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引言

数字技术和信息技术在船舶制造领域得到广泛应用，不仅提高了建造技术，还保证了船舶的建造质量，然而，传统船舶工装件设计方面仍存在许多挑战，例如，设计过程中上下游数据流通不畅、模型数据利用率低、自动化和智能化水平应用不足等，这些问题不仅阻碍了设计效率的提高，还进一步影响了船舶设计效率，而“AVEVAMARINE”软件一体化方案理念的提出，可以通过对现代船舶工装件系统设计过程的深入研究，探索和实践了一种全新的船舶管路系统整体优化设计模型。

1、数字化与造船业

在船舶工装件设计过程中，利用计算机技术将设计标准系统地定义许多内容并将其集成到设计工具中，这样不仅大大提高了船舶设计效率，还提高了船舶建造的质量。由此，设计师可以将创意转化为实际设计，并使用三维建模、增强现实（AR）、虚拟现实（VR）等可视化手段进行预览，只有在这项工作实现设计师的创造理念，就会在船舶的设计过程中更准确地模拟未来实际状况，并对潜在问题和风险进行控制，根据设计过程数据分析，不断优化设计方案，从而提高船舶的安全性和可靠性。在船舶开发方面，要重视数字化船舶建造、虚拟数字海洋模型的分析，然后通过科学计算机来验证“船舶安全、保安与稳定方案和软件应用”，从而体现出数字化理念在船舶设计过程中的重要性，下图1显示了船舶数字设计结构示意图，同时，CAE技术和数字模拟技术的不断更新和发展，不仅在船舶建造过程中得到广泛使用，而且也为船舶产品数字世界提供了一定的理论分析和数据支持。大量高精度传感器和高性能信息处理单元的应用，加上5G通信网络和高性价比卫星通信系统的辅助，构建覆盖范围广的船舶一体化信息系统，多源数据采集、融合处理和船舶间信息交流，为推动船舶产品全面数字化提供坚实的数据支持，同时三维设计、AR、VR等技术的发展开创了全新的设计理念和生产合作模式，极大地提高了工作效率和产品质量。

图1船舶数字化与数字世界

2、船舶数字化设计现状

船舶并行协同设计的重点是构建一个集成管理系统，该系统汇集了所有信息，以便管理员在执行数字化设计时立即访问所需的数据，与此同时，这一设计概念辅助船舶企业制定了统一的工程项目管理系统，并且使设计和生产活动能够按照相关的标准和要求进行建造，从而减少项目建设过程中的不确定性，进而提高船舶建造稳定性和生产效率，同时开发商和制造管理的竞争优势可以提高。从船舶建设的现状来看，协同管理模式的应用，不仅可以解决建造过程中的各种问题（复杂性、重要性和专门性等），同时还加快了船舶建造的速度和效率，另外，在设计过程中涉及多学科、多专业，通常从规划到准备阶段、实际生产和最终验收等各个阶段必须进行全方位合作，妥善处理各阶段之间的衔接问题，确保设计方案符合船舶建造的要求^[1]。

3、基于数字化技术的造船工装件设计与制造一体化研究分析

3.1、一体化设计工具选择与异构数据转换

目前，各种工业设计软件的特点包括：图形引擎性能、模拟计算能力和基于规则的特性，如果集成设计流程具有清晰的逻辑设计，则建议使用规则驱动软件作为平台，另外，有些软件具有良好的开放性，而有些软件具有特定使用性能。表1列出了集成设计各个阶段对工具性能的具体要求^[2]。

表1各阶段对设计工具性能特点的需求

3.2、一体化设计标准方案要点

《推进船舶总装建造智能化转型行动计划（2019—2021年）》明确指出，加快发展全三维数字设计理念，不断完善船舶建造设计方案和流程，推动船舶建造向熟悉花方面转型，此外，在船舶设计还必须三维数字交付在船舶建造的作用，探讨了初始设计、详细设计以及制造设计之间的协作机制，同时还提出了基于统一数据库的三维模型的初始和高级配置方法，不断对三维审查模式和审查流程进行优化和完善，从而实现前期规划和生产设计模型数据的无缝对接，保证船舶制造过程的顺利进行。本研究结合实际案例，开发了适用于船舶及海洋工程项目的一体化设计标准建设方案，方案涵盖从招标方案编制到施工图编制的全过程，下图2所示，在整个设计流程中，由于各个阶段涉及不同领域专业和不同具体任务，体现出协调工作多维特点。

图2一体化设计协调象限图

3.3、设计阶段三维设计

在详细设计阶段，设计师的主要任务是对船体进行一系列布局，以满足使用和强度要求，并最终生成审查图纸

在船舶设计阶段，要重视数字化技术的应用，并对船舶结构进行全面布局，保证设计方案与船舶建设的实际情况相符。在此过程中，涉及整体规划、结构设计、舾装布置、机械系统和电气系统的设计工作，需要更高的完整性和精度标准。因此，设计人员不仅需要专业领域的设计精度，还需要采用跨越学科界限的综合设计方法。这里介绍两款软件的组合。对于结构建模而言，《NAPAST》模块能够接收初步设计阶段的数据，进一步深化设计与建模（如图3所示），并用于生成施工图纸和物料清单。在设计过程中，设计师要借助《ST》模块对船舶进行设计，并对任意结构组件乃至整个船体模型进行网格划分，之后直接导出至《PATRAN》软件中执行有限元分析。

