徐 青

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

0 引 言

水面戰(zhàn)斗艦艇不僅是戰(zhàn)斗的堡壘，而且是流動的國土，漂浮的城市，更是信息化條件下陸、海、空、天、潛體系作戰(zhàn)中的一個重要節(jié)點。艦船總體設計是水面戰(zhàn)斗艦艇研制重要的關鍵環(huán)節(jié)，其設計流程決定了艦船總體設計的優(yōu)劣和效率，因此，分析和梳理總體設計流程至關重要。

1 艦船總體設計基本概念與主要特點

艦船總體設計是以滿足艦船作戰(zhàn)使用要求為目標，在多種約束條件下，以規(guī)范和經驗為基礎，利用系統(tǒng)工程的方法，綜合考慮各種要素，應用計算、仿真、試驗等手段，進行多學科、多目標優(yōu)化的反復迭代的創(chuàng)新活動。

艦船總體設計是一門綜合集成技術［1］，是艦船總體技術的核心技術。艦船總體設計不僅僅只考慮船舶本身的性能，更重要的是要綜合考慮艦載系統(tǒng)、設備的關鍵性能，按照“設備服從系統(tǒng)、系統(tǒng)服從總體、總體服從大局”的原則和科學的方法，應用功能集成、信息集成、網(wǎng)絡集成、軟件集成等多種集成技術即綜合集成技術，將各分離的系統(tǒng)設備、功能和信息等集成為相互關聯(lián)的、統(tǒng)一和協(xié)調的有機的整體“艦船這一大系統(tǒng)”，使得資源達到充分共享，實現(xiàn)艦船的集中、高效和便利的管理。

艦船總體設計不僅是一門技術，而且是一門藝術。她通過艦船建筑造型藝術和色彩美學的綜合應用，仿佛是譜寫著一部海上流動的樂章，傳承著海軍的傳統(tǒng)文化。她使得艦船不僅僅是一種威武的作戰(zhàn)裝備，更是一件凝聚眾多設計師智慧和想象力的藝術品。

艦船總體設計作為一門工程學科，其主要特點概括如下：

1）綜合性

艦船總體設計是將艦船作為一個綜合的系統(tǒng)工程來研究其內部規(guī)律和它與外界有關因素的關系，是總體布置、建筑美學、航行性能、結構、材料、動力、電力、電子、武器等各種知識的大集合。艦船總體設計涉及到圖形學、水動力學、結構力學、機械學、電磁學、信息學、戰(zhàn)術學、人因工程學等多個學科的知識，是一個涉及工程領域最多、知識面最廣的學科，需要綜合運用艦船戰(zhàn)術、戰(zhàn)斗器材、航海性能、結構強度、建造工藝、專用裝備等各有關學科的知識，是典型的綜合學科［2］。

2）整體性

艦船作為一個大系統(tǒng)，由各功能分系統(tǒng)組成，各分系統(tǒng)內部具有強耦合關系，以實現(xiàn)其功能。艦船總體設計以資源整合、共享、分配、調度等手段，在各分系統(tǒng)內部強耦合關系的基礎上，將各分系統(tǒng)有機集成為一個整體，使艦船成為一個高度綜合的一體化系統(tǒng)。

3）靈活性

艦船設計存在多維設計空間，需進行多目標因素的平衡，因此設計中多方案的權衡取舍是一項痛苦抉擇的過程，即設計人員面臨的是多種方案都能滿足同一套戰(zhàn)術技術性能指標要求，只是目標的排序不同，在設計上存在相對的靈活性，往往需要對多種方案進行分析評估，從中求得“多方相對滿意”的方案［3］。

4）風險性

一方面，隨著技術的持續(xù)發(fā)展，創(chuàng)新技術的首次工程化應用總是極具風險。艦船研制周期長，通常新研系統(tǒng)和設備與艦船總體處于同步研制階段，其狀態(tài)不斷變化，新技術不斷涌現(xiàn)，用戶要求不斷變化，總體方案處于一種動態(tài)的調整過程，技術狀態(tài)難以控制，給總體設計帶來技術、進度和費用等風險。另一方面，有限的總體資源與不斷增長的需求之間的矛盾也會給總體設計帶來風險。訂貨方既希望艦員有良好的生活和工作環(huán)境，也希望艦船具有較強的打擊和抗打擊能力，同時要符合國際公約的要求。受艦船總體資源限制，在總體資源的配置過程中，權衡需求與現(xiàn)實資源之間的關系，給總體研制目標的實現(xiàn)帶來一定的風險性。

