数字化设计技术在舰船动力装置生命周期中的应用

曹冬华，刘金林，曾凡明

(1.海军装备部驻武汉地区军事代表局，湖北 武汉 430033;2.海军工程大学船舶与动力学院，湖北 武汉 430033)

0 引言

数字化设计技术和生产方式正在从根本上动摇着传统制造业的基础，催生着一场制造业的技术革命。随着数字化技术的蓬勃发展，以数字化造船为核心的船舶工业信息化进程也不断加快［1］。舰船动力装置数字化设计作为数字化造船的基础和重要组成部分，将引导传统的舰船设计模式的深刻变革，从理念、方法、手段、工具等各方面推动动力装置设计技术的发展，能够极大地扩展动力装置传统设计方式的内涵，同时将设计的触角延伸到传统设计无法到达的领域。国内外造船领域和船舶研究院所纷纷针对数字化设计技术在船舶领域的应用开展相关研究［2－6］，但从查询的文献来看，目前缺乏系统的研究数字化设计技术在动力装置设计乃至生命周期中的应用方法研究［7］，本文正是在此背景下开展相关研究，在深入分析传统动力装置生命周期特点的基础上，研究将数字化设计技术应用到舰船动力装置生命周期的方法，为舰船动力装置数字化设计工作的开展提供一定的指导，同时也为数字化造船技术的发展提供一定的参考。

1 传统舰船动力装置生命周期的特点

舰船动力装置的生命周期涉及到设计、建造、训练、使用、维护等各个环节，而设计阶段又包括方案设计、技术设计和施工设计，其传统生命周期过程如图1 所示［8］。

图1 传统舰船动力装置传统生命周期Fig.1 The traditional lifecycle of the marine power plant

1)需求分析阶段

在需求分析阶段，主要依据舰船的有关战术技术性能指标，即依据舰船的设计任务书，提出舰船动力装置的总体参数、相关战技术性能指标。

2)设计阶段

设计阶段主要分为方案设计、技术设计和施工设计3个阶段，完成从方案论证、选型设计到技术设计、计算分析、试验研究，至最后完成施工图纸和施工工艺设计。

3)制造阶段

在制造阶段主要按照设计阶段设计的施工图纸，进行动力装置的施工建造，若存在问题，则需要一定的修改以完成动力装置的建造。

4)使用阶段

当舰船完成建造后，需要交付使用，而此时需要对使用人员进行培训，因此，通常需要开发模拟训练系统以实现对使用人员的培训，往往开发模拟训练系统的周期较长，费用较高，同时还存在时间上的滞后，难以实现装备建设和战斗力形成的同步。

5)维护阶段

在舰船使用的过程中，往往需要对维护人员及维修机构人员进行培训，以实现对装备维修保障功能，而在舰船动力装置中，如主机、齿轮箱等设备非常复杂，部分设备是进口引进的，造价昂贵，因此对维修训练产生了较大的限制。

由舰船动力装置生命周期各阶段的任务及特点不难得出，动力装置生命周期各阶段采取的是串行的方式，每个阶段基本上均作为独立的环节，上游对下游的考虑很少，导致一定的设计返工率;各个阶段是垂直的、串联的过程，信息的共享程度不够;各专业间矛盾较大，以致对设计质量产生一定的影响;特别是设计院所、造船厂以及使用方的交流比较少，容易产生设计、制造工艺及使用维护发生矛盾的情况，这已经成为制约舰船动力装置性能水平及战斗力提升的瓶颈之一。

2 舰船动力装置数字化设计的内涵

舰船动力装置数字化设计是指在计算机技术、网络通信技术、并行工程技术、数字仿真技术及虚拟样机技术等相关支撑技术的支持下，对舰船动力装置设计全过程进行数字化描述，以建立的动力装置的数字化模型为基础，面向舰船动力装置生命周期进行动力装置设计的仿真与优化、信息融合与过程的集成管理，最终实现舰船动力装置设计及开发全过程的数字化。从舰船动力装置数字化设计的内涵来看，主要包含如下几个方面的内容:

1)设计对象的数字化描述

舰船动力装置设备众多且结构复杂，因此在进行动力装置数字化设计的过程中，需要建立动力装置的数字化模型，主要包括:数学模型、三维模型、仿真模型等数字化模型，以为数字化设计过程提供各种支持。对设计对象的数字化描述是进行动力装置数字化设计的基础。

