舰船总体设计流程分析

徐 青

中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

0 引 言

水面战斗舰艇不仅是战斗的堡垒，而且是流动的国土，漂浮的城市，更是信息化条件下陆、海、空、天、潜体系作战中的一个重要节点。舰船总体设计是水面战斗舰艇研制重要的关键环节，其设计流程决定了舰船总体设计的优劣和效率，因此，分析和梳理总体设计流程至关重要。

1 舰船总体设计基本概念与主要特点

舰船总体设计是以满足舰船作战使用要求为目标，在多种约束条件下，以规范和经验为基础，利用系统工程的方法，综合考虑各种要素，应用计算、仿真、试验等手段，进行多学科、多目标优化的反复迭代的创新活动。

舰船总体设计是一门综合集成技术［1］，是舰船总体技术的核心技术。舰船总体设计不仅仅只考虑船舶本身的性能，更重要的是要综合考虑舰载系统、设备的关键性能，按照“设备服从系统、系统服从总体、总体服从大局”的原则和科学的方法，应用功能集成、信息集成、网络集成、软件集成等多种集成技术即综合集成技术，将各分离的系统设备、功能和信息等集成为相互关联的、统一和协调的有机的整体“舰船这一大系统”，使得资源达到充分共享，实现舰船的集中、高效和便利的管理。

舰船总体设计不仅是一门技术，而且是一门艺术。她通过舰船建筑造型艺术和色彩美学的综合应用，仿佛是谱写着一部海上流动的乐章，传承着海军的传统文化。她使得舰船不仅仅是一种威武的作战装备，更是一件凝聚众多设计师智慧和想象力的艺术品。

舰船总体设计作为一门工程学科，其主要特点概括如下：

1）综合性

舰船总体设计是将舰船作为一个综合的系统工程来研究其内部规律和它与外界有关因素的关系，是总体布置、建筑美学、航行性能、结构、材料、动力、电力、电子、武器等各种知识的大集合。舰船总体设计涉及到图形学、水动力学、结构力学、机械学、电磁学、信息学、战术学、人因工程学等多个学科的知识，是一个涉及工程领域最多、知识面最广的学科，需要综合运用舰船战术、战斗器材、航海性能、结构强度、建造工艺、专用装备等各有关学科的知识，是典型的综合学科［2］。

2）整体性

舰船作为一个大系统，由各功能分系统组成，各分系统内部具有强耦合关系，以实现其功能。舰船总体设计以资源整合、共享、分配、调度等手段，在各分系统内部强耦合关系的基础上，将各分系统有机集成为一个整体，使舰船成为一个高度综合的一体化系统。

3）灵活性

舰船设计存在多维设计空间，需进行多目标因素的平衡，因此设计中多方案的权衡取舍是一项痛苦抉择的过程，即设计人员面临的是多种方案都能满足同一套战术技术性能指标要求，只是目标的排序不同，在设计上存在相对的灵活性，往往需要对多种方案进行分析评估，从中求得“多方相对满意”的方案［3］。

4）风险性

一方面，随着技术的持续发展，创新技术的首次工程化应用总是极具风险。舰船研制周期长，通常新研系统和设备与舰船总体处于同步研制阶段，其状态不断变化，新技术不断涌现，用户要求不断变化，总体方案处于一种动态的调整过程，技术状态难以控制，给总体设计带来技术、进度和费用等风险。另一方面，有限的总体资源与不断增长的需求之间的矛盾也会给总体设计带来风险。订货方既希望舰员有良好的生活和工作环境，也希望舰船具有较强的打击和抗打击能力，同时要符合国际公约的要求。受舰船总体资源限制，在总体资源的配置过程中，权衡需求与现实资源之间的关系，给总体研制目标的实现带来一定的风险性。

5）复杂性

舰船总体设计不仅要完成大量的计算、仿真、试验及图纸的设绘，还要开展大量的工程协调、平衡和迭代，与陆军的战车、空军的战机等装备总体设计相比，舰船总体研制的复杂性呈几何级数增加。图1是美国研究人员得出的各类装备研制工作量图［4］，充分说明了舰船总体研制的复杂性。

图1 舰船与其它装备工作量比较图Fig.1 Comparison of manufacturing time of warship with other equipment

