探索艦船三維數字化設計的關鍵技術

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探索艦船三維數字化設計的關鍵技術簡介
  1 引言   自1990 年代中期以來,隨著世界船舶市場的快速發展,船舶設計技術發生了重大變化,現代艦船設計技術隨著市場的需要和數字技術及計算機技術的發展而發展起來。當前,以建立一體……
探索艦船三維數字化設計的關鍵技術正文


1 引言


自1990 年代中期以來,隨著世界船舶市場的快速發展,船舶設計技術發生了重大變化,現代艦船設計技術隨著市場的需要和數字技術及計算機技術的發展而發展起來。當前,以建立一體化的三維數字模型為核心,電子樣船技術、虛擬模擬設計、并行協同設計等現代設計方法也已經越來越為設計者所接受。本文根據現代造船模式的要求,結合實際應用及與先進造船國家的比較,對艦船數字化設計中的關鍵技術、發展方向和對策作了初步的探索。

  2 數字化艦船設計關鍵技術


2. 1 現代艦船設計技術


現代設計是傳統設計的深入、豐富和完善,也是傳統設計適應新時代技術特徵和新設計理念的全新設計方法。目前,現代艦船設計是在信息技術的支持下,以建立一體化的三維數字模型為核心,採用電子樣船技術、并行設計、虛擬設計、數值模擬分析、精細設計、產品全壽命管理等現代艦船設計技術,建立艦船設計三維數字化產品模型的研製過程。該產品模型不僅包括設計信息,同時包括管理、建造、使用、維護等產品全壽命的信息。


2. 1. 1 信息技術對艦船設計的影響


信息技術是現代設計的主要特徵,對艦船設計產生巨大影響,表現為以下幾方面:


(1) 艦船設計手段的更新


計算機技術推動了設計手段從“手工”向“自動”的轉變。傳統設計以圖板、直尺、鉛筆等作為工具,效率低、工作強度大。CAX技術的出現和發展,使得“無紙設計”和協同模擬分析已作為現代設計的主流,顯著提高了設計效率。當前,又開始新一輪的更新換代,即向三維數字化、智能化、虛擬設計技術的更新。


(2) 艦船產品表示方法的改變


計算機技術推動了艦船產品表示方法從“二維”向“三維”的轉變。傳統艦船設計利用投影原理和船舶製圖表示產品結構,這種二維表示的產品設計,數據簡單,信息含量少,缺乏關聯性,不便於產品的進一步分析和製造。隨著CAD 技術的發展,三維“產品模型”越來越得到廣泛應用。它不僅包括反映產品形狀和尺寸的幾何信息,還可包括分析、加工、材料、特性等數據,從而可直接用於製造和決策管理。


(3) 艦船設計方法的發展


高性能的計算機技術,促進了一些新設計方法的出現。如:工程分析、優化、虛擬模擬等都涉及大量複雜計算,只有計算機技術的發展才能推動這些方法的進步和應用。新的設計方法如并行協同設計、虛擬設計、協同數值模擬、價值工程、綠色設計等現代艦船設計方法也正在發展和推廣應用之中。


(4) 工作方式的變化


傳統設計過程採用串列方式進行,設計任務按時序從一個環節傳入下一環節,即從概念設計→報價設計→合同設計→基本設計→詳細設計→生產設計→...這一垂直、串聯的過程。隨著CAX 技術、資料庫技術和網路技術的發展,并行協同設計正得到廣泛應用。它要求各相關機構和各設計小組異地、同時、并行地參與設計,並最大限度地交流信息,以縮短設計周期及有助於將各種新思想、新技術、新方法融入到艦船的產品設計中。


(5) 艦船設計與製造信息

 

一體化


前期在研究院所設計的艦船產品數字模型,可直接進入造船廠的生產設計和管理系統,進行計劃、工藝規劃和NC 編程,進而加工代碼可直接傳入NC機床、加工中心進行加工。產品數字模型加強了設計與製造兩個環節的連接,提高了艦船產品開發的效率。


(6) 設計管理水平的提高


艦船產品設計是一個複雜的系統工程,設計過程中涉及大量設計數據和設計行為的管理。資料庫技術的發展改變了傳統的手工管理模式,各種MIS、PDM 系統的廣泛應用大大提高了艦船設計的科學管理水平,保證了設計過程的高效、協同和安全。