2)信息的数字化描述

舰船动力装置设计的过程中涉及到大量的数据、资料、文档，同时还包括大量的、基于不同平台的模型，对设计过程涉及的各种信息采用数字化的方式处理，能够更好地实现设计各阶段、各部门之间的信息共享和协同，从而进一步促进设计质量的提高。对设计信息进行数字化描述是进行动力装置数字化设计的前提。

3)网络协同

舰船动力装置的设计是多阶段、多学科、多部门的综合性复杂学科，因此在进行动力装置数字化设计的过程，应能通过网络实现不同阶段、不同学科以及不同部门的协同工作。网络协同是进行动力装置数字化设计的重要手段。

4)面向动力装置生命周期

舰船动力装置的生命周期包括需求分析、设计、建造、使用和维护，传统设计过程主要考虑设计阶段中的任务，而对后期的建造、使用和维护考虑的不是特别的充分。采用数字化设计方式应能提供对舰船动力装置生命周期内各个阶段的支持，在设计阶段就充分地考虑到建造、使用和维护阶段的各种问题。面向生命周期是数字化设计的关键。

5)充分利用现代设计理论和设计工具

舰船动力装置传统设计方式主要依靠设计师经验和采用的串行方式对设计质量产生了较大的影响，采用现代设计理论和技术如QFD设计理论、TRIZ设计理论及虚拟样机技术等能够较好地克服传统设计方法的缺陷，而采用现代设计工具能够更好地为数字化设计过程提供各种支持。充分利用现代设计理念和设计工具是动力装置数字化设计的重要保障。

3 数字化设计方法在动力装置生命周期中的应用

数字化设计方法充分运用现代设计理念、工具，在网络协同环境下，通过虚拟样机和仿真的手段，实现对舰船动力装置生命周期各个阶段的支持。

3.1 需求分析阶段

在需求分析阶段需要根据舰船设计任务书的战术技术性能提出明确而具体的指标、要求和有关的规定，同时还需指出进行设计时必须遵循的各种约束条件。在需求分析阶段，对于新舰船及其动力装置只有一个模糊的概念，即它的具体造型、功能指标、性能指标等特征还没有完全确定，对其中一些特征的认识是停留在头脑中的抽象化表示，因此在此阶段必须将需求准确且真实地反映出来;另外，需求分析除了需要获取船东的需求外，还要对获取的需求进行分析和评估，以确定哪些是合理的、哪些是可以实现的、哪些是可以经济地实现的。

利用数字化设计中的虚拟样机技术和虚拟现实技术，能够根据需求对设计对象进行可视化和数字化描述，描述其功能和外部行为的结构模型;借助数学模型，进行动力装置的功能仿真、给设计部门演示和说明其功能的具体要求;给出动力装置的性能指标要求。在需求分析阶段，船东是十分重要的角色，因此，采用数字化技术使船东能够有效地参与到需求分析工作对需求分析工作的质量具有决定性的作用。通过虚拟现实技术使得船东能够在需求分析阶段就看到动力装置的外观、布置等，并可通过粗略的功能仿真展示其主要功能，从而获得较为准确的意见反馈，指导需求的修改。这是一个反复迭代的过程，如图2所示，根据修改的需求不断修改数字化模型，直到获得较为满意的结果。这种通过数字化方式的需求分析比传统的需求分析更具有直观性，通过可视化的虚拟模型将用户和设计人员之间的理解歧义减小到最小的程度，保证所获取需求的准确性，使开发的动力装置能够真正满足需求。

图2 数字化设计方法对设计需求分析的支持Fig.2 The Support of the digital design method to the design demand analysis

