船舶數字化設計應用及發展趨勢研究

張小光 李 高 劉東鋒

（1.中國社會科學院研究生院，中國 北京 102488；2.中船第九設計研究院工程有限公司，中國 上海 200063）

0 引言

船舶是一項多專業、跨學科的系統工程產品，其設備、系統眾多，復雜程度高。隨著科技的不斷創新和發展，以計算機技術、網絡通信技術、軟件技術、數據庫技術、仿真技術等為代表的數字化技術已經廣泛地應用于船舶設計、制造、維修、保障等全生命周期過程，逐漸改變著傳統的船舶設計與制造模式，對提高設計水平、改善建造質量、降低研制成本和風險、增強競爭能力、縮短設計及建造周期具有重要意義。

船舶設計是產品生命周期中的第一個環節，也是最重要的環節。工程研究與實踐表明：整個產品生命周期約80%的費用是由產品設計階段的工作所決定，本身所需費用則不到3%。而船舶數字化設計在改變設計人員工作時的設計手段的同時，還改變著設計人員的思維模式。

1 船舶數字化設計現狀

世界上發達國家在船舶數字化設計技術的應用方面起步較早，在設計中已經廣泛采用數字化的理念。美國從20世紀80年代開始，已經經歷了兩個大的發展階段，第一階段從20世紀80年代初到90年代中期，以DDG51項目最具代表性，全面采用三維設計技術。第二階段從20世紀90年代中期到現在，以LPD17項目最具代表性，實現了各種應用技術的集成，建立了集成產品數據環境（IPDE）,取得了顯著可觀的經濟效益和社會效益。

數字化技術作為先進設計制造技術的基礎核心，國內船舶行業也非常重視，從20世紀90年代開始，以三維設計技術為代表的數字化技術在船舶設計過程中得到較為廣泛的應用。三維數字化建模為基礎的數字樣船技術也得到逐步發展,已達到幾何樣船的水平。在自主研發方面，滬東造船廠牽頭研制了三維設計系統SPD3，611所牽頭研制了三維設計系統SB3DS。基于虛擬樣船的仿真分析、性能評估、虛擬維修及制造等方面的研究工作也已逐步展開。

2 船舶數字化設計存在的差距

與世界造船發達國家相比，船舶數字化設計還存在著一定的差距。具體體現在：

（1）三維設計技術得到普遍應用，但在設計前期階段，二維設計圖紙還是定義產品設計的唯一手段。

（2）虛擬設計、HIS、人機工程仿真等前沿技術在船舶設計過程中應用的廣度和深度還有待加強。

（3）產品數據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，單個三維零件數據管理還未實現。

（4）設計中應用到大量國內外船舶設計CAD、CAE、PDM軟件，各軟件使用相互獨立，形成信息孤島，沒有形成統一集成平臺。

（5）設計所和船廠沒有形成統一的設計、制造數據傳遞標準，廠所協同程度低，存在大量重復勞動。

3 船舶數字化設計應用前景和發展趨勢

船舶數字化設計應用的發展具有集成化、網絡化、虛擬化、智能化的特征。針對存在的差距，參考國內外其他行業數字化設計的成功經驗，船舶數字化設計的技術發展趨勢主要體現在：

（1）設計全過程數字化。數字化設計工具研發的重點由過去服務于詳細設計和生產設計階段，逐步向概念設計和初步設計階段轉移。實現產品從市場需求開始直至產品報廢的全生命周期各個環節數字化。

（2）全面應用基于人機工程的虛擬設計，幫助設計人員在詳細設計階段，測試和驗證各種設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的布置、操作空間以及維修空間等問題，減少返工。

（3）深化并行協同設計技術，加強面向制造的設計技術 DFP(Design for production)的應用，優化與制造相關的設計流程，在設計過程中就考慮制造因素，加強系統集成和業務過程協同，打通設計所和船廠之間的數據傳遞，消除信息孤島，逐步實現設計制造一體化，降低研制成本和縮短周期。

（4）構建綜合集成設計平臺，全面考慮CAD、CAE、CAM以及維修等信息系統的需求，在基于共同產品數據模型的基礎上，實現產品全壽命期不同階段信息系統集成，這是船舶數字化設計重要發展方向之一。美國是這一路線積極的倡導者和實踐者，已完成第一步“船舶產品數據模型的定義”，正在開展第二步“設計出一套可行的產品數據描述方法”。

4 總結

隨著大數據時代信息技術的快速發展，數字化設計技術在船舶設計中的應用將越來越廣泛，能有效推動船舶由傳統經驗設計向預測設計/仿真設計發展，提升創新設計能力，提高知識和數據重用率，減少重復勞動，必將推動數字化設計技術在船舶行業的廣泛應用，縮短與世界造船發達國家的差距，提高船舶研制水平。

[1]宋琳,陳嬌.兵器裝備精益制造數字化技術發展趨勢及工程化應用[J].兵工自動化,2013(8):28-31.

[2]呂波,趙建輝.國外艦船數字化設計技術應用最新進展[J].技術與工藝,2010(3):35-38.

[3]陳海東,沈重,等.電子設備多學科優化設計平臺的實現航天數字化應用技術的發展與趨勢[J].電訊技術,2008(3):23-27.

[4]喬珊,應文燁,何剛,等.艦船數字化設計應用研究[J].中國艦船研究,2007(8):20-25.

[5]王文榮.數字化造船技術的現狀與展望[J].中國制造業信息化,2008(11):27-31.

[6]曹玉姣.我國數字化造船發展現狀[J].船舶工程,2008(3):6-9.