基于AVEVA軟件的結(jié)構(gòu)3D一體化設計模式的研究與應用

趙 勇，吉春正，田正軍，沈 杰

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引 言

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計模式主要是基于串行工程理念進行結(jié)構(gòu)設計，在當前的設計基本結(jié)束之后才開始進行后續(xù)的設計，各設計階段的界限比較清晰［1］。在傳統(tǒng)的設計流程中，基本設計人員僅創(chuàng)建局部的3D模型，用以生成送審的2D圖紙，圖紙送審之后，后續(xù)設計人員基于2D圖紙創(chuàng)建3D模型，并開展詳細設計和生產(chǎn)設計工作。該模式對簡單船型的設計效率的影響不明顯，但對客滾船等復雜船型的設計效率的影響非常突出：一方面，重復建模導致設計周期變長；另一方面，由于創(chuàng)建3D模型的時間較晚，舾裝專業(yè)與結(jié)構(gòu)專業(yè)的設計不同步，導致各專業(yè)間的協(xié)調(diào)工作滯后、反復，不僅使工作量大幅增加，而且使信息傳遞和技術(shù)管理變得更加困難，進而影響著船舶設計的周期和準確性。

針對串行設計模式存在的上述缺點，多家大中型船企都在嘗試基于各類設計軟件平臺拓展新的3D一體化設計模式。本文主要對基于AVEVA MARINE（以下簡稱AM）軟件平臺的結(jié)構(gòu)3D一體化設計模式在某系列高端客滾船項目中的應用進行分析，從AM軟件平臺出發(fā)詳細介紹該模式的應用流程，并對其中的關(guān)鍵點進行詳細剖析，簡述該模式的優(yōu)勢。

1 結(jié)構(gòu)3D一體化設計模式概述

1.1 結(jié)構(gòu)3D一體化設計拓展過程

為全面提升整體的設計能力和設計效率，實現(xiàn)設計資源高效異地協(xié)同，制訂從1D到5D的設計能力拓展規(guī)劃［2］，其中3D一體化設計是連接數(shù)據(jù)工程中心與數(shù)據(jù)資產(chǎn)應用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。圖1為設計能力拓展規(guī)劃簡圖。

圖1 設計能力拓展規(guī)劃簡圖

根據(jù)軟件平臺的特點和拓展的難易程度，最先研究結(jié)構(gòu)3D一體化設計模式。在2016年啟動某系列客滾船首制船設計時就已進行規(guī)劃和探索，但受AM軟件平臺架構(gòu)方面的限制和各方軟件的應用能力參差不齊等多種因素的影響，未能成功實現(xiàn)。隨著AM軟件平臺架構(gòu)方面的制約逐步緩解，軟件的應用能力不斷提升，在該系列船的第二型船上通過縝密策劃、深度測試和實船應用等3個過程，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)3D一體化設計模式的在船應用，實現(xiàn)了多個參與方基于平臺異地協(xié)同并行設計［3］，信息傳遞和技術(shù)管理的流程得到了簡化，船舶設計效率和設計的準確性均得到大幅提升，基本上達到了預期水平。

1.2 結(jié)構(gòu)3D一體化設計拓展基礎

目前各造船企業(yè)都在根據(jù)自身情況，嘗試以NAPA、INTERGRAPH和CATIA等專業(yè)3D設計軟件為底層，構(gòu)建3D一體化設計軟件平臺，但成功案例較少。若要基于AM軟件拓展3D一體化設計軟件平臺，并使其在實船項目中成功應用，需具備以下條件。

1.2.1 軟件基礎

AM軟件作為應用廣泛的專用船舶設計軟件，其諸多模塊為拓展3D一體化設計提供了技術(shù)基礎，其中：AM Global模塊支持多用戶異地協(xié)同設計，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)定時更新；Hull structural design模塊可支持結(jié)構(gòu)基本設計模型與生產(chǎn)設計模型多窗口（Multiview）切換。

1.2.2 組織基礎

借助AM軟件，結(jié)合企業(yè)完整的船舶設計鏈，搭建3D一體化設計平臺，見圖2。在該平臺中，各方可充分發(fā)揮自身設計優(yōu)勢，基于3D模型數(shù)據(jù)開展設計工作，為異地協(xié)同并行設計提供基礎。HUB表示中心端，Satellite表示衛(wèi)星端，通過AM Global自動進行數(shù)據(jù)同步，確保各用戶擁有統(tǒng)一的、定時更新的數(shù)據(jù)庫。