5）復雜性

艦船總體設計不僅要完成大量的計算、仿真、試驗及圖紙的設繪，還要開展大量的工程協(xié)調、平衡和迭代，與陸軍的戰(zhàn)車、空軍的戰(zhàn)機等裝備總體設計相比，艦船總體研制的復雜性呈幾何級數(shù)增加。圖1是美國研究人員得出的各類裝備研制工作量圖［4］，充分說明了艦船總體研制的復雜性。

圖1 艦船與其它裝備工作量比較圖Fig.1 Comparison of manufacturing time of warship with other equipment

艦船總體設計的綜合性、整體性、靈活性、風險性和復雜性的顯著特點，決定了艦船總體設計決不是一蹴而就，而是一個需要進行反復迭代、螺旋式上升，逐次逼近最終目標的過程。

2 總體設計階段及主要成果

艦船總體設計過程一般分為概念設計、方案設計、深化方案設計、技術設計、施工設計等若干個階段［5］。

2.1 概念設計階段

概念設計是按照海軍艦船裝備的發(fā)展規(guī)劃，通過研究國內艦船技術發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，從艦船的總體、性能、結構、材料、機電、武器、設備制造、技術構成、生產條件、管理體系等方面進行軍事分析、技術分析和經濟分析，策劃工程研制的整體框架、規(guī)劃；以軍事需求為核心，通過概念設計，確定艦船的初步總體技術方案，凝練關鍵技術，給出艦船的概念圖像，以此為基礎編制新研艦船的“主要戰(zhàn)術使用性能指標”。

本階段的成果：總體及主要系統(tǒng)方案論證報告；總體概念設計圖樣、文件；主要戰(zhàn)術使用性能指標。

2.2 方案設計階段

方案設計是針對艦船概念設計初步方案，選定主要系統(tǒng)、設備和材料，開展總體方案設計，落實“主要戰(zhàn)術使用性能指標”中的各項要求、指標和目標。方案設計往往也要作多方案比較，經多次反復分析、修改。重大的關鍵技術問題要通過模型試驗、必要的原理性樣機試制，最終確定總體技術方案。編制可靠性大綱、安全性大綱、標準化大綱等文件。

方案設計的成果：“總體技術方案”，方案設計圖樣、文件。

2.3 深化方案設計階段

深化方案設計是根據(jù)方案設計結果，通過進一步的計算和試驗，對艦船的相關性能進一步的核準，完成深化方案設計的圖樣和技術文件；形成“研制總要求”；總體設計單位向系統(tǒng)技術責任單位和設備承制廠（所）提出艦船環(huán)境條件、兼容性和隱身性等設計要求，并進行接口協(xié)調，武器系統(tǒng)精度分配等工作；落實主要系統(tǒng)、設備、材料等的研制、選型。

深化方案設計的成果：設計圖樣和技術文件。

深化方案設計審查通過后，編制艦船總體的“研制總要求”。

2.4 技術設計階段

技術設計是按研制總要求和審圖機構審查認可的深化方案設計成果，及可靠性大綱、維修性大綱、安全性大綱、標準化大綱及綜合保障計劃等要求，進一步深化設計和模型（模擬）試驗、驗證，解決設計中的各種主要技術問題，確定總體技術狀態(tài)；確定系統(tǒng)、設備的訂貨清單；進一步協(xié)調，并基本固化艦船總體與系統(tǒng)、設備間的接口要求、精度分配等；運用可靠性技術、維修性技術和優(yōu)化設計技術進行艦船及其系統(tǒng)設計；根據(jù)可靠性大綱，編制關鍵件（特性）、重要件（特性）項目明細表。

