國外艦艇裝備先進設計方法研究

楊清軒，魏 征，劉 洋，李 奔

(1.國防科技工業局軍工項目審核中心，北京 100039；2.中國人民解放軍92578部隊，北京 100161；3.中國船舶集團有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

計算機技術與數字化技術在艦艇裝備設計領域的成功運用，促使艦艇裝備設計成為一項蘊含多學科知識與技術的復雜系統工程。組成該系統工程的設備系統/分系統、設備裝置與功能部件，技術復雜。艦艇系統工程總體設計就是將數量眾多的設備和功能部件及其組成的系統/分系統，按其空間特性、屬性特征和時域特性進行優化組合與綜合技術集成，形成一個滿足艦艇總體功能要求且具有特定形狀的有機整體。由于涉及的設備不僅多，而且技術復雜，使得在優化組合與綜合技術集成的設計過程中存在許多難以處理的矛盾。采用串行設計模式，缺少協同因素考慮，難以得出系統的整體最優解。此外，由于設計過程分散進行，不僅需要增加大量人工協調管理過程，還有可能造成反復修改，導致設計周期變長和研制成本的增加。建立的可行工具/過程/方法能夠有效支撐艦艇裝備實現高效率優化設計[1]。

1 國外艦艇概念設計

概念設計的重點是完成獨立系統性能、船舶總體性能/需求、作戰概念和成本間的權衡，以探索性設計為主，重點關注艦艇裝備的任務需求，以需求為牽引，開展適用于作戰任務需求與場景運用的裝備方案探索。概念開發重點關注裝備的最終狀態，進行方案可行性、技術可實現性分析，以形成裝備開發方案[2-3]。

圖1 典型艦艇概念設計流程Fig.1 Conceptual design process of a typical ship

概念設計屬于復雜系統工程，涉及多個學科，同時，涉及多設備功能屬性、特征屬性、時域屬性設計，需要完善的數據庫作為支撐?，F階段，艦艇裝備設計基本采用多通道的“螺旋式設計流程”方法，主要以美國代表，即通過反復迭代各設計要素，從而實現各要素之間的相互修正。設計要素主要包括重量、體積、結構穩定性、阻力、動力、浮力等。首先系統地選擇設計要素，并在之后的迭代計算中反復修正所選要素，即可得到一個滿足所有約束條件的平衡式設計。利用“螺旋式設計”方法得到的結果僅是一個可行的基礎方案，需要進一步完善才能形成一個最佳的設計方案。在圍繞螺旋的各路徑中以逐漸增加細節的方式，直到達成滿足所有約束并平衡所有考慮的單獨設計[4]。

圖2 經典設計螺旋與美國“弗吉尼亞”級核潛艇設計螺旋Fig.2 The classic design spiral and the US Virginia-class nuclear submarine design spiral

2 國外艦艇詳細設計先進技術

2.1 模塊化設計

現代軍事裝備結構復雜、技術密集、更新換代速度快，加之裝備多樣化需求與現行“多研制、少生產”政策之間的矛盾，使得規模經濟生產方式面臨著嚴峻的挑戰。“模塊化”作為現代標準化的核心內容和基本工作形式，為解決上述問題提供了一種行之有效的策略，即通過模塊的不同組合，實現裝備的“多品種、小批量”生產，達到裝備多樣化與低成本的有機統一，并大大縮短研發周期，加快列裝速度，實現裝備研發的“高時效性”。同時，模塊化策略還可以有效降低新裝備研發的技術風險和市場風險，優化國防工業結構，是實現國防科技創新的有效途徑。

目前，世界上主要的核潛艇研制國家，美、俄、英等國均在設計階段采用模塊化設計，增強潛艇設計靈活性的同時，更易于實現標準化建造、現代化改裝以及新技術植入。美國新一代“哥倫比亞”級彈道導彈核潛艇，按照美國國家審計署2017年12月發布的潛艇評估文件，該核潛艇整體將分為6個部分開展分段設計工作，其中通用導彈艙已完成詳細設計，洛克希德·馬丁空間系統公司按照合同將“三叉戟Ⅱ”型戰略武器系統集成到通用導彈艙中，相關建造工作已先于核潛艇整體建造計劃先期開展，“哥倫比亞”級核潛艇項目辦公室計劃在導彈發射管裝艇前完成發射管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計建造部分。

俄羅斯較早進行了艦船模塊化技術的探索，俄羅斯艦船模塊化技術統稱為“船舶設計和建造模塊—組裝法”，采用模塊化原理的船舶設計、建造和改裝方法。采用此方法時可將技術器材組合在一個根據功能特征和地區特征建立起來的裝配—安裝單元，以求通過獨立地完成裝配—安裝工作和船體形成來縮短船舶建造周期，改善可修性及可改裝性，其中“技術器材”應理解為“產品、機械、儀器、專用技術裝備”。

