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(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院,湖北 武漢 430033)
數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)方式正在從根本上動(dòng)搖著傳統(tǒng)制造業(yè)的基礎(chǔ),催生著一場(chǎng)制造業(yè)的技術(shù)革命。隨著數(shù)字化技術(shù)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(jìn)程也不斷加快[1]。艦船動(dòng)力裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)作為數(shù)字化造船的基礎(chǔ)和重要組成部分,將引導(dǎo)傳統(tǒng)的艦船設(shè)計(jì)模式的深刻變革,從理念、方法、手段、工具等各方面推動(dòng)動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展,能夠極大地?cái)U(kuò)展動(dòng)力裝置傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的內(nèi)涵,同時(shí)將設(shè)計(jì)的觸角延伸到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)法到達(dá)的領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外造船領(lǐng)域和船舶研究院所紛紛針對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用開展相關(guān)研究[2-6],但從查詢的文獻(xiàn)來(lái)看,目前缺乏系統(tǒng)的研究數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)乃至生命周期中的應(yīng)用方法研究[7],本文正是在此背景下開展相關(guān)研究,在深入分析傳統(tǒng)動(dòng)力裝置生命周期特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,研究將數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用到艦船動(dòng)力裝置生命周期的方法,為艦船動(dòng)力裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)工作的開展提供一定的指導(dǎo),同時(shí)也為數(shù)字化造船技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考。
艦船動(dòng)力裝置的生命周期涉及到設(shè)計(jì)、建造、訓(xùn)練、使用、維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié),而設(shè)計(jì)階段又包括方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì),其傳統(tǒng)生命周期過(guò)程如圖1 所示[8]。
圖1 傳統(tǒng)艦船動(dòng)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(guān)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo),即依據(jù)艦船的設(shè)計(jì)任務(wù)書,提出艦船動(dòng)力裝置的總體參數(shù)、相關(guān)戰(zhàn)技術(shù)性能指標(biāo)。
2)設(shè)計(jì)階段
設(shè)計(jì)階段主要分為方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)3個(gè)階段,完成從方案論證、選型設(shè)計(jì)到技術(shù)設(shè)計(jì)、計(jì)算分析、試驗(yàn)研究,至最后完成施工圖紙和施工工藝設(shè)計(jì)。
3)制造階段
在制造階段主要按照設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)的施工圖紙,進(jìn)行動(dòng)力裝置的施工建造,若存在問(wèn)題,則需要一定的修改以完成動(dòng)力裝置的建造。
4)使用階段
當(dāng)艦船完成建造后,需要交付使用,而此時(shí)需要對(duì)使用人員進(jìn)行培訓(xùn),因此,通常需要開發(fā)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)使用人員的培訓(xùn),往往開發(fā)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的周期較長(zhǎng),費(fèi)用較高,同時(shí)還存在時(shí)間上的滯后,難以實(shí)現(xiàn)裝備建設(shè)和戰(zhàn)斗力形成的同步。
5)維護(hù)階段
在艦船使用的過(guò)程中,往往需要對(duì)維護(hù)人員及維修機(jī)構(gòu)人員進(jìn)行培訓(xùn),以實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備維修保障功能,而在艦船動(dòng)力裝置中,如主機(jī)、齒輪箱等設(shè)備非常復(fù)雜,部分設(shè)備是進(jìn)口引進(jìn)的,造價(jià)昂貴,因此對(duì)維修訓(xùn)練產(chǎn)生了較大的限制。
由艦船動(dòng)力裝置生命周期各階段的任務(wù)及特點(diǎn)不難得出,動(dòng)力裝置生命周期各階段采取的是串行的方式,每個(gè)階段基本上均作為獨(dú)立的環(huán)節(jié),上游對(duì)下游的考慮很少,導(dǎo)致一定的設(shè)計(jì)返工率;各個(gè)階段是垂直的、串聯(lián)的過(guò)程,信息的共享程度不夠;各專業(yè)間矛盾較大,以致對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響;特別是設(shè)計(jì)院所、造船廠以及使用方的交流比較少,容易產(chǎn)生設(shè)計(jì)、制造工藝及使用維護(hù)發(fā)生矛盾的情況,這已經(jīng)成為制約艦船動(dòng)力裝置性能水平及戰(zhàn)斗力提升的瓶頸之一。