舰船总体设计的综合性、整体性、灵活性、风险性和复杂性的显著特点，决定了舰船总体设计决不是一蹴而就，而是一个需要进行反复迭代、螺旋式上升，逐次逼近最终目标的过程。

2 总体设计阶段及主要成果

舰船总体设计过程一般分为概念设计、方案设计、深化方案设计、技术设计、施工设计等若干个阶段［5］。

2.1 概念设计阶段

概念设计是按照海军舰船装备的发展规划，通过研究国内舰船技术发展的现状和趋势，从舰船的总体、性能、结构、材料、机电、武器、设备制造、技术构成、生产条件、管理体系等方面进行军事分析、技术分析和经济分析，策划工程研制的整体框架、规划；以军事需求为核心，通过概念设计，确定舰船的初步总体技术方案，凝练关键技术，给出舰船的概念图像，以此为基础编制新研舰船的“主要战术使用性能指标”。

本阶段的成果：总体及主要系统方案论证报告；总体概念设计图样、文件；主要战术使用性能指标。

2.2 方案设计阶段

方案设计是针对舰船概念设计初步方案，选定主要系统、设备和材料，开展总体方案设计，落实“主要战术使用性能指标”中的各项要求、指标和目标。方案设计往往也要作多方案比较，经多次反复分析、修改。重大的关键技术问题要通过模型试验、必要的原理性样机试制，最终确定总体技术方案。编制可靠性大纲、安全性大纲、标准化大纲等文件。

方案设计的成果：“总体技术方案”，方案设计图样、文件。

2.3 深化方案设计阶段

深化方案设计是根据方案设计结果，通过进一步的计算和试验，对舰船的相关性能进一步的核准，完成深化方案设计的图样和技术文件；形成“研制总要求”；总体设计单位向系统技术责任单位和设备承制厂（所）提出舰船环境条件、兼容性和隐身性等设计要求，并进行接口协调，武器系统精度分配等工作；落实主要系统、设备、材料等的研制、选型。

深化方案设计的成果：设计图样和技术文件。

深化方案设计审查通过后，编制舰船总体的“研制总要求”。

2.4 技术设计阶段

技术设计是按研制总要求和审图机构审查认可的深化方案设计成果，及可靠性大纲、维修性大纲、安全性大纲、标准化大纲及综合保障计划等要求，进一步深化设计和模型（模拟）试验、验证，解决设计中的各种主要技术问题，确定总体技术状态；确定系统、设备的订货清单；进一步协调，并基本固化舰船总体与系统、设备间的接口要求、精度分配等；运用可靠性技术、维修性技术和优化设计技术进行舰船及其系统设计；根据可靠性大纲，编制关键件（特性）、重要件（特性）项目明细表。

技术设计的成果：技术设计图样和技术文件。

技术设计审查通过后，编制形成“舰船总体技术规格书”。

2.5 施工设计阶段

施工设计是确定舰船的建造方案、工艺措施，编制工艺文件及绘制总体施工图样，同时也要解决舰船总体布置、建造中的各种技术细节问题。

施工设计的成果：完整的施工图样、文件。

2.6 完工设计阶段

完工设计是根据建造、试验、试航和交付部队中的实际情况，将完工状态反映到图纸和文件中，与总体使用文件一起形成完整的完工文件。

完工设计的成果：完整的完工文件、图纸。

2.7 维修设计阶段

维修设计是编制舰船装备基地级维修所需的各种图样和技术文件资料（包括纸质文件和电子文件，简称维修资料）。维修资料规定了舰船装备维修的程序和方法。

维修设计阶段的成果：舰员级、基地级维修资料及维修方案等。

3 总体设计方法分析

常用的舰船总体设计方法为基于经验和规范的方法。随着舰船总体设计技术的发展，基于最优化理论、仿真及试验验证的总体设计方法在舰船总体设计中得到广泛应用。

3.1 基于经验和规范的设计方法

以母型设计法、统计资料法、规范设计法等为特征的基于经验和规范的设计方法，是在舰船总体设计中，选择以往成功设计、建造并经过服役考验的同类型舰船作为母型，并利用各种统计数据、经验公式和图表等资料，同时考虑国际和国内有关舰船设计方面的规范和公约作为准则进行总体设计的方法。

该方法的优点是能借鉴实船的优良性能，总体设计结果可靠受控；缺点是母型船的特性可能会遗传到新设计舰船，总体优化设计不足。

3.2 基于最优化理论的设计方法

以逐次近似法、最优化方法、多学科优化方法等为特征的基于最优化理论的设计方法。舰艇涉及的系统复杂、技术领域众多，舰艇总体设计过程是一个多系统综合集成、多特性平衡匹配、多组织协同设计、多阶段逐次逼近的复杂过程。因而，基于最优化理论的舰船总体设计方法是解决复杂总体问题的先进途径。