图3NAPAST结构三维效果图

为保证船舶设计的有效性和准确性，在设计过程中要引进了芬兰芬兰CADMATIC公司开发的《CADMATIC》软件,，并利用盖如案卷对船舶建造的各种出具进行集成和处理，生成涡轮机等专业二维原理图，然后根据软件的特性构建复杂三维模型，利用动态漫游功能工作现场进行模拟，从而保证设计思路满足船舶建造的功能^[4]。

3.4、知识工程引擎和优化算法库

船舶设计者工作站的数字设计平台以专家知识和船舶规格为基础，深入了解船舶设计原则，制定科学合理的设计方案和评估指标，同时通过使用《规则》的语义学技术，该平台可以将传统的设计理念转化为智能设计技术，然后通过计算机快速和准确地识别，以便在满足不同的设计需求外迅速识别设计过程中的智能规则，另外，该平台除了基础船舶设计参数计算方法外，还提供用于优化船舶配载方案的遗传算法和进化差分算法，以及装备转运路径的优化必须提供一系列算法的支持，包括用于化的路径规划算法、用于装卸计划生成的神经网络训练机制等。这些算法集成到统一的优化计算库中（具有通用接口的特性），可以根据需要灵活调用，无论是基于宏命令还是基于代码，都可以体现出平台功能的应用范围和效果^[5]。

3.5、船舶数字化并行协同设计要点

并行管理在项目管理中也占据相当重要的地位，其工作原理是通过从大数据中汇总船舶制造所需的各种信息，帮助优化系统设计，从而提高数据处理和审查的精度，另外数据的整理应该由各个部门并行进行。目前，我国尚未全面实施统一的船舶数字化设计规范，并且相关标准种类繁多，每一种都反映了船舶设计的不同要求，鉴于船舶的数字设计标准各不相同，实际应用技术时面临的具体需求和挑战也各不相同。面对这种多元化标准形势，采用并行协同管理方法有助于促进船舶数字化设计领域的标准化进程，建立完整的数字标准框架，根据实际情况提取船舶数字设计的关键特征和技术难点，制定更标准的设计流程和规范。

在船舶设计中分布式数据库技术也是非常重要的一项技术，在应用过程中应在考虑船舶设计过程中涉及大量的复杂资料和信息，为实现对这些资源的有效管理，设计平台采用分布式数据库技术，对多个子信息建立报系统，提高船舶数字化设计的信息管理水平。该技术基于整个系统的综合数据库，通过分布式架构设置多个子系统，满足不同类别信息的分类管理和共同利用需求：小型数据库不仅可以准确地分类和存储各种类型的信息，还可以有效地服务子系统中的信息存储和管理，主数据库极大地提高了信息获取的速度和准确性，并缩短了船舶的建造周期，以协调船舶数字化设计过程中的信息共享和访问，从而降低船舶建造的成本，提高企业经济效益。

3.6、结构专业一体化设计

在船舶设计阶段一体化设计，包括以下几点：第一，材料的微细化设计和三维模型构建，在进行结构强度分析和验证，提交三维模型供审查，然后根据审查反馈调整整体结构模型，根据分段要求剪切大型模型，生成相应图纸，与传统设计流程相比，集成设计的第一阶段工作内容有很大不同，传统结构工程师只设计二维布局图，而不需要对结构进行三维建模；在一体化设计的框架中，结构设计师要参考RSO表面创建大框架模型，并根据该模型提取结构尺寸等信息，然后进行有限元分析、组件尺寸优化等工作，从而保证设计环节的正常进行。

结束语

随着我国造船业的快速发展，对船舶设计软件的需求也在不断增长（包括对多样化、更灵活等特点），如果以此为契机研究船舶设计技术，可以预测我国的船舶设计将在不久的将来进入数字时代。未来船舶数字化解决方案需要从开始设计就紧密结合船舶开发过程，并与数字化设计理念深度融合智能化设计、统一数据源管理、全生命周期覆盖数字化环境建设、协同工作模式和自主控制等，从而加快我国船舶建造的速度。

参考文献：

[1]袁俊,杨晓锐,沈童伟.船舶三维一体化设计的探索和尝试[J].船舶设计通讯,2013,(S2):24-27.

[2]张辉,张胜文,杨戈.面向设计制造的船用柴油机零件全三维数字化定义研究[J].制造技术与机床,2013,(07):90-93.

[3]周清华,杜留法,杨雄辉.基于多点约束法的减摇鳍加强结构CAD/CAE一体化设计[J].上海交通大学学报,2012,46(08):1280-1283+1296.

[4]凌纯,周清华,杜留法.舰用减摇鳍加强结构的CAD/CAE一体化设计[J].舰船科学技术,2012,34(08):60-63.

[5]潘燕华,牟畅.基于设计生产管理一体化的船舶物资编码研究[J].舰船科学技术,2012,34(07):131-134.