圖2 基于AM軟件的3D一體化設計平臺

1.2.3 設計基準

在進行實船項目拓展之前，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各方實現(xiàn)對AM系統(tǒng)環(huán)境配置、結(jié)構(gòu)3D模型編碼規(guī)則、結(jié)構(gòu)模型建模標準和結(jié)構(gòu)圖紙標記基準等的統(tǒng)一，保證各方設計的規(guī)范性和準確性。

1.3 結(jié)構(gòu)3D一體化設計應用流程

基于AM軟件平臺的結(jié)構(gòu)3D一體化設計流程是根據(jù)AM軟件的功能和特點，在測試和實船應用過程中不斷總結(jié)、不斷調(diào)整、不斷積累而成的。

圖3為結(jié)構(gòu)3D一體化設計流程圖。結(jié)構(gòu)3D一體化設計主要按以下流程進行：

圖3 結(jié)構(gòu)3D一體化設計流程圖

1）系統(tǒng)配置及區(qū)域劃分等前期策劃；

2）基本設計3D模型構(gòu)建；

3）基本設計3D模型拆分（生成有拓撲關(guān)系的生產(chǎn)設計3D模型）；

4）基本設計與生產(chǎn)設計3D模型交互設計（引入船東船檢意見和船廠各專業(yè)重大協(xié)調(diào)）；

5）斷開鏈接；

6）基本設計模型作為改型船的基礎，生產(chǎn)設計模型增加工藝信息，完成生產(chǎn)設計。

在上述流程中，將模型拆分為至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，按分段劃分位置將基本設計模型拆分為生產(chǎn)設計模型，實現(xiàn)1個項目僅依靠1個3D模型貫穿始終。其容滾船結(jié)構(gòu)3D一體化設計模型拆分實例見圖4。

圖4 某客滾船結(jié)構(gòu)3D一體化設計模型拆分實例

模型拆分完成之后的交互設計環(huán)節(jié)為結(jié)構(gòu)詳細設計人員盡早基于3D模型開展專業(yè)協(xié)調(diào)和模型核查工作創(chuàng)造條件。交互設計各方進行模型修改，通過AM Global和模型之間的拓撲關(guān)系對數(shù)據(jù)進行定時更新，確?；驹O計模型中的信息與生產(chǎn)設計模型中的信息一致。

在3D一體化設計模式中，在生產(chǎn)設計階段僅需完成涉及裝配、焊接坡口和端部細節(jié)等工藝設計內(nèi)容。

2 結(jié)構(gòu)3D一體化設計模式關(guān)鍵點分析

結(jié)構(gòu)3D一體化設計流程涉及面廣，關(guān)聯(lián)性強，過程復雜，有多種因素制約設計過程、設計效率和設計的準確性。在實船項目的拓展應用中，對各關(guān)鍵點的認識逐步清晰，通過總結(jié)形成了有效的對策。下面主要從6個方面進行分析。

2.1 設計區(qū)域的劃分

設計區(qū)域的劃分對拆分效率的影響很大。對于結(jié)構(gòu)簡單、構(gòu)件數(shù)量較少的區(qū)域而言，可將設計區(qū)域設置得大一些，以提高拆分效率；對于結(jié)構(gòu)復雜的區(qū)域而言，需盡可能地將設計區(qū)域設置得小，以保證該區(qū)域的模型拆分比較容易且順利地進行。區(qū)域設置不合理會引發(fā)拆分耗時過長、軟件內(nèi)存不足和拆分不徹底等問題，當遇到此類問題時，主要通過重新拆分解決，這會嚴重影響設計效率。

2.2 基本設計模型質(zhì)量

基本設計模型質(zhì)量和設計的準確性直接決定后續(xù)交互設計和斷開鏈接（甚至是生產(chǎn)設計）的進行。模型不合理會導致拆分之后的模型拓撲關(guān)系丟失，甚至出現(xiàn)構(gòu)件丟失的情況，且很難發(fā)現(xiàn)和修復。在創(chuàng)建基本設計3D模型時，有以下幾點需特別注意：

1）區(qū)域級別大板架需根據(jù)拆分的過程和先后順序合理選擇邊界，盡可能地選擇將RSO（Reference Surface Object）作為板架的邊界。

2）板架的對稱性需充分考慮后續(xù)拆分的分段類型的合理選擇，特別是復雜且不對稱的機艙分段；在分段拆分線與大開孔交叉區(qū)域，需將開孔線作為邊界，單獨進行建模，否則跨開孔會導致拆分報錯且板架無法修復；對于壓制槽型艙壁等無法自動進行切分的板架類型，需按實際分段縫單獨創(chuàng)建，使此類板架能直接收集到相應的分段模型中。