技術設計的成果：技術設計圖樣和技術文件。

技術設計審查通過后，編制形成“艦船總體技術規(guī)格書”。

2.5 施工設計階段

施工設計是確定艦船的建造方案、工藝措施，編制工藝文件及繪制總體施工圖樣，同時也要解決艦船總體布置、建造中的各種技術細節(jié)問題。

施工設計的成果：完整的施工圖樣、文件。

2.6 完工設計階段

完工設計是根據(jù)建造、試驗、試航和交付部隊中的實際情況，將完工狀態(tài)反映到圖紙和文件中，與總體使用文件一起形成完整的完工文件。

完工設計的成果：完整的完工文件、圖紙。

2.7 維修設計階段

維修設計是編制艦船裝備基地級維修所需的各種圖樣和技術文件資料（包括紙質文件和電子文件，簡稱維修資料）。維修資料規(guī)定了艦船裝備維修的程序和方法。

維修設計階段的成果：艦員級、基地級維修資料及維修方案等。

3 總體設計方法分析

常用的艦船總體設計方法為基于經驗和規(guī)范的方法。隨著艦船總體設計技術的發(fā)展，基于最優(yōu)化理論、仿真及試驗驗證的總體設計方法在艦船總體設計中得到廣泛應用。

3.1 基于經驗和規(guī)范的設計方法

以母型設計法、統(tǒng)計資料法、規(guī)范設計法等為特征的基于經驗和規(guī)范的設計方法，是在艦船總體設計中，選擇以往成功設計、建造并經過服役考驗的同類型艦船作為母型，并利用各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)、經驗公式和圖表等資料，同時考慮國際和國內有關艦船設計方面的規(guī)范和公約作為準則進行總體設計的方法。

該方法的優(yōu)點是能借鑒實船的優(yōu)良性能，總體設計結果可靠受控；缺點是母型船的特性可能會遺傳到新設計艦船，總體優(yōu)化設計不足。

3.2 基于最優(yōu)化理論的設計方法

以逐次近似法、最優(yōu)化方法、多學科優(yōu)化方法等為特征的基于最優(yōu)化理論的設計方法。艦艇涉及的系統(tǒng)復雜、技術領域眾多，艦艇總體設計過程是一個多系統(tǒng)綜合集成、多特性平衡匹配、多組織協(xié)同設計、多階段逐次逼近的復雜過程。因而，基于最優(yōu)化理論的艦船總體設計方法是解決復雜總體問題的先進途徑。

該方法強調艦艇總體諸多性能的權衡與折中，體現(xiàn)對多門類技術的考慮與綜合、對多學科間耦合效應的反映與處理。

3.3 基于仿真及試驗的設計方法

以仿真設計法、試驗驗證法、演示驗證法等為特征的基于仿真及試驗的設計方法［6］，是以采用仿真分析、模型試驗驗證及縮比或1：1演示驗證為手段，通過仿真或試驗預報及評估艦船總體性能并指導艦船設計的總體設計方法。該方法能全面預報及評估艦船綜合性能，具有設計依據(jù)充分、結果可信度高的特點。

上述3種艦船總體設計方法各有所長，但并非完全獨立，總體設計成功的艦船，往往是上述3種方法綜合應用的結果。

4 總體設計流程分析

艦船總體各設計階段中，方案設計和技術設計是艦船總體設計過程中的重要階段。方案設計是確定艦總體技術方案的關鍵階段，決定著后續(xù)總體、系統(tǒng)設計的技術方向。技術設計則是總體設計中固化技術狀態(tài)的重要階段。為了說明艦船總體設計過程，本文綜合上述兩個設計階段重點，依次說明各階段主要開展的工作。

4.1 總體設計流程

艦船總體設計流程見圖2。

4.2 方案設計階段工作

方案設計階段主要根據(jù)下發(fā)的主要作戰(zhàn)使用性能要求開展總布置草圖設計、主要船型參數(shù)確定、型線設計、船型設計、結構型式及主要構架尺寸、總布置中的區(qū)域劃分和電子武備及主要艙室布置，落實主要作戰(zhàn)使用性能的戰(zhàn)技指標。