(7) 組織模式的開放


網路技術的發展加快了數據通信速度,縮短了設計院所與船東及製造廠之間的距離。傳統的局限於設計院所內部的封閉設計正在變為不受相關約束的、多方共同參與的、異地協同設計的現代造船模式。為完成一種設計任務形成的虛擬企業或動態聯盟將實現優勢互補和資源共享,極大地提高設計效率和水平。


現代造船模式的特點是:高質量、高效益和快速反應。其設計是價值工程和快速設計理念;運用異地并行協同設計、製造環境;採用虛擬模擬、數字信息一體化、標準化等技術及先進的總段設計、敏捷設計、模塊化設計的現代設計方法。


2. 1. 2 以新的艦船設計理論指導設計


傳統設計是以經驗為基礎,以運用力學和數學形成的計算公式、經驗公式、圖表、手冊等作為依據進行的。隨著理論研究的深入,許多艦船工程現象不斷升華和總結為揭示艦船設計內在規律和本質的理論,如數字計算理論、非線性分析理論、可靠性理論、疲勞分析理論、多體動力學理論等。現代艦船設計方法是基於理論形成的方法,利用這種方法指導艦船設計可減小經驗設計的盲目性和隨意性,提高艦船設計的主動性、科學性和準確性。因此,現代艦船設計是以理論指導為主、經驗為輔的一種設計。


2. 2 艦船現代設計的關鍵技術


2. 2. 1 數字化設計流程、標準和規範體系研究


艦船優化設計流程的確定,在繼承原有設計流程特點基礎上,再造數字化設計流程,確定設計準則和規範、設計質量控制(模型校驗、工程更改、文件管理) 、設計管理、設計與上下游協調方法、內部設計數據控制傳輸協議、外部數據交換標推等;開展系統標準和基礎標準研究。


2. 2. 2 資料庫框架和海量信息處理


由於艦船和數據量都非常大,能有效地處理這一數據的唯一辦法是使其分佈在通過高速網路聯絡的多台計算機上。因此, 研究分散式計算環境(DCE) 和面向對象的資料庫技術是實現三維設計環境的另一個重要環節。


2. 2. 3 艦船三維設計環境建立


適應艦船三維設計信息量大、傳遞處理速度快、資料庫複雜、各設計階段模型建立修改顯示響應速度快、安全保密要求高等特點,建立具有高性能工作站、高速網路、綜合通信介面、大型計算機、可視化和虛擬現實設備等三維設計環境系統的規劃與選型。


2. 2. 4 快速三線數字設計建模


快速三維數字設計建模是指利用物理的或數字的方法,對艦船產品的實際系統進行快速的描述並獲得數字模型。這種模型除了提供精確的幾何形狀外,還包括了諸如重

 

量、材料需求量、價格、計劃和人員資源配備要求之類的特性。這種數字模型應是向製造廠傳遞艦船設計信息的主要手段,也可促進各方面成員之間的聯繫。在交船時,這種“建造的”三維產品模型將為艦船使用期內進行生命力分析、姿態控制、狀態維護和後勤保障管理提供依據。


下一代的發展將是一種“靈巧”的輔助工具,它代表了計算機輔助設計(CAD) 和計算機輔助工程(CAE) 的良好結合。這種模型還能編入其它特性,例如後勤保障模型、經費模型、製造模型等,可打開在虛擬環境中建立虛擬原型的潛力。


2. 2. 5 并行化、最優化和智能化的設計研究


現代艦船設計技術中的并行設計、優化設計及智能化設計(如智能CAD、專家系統等) 均是現代設計技術中的重要設計技術,是設計開發新產品過程不可缺少的方法和技術手段。


(1) 并行設計過程并行設計有時又稱為并行工程。這是一種綜合工程設計、製造、管理、經營的思想、方法和工作模式。其核心是在艦船產品的設計階段就考慮到產品生命周期(從概念形成到產品報廢) 中的所有因素(包括設計、分析、製造、裝配、檢驗、維護、質量、成本、進度與用戶需求等) ,強調多學科小組、各有關部門協同工作,強調對產品設計及其相關過程并行地、集成地、信息一體化地進行設計,使產品開發一次成功,縮短產品開發周期,提高產品質量。其關鍵技術是建模與模擬技術、信息系統及其管理技術、決策支持及評價系統等。這項技術是提高設計水平的一個重要發展方向。