艦船動(dòng)力裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)是指在計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、并行工程技術(shù)、數(shù)字仿真技術(shù)及虛擬樣機(jī)技術(shù)等相關(guān)支撐技術(shù)的支持下,對(duì)艦船動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)全過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化描述,以建立的動(dòng)力裝置的數(shù)字化模型為基礎(chǔ),面向艦船動(dòng)力裝置生命周期進(jìn)行動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)的仿真與優(yōu)化、信息融合與過(guò)程的集成管理,最終實(shí)現(xiàn)艦船動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)及開發(fā)全過(guò)程的數(shù)字化。從艦船動(dòng)力裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)的內(nèi)涵來(lái)看,主要包含如下幾個(gè)方面的內(nèi)容:
1)設(shè)計(jì)對(duì)象的數(shù)字化描述
艦船動(dòng)力裝置設(shè)備眾多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因此在進(jìn)行動(dòng)力裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)的過(guò)程中,需要建立動(dòng)力裝置的數(shù)字化模型,主要包括:數(shù)學(xué)模型、三維模型、仿真模型等數(shù)字化模型,以為數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程提供各種支持。對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的數(shù)字化描述是進(jìn)行動(dòng)力裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
2)信息的數(shù)字化描述
艦船動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)的過(guò)程中涉及到大量的數(shù)據(jù)、資料、文檔,同時(shí)還包括大量的、基于不同平臺(tái)的模型,對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)各階段、各部門之間的信息共享和協(xié)同,從而進(jìn)一步促進(jìn)設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高。對(duì)設(shè)計(jì)信息進(jìn)行數(shù)字化描述是進(jìn)行動(dòng)力裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)的前提。
3)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同
艦船動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)是多階段、多學(xué)科、多部門的綜合性復(fù)雜學(xué)科,因此在進(jìn)行動(dòng)力裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)的過(guò)程,應(yīng)能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)不同階段、不同學(xué)科以及不同部門的協(xié)同工作。網(wǎng)絡(luò)協(xié)同是進(jìn)行動(dòng)力裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)的重要手段。
4)面向動(dòng)力裝置生命周期
艦船動(dòng)力裝置的生命周期包括需求分析、設(shè)計(jì)、建造、使用和維護(hù),傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程主要考慮設(shè)計(jì)階段中的任務(wù),而對(duì)后期的建造、使用和維護(hù)考慮的不是特別的充分。采用數(shù)字化設(shè)計(jì)方式應(yīng)能提供對(duì)艦船動(dòng)力裝置生命周期內(nèi)各個(gè)階段的支持,在設(shè)計(jì)階段就充分地考慮到建造、使用和維護(hù)階段的各種問(wèn)題。面向生命周期是數(shù)字化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
5)充分利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)工具
艦船動(dòng)力裝置傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式主要依靠設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)和采用的串行方式對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量產(chǎn)生了較大的影響,采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和技術(shù)如QFD設(shè)計(jì)理論、TRIZ設(shè)計(jì)理論及虛擬樣機(jī)技術(shù)等能夠較好地克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的缺陷,而采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具能夠更好地為數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程提供各種支持。充分利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)工具是動(dòng)力裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)的重要保障。