4.2.1 規(guī)劃總體布置

根據(jù)初步總體方案確定的主要武器、電子設備、動力裝置、電力設備、輔機設備及船舶裝置等裝艦尺寸和數(shù)量，初步規(guī)劃總體布置，形成總布置草圖。

圖2 艦船總體設計流程Fig.2 Overall warship design process

4.2.2 確定主要參數(shù)

根據(jù)艦艇的排水量、航速、初穩(wěn)性、操縱性、主機艙的布置、船體結構形式等確定艦的主要總體參數(shù)。

4.2.3 型線設計

一般可以設計多個線型進行比較。這一過程中，要同時考慮浮力、穩(wěn)性、快速性、耐波性、強度、艙容與總布置、電子武備使用要求、經濟性等是否基本滿足要求。型線設計的基本要求［7］包括：

1）綜合考慮總布置的要求。型線設計時必須綜合考慮總布置對甲板面積和艙室容積的需求。必要時，可以降低性能方面的要求來滿足布置和使用的需要。

2）保證良好的航行性能。除了某些特殊要求的情況外，一般將快速性這一因素放在首位，同時兼顧穩(wěn)性、耐波性和操縱性。

3）考慮船體結構的合理性和工藝性。船體外板曲面的曲率，艏柱與球鼻艏的過渡，尾部抬升點等要便于建造。尤其是在船舶首尾的型線設計時，不必要的復雜曲面，不僅增加建造的工時，而且不易保證施工的質量，影響結構強度和剛度。

4）考慮外觀造型。水線以上的首尾輪廓，甲板邊線以及外露的折角線都應考慮造型方面的美觀要求。

4.2.4 總體性能初步分析

包括采用CFD或模型試驗方法進行航行性能分析；進行排水量及重量重心分析；進行完整穩(wěn)性分析等。

4.2.5 確定船型

基于以上總體仿真、計算及模型試驗，通過不斷優(yōu)化型線設計，確定能較好平衡各總體性能的型線方案，并留有適當總體設計裕量，包括排水量裕量、穩(wěn)性裕量、航速裕量、結構強度裕量等。

4.2.6 開展艦區(qū)域劃分及重要艙室布置

主要包括：

1）區(qū)域劃分。主橫水密隔壁、防火區(qū)域、各功能區(qū)域、氣密區(qū)域等劃分方案。

2）重要艙室布置。機艙、電站、武器系統(tǒng)艙室、彈藥艙、雷達艙室、駕駛室、舵機艙、機電集控室、作戰(zhàn)指揮室、報房、主要指控艙室、廚房、餐廳、高級軍官住室等艙室布置方案。

4.2.7 艦總體建筑造型設計

在艦區(qū)域劃分、重要艙室布置以及艦面設施布置的基礎上，開展艦總體建筑造型設計，考慮的主要因素包括：

1）艦型的優(yōu)美和威武。不但要選擇和諧的包絡線，形成優(yōu)美的布局，使艦艇的外形更富有迷人的韻律；更要選擇規(guī)律的力線，形成威武的氣勢，使艦艇的外形富有動感的節(jié)奏。

2）結構的可實現(xiàn)性。確保結構受力的合理和結構施工的可實現(xiàn)性。

3）隱蔽性。艦總體造型應有利于實現(xiàn)雷達波、紅外和光的隱蔽性。

4）兼容性。艦總體造型應有利于各類傳感器的布置，并使其具有良好的電磁兼容性。

5）安全性。艦總體造型應使武器系統(tǒng)具有良好的射界，并確保武器發(fā)射對周邊的設施沒有損害。

6）重量重心。艦總體造型應有利于減輕結構重量，并有利于設備降低重心高。

由方案設計流程可見，在艦船方案設計階段，通過總布置需求分析及對各種船型參數(shù)的權衡，確定艦主尺度和主要船型系數(shù)，并進行船型參數(shù)的綜合優(yōu)選，據(jù)此開展初步型線設計；通過一系列計算、仿真及模型試驗進行總體性能分析，并考慮一定的設計裕量，進而確定船型；進行區(qū)域劃分及重要艙室布置，并通過開展仿真及試驗進行艦總體建筑造型設計。