3.2 初步设计阶段

初步设计主要根据设计任务书的要求，经过分析比较，提出一个最合理的、原则性的动力装置方案，并原则上确定其主要技术措施，提供必要的论证材料、计算资料和附图。目前在方案论证阶段应用计算机辅助设计技术已经做了较多的研究，图3为舰船动力装置计算机辅助初步设计的一个典型方案［9］，该方法能将尽可能多的动力装置各种可行的组成方案进行各种性能指标比较、评估，完成多目标综合寻优的论证，找出最佳的和较佳的系统方案。同时该方法能够较好地摆脱完全依赖设计者经验进行方案论证的缺陷，依靠计算机进行各种计算和辅助决策，对方案论证能够起到较好的支持作用。这种计算机辅助论证的方法为动力装置的初步设计提供了一个较好的思路，但是从查询的文献来看，当前还没有专门的针对舰船动力装置方案论证的软件。而且该方法还存在弊端:缺乏网络协同的支持，从而在信息的获取，数据的交互方面存在较大的问题，影响设计的质量;缺乏数字化方法的支持，如果在进行性能指标计算的过程中加虚拟样机模型和仿真模型进行计算，将能更好地提高性能指标计算的精度。为此，建立如图4的基于数字化设计的舰船动力装置方案设计框架，采用并行设计的理念，基于网络平台，利用虚拟样机技术及仿真技术的支持，在数字化设计支持平台上进行动力装置的方案论证，将突破传统计算思路的限制，在方案论证阶段获取更多的信息、数据的支持，从而获得满意的论证结果。

3.3 技术设计阶段

技术设计是根据方案设计所确定的主要技术措施、选型及布置方案，提供动力装置详尽的计算书、说明书、明细表及安装布置图。技术设计阶段需要计算和处理大量的数据，同时需要实现对各类计算书、说明书和图纸的有效管理，其特点是计算量、信息量大。由于技术设计阶段计算及信息处理的复杂性，传统动力装置技术设计阶段往往缺乏统一的计算及数据管理平台，不同部门在针对不同设备进行计算处理时容易造成数据管理的混乱。因此需要采用数字化设计方法通过建立统一的动力装置计算模型、按照统一的数据格式进行管理，从而实现较好的解决技术设计阶段存在的各种问题，图5描述的为数字化设计方法对动力装置技术设计的相关支持功能。

3.4 施工设计阶段

施工设计阶段主要秉承技术设计的意图，完成全部施工图纸和施工工艺设计，使得船厂能够按照这些图纸资料顺利而经济建造出达到预定战技术指标的舰船。采用虚拟样机技术，不仅能够实现图纸的生成，同时能够实现对可装配性、可维护性等相关工作的分析;利用虚拟样机和虚拟现实技术，能够实现管路、电缆的放样;利用虚拟现实和人体工程学，能够实现机舱布置的人体工程学分析，图6说明了为数字化设计方法对动力装置施工设计的相关支持功能。

3.5 生产制造阶段

在确定设计阶段的各种性能指标能够实现预定目标之后，开始进入生产制造阶段。数字化设计技术能够实现对生产制造的支持，主要包括直接生成各类图纸、仿真动力装置的制造过程，实施辅助设计加工生产线，数控加工等。生产制造主要由船厂完成，其过程是非常复杂的，涉及到多学科领域和技术，本文对生产制造过程不做详述。

3.6 使用维护阶段

采用数字化设计方法在设计阶段就能够给后期使用维护人员的培训提供较好的支持，依靠在设计阶段开发的虚拟样机模型、仿真模型等模型，开发针对使用维护人员培训的操作使用虚拟训练系统和虚拟维修训练系统，具体如图7所示，这种虚拟系统以软件的形式发放，硬件系统可根据需要进行配置，选择普通微机或大型图形工作站，这样在设计阶段就能够将虚拟训练系统提供给受训人员，同时通过网络提供在线的培训支持，这种虚拟训练方式不仅能够实现与装备的同步建设，促进舰船战斗力的快速形成，同时能够节约经费。

图7 数字化设计方法对使用维护阶段的支持Fig.7 The support of the digital design method to the use and maintenance stage

4 结语

1)针对当前舰船动力装置数字化设计中存在的缺乏系统地将数字化设计方法应用到动力装置生命周期中的问题，提出开展将数字化设计方法应用到舰船动力装置生命周期的方法研究;

2)在分析舰船动力装置生命周期特点及存在的问题基础上，深入研究了动力装置数字化设计的内涵，为将数字化设计方法应用到动力装置生命周期奠定了基础;

3)研究了将数字化设计方法应用到动力装置需求分析阶段、初步设计阶段、技术设计阶段、施工设计阶段、生产制造阶段及使用维护阶段的方法，能够为动力装置数字化设计工作的开展提供一定的指导，同时为数字化造船技术的发展提供一定的参考。

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