2.3 有限元分析的進度

對于客滾船等復雜船型而言，有限元分析的工作量較大，周期較長，與結(jié)構(gòu)設計相互影響，其進度直接影響著結(jié)構(gòu)3D設計全流程的進度和效率。因此，需充分考慮有限元分析流程與結(jié)構(gòu)3D設計流程的有效融合，以提高設計效率。根據(jù)實船項目經(jīng)驗，總結(jié)形成有限元分析與結(jié)構(gòu)3D一體化設計流程組合，見圖5。

圖5 有限元分析與結(jié)構(gòu)3D一體化設計流程組合

AM軟件中的FEM模塊可先將結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)化為理想化幾何模型，再生成有限元網(wǎng)格，但通過目前的AM軟件版本直接生成的有限元模型網(wǎng)格的質(zhì)量較差。在項目執(zhí)行過程中，僅將利用AM軟件生成的理想化模型導入有限元軟件中進行后續(xù)的網(wǎng)格劃分，可在一定程度上提高有限元建模的效率。全船有限元分析工作的最佳完成時間應在模型交互設計階段，以保證為后續(xù)的生產(chǎn)設計提供信息全面的AM模型。

2.4 交互設計的深度

交互設計階段的結(jié)構(gòu)基本設計與詳細設計同步進行，該階段作為承接基本設計環(huán)節(jié)與生產(chǎn)設計環(huán)節(jié)的過渡環(huán)節(jié)，其準確性和徹底性直接決定著整個項目中3D一體化設計的效率。交互設計是指利用AM軟件的Multiview功能進行異地協(xié)同設計，基本設計人員在基本設計模型中進行模型修改和出圖工作，詳細設計人員在拆分后的分段模型中完成詳細設計專業(yè)協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)連接等細節(jié)核查及修改工作。修改后的模型可通過AM Global完成異地定時更新，以確?；驹O計模型與分段模型信息的一致性。交互設計的深度除了與有限元分析等結(jié)構(gòu)設計本身的工作有關(guān)以外，更受舾裝專業(yè)與結(jié)構(gòu)專業(yè)的設計同步性的影響。在復雜項目中，后者對設計進程和設計周期的影響更明顯。結(jié)構(gòu)基本設計階段早期的AM模型為大舾裝各專業(yè)在項目前期盡早啟動設備布置和綜合放樣策劃等工作創(chuàng)造了條件，為保證各專業(yè)設計的同步性奠定了基礎。

2.5 設計輸入的管控

獲取準確而詳細地設計輸入信息是各專業(yè)開展基本設計、舾裝各專業(yè)布置等工作的前提。在設計過程中，獲取的設計輸入信息主要是船上各設備的技術(shù)資料。由于諸多設備都是從國外采購的，且大多為定制化設備，設備資料的供圖周期較長，這在很大程度上阻礙了3D設計工作的順利進行，此矛盾在新項目中尤為突出。為更好地管控設備資料的納期，除了優(yōu)化采購流程以外，最有效的方法是由設計人員根據(jù)設計階段和設計內(nèi)容對設備的需求時間進行細分，明確真正的需求，逐步、逐項與供應商溝通，向其索要資料，例如在設計前期為確認空間布置僅需設備的外形尺寸信息，并不需要細節(jié)信息，可先直接與廠家溝通，向其索要外形尺寸信息。這可能是最現(xiàn)實、最高效的設計輸入管控方法，其有效性已在多個復雜項目中得到驗證。

2.6 技術(shù)管理的效率

為充分發(fā)揮3D一體化設計模式的優(yōu)勢，僅制訂合理的設計流程是不夠的，還必須與合理高效的技術(shù)管理模式相融合。

2.6.1 以結(jié)構(gòu)固化為導向的技術(shù)管理模式

結(jié)合設計項目的特點，通過不斷探索和總結(jié)發(fā)現(xiàn)，目前結(jié)構(gòu)專業(yè)在技術(shù)管理方面主要采用以核查清單（Check list）為主線，主動協(xié)調(diào)其他專業(yè)，快速固化結(jié)構(gòu)設計狀態(tài)的管理模式。Check list中的內(nèi)容為結(jié)構(gòu)專業(yè)與其他各專業(yè)的接口項及關(guān)鍵注意點。通過該清單，能系統(tǒng)、完整地與各專業(yè)進行協(xié)調(diào)，推動其他專業(yè)優(yōu)先處理與結(jié)構(gòu)專業(yè)接口問題，促進技術(shù)狀態(tài)快速固化。典型的Check list示例見表1。

表1 典型的Check list示例

2.6.2 信息管理模式

在3D一體化設計中，由于參與方眾多，信息傳遞與溝通也較為關(guān)鍵。為此，除了充分利用3D模型進行交流以外，還制定《3D一體化設計信息管理手冊》，主要突出以下幾個方面的措施：

