊中提供了2個子模塊，包括創(chuàng)成式零件、結(jié)構(gòu)分析子模塊和EDSA 3D電氣子模塊。

7）機械CAD模塊

IBM PLM解決方案還提供超過35個的機械CAD產(chǎn)品，涵蓋線框、曲面到鈑金等各方面設(shè)計。其中在船舶設(shè)計中的常用產(chǎn)品模塊包括CATIA零件設(shè)計與裝配設(shè)計模塊、創(chuàng)成式工程圖與交互式工程圖模塊、線架與曲面模塊、鈑金設(shè)計模塊、焊接設(shè)計模塊等。

2.3 虛擬現(xiàn)實設(shè)計技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)以人機交互為主，通過傳感設(shè)備與虛擬仿真環(huán)境中的客體進行交互和相互影響。虛擬現(xiàn)實技術(shù)已成為美國海軍降低艦艇武器裝備研制風險和成本的重要手段，并廣泛應(yīng)用于新型艦艇武器裝備的研制。美國“弗吉尼亞”級潛艇以計算機三維交互式數(shù)字設(shè)計系統(tǒng)和數(shù)字管理系統(tǒng)為支撐平臺，在計算機顯示系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實環(huán)境中用多媒體的形式直接顯示設(shè)計圖形、潛艇內(nèi)部各種設(shè)備和系統(tǒng)的三維布置模型，潛艇所有部件及其設(shè)計、生產(chǎn)建造等信息與過程全部存儲在計算機數(shù)據(jù)庫，有效支持了潛艇研制的全過程[6]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持快速建立原型與聯(lián)合設(shè)計多種多樣的潛艇作戰(zhàn)中心概念。在聯(lián)合設(shè)計過程中，作戰(zhàn)部隊人員和設(shè)計人員可以在不同地點通過安全網(wǎng)絡(luò)參與到設(shè)計中來，根據(jù)不同任務(wù)和作戰(zhàn)場景，通過實時的概念審核與調(diào)整，多方人員協(xié)同對虛擬設(shè)計圖進行優(yōu)化。

3 結(jié) 語

1）創(chuàng)新設(shè)計流程，開展協(xié)同并行設(shè)計方法研究

就設(shè)計流程而言，目前國內(nèi)采用的設(shè)計思路基本上是順序設(shè)計，即先確定目標艦艇的總體性能，再設(shè)計分系統(tǒng)和相應(yīng)的設(shè)備，這是典型的基于點的設(shè)計方法。該方法的缺點是在總體設(shè)計中缺乏分系統(tǒng)設(shè)計單位的參與，一旦總體設(shè)計單位不完全掌握分系統(tǒng)或設(shè)備特點時，初期設(shè)計的不合理將導(dǎo)致后期牽一發(fā)而動全身的修改。例如，若某一與硬武器相關(guān)艙室的尺寸或形狀不能滿足彈藥轉(zhuǎn)運或武器發(fā)射需求，則該艙室的修改很有可能導(dǎo)致穩(wěn)性或不沉性的重新計算。協(xié)同并行設(shè)計方法是解決這一問題的有效手段，簡單地說，該設(shè)計方法設(shè)計初期通過各部門的大量溝通而形成更成熟的設(shè)計方案，避免設(shè)計后期修改造成的大量時間和工作量的增加。目前，國外已在新型核潛艇設(shè)計中采用協(xié)同設(shè)計模式，并開發(fā)了相關(guān)軟件。而國內(nèi)對于基于集的設(shè)計方法卻尚未開始研究，仍需要應(yīng)用先進的設(shè)計理論來提高設(shè)計效率。