按照艦船研制周期，方案設計周期最短，但方案設計是艦船總體設計最重要和最關鍵的階段。在該階段，需要進行大量的多方案對比及權衡分析，包括艦船的主尺度、船型系數(shù)、部分裝備的取舍、重要裝備的裝艦數(shù)量、主要系統(tǒng)的配置方案、總布置的合理性等等。該階段的設計工作將直接影響艦船的綜合效能，并決定后續(xù)設計階段的方向。

4.3 技術設計階段工作

技術設計階段主要在基本確定的船型方案、總布置區(qū)域劃分及重要艙室布置方案的基礎上全面落實研制總要求中的技術指標，繪制詳細的甲板分層分艙圖紙，進行總體綜合性能核算，編制詳細的技術文件及圖紙，固化設備、系統(tǒng)和總體技術狀態(tài)。

4.3.1 分層分艙設計

包括甲板層的劃分及繪制各層甲板的詳細布置方案。本階段主要包括大量的總布置協(xié)調工作及各專業(yè)、系統(tǒng)的支撐性工作，具體包括如下。

1）結構專業(yè)：

（1）靜強度仿真及計算；

（2）動強度仿真及計算；

（3）新型材料結構應用仿真及試驗；

（4）結構安全性、生命力仿真及計算；

（5）武器天線設備適裝性仿真及計算。

2）動力專業(yè)：

（1）動力艙段的總布置仿真；

（2）軸系布置及強度仿真；

（3）動力系統(tǒng)進、排氣通道仿真；

（4）進排氣系統(tǒng)氣動性能仿真；

（5）進氣系統(tǒng)對壓氣機進口均勻性仿真；

（6）外界風速、風向及排氣對艦船進氣口壓力分布影響仿真；

（7）動力系統(tǒng)大型設備維修通道仿真。

3）電氣專業(yè)：

（1）全艦電力負荷計算；

（2）配電中心及配電室布置協(xié)調；

（3）應急及直流配電的布置協(xié)調。

4）船舶裝置專業(yè)：

（1）人員流動、物資流動仿真；

（2）生活保障設施布置協(xié)調；

（3）船舶裝置布置協(xié)調。

5）船舶輔助系統(tǒng)專業(yè)：

（1）空調通風系統(tǒng)的布置協(xié)調；

（2）消防系統(tǒng)的布置協(xié)調；

（3）損管系統(tǒng)的布置協(xié)調；

（4）機艙通風系統(tǒng)協(xié)調；

（5）食品冷藏系統(tǒng)的布置協(xié)調；

（6）彈庫安全布置協(xié)調。

6）作戰(zhàn)系統(tǒng)專業(yè)：

（1）各類傳感器布置協(xié)調；

（2）各類武器系統(tǒng)布置協(xié)調；

（3）指揮部位的協(xié)調。

7）直升機艦面系統(tǒng)專業(yè)：

（1）直升機起降部位的布置協(xié)調；

（2）機庫的布置方案協(xié)調；

（3）其它航空保障艙室布置協(xié)調。

4.3.2 固化總布置圖

基于仿真、計算及檢查等支撐性工作，最終確定滿足各項使用要求的總布置方案，各系統(tǒng)在此基礎上開展系統(tǒng)設計，主要包括系統(tǒng)的原理設計、系統(tǒng)設計計算書、系統(tǒng)的布置圖及線路圖、系統(tǒng)設備明細表、管路及電纜走向、系統(tǒng)試驗冊等。

4.3.3 確定艦總體綜合性能

本階段總體綜合性能主要包括居住性、兼容性、隱蔽性、生命力、作戰(zhàn)能力及作戰(zhàn)保障能力等。

4.3.4 編制總體設計文件

主要包括：總體說明書（如總說明書、作戰(zhàn)能力說明書、兼容性說明書、隱蔽性說明書等）、計算書（如穩(wěn)性、不沉性、自給力、操縱性、續(xù)航力計算書等）；總布置圖、型線圖、結構圖、艙室布置圖、器械布置圖等；設備明細表、電纜冊等。