數(shù)字化設(shè)計(jì)方法充分運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念、工具,在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同環(huán)境下,通過(guò)虛擬樣機(jī)和仿真的手段,實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船動(dòng)力裝置生命周期各個(gè)階段的支持。
在需求分析階段需要根據(jù)艦船設(shè)計(jì)任務(wù)書的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能提出明確而具體的指標(biāo)、要求和有關(guān)的規(guī)定,同時(shí)還需指出進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須遵循的各種約束條件。在需求分析階段,對(duì)于新艦船及其動(dòng)力裝置只有一個(gè)模糊的概念,即它的具體造型、功能指標(biāo)、性能指標(biāo)等特征還沒有完全確定,對(duì)其中一些特征的認(rèn)識(shí)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(zhǔn)確且真實(shí)地反映出來(lái);另外,需求分析除了需要獲取船東的需求外,還要對(duì)獲取的需求進(jìn)行分析和評(píng)估,以確定哪些是合理的、哪些是可以實(shí)現(xiàn)的、哪些是可以經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)的。
利用數(shù)字化設(shè)計(jì)中的虛擬樣機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),能夠根據(jù)需求對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行可視化和數(shù)字化描述,描述其功能和外部行為的結(jié)構(gòu)模型;借助數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行動(dòng)力裝置的功能仿真、給設(shè)計(jì)部門演示和說(shuō)明其功能的具體要求;給出動(dòng)力裝置的性能指標(biāo)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(shù)使船東能夠有效地參與到需求分析工作對(duì)需求分析工作的質(zhì)量具有決定性的作用。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使得船東能夠在需求分析階段就看到動(dòng)力裝置的外觀、布置等,并可通過(guò)粗略的功能仿真展示其主要功能,從而獲得較為準(zhǔn)確的意見反饋,指導(dǎo)需求的修改。這是一個(gè)反復(fù)迭代的過(guò)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(jié)果。這種通過(guò)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(guò)可視化的虛擬模型將用戶和設(shè)計(jì)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(zhǔn)確性,使開發(fā)的動(dòng)力裝置能夠真正滿足需求。
圖2 數(shù)字化設(shè)計(jì)方法對(duì)設(shè)計(jì)需求分析的支持Fig.2 The Support of the digital design method to the design demand analysis
初步設(shè)計(jì)主要根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求,經(jīng)過(guò)分析比較,提出一個(gè)最合理的、原則性的動(dòng)力裝置方案,并原則上確定其主要技術(shù)措施,提供必要的論證材料、計(jì)算資料和附圖。目前在方案論證階段應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)做了較多的研究,圖3為艦船動(dòng)力裝置計(jì)算機(jī)輔助初步設(shè)計(jì)的一個(gè)典型方案[9],該方法能將盡可能多的動(dòng)力裝置各種可行的組成方案進(jìn)行各種性能指標(biāo)比較、評(píng)估,完成多目標(biāo)綜合尋優(yōu)的論證,找出最佳的和較佳的系統(tǒng)方案。同時(shí)該方法能夠較好地?cái)[脫完全依賴設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行方案論證的缺陷,依靠計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種計(jì)算和輔助決策,對(duì)方案論證能夠起到較好的支持作用。這種計(jì)算機(jī)輔助論證的方法為動(dòng)力裝置的初步設(shè)計(jì)提供了一個(gè)較好的思路,但是從查詢的文獻(xiàn)來(lái)看,當(dāng)前還沒有專門的針對(duì)艦船動(dòng)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(luò)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(wèn)題,影響設(shè)計(jì)的質(zhì)量;缺乏數(shù)字化方法的支持,如果在進(jìn)行性能指標(biāo)計(jì)算的過(guò)程中加虛擬樣機(jī)模型和仿真模型進(jìn)行計(jì)算,將能更好地提高性能指標(biāo)計(jì)算的精度。為此,建立如圖4的基于數(shù)字化設(shè)計(jì)的艦船動(dòng)力裝置方案設(shè)計(jì)框架,采用并行設(shè)計(jì)的理念,基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),利用虛擬樣機(jī)技術(shù)及仿真技術(shù)的支持,在數(shù)字化設(shè)計(jì)支持平臺(tái)上進(jìn)行動(dòng)力裝置的方案論證,將突破傳統(tǒng)計(jì)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(jié)果。