2）優(yōu)化模塊化設(shè)計理念，實現(xiàn)設(shè)計與建造緊密結(jié)合

目前，國外按照潛艇所處的不同階段，以及技術(shù)的發(fā)展程度，將潛艇模塊化分為以下幾種：一是使命任務(wù)模塊化。主要體現(xiàn)在設(shè)計階段，使得潛艇可以使用多個任務(wù)模塊，并且可以選擇安裝不同的任務(wù)模塊，實現(xiàn)任務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)植入。二是生產(chǎn)模塊化。主要體現(xiàn)在建造階段，使用標準的接口來完成設(shè)備的采購，在模塊的早期完成相關(guān)設(shè)備的安裝，并且在模塊焊接成型之前，完成模塊的測試。在這其中的一個關(guān)鍵是實現(xiàn)零部件或系統(tǒng)的通用性，以及確定通用標準和接口。三是軟件的模塊化。主要是在潛艇的各個系統(tǒng)層面上，重點是借助開放式體系架構(gòu)，建立開放式計算環(huán)境，便于后續(xù)的系統(tǒng)升級與技術(shù)植入。四是維護的模塊化。主要體現(xiàn)在潛艇的后期維護上，重點是要確定標準的接口，便于后續(xù)的設(shè)備維修與更換，以及相關(guān)設(shè)備的維護。而采用模塊化設(shè)計模式，能夠有效實現(xiàn)建造程序的優(yōu)化及成本控制，大幅提升潛艇建造與升級效率。

以“弗吉尼亞”級潛艇為例，為協(xié)調(diào)“弗吉尼亞”級潛艇的設(shè)計與建造，項目組設(shè)置了2種類型的團隊。一種是區(qū)域團隊（MAT），另一種是系統(tǒng)集成團隊（SIT）。每個區(qū)域團隊負責一個主要區(qū)域，任務(wù)是確保區(qū)域綜合設(shè)計、與其他區(qū)域的接口、建造程序的優(yōu)化及成本控制等。團隊由“核心”設(shè)計人員、工程師、設(shè)備供應(yīng)商、環(huán)境和后勤專家及布置裝置（管道系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、電子和機械設(shè)備）的CAD操作人員組成。由于人力限制，單獨的區(qū)域團隊不可能全部配備全職專家來從事某項工作，有些專家往往被派到多個團隊，這在一定程度上促進了團隊間交流。系統(tǒng)集成團隊主要負責設(shè)計與建造的結(jié)合，以及特殊系統(tǒng)的專門技術(shù)或適用于全艇的技術(shù)方法（如用于全艇的水力學、調(diào)平及泄水，電力分配或通風系統(tǒng)）。系統(tǒng)集成團隊還負責區(qū)域團隊之間的交流，避免在建造時出現(xiàn)艙壁和邊界沖突問題[7]。

針對后續(xù)“弗吉尼亞”級潛艇的發(fā)展需求，美國計劃采取更多的措施來提高模塊化程度，主要包括：艇首發(fā)射裝置模塊化的升級。借鑒“俄亥俄”級巡航導(dǎo)彈核潛艇的設(shè)計思路，將原來的12個發(fā)射管升級為2個六聯(lián)裝發(fā)射筒；艇體中部加裝有效負載艙段，模塊長93.7 ft，包含4個大直徑垂直發(fā)射管，存儲發(fā)射“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈或其他負載（大直徑UUV）。

3）注重采用新型詳細設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)潛艇設(shè)計效率與性能提升

以虛擬現(xiàn)實代表的潛艇新型詳細設(shè)計技術(shù)，能夠直觀有效提升設(shè)計效率，同時保證設(shè)計可靠性與可實現(xiàn)性。同時，利用在計算機顯示系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實環(huán)境中用多媒體的形式直接顯示設(shè)計圖形、潛艇內(nèi)部各種設(shè)備和系統(tǒng)的三維布置模型，潛艇所有部件及其設(shè)計、生產(chǎn)建造等信息與過程全部存儲在計算機數(shù)據(jù)庫，能夠有效支持潛艇研制的全過程，消除設(shè)計中存在的可能在潛艇生命周期中的后面環(huán)節(jié)暴露的設(shè)計弊端，將建造過程簡化為簡單的構(gòu)件組合，由此提高潛艇質(zhì)量，降低耗費。