(2) 全過程的優化設計現代艦船設計技術中的一般性優化設計方法及其應用已日趨成熟,普通的連續變數優化設計、混合離散變數優化設計,已發展到隨機變數優化設計、模糊變數優化設計,單目標優化設計已發展到多目標優化設計。


(3) 人機結合的智能化設計過程艦船產品設計是一個創造性的思維、推理和決策的過程,CAD技術在艦船產品設計中的成功應用,使設計領域產生了深刻的變革,由人完成的設計過程,已轉變為由人機密切結合共同完成艦船設計過程的智力與智能活動。如人工智慧原理和專家系統(包括普通專家系統與模糊專家系統) 技術應用於CAD 產生了智能CAD( ICAD) 系統,實現了對設計過程基於符號性知識模型和符號處理的推理工作,用於完成概念設計的有關內容。可以說,智能CAD 系統是模擬人腦對知識處理,並拓展了人在艦船設計過程中的智能活動。


2. 2. 6 面向產品壽命周期全過程的艦船設計


隨著科學技術的發展和日益增長的社會需求,艦船產品的類型及性能迅速地發生變化,艦船產品的壽命周期問題越來越引起人們的關注。對艦船產品質量要求的含義也在不斷變化,不僅要滿足功能要求,對技戰性能、安全性、可靠性、合理的壽命、方便使用和維護保養條件與方式也提出了更高的要求,並要符合有關標準、法律和生態環境要求及滿足人性化功能的要求等等。為貫徹這些標準和要求,需要設計、製造、管理、維護、使用等一系列環節有嚴格的技術措施加以保證,其中最重要的是設計、製造水平,因為艦船產品的質量是設計和製造出來的,而不是檢驗出來的。因此,現代艦船設計技

 

術的重要內容之一就是面向產品壽命周期全過程進行科學設計,以滿足市場與用戶對產品質量的要求。


2. 2. 7 協同模擬分析


三維設計數字模型與CAE 數值模擬分析及虛擬現實模擬設計驗證介面等等研究,需要設計小組對艦船的應力、聲響應、衝擊響應、疲勞、可維修性/可靠性以及重量和費用控制進行分析。要與設計協同,建立分析模型,可由一個專家系統通過分析程序選擇和設計數據檢索向工程師提供指導。進行持續的靈敏度分析,以確保設計特性優化。對設計方案利用電子可視技術審查,並根據性能和費用分析選擇最優設計。分析結果存儲在資料庫中,並與模擬系統進行數據交換聯接,提供可視設備顯示。


2. 2. 8 設計管理


艦船設計是以產品結構視圖(總段、分段、剖面視圖和系統觀圖) 為基礎。隨著設計深入,設計出必需的詳圖,在充分研究后確定,在基於艦船的模塊、分段產品數據上增加製造、質量和測試要求。


設計方案在設計過程任何階段都能進行修改,使設計所遭受的損失很小。對設計方案審查是連續、實時進行的,以查明是否存在干涉或其他諸如對操作或維修來說不適當的流動路徑或不足空間之類的布置問題。這些問題需要迅速地查出和解決,自動進行修改。差錯、不適當設計以及基於錯誤信息的設計結果是隨設計進展而被改正,避免了設計返工而耗用大量工時。手工對這一過程的管理已力不從心,而需要科學方法即信息化技術管理。


隨著設計深化,製造方參與選擇對製造廠最有利的、對製造成本有影響的設計詳圖,以減少製造成本和時間。含有關於裝配、裝配順序、焊接和測試信息的製造數據同設計數據聯接,對設計部件/ 裝配件/ 系統的性能進行模擬以確保符合規格書,並確保設計向建造的平穩過渡。


2. 2. 9 新船型開發頂層設計研究


以知識為驅動,綜合採用上述技術和成果,採用參數化、模塊化和定製化設計,快速建立設計模型,用於總體優化、數值模擬分析,進行多方案決策。

  3 我國船舶數字化設計與先進造船國家的差距


我國船舶數字化設計與先進造船國家比較,總體投入和規劃不夠;生產、運營、管理體系沒有與數字化管理模式配套;產品設計、製造、管理信息一體化的集成度低;沒有數字化設計的標準、規範體系;以產品資料庫為核心的設計、製造、客戶和供應商協同平台沒有建立;許多重要領域的數字化技術應用仍為空白;船舶核心軟體主要依靠國外進口,設計定製化二次開發沒有系統化和規模化;船舶設計數字化的作用遠遠沒有發揮出來,制約著我國產品研製水平底、周期長、質量不高,自主開發創新的雙高船不多。


