船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)研究

張小光 李 高 劉東鋒

（1.中國(guó)社會(huì)科學(xué)院研究生院，中國(guó) 北京 102488；2.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，中國(guó) 上海 200063）

0 引言

船舶是一項(xiàng)多專(zhuān)業(yè)、跨學(xué)科的系統(tǒng)工程產(chǎn)品，其設(shè)備、系統(tǒng)眾多，復(fù)雜程度高。隨著科技的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、仿真技術(shù)等為代表的數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于船舶設(shè)計(jì)、制造、維修、保障等全生命周期過(guò)程，逐漸改變著傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)與制造模式，對(duì)提高設(shè)計(jì)水平、改善建造質(zhì)量、降低研制成本和風(fēng)險(xiǎn)、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)能力、縮短設(shè)計(jì)及建造周期具有重要意義。

船舶設(shè)計(jì)是產(chǎn)品生命周期中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，也是最重要的環(huán)節(jié)。工程研究與實(shí)踐表明：整個(gè)產(chǎn)品生命周期約80%的費(fèi)用是由產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的工作所決定，本身所需費(fèi)用則不到3%。而船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)在改變?cè)O(shè)計(jì)人員工作時(shí)的設(shè)計(jì)手段的同時(shí)，還改變著設(shè)計(jì)人員的思維模式。

1 船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

世界上發(fā)達(dá)國(guó)家在船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用方面起步較早，在設(shè)計(jì)中已經(jīng)廣泛采用數(shù)字化的理念。美國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，已經(jīng)經(jīng)歷了兩個(gè)大的發(fā)展階段，第一階段從20世紀(jì)80年代初到90年代中期，以DDG51項(xiàng)目最具代表性，全面采用三維設(shè)計(jì)技術(shù)。第二階段從20世紀(jì)90年代中期到現(xiàn)在，以LPD17項(xiàng)目最具代表性，實(shí)現(xiàn)了各種應(yīng)用技術(shù)的集成，建立了集成產(chǎn)品數(shù)據(jù)環(huán)境（IPDE）,取得了顯著可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

數(shù)字化技術(shù)作為先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的基礎(chǔ)核心，國(guó)內(nèi)船舶行業(yè)也非常重視，從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，以三維設(shè)計(jì)技術(shù)為代表的數(shù)字化技術(shù)在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中得到較為廣泛的應(yīng)用。三維數(shù)字化建模為基礎(chǔ)的數(shù)字樣船技術(shù)也得到逐步發(fā)展,已達(dá)到幾何樣船的水平。在自主研發(fā)方面，滬東造船廠牽頭研制了三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)SPD3，611所牽頭研制了三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)SB3DS?；谔摂M樣船的仿真分析、性能評(píng)估、虛擬維修及制造等方面的研究工作也已逐步展開(kāi)。

2 船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)存在的差距

與世界造船發(fā)達(dá)國(guó)家相比，船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)還存在著一定的差距。具體體現(xiàn)在：

（1）三維設(shè)計(jì)技術(shù)得到普遍應(yīng)用，但在設(shè)計(jì)前期階段，二維設(shè)計(jì)圖紙還是定義產(chǎn)品設(shè)計(jì)的唯一手段。

（2）虛擬設(shè)計(jì)、HIS、人機(jī)工程仿真等前沿技術(shù)在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用的廣度和深度還有待加強(qiáng)。

（3）產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理仍然以二維圖文檔管理為主，三維模型管理尚處起步階段，單個(gè)三維零件數(shù)據(jù)管理還未實(shí)現(xiàn)。

（4）設(shè)計(jì)中應(yīng)用到大量國(guó)內(nèi)外船舶設(shè)計(jì)CAD、CAE、PDM軟件，各軟件使用相互獨(dú)立，形成信息孤島，沒(méi)有形成統(tǒng)一集成平臺(tái)。

（5）設(shè)計(jì)所和船廠沒(méi)有形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)、制造數(shù)據(jù)傳遞標(biāo)準(zhǔn)，廠所協(xié)同程度低，存在大量重復(fù)勞動(dòng)。

3 船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)

船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)用的發(fā)展具有集成化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化的特征。針對(duì)存在的差距，參考國(guó)內(nèi)外其他行業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)，船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在：

（1）設(shè)計(jì)全過(guò)程數(shù)字化。數(shù)字化設(shè)計(jì)工具研發(fā)的重點(diǎn)由過(guò)去服務(wù)于詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段，逐步向概念設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)階段轉(zhuǎn)移。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從市場(chǎng)需求開(kāi)始直至產(chǎn)品報(bào)廢的全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)字化。

（2）全面應(yīng)用基于人機(jī)工程的虛擬設(shè)計(jì)，幫助設(shè)計(jì)人員在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，測(cè)試和驗(yàn)證各種設(shè)備是否便于操作和維修，各種工作空間是否滿足要求，在建造前就可最大程度的避免可能出現(xiàn)的布置、操作空間以及維修空間等問(wèn)題，減少返工。

（3）深化并行協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)，加強(qiáng)面向制造的設(shè)計(jì)技術(shù) DFP(Design for production)的應(yīng)用，優(yōu)化與制造相關(guān)的設(shè)計(jì)流程，在設(shè)計(jì)過(guò)程中就考慮制造因素，加強(qiáng)系統(tǒng)集成和業(yè)務(wù)過(guò)程協(xié)同，打通設(shè)計(jì)所和船廠之間的數(shù)據(jù)傳遞，消除信息孤島，逐步實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化，降低研制成本和縮短周期。

（4）構(gòu)建綜合集成設(shè)計(jì)平臺(tái)，全面考慮CAD、CAE、CAM以及維修等信息系統(tǒng)的需求，在基于共同產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全壽命期不同階段信息系統(tǒng)集成，這是船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)重要發(fā)展方向之一。美國(guó)是這一路線積極的倡導(dǎo)者和實(shí)踐者，已完成第一步“船舶產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的定義”，正在開(kāi)展第二步“設(shè)計(jì)出一套可行的產(chǎn)品數(shù)據(jù)描述方法”。

4 總結(jié)

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在船舶設(shè)計(jì)中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，能有效推動(dòng)船舶由傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)向預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)/仿真設(shè)計(jì)發(fā)展，提升創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，提高知識(shí)和數(shù)據(jù)重用率，減少重復(fù)勞動(dòng)，必將推動(dòng)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在船舶行業(yè)的廣泛應(yīng)用，縮短與世界造船發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，提高船舶研制水平。

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