楊清軒，魏 征，劉 洋，李 奔

(1.國(guó)防科技工業(yè)局軍工項(xiàng)目審核中心，北京 100039；2.中國(guó)人民解放軍92578部隊(duì)，北京 100161；3.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)在艦艇裝備設(shè)計(jì)領(lǐng)域的成功運(yùn)用，促使艦艇裝備設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)蘊(yùn)含多學(xué)科知識(shí)與技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)工程。組成該系統(tǒng)工程的設(shè)備系統(tǒng)/分系統(tǒng)、設(shè)備裝置與功能部件，技術(shù)復(fù)雜。艦艇系統(tǒng)工程總體設(shè)計(jì)就是將數(shù)量眾多的設(shè)備和功能部件及其組成的系統(tǒng)/分系統(tǒng)，按其空間特性、屬性特征和時(shí)域特性進(jìn)行優(yōu)化組合與綜合技術(shù)集成，形成一個(gè)滿(mǎn)足艦艇總體功能要求且具有特定形狀的有機(jī)整體。由于涉及的設(shè)備不僅多，而且技術(shù)復(fù)雜，使得在優(yōu)化組合與綜合技術(shù)集成的設(shè)計(jì)過(guò)程中存在許多難以處理的矛盾。采用串行設(shè)計(jì)模式，缺少協(xié)同因素考慮，難以得出系統(tǒng)的整體最優(yōu)解。此外，由于設(shè)計(jì)過(guò)程分散進(jìn)行，不僅需要增加大量人工協(xié)調(diào)管理過(guò)程，還有可能造成反復(fù)修改，導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期變長(zhǎng)和研制成本的增加。建立的可行工具/過(guò)程/方法能夠有效支撐艦艇裝備實(shí)現(xiàn)高效率優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。

1 國(guó)外艦艇概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是完成獨(dú)立系統(tǒng)性能、船舶總體性能/需求、作戰(zhàn)概念和成本間的權(quán)衡，以探索性設(shè)計(jì)為主，重點(diǎn)關(guān)注艦艇裝備的任務(wù)需求，以需求為牽引，開(kāi)展適用于作戰(zhàn)任務(wù)需求與場(chǎng)景運(yùn)用的裝備方案探索。概念開(kāi)發(fā)重點(diǎn)關(guān)注裝備的最終狀態(tài)，進(jìn)行方案可行性、技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性分析，以形成裝備開(kāi)發(fā)方案[2-3]。

圖1 典型艦艇概念設(shè)計(jì)流程Fig.1 Conceptual design process of a typical ship

概念設(shè)計(jì)屬于復(fù)雜系統(tǒng)工程，涉及多個(gè)學(xué)科，同時(shí)，涉及多設(shè)備功能屬性、特征屬性、時(shí)域?qū)傩栽O(shè)計(jì)，需要完善的數(shù)據(jù)庫(kù)作為支撐?，F(xiàn)階段，艦艇裝備設(shè)計(jì)基本采用多通道的“螺旋式設(shè)計(jì)流程”方法，主要以美國(guó)代表，即通過(guò)反復(fù)迭代各設(shè)計(jì)要素，從而實(shí)現(xiàn)各要素之間的相互修正。設(shè)計(jì)要素主要包括重量、體積、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、阻力、動(dòng)力、浮力等。首先系統(tǒng)地選擇設(shè)計(jì)要素，并在之后的迭代計(jì)算中反復(fù)修正所選要素，即可得到一個(gè)滿(mǎn)足所有約束條件的平衡式設(shè)計(jì)。利用“螺旋式設(shè)計(jì)”方法得到的結(jié)果僅是一個(gè)可行的基礎(chǔ)方案，需要進(jìn)一步完善才能形成一個(gè)最佳的設(shè)計(jì)方案。在圍繞螺旋的各路徑中以逐漸增加細(xì)節(jié)的方式，直到達(dá)成滿(mǎn)足所有約束并平衡所有考慮的單獨(dú)設(shè)計(jì)[4]。

圖2 經(jīng)典設(shè)計(jì)螺旋與美國(guó)“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇設(shè)計(jì)螺旋Fig.2 The classic design spiral and the US Virginia-class nuclear submarine design spiral