1）信息準確。在傳遞信息之前，確保信息的準確性并得到相關(guān)各方的確認，避免流轉(zhuǎn)不可靠的信息。盡可能地面對面溝通和交流。

2）傳遞簡化。盡可能地減少信息傳遞的載體，并簡化信息傳遞環(huán)節(jié)，避免信息多次傳遞，基于統(tǒng)一工作平臺的共享文檔等進行信息的溝通交流，所有參與人員均能實時查看和處理平臺中存在的問題。

3）及時溝通。及時向相關(guān)方傳遞信息，重要信息傳遞之后，要及時與各方確認收到情況。建立周會制度，盡可能地及時且準確地進行信息溝通。

盡管上述技術(shù)管理模式和信息溝通模式在推動3D一體化設計方面發(fā)揮了重要作用，但目前的操作平臺仍有待進一步完善，若能通過軟件平臺實現(xiàn)任務分派、任務催辦和任務閉環(huán)跟蹤等功能，將在很大程度上提高技術(shù)管理和信息管理的效率。

3 結(jié)構(gòu)3D一體化設計的優(yōu)勢

3.1 設計效率

相比傳統(tǒng)設計模式，結(jié)構(gòu)3D一體化設計模式的模型創(chuàng)建所需時間更短（見圖6），根據(jù)工時的跟蹤與統(tǒng)計結(jié)果，約節(jié)省建模工作量50%，占生產(chǎn)設計工作總量的1／18左右。在新模式下以3D模型數(shù)據(jù)為信息傳遞的主要載體，2D圖紙版本的數(shù)量可大幅減少，圖紙設繪和管理工作量相應減少，技術(shù)管理效率得到大幅提升。通過多方異地協(xié)同、設計階段相互搭接和設計協(xié)調(diào)提前等方式可縮短設計周期，特別是在首制船上能發(fā)揮結(jié)構(gòu)3D一體化設計的核心優(yōu)勢，系列船結(jié)構(gòu)3D一體化設計的優(yōu)勢更加明顯。

圖6 傳統(tǒng)設計模式與3D一體化設計模式的流程對比

3.2 設計質(zhì)量

在結(jié)構(gòu)3D一體化設計模式中，質(zhì)量控制主要集中在基本設計階段，設計質(zhì)量控制的主體為基本設計和詳細設計工程師，能在很大程度上降低項目的技術(shù)風險；同時，1個模型貫穿始終，能有效避免人為失誤。

4 項目拓展

與傳統(tǒng)的設計模式相比，3D一體化設計模式將全船統(tǒng)一設計模式轉(zhuǎn)變?yōu)樾^(qū)域定制化設計模式。在拓展后續(xù)船型時，可基于AM軟件強大的線型替換、模型批量移動和模型批量修改等功能，最大程度地繼承母型船的3D模型。通常情況下，后續(xù)船僅需創(chuàng)建變化較大的局部區(qū)域的模型，其他區(qū)域的模型可通過對母型船相應區(qū)域的模型進行拷貝和調(diào)整快速生成。圖7為3D一體化模式后續(xù)船拓展示意圖，其中：網(wǎng)格標記部分為與已有項目相同或接近的部分，直接對已有項目的3D模型進行拷貝和調(diào)整即可完成新模型構(gòu)建；斜線部分為差異較大的區(qū)域，需重新建模。從示例中可看出，結(jié)構(gòu)3D一體化區(qū)域定制化設計模式在系列船的設計中優(yōu)勢非常明顯，可在很大程度上提升設計效率，縮短設計周期，在主尺度發(fā)生變化的后續(xù)項目中也能體現(xiàn)出很大的優(yōu)勢。

圖7 3D一體化設計模式后續(xù)船拓展示意圖

5 結(jié) 語

本文介紹了基于AM軟件平臺的結(jié)構(gòu)3D一體化設計模式的實施流程和關(guān)鍵點，并簡要分析了該模式的優(yōu)勢及其在后續(xù)項目中拓展的過程及優(yōu)勢。目前，由于AM軟件平臺的限制，大舾裝各專業(yè)3D一體化設計仍在拓展過程中，在項目應用過程中采用的是結(jié)構(gòu)3D一體化設計與舾裝提前進行的模式。為充分發(fā)揮3D一體化設計模式的優(yōu)勢，需突破結(jié)構(gòu)和大舾裝各專業(yè)的全3D一體化設計瓶頸。另外，與結(jié)構(gòu)3D一體化設計關(guān)聯(lián)的其他諸多課題仍需進一步研究，特別是前端的船級社推出的3D審圖和后端的模型漫游、數(shù)字化模型生產(chǎn)指導等。