该方法强调舰艇总体诸多性能的权衡与折中，体现对多门类技术的考虑与综合、对多学科间耦合效应的反映与处理。

3.3 基于仿真及试验的设计方法

以仿真设计法、试验验证法、演示验证法等为特征的基于仿真及试验的设计方法［6］，是以采用仿真分析、模型试验验证及缩比或1：1演示验证为手段，通过仿真或试验预报及评估舰船总体性能并指导舰船设计的总体设计方法。该方法能全面预报及评估舰船综合性能，具有设计依据充分、结果可信度高的特点。

上述3种舰船总体设计方法各有所长，但并非完全独立，总体设计成功的舰船，往往是上述3种方法综合应用的结果。

4 总体设计流程分析

舰船总体各设计阶段中，方案设计和技术设计是舰船总体设计过程中的重要阶段。方案设计是确定舰总体技术方案的关键阶段，决定着后续总体、系统设计的技术方向。技术设计则是总体设计中固化技术状态的重要阶段。为了说明舰船总体设计过程，本文综合上述两个设计阶段重点，依次说明各阶段主要开展的工作。

4.1 总体设计流程

舰船总体设计流程见图2。

4.2 方案设计阶段工作

方案设计阶段主要根据下发的主要作战使用性能要求开展总布置草图设计、主要船型参数确定、型线设计、船型设计、结构型式及主要构架尺寸、总布置中的区域划分和电子武备及主要舱室布置，落实主要作战使用性能的战技指标。

4.2.1 规划总体布置

根据初步总体方案确定的主要武器、电子设备、动力装置、电力设备、辅机设备及船舶装置等装舰尺寸和数量，初步规划总体布置，形成总布置草图。

图2 舰船总体设计流程Fig.2 Overall warship design process

4.2.2 确定主要参数

根据舰艇的排水量、航速、初稳性、操纵性、主机舱的布置、船体结构形式等确定舰的主要总体参数。

4.2.3 型线设计

一般可以设计多个线型进行比较。这一过程中，要同时考虑浮力、稳性、快速性、耐波性、强度、舱容与总布置、电子武备使用要求、经济性等是否基本满足要求。型线设计的基本要求［7］包括：

1）综合考虑总布置的要求。型线设计时必须综合考虑总布置对甲板面积和舱室容积的需求。必要时，可以降低性能方面的要求来满足布置和使用的需要。

2）保证良好的航行性能。除了某些特殊要求的情况外，一般将快速性这一因素放在首位，同时兼顾稳性、耐波性和操纵性。

3）考虑船体结构的合理性和工艺性。船体外板曲面的曲率，艏柱与球鼻艏的过渡，尾部抬升点等要便于建造。尤其是在船舶首尾的型线设计时，不必要的复杂曲面，不仅增加建造的工时，而且不易保证施工的质量，影响结构强度和刚度。

4）考虑外观造型。水线以上的首尾轮廓，甲板边线以及外露的折角线都应考虑造型方面的美观要求。

4.2.4 总体性能初步分析

包括采用CFD或模型试验方法进行航行性能分析；进行排水量及重量重心分析；进行完整稳性分析等。

4.2.5 确定船型

基于以上总体仿真、计算及模型试验，通过不断优化型线设计，确定能较好平衡各总体性能的型线方案，并留有适当总体设计裕量，包括排水量裕量、稳性裕量、航速裕量、结构强度裕量等。

4.2.6 开展舰区域划分及重要舱室布置

主要包括：

1）区域划分。主横水密隔壁、防火区域、各功能区域、气密区域等划分方案。

2）重要舱室布置。机舱、电站、武器系统舱室、弹药舱、雷达舱室、驾驶室、舵机舱、机电集控室、作战指挥室、报房、主要指控舱室、厨房、餐厅、高级军官住室等舱室布置方案。