2 國(guó)外艦艇詳細(xì)設(shè)計(jì)先進(jìn)技術(shù)

2.1 模塊化設(shè)計(jì)

現(xiàn)代軍事裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)密集、更新?lián)Q代速度快，加之裝備多樣化需求與現(xiàn)行“多研制、少生產(chǎn)”政策之間的矛盾，使得規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)方式面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?！澳K化”作為現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化的核心內(nèi)容和基本工作形式，為解決上述問(wèn)題提供了一種行之有效的策略，即通過(guò)模塊的不同組合，實(shí)現(xiàn)裝備的“多品種、小批量”生產(chǎn)，達(dá)到裝備多樣化與低成本的有機(jī)統(tǒng)一，并大大縮短研發(fā)周期，加快列裝速度，實(shí)現(xiàn)裝備研發(fā)的“高時(shí)效性”。同時(shí)，模塊化策略還可以有效降低新裝備研發(fā)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化國(guó)防工業(yè)結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)國(guó)防科技創(chuàng)新的有效途徑。

目前，世界上主要的核潛艇研制國(guó)家，美、俄、英等國(guó)均在設(shè)計(jì)階段采用模塊化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)潛艇設(shè)計(jì)靈活性的同時(shí)，更易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化建造、現(xiàn)代化改裝以及新技術(shù)植入。美國(guó)新一代“哥倫比亞”級(jí)彈道導(dǎo)彈核潛艇，按照美國(guó)國(guó)家審計(jì)署2017年12月發(fā)布的潛艇評(píng)估文件，該核潛艇整體將分為6個(gè)部分開(kāi)展分段設(shè)計(jì)工作，其中通用導(dǎo)彈艙已完成詳細(xì)設(shè)計(jì)，洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司按照合同將“三叉戟Ⅱ”型戰(zhàn)略武器系統(tǒng)集成到通用導(dǎo)彈艙中，相關(guān)建造工作已先于核潛艇整體建造計(jì)劃先期開(kāi)展，“哥倫比亞”級(jí)核潛艇項(xiàng)目辦公室計(jì)劃在導(dǎo)彈發(fā)射管裝艇前完成發(fā)射管84%的裝配工作，以降低工作難度、提高效率。另外，首段、控制艙段及尾段同屬于先期設(shè)計(jì)建造部分。

俄羅斯較早進(jìn)行了艦船模塊化技術(shù)的探索，俄羅斯艦船模塊化技術(shù)統(tǒng)稱(chēng)為“船舶設(shè)計(jì)和建造模塊—組裝法”，采用模塊化原理的船舶設(shè)計(jì)、建造和改裝方法。采用此方法時(shí)可將技術(shù)器材組合在一個(gè)根據(jù)功能特征和地區(qū)特征建立起來(lái)的裝配—安裝單元，以求通過(guò)獨(dú)立地完成裝配—安裝工作和船體形成來(lái)縮短船舶建造周期，改善可修性及可改裝性，其中“技術(shù)器材”應(yīng)理解為“產(chǎn)品、機(jī)械、儀器、專(zhuān)用技術(shù)裝備”。

英國(guó)新一代“無(wú)畏”級(jí)彈道導(dǎo)彈核潛艇采用模塊化設(shè)計(jì)，整體將提提劃分為前、中、后3個(gè)“大型分段”，16個(gè)結(jié)構(gòu)單元，最大程度地實(shí)現(xiàn)模塊化建造，總體提高整體的建造效率。

圖3 國(guó)外潛艇裝備典型設(shè)計(jì)流程Fig.3 General design process of submarine equipment

圖4 “哥倫比亞”級(jí)核潛艇模塊設(shè)計(jì)意圖Fig.4 Columbia-class nuclear submarine module design intention

圖5 “無(wú)畏”級(jí)核潛艇建造單元結(jié)構(gòu)劃分Fig.5 The construction unit of Dreadnought-class submarine nuclear submarine

2.2 三維建模設(shè)計(jì)

