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.海軍工程大學船舶與動力學院，湖北 武漢 430033)

0 引言

數(shù)字化設計技術和生產(chǎn)方式正在從根本上動搖著傳統(tǒng)制造業(yè)的基礎，催生著一場制造業(yè)的技術革命。隨著數(shù)字化技術的蓬勃發(fā)展，以數(shù)字化造船為核心的船舶工業(yè)信息化進程也不斷加快［1］。艦船動力裝置數(shù)字化設計作為數(shù)字化造船的基礎和重要組成部分，將引導傳統(tǒng)的艦船設計模式的深刻變革，從理念、方法、手段、工具等各方面推動動力裝置設計技術的發(fā)展，能夠極大地擴展動力裝置傳統(tǒng)設計方式的內(nèi)涵，同時將設計的觸角延伸到傳統(tǒng)設計無法到達的領域。國內(nèi)外造船領域和船舶研究院所紛紛針對數(shù)字化設計技術在船舶領域的應用開展相關研究［2－6］，但從查詢的文獻來看，目前缺乏系統(tǒng)的研究數(shù)字化設計技術在動力裝置設計乃至生命周期中的應用方法研究［7］，本文正是在此背景下開展相關研究，在深入分析傳統(tǒng)動力裝置生命周期特點的基礎上，研究將數(shù)字化設計技術應用到艦船動力裝置生命周期的方法，為艦船動力裝置數(shù)字化設計工作的開展提供一定的指導，同時也為數(shù)字化造船技術的發(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計、建造、訓練、使用、維護等各個環(huán)節(jié)，而設計階段又包括方案設計、技術設計和施工設計，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)艦船的有關戰(zhàn)術技術性能指標，即依據(jù)艦船的設計任務書，提出艦船動力裝置的總體參數(shù)、相關戰(zhàn)技術性能指標。

2)設計階段

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

3)制造階段

在制造階段主要按照設計階段設計的施工圖紙，進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

當艦船完成建造后，需要交付使用，而此時需要對使用人員進行培訓，因此，通常需要開發(fā)模擬訓練系統(tǒng)以實現(xiàn)對使用人員的培訓，往往開發(fā)模擬訓練系統(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人員進行培訓，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、齒輪箱等設備非常復雜，部分設備是進口引進的，造價昂貴，因此對維修訓練產(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，導致一定的設計返工率;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，以致對設計質量產(chǎn)生一定的影響;特別是設計院所、造船廠以及使用方的交流比較少，容易產(chǎn)生設計、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)字化設計的內(nèi)涵

艦船動力裝置數(shù)字化設計是指在計算機技術、網(wǎng)絡通信技術、并行工程技術、數(shù)字仿真技術及虛擬樣機技術等相關支撐技術的支持下，對艦船動力裝置設計全過程進行數(shù)字化描述，以建立的動力裝置的數(shù)字化模型為基礎，面向艦船動力裝置生命周期進行動力裝置設計的仿真與優(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)字化設計的內(nèi)涵來看，主要包含如下幾個方面的內(nèi)容:

1)設計對象的數(shù)字化描述

艦船動力裝置設備眾多且結構復雜，因此在進行動力裝置數(shù)字化設計的過程中，需要建立動力裝置的數(shù)字化模型，主要包括:數(shù)學模型、三維模型、仿真模型等數(shù)字化模型，以為數(shù)字化設計過程提供各種支持。對設計對象的數(shù)字化描述是進行動力裝置數(shù)字化設計的基礎。

2)信息的數(shù)字化描述

艦船動力裝置設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)設計各階段、各部門之間的信息共享和協(xié)同，從而進一步促進設計質量的提高。對設計信息進行數(shù)字化描述是進行動力裝置數(shù)字化設計的前提。

3)網(wǎng)絡協(xié)同

艦船動力裝置的設計是多階段、多學科、多部門的綜合性復雜學科，因此在進行動力裝置數(shù)字化設計的過程，應能通過網(wǎng)絡實現(xiàn)不同階段、不同學科以及不同部門的協(xié)同工作。網(wǎng)絡協(xié)同是進行動力裝置數(shù)字化設計的重要手段。