4.2.7 舰总体建筑造型设计

在舰区域划分、重要舱室布置以及舰面设施布置的基础上，开展舰总体建筑造型设计，考虑的主要因素包括：

1）舰型的优美和威武。不但要选择和谐的包络线，形成优美的布局，使舰艇的外形更富有迷人的韵律；更要选择规律的力线，形成威武的气势，使舰艇的外形富有动感的节奏。

2）结构的可实现性。确保结构受力的合理和结构施工的可实现性。

3）隐蔽性。舰总体造型应有利于实现雷达波、红外和光的隐蔽性。

4）兼容性。舰总体造型应有利于各类传感器的布置，并使其具有良好的电磁兼容性。

5）安全性。舰总体造型应使武器系统具有良好的射界，并确保武器发射对周边的设施没有损害。

6）重量重心。舰总体造型应有利于减轻结构重量，并有利于设备降低重心高。

由方案设计流程可见，在舰船方案设计阶段，通过总布置需求分析及对各种船型参数的权衡，确定舰主尺度和主要船型系数，并进行船型参数的综合优选，据此开展初步型线设计；通过一系列计算、仿真及模型试验进行总体性能分析，并考虑一定的设计裕量，进而确定船型；进行区域划分及重要舱室布置，并通过开展仿真及试验进行舰总体建筑造型设计。

按照舰船研制周期，方案设计周期最短，但方案设计是舰船总体设计最重要和最关键的阶段。在该阶段，需要进行大量的多方案对比及权衡分析，包括舰船的主尺度、船型系数、部分装备的取舍、重要装备的装舰数量、主要系统的配置方案、总布置的合理性等等。该阶段的设计工作将直接影响舰船的综合效能，并决定后续设计阶段的方向。

4.3 技术设计阶段工作

技术设计阶段主要在基本确定的船型方案、总布置区域划分及重要舱室布置方案的基础上全面落实研制总要求中的技术指标，绘制详细的甲板分层分舱图纸，进行总体综合性能核算，编制详细的技术文件及图纸，固化设备、系统和总体技术状态。

4.3.1 分层分舱设计

包括甲板层的划分及绘制各层甲板的详细布置方案。本阶段主要包括大量的总布置协调工作及各专业、系统的支撑性工作，具体包括如下。

1）结构专业：

（1）静强度仿真及计算；

（2）动强度仿真及计算；

（3）新型材料结构应用仿真及试验；

（4）结构安全性、生命力仿真及计算；

（5）武器天线设备适装性仿真及计算。

2）动力专业：

（1）动力舱段的总布置仿真；

（2）轴系布置及强度仿真；

（3）动力系统进、排气通道仿真；

（4）进排气系统气动性能仿真；

（5）进气系统对压气机进口均匀性仿真；

（6）外界风速、风向及排气对舰船进气口压力分布影响仿真；

（7）动力系统大型设备维修通道仿真。

3）电气专业：

（1）全舰电力负荷计算；

（2）配电中心及配电室布置协调；

（3）应急及直流配电的布置协调。

4）船舶装置专业：

（1）人员流动、物资流动仿真；

（2）生活保障设施布置协调；

（3）船舶装置布置协调。

5）船舶辅助系统专业：

（1）空调通风系统的布置协调；

（2）消防系统的布置协调；

（3）损管系统的布置协调；

（4）机舱通风系统协调；

（5）食品冷藏系统的布置协调；

（6）弹库安全布置协调。

6）作战系统专业：

（1）各类传感器布置协调；

（2）各类武器系统布置协调；

（3）指挥部位的协调。

7）直升机舰面系统专业：

（1）直升机起降部位的布置协调；

（2）机库的布置方案协调；

（3）其它航空保障舱室布置协调。

4.3.2 固化总布置图

基于仿真、计算及检查等支撑性工作，最终确定满足各项使用要求的总布置方案，各系统在此基础上开展系统设计，主要包括系统的原理设计、系统设计计算书、系统的布置图及线路图、系统设备明细表、管路及电缆走向、系统试验册等。

4.3.3 确定舰总体综合性能

本阶段总体综合性能主要包括居住性、兼容性、隐蔽性、生命力、作战能力及作战保障能力等。

4.3.4 编制总体设计文件

主要包括：总体说明书（如总说明书、作战能力说明书、兼容性说明书、隐蔽性说明书等）、计算书（如稳性、不沉性、自给力、操纵性、续航力计算书等）；总布置图、型线图、结构图、舱室布置图、器械布置图等；设备明细表、电缆册等。

由舰船技术设计流程可见，在技术设计阶段舰总体与主要系统、系统之间、系统内部均需开展大量的协调性工作，以保证总布置的合理性、舰总体综合性能及系统性能指标的落实，在此基础上对舰总布置进行固化，确定舰总体综合性能，并最终固化技术状态，形成设计图样和技术文件。