三維建模設(shè)計(jì)技術(shù)通過(guò)模擬三維實(shí)體模型進(jìn)行沖突檢查、優(yōu)化設(shè)計(jì)，已成為先進(jìn)國(guó)家新一代水面艦艇設(shè)計(jì)的基本手段。目前以美、英、法為代表的核潛艇裝備設(shè)計(jì)先進(jìn)國(guó)家，均在其新一代核潛艇裝備（包括“弗吉尼亞”級(jí)、“機(jī)敏”級(jí)、“梭魚(yú)”級(jí)核潛艇等）中采用三維設(shè)計(jì)技術(shù)，為其提供前期設(shè)計(jì)能力以及培訓(xùn)和海軍建筑設(shè)計(jì)方面的支持服務(wù)[5]。在潛艇設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以通過(guò)3D CAD系統(tǒng)來(lái)完成輔助設(shè)計(jì)。從建模仿真的角度來(lái)看，利用3D CAD系統(tǒng)可以顯示潛艇的不同系統(tǒng)以及整個(gè)潛艇概況。

以美國(guó)紐波特紐斯船廠艦艇的設(shè)計(jì)為例，其在艦艇設(shè)計(jì)中均采用了三維設(shè)計(jì)軟件。美國(guó)紐波特紐斯船廠采用的三維設(shè)計(jì)軟件是法國(guó)達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的CATIA軟件，該軟件采用CAD/CAE/CAM一體化設(shè)計(jì)，最早由法國(guó)達(dá)索公司開(kāi)發(fā)用于飛機(jī)設(shè)計(jì)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)制造、造船、機(jī)械制造、電子/電器、消費(fèi)品行業(yè)，能夠模擬從方案設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)、裝配、維修的全部設(shè)計(jì)過(guò)程。以2001年達(dá)索/IBM公司發(fā)布了CATIA V5軟件為例，其主要構(gòu)成和功能如下：

1）初步設(shè)計(jì)模塊

初步設(shè)計(jì)模塊中提供了4個(gè)子模塊，包括結(jié)構(gòu)預(yù)布置子模塊、艙室定義與通道子模塊、系統(tǒng)空間預(yù)留子模塊和系統(tǒng)布線子模塊。

圖6 CATIA軟件的結(jié)構(gòu)預(yù)布置與艙室定義Fig.6 The CATIA software structure pre-arrangement and cabin definition

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊中提供了4個(gè)子模塊，包括結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)子模塊、船舶結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)子模塊、板及型材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)子模塊和設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)子模塊。

3）通用系統(tǒng)與舾裝模塊

通用系統(tǒng)與舾裝模塊中提供了5個(gè)子模塊，包括管路設(shè)計(jì)子模塊、管路和設(shè)備原理圖子模塊、管線設(shè)計(jì)及管線原理圖子模塊、通風(fēng)設(shè)計(jì)子模塊和通風(fēng)原理圖子模塊。

4）電氣系統(tǒng)子模塊

電氣系統(tǒng)子模塊中提供了4個(gè)子模塊，包括3D線槽與導(dǎo)管設(shè)計(jì)子模塊、電子電纜布線子模塊、電氣連接原理圖子模塊、3D波導(dǎo)設(shè)計(jì)及3D波導(dǎo)原理圖子模塊。

5）跨專(zhuān)業(yè)應(yīng)用模塊

跨專(zhuān)業(yè)應(yīng)用模塊中提供了4個(gè)子模塊，包括設(shè)備布置子模塊、支架設(shè)計(jì)子模塊、系統(tǒng)原理圖子模塊和人體模型構(gòu)造器子模塊。