英國新一代“無畏”級彈道導彈核潛艇采用模塊化設計，整體將提提劃分為前、中、后3個“大型分段”，16個結構單元，最大程度地實現模塊化建造，總體提高整體的建造效率。

圖3 國外潛艇裝備典型設計流程Fig.3 General design process of submarine equipment

圖4 “哥倫比亞”級核潛艇模塊設計意圖Fig.4 Columbia-class nuclear submarine module design intention

圖5 “無畏”級核潛艇建造單元結構劃分Fig.5 The construction unit of Dreadnought-class submarine nuclear submarine

2.2 三維建模設計

三維建模設計技術通過模擬三維實體模型進行沖突檢查、優化設計，已成為先進國家新一代水面艦艇設計的基本手段。目前以美、英、法為代表的核潛艇裝備設計先進國家，均在其新一代核潛艇裝備（包括“弗吉尼亞”級、“機敏”級、“梭魚”級核潛艇等）中采用三維設計技術，為其提供前期設計能力以及培訓和海軍建筑設計方面的支持服務[5]。在潛艇設計過程中，可以通過3D CAD系統來完成輔助設計。從建模仿真的角度來看，利用3D CAD系統可以顯示潛艇的不同系統以及整個潛艇概況。

以美國紐波特紐斯船廠艦艇的設計為例，其在艦艇設計中均采用了三維設計軟件。美國紐波特紐斯船廠采用的三維設計軟件是法國達索公司開發的CATIA軟件，該軟件采用CAD/CAE/CAM一體化設計，最早由法國達索公司開發用于飛機設計，現廣泛應用于航空航天、汽車制造、造船、機械制造、電子/電器、消費品行業，能夠模擬從方案設計到詳細設計、裝配、維修的全部設計過程。以2001年達索/IBM公司發布了CATIA V5軟件為例，其主要構成和功能如下：

1）初步設計模塊

初步設計模塊中提供了4個子模塊，包括結構預布置子模塊、艙室定義與通道子模塊、系統空間預留子模塊和系統布線子模塊。

圖6 CATIA軟件的結構預布置與艙室定義Fig.6 The CATIA software structure pre-arrangement and cabin definition

2）結構設計模塊

結構設計模塊中提供了4個子模塊，包括結構功能設計子模塊、船舶結構詳細設計子模塊、板及型材結構設計子模塊和設備支撐結構子模塊。

3）通用系統與舾裝模塊

通用系統與舾裝模塊中提供了5個子模塊，包括管路設計子模塊、管路和設備原理圖子模塊、管線設計及管線原理圖子模塊、通風設計子模塊和通風原理圖子模塊。

4）電氣系統子模塊

電氣系統子模塊中提供了4個子模塊，包括3D線槽與導管設計子模塊、電子電纜布線子模塊、電氣連接原理圖子模塊、3D波導設計及3D波導原理圖子模塊。

5）跨專業應用模塊

跨專業應用模塊中提供了4個子模塊，包括設備布置子模塊、支架設計子模塊、系統原理圖子模塊和人體模型構造器子模塊。

6）分析模塊

分析模塊中提供了2個子模塊，包括創成式零件、結構分析子模塊和EDSA 3D電氣子模塊。

7）機械CAD模塊

IBM PLM解決方案還提供超過35個的機械CAD產品，涵蓋線框、曲面到鈑金等各方面設計。其中在船舶設計中的常用產品模塊包括CATIA零件設計與裝配設計模塊、創成式工程圖與交互式工程圖模塊、線架與曲面模塊、鈑金設計模塊、焊接設計模塊等。

2.3 虛擬現實設計技術

虛擬現實技術以人機交互為主，通過傳感設備與虛擬仿真環境中的客體進行交互和相互影響。虛擬現實技術已成為美國海軍降低艦艇武器裝備研制風險和成本的重要手段，并廣泛應用于新型艦艇武器裝備的研制。美國“弗吉尼亞”級潛艇以計算機三維交互式數字設計系統和數字管理系統為支撐平臺，在計算機顯示系統和虛擬現實環境中用多媒體的形式直接顯示設計圖形、潛艇內部各種設備和系統的三維布置模型，潛艇所有部件及其設計、生產建造等信息與過程全部存儲在計算機數據庫，有效支持了潛艇研制的全過程[6]。