5 总体设计技术展望

5.1 技术成熟度的评估与权衡将是成功的总体设计的关键

设计人员的好奇心是技术创新的原始动力，总体设计中对新技术的跟踪、收集、综合、理解和实践将是总体设计创新的必经之路。

总体设计人员跟踪、了解舰载系统、设备的研制现状及规划，必要时参与系统、设备的研制，发挥舰总体的牵引作用将是提高总体设计水平的基础。

总体设计人员做好技术创新与技术现实性的权衡，对技术的成熟度开展深入分析，平衡好新技术与成熟技术之间的辩证关系，逐步化解风险，是将理想变为现实的关键。

5.2 仿真和试验将是提高总体设计水平的数据支撑

为适应未来装备发展需求，总体设计必将用到许多新技术，因此，先期开展新船型、新材料、新工艺的预先研究，增强技术储备，将是实现舰船跨越式发展的先决条件。

通过综合应用计算、仿真、模型试验乃至实尺度演示验证等手段［8］开展新技术应用研究，积累数据，将是化解新技术应用风险的科学之路。

开展总体方案试验验证理论方法研究，包括模型尺度、试验环境条件、试验结果分析、试验误差传递和分配等，将是确保总体验证试验可行、有效的基础。

开展舰总体及系统的演示验证工作，包括新船型的船舶性能、结构方案、集成优化后的使用流程、信息传递、能量传递等，将是确保舰总体及系统方案合理可行最直接的方法。

5.3 标准规范的修订和维护将是提高总体设计水平的保障

对外技术合作成果的消化和吸收，转化并扩大现行的标准规范的覆盖范围，将是快速提升总体设计水平的历史经验。

借鉴民船规范和国际标准，定期对现行总体设计规范进行修订和维护，从而适应舰总体设计技术发展。

适应新技术、新材料、新方法、新工艺、新设备的发展，必将制定一批新的舰船总体设计规范。

通过型号产品研制、预研等必将带动标准规范的修订和完善。

5.4 与国内外的行业交流将是提高总体设计水平的有效途径

加强舰船总体设计技术行业内外的交流，将为提高舰艇总体设计技术水平提供动力和更新理念。

加强舰船机电设备及电子设备的交流，将为提高我国装舰设备的可靠性、自动化等提供借鉴。

加强与国外的交流，将缩短与世界先进舰艇总体设计技术的差距。

5.5 民用和商用技术的借用将是提高总体设计水平的捷径

借鉴民用船舶总体设计理念，将使得水面战斗舰艇总体设计技术日趋完善。

借鉴民用和商用设备的研制思路，必将提高舰艇设备的经济性、可靠性和先进性。

5.6 与使用方的互动将是提高总体设计水平的必由之路

使用者是设计师永远的老师，不是设计引导消费，就是消费促进设计，因此，与使用方的互动将是提高总体设计水平的必由之路。

设计是第三产业，周到细致的服务精神，以人为本的理念［9］必将贯穿设计的全过程。

［1］邵开文，张骏.总体者，集大成也［J］.中国舰船研究，2008，3（1）：1-4，12.SHAO K W，ZHANG J.Warship design and integration［J］.Chinese Journal of Ship Research，2008，3（1）：1-4，12.

［2］邵开文，马运义.舰船技术与设计概论［M］.北京：国防工业出版社，2005.

［3］BROWN A J，THOMAS M.Reengineering the naval ship concept design process［C］//From Research to Reality in Ship Systems Engineering Symposium，ASNE，1998.

［4］General Dynamics Electric Boat.The VIRGINIA class submarine program：a case study［M］.General Dynamics Electric Boat，2002.

［5］尤子平.舰船总体系统工程的数字化思考［J］.舰船科学技术，2008，30（1）：26-28.YOU Z P.Think of digitized integrated naval ship system engineering［J］.Ship Science and Technology，2008，30（1）：26-28.

［6］GOMEZ J M.Warship combat system selection methodology based on discrete event simulation［D］.Monterey，CA：Naval Postgraduate School，2010.

［7］方学智，刘厚森，刘增荣.船舶设计原理［M］.武汉：华中理工大学出版社，1998.

［8］程新安，王天明.船舶装备建模与仿真发展趋势研究［J］.舰船科学技术，2002，24（2）：45-49.CHENG X A，WANG T M.A research on future development of technologies in M&S of ships equipments［J］.Ship Science and Technology，2002，24（2）：45-49.

［9］张祥瑞.“以人为本”理念在大型舰船设计中的应用［J］.船舶，2004（6）：5-9.ZHANG X R.The applications of the human-orientation concept in design of large ships［J］.Ship and Boat，2004（6）：5-9.