6）分析模塊

分析模塊中提供了2個(gè)子模塊，包括創(chuàng)成式零件、結(jié)構(gòu)分析子模塊和EDSA 3D電氣子模塊。

7）機(jī)械CAD模塊

IBM PLM解決方案還提供超過(guò)35個(gè)的機(jī)械CAD產(chǎn)品，涵蓋線框、曲面到鈑金等各方面設(shè)計(jì)。其中在船舶設(shè)計(jì)中的常用產(chǎn)品模塊包括CATIA零件設(shè)計(jì)與裝配設(shè)計(jì)模塊、創(chuàng)成式工程圖與交互式工程圖模塊、線架與曲面模塊、鈑金設(shè)計(jì)模塊、焊接設(shè)計(jì)模塊等。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以人機(jī)交互為主，通過(guò)傳感設(shè)備與虛擬仿真環(huán)境中的客體進(jìn)行交互和相互影響。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成為美國(guó)海軍降低艦艇武器裝備研制風(fēng)險(xiǎn)和成本的重要手段，并廣泛應(yīng)用于新型艦艇武器裝備的研制。美國(guó)“弗吉尼亞”級(jí)潛艇以計(jì)算機(jī)三維交互式數(shù)字設(shè)計(jì)系統(tǒng)和數(shù)字管理系統(tǒng)為支撐平臺(tái)，在計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中用多媒體的形式直接顯示設(shè)計(jì)圖形、潛艇內(nèi)部各種設(shè)備和系統(tǒng)的三維布置模型，潛艇所有部件及其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)建造等信息與過(guò)程全部存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，有效支持了潛艇研制的全過(guò)程[6]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持快速建立原型與聯(lián)合設(shè)計(jì)多種多樣的潛艇作戰(zhàn)中心概念。在聯(lián)合設(shè)計(jì)過(guò)程中，作戰(zhàn)部隊(duì)人員和設(shè)計(jì)人員可以在不同地點(diǎn)通過(guò)安全網(wǎng)絡(luò)參與到設(shè)計(jì)中來(lái)，根據(jù)不同任務(wù)和作戰(zhàn)場(chǎng)景，通過(guò)實(shí)時(shí)的概念審核與調(diào)整，多方人員協(xié)同對(duì)虛擬設(shè)計(jì)圖進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程，開(kāi)展協(xié)同并行設(shè)計(jì)方法研究

就設(shè)計(jì)流程而言，目前國(guó)內(nèi)采用的設(shè)計(jì)思路基本上是順序設(shè)計(jì)，即先確定目標(biāo)艦艇的總體性能，再設(shè)計(jì)分系統(tǒng)和相應(yīng)的設(shè)備，這是典型的基于點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法。該方法的缺點(diǎn)是在總體設(shè)計(jì)中缺乏分系統(tǒng)設(shè)計(jì)單位的參與，一旦總體設(shè)計(jì)單位不完全掌握分系統(tǒng)或設(shè)備特點(diǎn)時(shí)，初期設(shè)計(jì)的不合理將導(dǎo)致后期牽一發(fā)而動(dòng)全身的修改。例如，若某一與硬武器相關(guān)艙室的尺寸或形狀不能滿(mǎn)足彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)或武器發(fā)射需求，則該艙室的修改很有可能導(dǎo)致穩(wěn)性或不沉性的重新計(jì)算。協(xié)同并行設(shè)計(jì)方法是解決這一問(wèn)題的有效手段，簡(jiǎn)單地說(shuō)，該設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)初期通過(guò)各部門(mén)的大量溝通而形成更成熟的設(shè)計(jì)方案，避免設(shè)計(jì)后期修改造成的大量時(shí)間和工作量的增加。目前，國(guó)外已在新型核潛艇設(shè)計(jì)中采用協(xié)同設(shè)計(jì)模式，并開(kāi)發(fā)了相關(guān)軟件。而國(guó)內(nèi)對(duì)于基于集的設(shè)計(jì)方法卻尚未開(kāi)始研究，仍需要應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論來(lái)提高設(shè)計(jì)效率。

2）優(yōu)化模塊化設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與建造緊密結(jié)合

目前，國(guó)外按照潛艇所處的不同階段，以及技術(shù)的發(fā)展程度，將潛艇模塊化分為以下幾種：一是使命任務(wù)模塊化。主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段，使得潛艇可以使用多個(gè)任務(wù)模塊，并且可以選擇安裝不同的任務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)任務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)植入。二是生產(chǎn)模塊化。主要體現(xiàn)在建造階段，使用標(biāo)準(zhǔn)的接口來(lái)完成設(shè)備的采購(gòu)，在模塊的早期完成相關(guān)設(shè)備的安裝，并且在模塊焊接成型之前，完成模塊的測(cè)試。在這其中的一個(gè)關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)零部件或系統(tǒng)的通用性，以及確定通用標(biāo)準(zhǔn)和接口。三是軟件的模塊化。主要是在潛艇的各個(gè)系統(tǒng)層面上，重點(diǎn)是借助開(kāi)放式體系架構(gòu)，建立開(kāi)放式計(jì)算環(huán)境，便于后續(xù)的系統(tǒng)升級(jí)與技術(shù)植入。四是維護(hù)的模塊化。主要體現(xiàn)在潛艇的后期維護(hù)上，重點(diǎn)是要確定標(biāo)準(zhǔn)的接口，便于后續(xù)的設(shè)備維修與更換，以及相關(guān)設(shè)備的維護(hù)。而采用模塊化設(shè)計(jì)模式，能夠有效實(shí)現(xiàn)建造程序的優(yōu)化及成本控制，大幅提升潛艇建造與升級(jí)效率。