4 708 研究所的設計應用與研究工作


正在逐步建立數字化設計體系,結合產品設計和研製,進行了比較完整3 型艦船三維設計,並建立模擬模型,採用了內部并行設計、舾裝部件模塊化設計、艙室布置優化設計,取得很好的效果。隨著信息化示範工程等項目的建設,將研究建立艦船數字化集成設計、製造體系框架和應用模式,探索符合我國造船業實際需求的艦船數字化集成設計、製造體系結構並建立相應的體系框架,打通艦船數字化集成設計、製造信息系統,建立與該

 

體系配套的艦船設計、製造和管理模式。目前正在進行關於三維設計的設計流程、頂層設計、規範和標準體系、CAD 與CAE 介面、CAD 與虛擬模擬介面、與船廠異地并行工程機制和規則研究、研究分析現代造船生產和工藝模式、明確船廠對各個設計環節數字化模型要求等工作。隨著研究和具體項目實施和開展,將對提高設計水平和質量,加速新船型開發,縮短整個造船周期發揮重要作用。


5 展望與對策


5. 1 現代設計技術的發展趨勢


(1) 設計過程的數字化不僅要完善工程對象中確定性變數的數學描述和數學建模,而且更要研究非確定性變數,包括隨機變數、隨機過程、模糊變數(人的智能、經驗、創造力、語言及政治、經濟、人文等社會科學因素) 等的數學描述和數學建模。


(2) 設計過程的自動化和智能化研究健全、研究、發展各種類型的資料庫、方法庫和知識庫,及自動編程、自學習、自適應等高級商品化軟體的研製,如研究設計知識、數據信息的獲取與處理技術、智能CAD 人工神經網路專家系統的模型和應用軟體等。


(3) 動態多變數優化和工程不確定模型優化(模糊優化) 和多目標優化等優化方法與程序的研究,並進一步發展到廣義工程大系統的優化設計研究。


(4) 虛擬設計和模擬虛擬試驗及快速成形技術的深入研究,是一種以計算機模擬為基礎,集計算機圖形學、智能技術、并行工程、人機工程、材料、成形工藝、光電感測技術和多媒體技術為一體的綜合學科研究。


(5) 面向集成製造和分散式經營管理的設計方法、人員組織及規劃的研究。


(6) 面向生態環境的綠色設計理論與方法的研究,如綠色產品的設計、清潔化生產過程的設計、產品的可回收性設計等。


(7) 注重基礎性設計理論及共性設計技術的深層次研究。基礎性設計技術,如動態設計、疲勞設計、防斷裂設計、減摩和耐磨設計、防腐蝕性設計及運動學、動力學、傳動技術、彈塑性理論等,是許多現代設計技術的知識源泉和數學建模的理論基礎。


(8) 綜合虛擬現實物理模擬,沉浸感( Immersion) :逼真的感覺,能給人們以真實世界的感覺,讓人感覺全方位地沉浸在這個虛幻的世界中,包括視覺,聽覺等;交互性( Interaction):虛擬現實與通常CAD 系統所產生的模型是不一樣的,它不是一個靜態的世界,而是可以對參與者的輸入作出反應。虛擬現實環境可以通過控制與監視裝置影響或被參與者影響。自然的交互:運動,姿勢,身體跟蹤等;數字樣機的動態精確大裝配;設計關鍵技術通過模擬驗證取代試驗。


5. 2 發展艦船數字化設計工程對策


(1) 總體規劃是在消化吸收國外先進技術基礎上,制定適合我國數字化設計的工程規劃。


(2) 觀念創新、管理模式再造和創新。


(3) 建立數字化設計流程、規範和標準體系。


(4) 建立數字化開發、設計、試驗驗證、管理標準集成平台。


(5) 加強引進軟體的二次開發和具有自主知識產權的軟體開發。


(6) 實施人才高地建設戰略,加強科研研發投入,形成創新和吸引一流人才的機制

 

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