虛擬現實技術支持快速建立原型與聯合設計多種多樣的潛艇作戰中心概念。在聯合設計過程中，作戰部隊人員和設計人員可以在不同地點通過安全網絡參與到設計中來，根據不同任務和作戰場景，通過實時的概念審核與調整，多方人員協同對虛擬設計圖進行優化。

3 結 語

1）創新設計流程，開展協同并行設計方法研究

就設計流程而言，目前國內采用的設計思路基本上是順序設計，即先確定目標艦艇的總體性能，再設計分系統和相應的設備，這是典型的基于點的設計方法。該方法的缺點是在總體設計中缺乏分系統設計單位的參與，一旦總體設計單位不完全掌握分系統或設備特點時，初期設計的不合理將導致后期牽一發而動全身的修改。例如，若某一與硬武器相關艙室的尺寸或形狀不能滿足彈藥轉運或武器發射需求，則該艙室的修改很有可能導致穩性或不沉性的重新計算。協同并行設計方法是解決這一問題的有效手段，簡單地說，該設計方法設計初期通過各部門的大量溝通而形成更成熟的設計方案，避免設計后期修改造成的大量時間和工作量的增加。目前，國外已在新型核潛艇設計中采用協同設計模式，并開發了相關軟件。而國內對于基于集的設計方法卻尚未開始研究，仍需要應用先進的設計理論來提高設計效率。

2）優化模塊化設計理念，實現設計與建造緊密結合

目前，國外按照潛艇所處的不同階段，以及技術的發展程度，將潛艇模塊化分為以下幾種：一是使命任務模塊化。主要體現在設計階段，使得潛艇可以使用多個任務模塊，并且可以選擇安裝不同的任務模塊，實現任務系統的技術植入。二是生產模塊化。主要體現在建造階段，使用標準的接口來完成設備的采購，在模塊的早期完成相關設備的安裝，并且在模塊焊接成型之前，完成模塊的測試。在這其中的一個關鍵是實現零部件或系統的通用性，以及確定通用標準和接口。三是軟件的模塊化。主要是在潛艇的各個系統層面上，重點是借助開放式體系架構，建立開放式計算環境，便于后續的系統升級與技術植入。四是維護的模塊化。主要體現在潛艇的后期維護上，重點是要確定標準的接口，便于后續的設備維修與更換，以及相關設備的維護。而采用模塊化設計模式，能夠有效實現建造程序的優化及成本控制，大幅提升潛艇建造與升級效率。

以“弗吉尼亞”級潛艇為例，為協調“弗吉尼亞”級潛艇的設計與建造，項目組設置了2種類型的團隊。一種是區域團隊（MAT），另一種是系統集成團隊（SIT）。每個區域團隊負責一個主要區域，任務是確保區域綜合設計、與其他區域的接口、建造程序的優化及成本控制等。團隊由“核心”設計人員、工程師、設備供應商、環境和后勤專家及布置裝置（管道系統、結構、電子和機械設備）的CAD操作人員組成。由于人力限制，單獨的區域團隊不可能全部配備全職專家來從事某項工作，有些專家往往被派到多個團隊，這在一定程度上促進了團隊間交流。系統集成團隊主要負責設計與建造的結合，以及特殊系統的專門技術或適用于全艇的技術方法（如用于全艇的水力學、調平及泄水，電力分配或通風系統）。系統集成團隊還負責區域團隊之間的交流，避免在建造時出現艙壁和邊界沖突問題[7]。

針對后續“弗吉尼亞”級潛艇的發展需求，美國計劃采取更多的措施來提高模塊化程度，主要包括：艇首發射裝置模塊化的升級。借鑒“俄亥俄”級巡航導彈核潛艇的設計思路，將原來的12個發射管升級為2個六聯裝發射筒；艇體中部加裝有效負載艙段，模塊長93.7 ft，包含4個大直徑垂直發射管，存儲發射“戰斧”巡航導彈或其他負載（大直徑UUV）。

3）注重采用新型詳細設計技術，實現潛艇設計效率與性能提升

以虛擬現實代表的潛艇新型詳細設計技術，能夠直觀有效提升設計效率，同時保證設計可靠性與可實現性。同時，利用在計算機顯示系統和虛擬現實環境中用多媒體的形式直接顯示設計圖形、潛艇內部各種設備和系統的三維布置模型，潛艇所有部件及其設計、生產建造等信息與過程全部存儲在計算機數據庫，能夠有效支持潛艇研制的全過程，消除設計中存在的可能在潛艇生命周期中的后面環節暴露的設計弊端，將建造過程簡化為簡單的構件組合，由此提高潛艇質量，降低耗費。