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、設計、建造、使用和維護，傳統(tǒng)設計過程主要考慮設計階段中的任務，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)字化設計方式應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)字化設計的關鍵。

5)充分利用現(xiàn)代設計理論和設計工具

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

3 數(shù)字化設計方法在動力裝置生命周期中的應用

數(shù)字化設計方法充分運用現(xiàn)代設計理念、工具，在網(wǎng)絡協(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)艦船設計任務書的戰(zhàn)術技術性能提出明確而具體的指標、要求和有關的規(guī)定，同時還需指出進行設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、性能指標等特征還沒有完全確定，對其中一些特征的認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)字化設計中的虛擬樣機技術和虛擬現(xiàn)實技術，能夠根據(jù)需求對設計對象進行可視化和數(shù)字化描述，描述其功能和外部行為的結構模型;借助數(shù)學模型，進行動力裝置的功能仿真、給設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量具有決定性的作用。通過虛擬現(xiàn)實技術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，從而獲得較為準確的意見反饋，指導需求的修改。這是一個反復迭代的過程，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)字化設計方法對設計需求分析的支持Fig.2 The Support of the digital design method to the design demand analysis

3.2 初步設計階段

初步設計主要根據(jù)設計任務書的要求，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用計算機輔助設計技術已經(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行各種性能指標比較、評估，完成多目標綜合尋優(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計者經(jīng)驗進行方案論證的缺陷，依靠計算機進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計提供了一個較好的思路，但是從查詢的文獻來看，當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，影響設計的質量;缺乏數(shù)字化方法的支持，如果在進行性能指標計算的過程中加虛擬樣機模型和仿真模型進行計算，將能更好地提高性能指標計算的精度。為此，建立如圖4的基于數(shù)字化設計的艦船動力裝置方案設計框架，采用并行設計的理念，基于網(wǎng)絡平臺，利用虛擬樣機技術及仿真技術的支持，在數(shù)字化設計支持平臺上進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果。

3.3 技術設計階段

技術設計是根據(jù)方案設計所確定的主要技術措施、選型及布置方案，提供動力裝置詳盡的計算書、說明書、明細表及安裝布置圖。技術設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。由于技術設計階段計算及信息處理的復雜性，傳統(tǒng)動力裝置技術設計階段往往缺乏統(tǒng)一的計算及數(shù)據(jù)管理平臺，不同部門在針對不同設備進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)格式進行管理，從而實現(xiàn)較好的解決技術設計階段存在的各種問題，圖5描述的為數(shù)字化設計方法對動力裝置技術設計的相關支持功能。

3.4 施工設計階段

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

3.5 生產(chǎn)制造階段

在確定設計階段的各種性能指標能夠實現(xiàn)預定目標之后，開始進入生產(chǎn)制造階段。數(shù)字化設計技術能夠實現(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，其過程是非常復雜的，涉及到多學科領域和技術，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)字化設計方法在設計階段就能夠給后期使用維護人員的培訓提供較好的支持，依靠在設計階段開發(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的操作使用虛擬訓練系統(tǒng)和虛擬維修訓練系統(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)需要進行配置，選擇普通微機或大型圖形工作站，這樣在設計階段就能夠將虛擬訓練系統(tǒng)提供給受訓人員，同時通過網(wǎng)絡提供在線的培訓支持，這種虛擬訓練方式不僅能夠實現(xiàn)與裝備的同步建設，促進艦船戰(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 結語

1)針對當前艦船動力裝置數(shù)字化設計中存在的缺乏系統(tǒng)地將數(shù)字化設計方法應用到動力裝置生命周期中的問題，提出開展將數(shù)字化設計方法應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上，深入研究了動力裝置數(shù)字化設計的內(nèi)涵，為將數(shù)字化設計方法應用到動力裝置生命周期奠定了基礎;

3)研究了將數(shù)字化設計方法應用到動力裝置需求分析階段、初步設計階段、技術設計階段、施工設計階段、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)字化設計工作的開展提供一定的指導，同時為數(shù)字化造船技術的發(fā)展提供一定的參考。

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