以“弗吉尼亞”級(jí)潛艇為例，為協(xié)調(diào)“弗吉尼亞”級(jí)潛艇的設(shè)計(jì)與建造，項(xiàng)目組設(shè)置了2種類(lèi)型的團(tuán)隊(duì)。一種是區(qū)域團(tuán)隊(duì)（MAT），另一種是系統(tǒng)集成團(tuán)隊(duì)（SIT）。每個(gè)區(qū)域團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)一個(gè)主要區(qū)域，任務(wù)是確保區(qū)域綜合設(shè)計(jì)、與其他區(qū)域的接口、建造程序的優(yōu)化及成本控制等。團(tuán)隊(duì)由“核心”設(shè)計(jì)人員、工程師、設(shè)備供應(yīng)商、環(huán)境和后勤專(zhuān)家及布置裝置（管道系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、電子和機(jī)械設(shè)備）的CAD操作人員組成。由于人力限制，單獨(dú)的區(qū)域團(tuán)隊(duì)不可能全部配備全職專(zhuān)家來(lái)從事某項(xiàng)工作，有些專(zhuān)家往往被派到多個(gè)團(tuán)隊(duì)，這在一定程度上促進(jìn)了團(tuán)隊(duì)間交流。系統(tǒng)集成團(tuán)隊(duì)主要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)與建造的結(jié)合，以及特殊系統(tǒng)的專(zhuān)門(mén)技術(shù)或適用于全艇的技術(shù)方法（如用于全艇的水力學(xué)、調(diào)平及泄水，電力分配或通風(fēng)系統(tǒng)）。系統(tǒng)集成團(tuán)隊(duì)還負(fù)責(zé)區(qū)域團(tuán)隊(duì)之間的交流，避免在建造時(shí)出現(xiàn)艙壁和邊界沖突問(wèn)題[7]。

針對(duì)后續(xù)“弗吉尼亞”級(jí)潛艇的發(fā)展需求，美國(guó)計(jì)劃采取更多的措施來(lái)提高模塊化程度，主要包括：艇首發(fā)射裝置模塊化的升級(jí)。借鑒“俄亥俄”級(jí)巡航導(dǎo)彈核潛艇的設(shè)計(jì)思路，將原來(lái)的12個(gè)發(fā)射管升級(jí)為2個(gè)六聯(lián)裝發(fā)射筒；艇體中部加裝有效負(fù)載艙段，模塊長(zhǎng)93.7 ft，包含4個(gè)大直徑垂直發(fā)射管，存儲(chǔ)發(fā)射“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈或其他負(fù)載（大直徑UUV）。

3）注重采用新型詳細(xì)設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)潛艇設(shè)計(jì)效率與性能提升

以虛擬現(xiàn)實(shí)代表的潛艇新型詳細(xì)設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠直觀有效提升設(shè)計(jì)效率，同時(shí)保證設(shè)計(jì)可靠性與可實(shí)現(xiàn)性。同時(shí)，利用在計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中用多媒體的形式直接顯示設(shè)計(jì)圖形、潛艇內(nèi)部各種設(shè)備和系統(tǒng)的三維布置模型，潛艇所有部件及其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)建造等信息與過(guò)程全部存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠有效支持潛艇研制的全過(guò)程，消除設(shè)計(jì)中存在的可能在潛艇生命周期中的后面環(huán)節(jié)暴露的設(shè)計(jì)弊端，將建造過(guò)程簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的構(gòu)件組合，由此提高潛艇質(zhì)量，降低耗費(fèi)。