由艦船技術設計流程可見，在技術設計階段艦總體與主要系統(tǒng)、系統(tǒng)之間、系統(tǒng)內部均需開展大量的協(xié)調性工作，以保證總布置的合理性、艦總體綜合性能及系統(tǒng)性能指標的落實，在此基礎上對艦總布置進行固化，確定艦總體綜合性能，并最終固化技術狀態(tài)，形成設計圖樣和技術文件。

5 總體設計技術展望

5.1 技術成熟度的評估與權衡將是成功的總體設計的關鍵

設計人員的好奇心是技術創(chuàng)新的原始動力，總體設計中對新技術的跟蹤、收集、綜合、理解和實踐將是總體設計創(chuàng)新的必經之路。

總體設計人員跟蹤、了解艦載系統(tǒng)、設備的研制現(xiàn)狀及規(guī)劃，必要時參與系統(tǒng)、設備的研制，發(fā)揮艦總體的牽引作用將是提高總體設計水平的基礎。

總體設計人員做好技術創(chuàng)新與技術現(xiàn)實性的權衡，對技術的成熟度開展深入分析，平衡好新技術與成熟技術之間的辯證關系，逐步化解風險，是將理想變?yōu)楝F(xiàn)實的關鍵。

5.2 仿真和試驗將是提高總體設計水平的數(shù)據(jù)支撐

為適應未來裝備發(fā)展需求，總體設計必將用到許多新技術，因此，先期開展新船型、新材料、新工藝的預先研究，增強技術儲備，將是實現(xiàn)艦船跨越式發(fā)展的先決條件。

通過綜合應用計算、仿真、模型試驗乃至實尺度演示驗證等手段［8］開展新技術應用研究，積累數(shù)據(jù)，將是化解新技術應用風險的科學之路。

開展總體方案試驗驗證理論方法研究，包括模型尺度、試驗環(huán)境條件、試驗結果分析、試驗誤差傳遞和分配等，將是確?？傮w驗證試驗可行、有效的基礎。

開展艦總體及系統(tǒng)的演示驗證工作，包括新船型的船舶性能、結構方案、集成優(yōu)化后的使用流程、信息傳遞、能量傳遞等，將是確保艦總體及系統(tǒng)方案合理可行最直接的方法。

5.3 標準規(guī)范的修訂和維護將是提高總體設計水平的保障

對外技術合作成果的消化和吸收，轉化并擴大現(xiàn)行的標準規(guī)范的覆蓋范圍，將是快速提升總體設計水平的歷史經驗。

借鑒民船規(guī)范和國際標準，定期對現(xiàn)行總體設計規(guī)范進行修訂和維護，從而適應艦總體設計技術發(fā)展。

適應新技術、新材料、新方法、新工藝、新設備的發(fā)展，必將制定一批新的艦船總體設計規(guī)范。

通過型號產品研制、預研等必將帶動標準規(guī)范的修訂和完善。

5.4 與國內外的行業(yè)交流將是提高總體設計水平的有效途徑

加強艦船總體設計技術行業(yè)內外的交流，將為提高艦艇總體設計技術水平提供動力和更新理念。

加強艦船機電設備及電子設備的交流，將為提高我國裝艦設備的可靠性、自動化等提供借鑒。

加強與國外的交流，將縮短與世界先進艦艇總體設計技術的差距。

5.5 民用和商用技術的借用將是提高總體設計水平的捷徑

借鑒民用船舶總體設計理念，將使得水面戰(zhàn)斗艦艇總體設計技術日趨完善。

借鑒民用和商用設備的研制思路，必將提高艦艇設備的經濟性、可靠性和先進性。

5.6 與使用方的互動將是提高總體設計水平的必由之路

使用者是設計師永遠的老師，不是設計引導消費，就是消費促進設計，因此，與使用方的互動將是提高總體設計水平的必由之路。

設計是第三產業(yè)，周到細致的服務精神，以人為本的理念［9］必將貫穿設計的全過程。

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