技術(shù)設(shè)計(jì)是根據(jù)方案設(shè)計(jì)所確定的主要技術(shù)措施、選型及布置方案,提供動(dòng)力裝置詳盡的計(jì)算書、說(shuō)明書、明細(xì)表及安裝布置圖。技術(shù)設(shè)計(jì)階段需要計(jì)算和處理大量的數(shù)據(jù),同時(shí)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)各類計(jì)算書、說(shuō)明書和圖紙的有效管理,其特點(diǎn)是計(jì)算量、信息量大。由于技術(shù)設(shè)計(jì)階段計(jì)算及信息處理的復(fù)雜性,傳統(tǒng)動(dòng)力裝置技術(shù)設(shè)計(jì)階段往往缺乏統(tǒng)一的計(jì)算及數(shù)據(jù)管理平臺(tái),不同部門在針對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行計(jì)算處理時(shí)容易造成數(shù)據(jù)管理的混亂。因此需要采用數(shù)字化設(shè)計(jì)方法通過(guò)建立統(tǒng)一的動(dòng)力裝置計(jì)算模型、按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行管理,從而實(shí)現(xiàn)較好的解決技術(shù)設(shè)計(jì)階段存在的各種問(wèn)題,圖5描述的為數(shù)字化設(shè)計(jì)方法對(duì)動(dòng)力裝置技術(shù)設(shè)計(jì)的相關(guān)支持功能。
施工設(shè)計(jì)階段主要秉承技術(shù)設(shè)計(jì)的意圖,完成全部施工圖紙和施工工藝設(shè)計(jì),使得船廠能夠按照這些圖紙資料順利而經(jīng)濟(jì)建造出達(dá)到預(yù)定戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)的艦船。采用虛擬樣機(jī)技術(shù),不僅能夠?qū)崿F(xiàn)圖紙的生成,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)可裝配性、可維護(hù)性等相關(guān)工作的分析;利用虛擬樣機(jī)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)管路、電纜的放樣;利用虛擬現(xiàn)實(shí)和人體工程學(xué),能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)艙布置的人體工程學(xué)分析,圖6說(shuō)明了為數(shù)字化設(shè)計(jì)方法對(duì)動(dòng)力裝置施工設(shè)計(jì)的相關(guān)支持功能。
在確定設(shè)計(jì)階段的各種性能指標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定目標(biāo)之后,開始進(jìn)入生產(chǎn)制造階段。數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)生產(chǎn)制造的支持,主要包括直接生成各類圖紙、仿真動(dòng)力裝置的制造過(guò)程,實(shí)施輔助設(shè)計(jì)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(guò)程是非常復(fù)雜的,涉及到多學(xué)科領(lǐng)域和技術(shù),本文對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程不做詳述。
采用數(shù)字化設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)階段就能夠給后期使用維護(hù)人員的培訓(xùn)提供較好的支持,依靠在設(shè)計(jì)階段開發(fā)的虛擬樣機(jī)模型、仿真模型等模型,開發(fā)針對(duì)使用維護(hù)人員培訓(xùn)的操作使用虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)和虛擬維修訓(xùn)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(jìn)行配置,選擇普通微機(jī)或大型圖形工作站,這樣在設(shè)計(jì)階段就能夠?qū)⑻摂M訓(xùn)練系統(tǒng)提供給受訓(xùn)人員,同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供在線的培訓(xùn)支持,這種虛擬訓(xùn)練方式不僅能夠?qū)崿F(xiàn)與裝備的同步建設(shè),促進(jìn)艦船戰(zhàn)斗力的快速形成,同時(shí)能夠節(jié)約經(jīng)費(fèi)。
圖7 數(shù)字化設(shè)計(jì)方法對(duì)使用維護(hù)階段的支持Fig.7 The support of the digital design method to the use and maintenance stage
1)針對(duì)當(dāng)前艦船動(dòng)力裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)中存在的缺乏系統(tǒng)地將數(shù)字化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到動(dòng)力裝置生命周期中的問(wèn)題,提出開展將數(shù)字化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到艦船動(dòng)力裝置生命周期的方法研究;
2)在分析艦船動(dòng)力裝置生命周期特點(diǎn)及存在的問(wèn)題基礎(chǔ)上,深入研究了動(dòng)力裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)的內(nèi)涵,為將數(shù)字化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到動(dòng)力裝置生命周期奠定了基礎(chǔ);
3)研究了將數(shù)字化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到動(dòng)力裝置需求分析階段、初步設(shè)計(jì)階段、技術(shù)設(shè)計(jì)階段、施工設(shè)計(jì)階段、生產(chǎn)制造階段及使用維護(hù)階段的方法,能夠?yàn)閯?dòng)力裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)工作的開展提供一定的指導(dǎo),同時(shí)為數(shù)字化造船技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考。
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