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1、46卷第2期(总第169期)中国造船V ol. 46No. 2( Serial No. 169)2005年6月SH IPBU ILD IN G OF CH INAJune 2005文章编号:100024882 (2005) 0220075206收稿日期: 2005201219舰船数字化制造的若干关键技术吴强1, 2(1.中国船舶重工集团公司,北京100861;2 .哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨150001 )摘要数字化制造正成为推动21世纪制造业向前发展的主流,世界先进造船国家及海军强国广泛地开展了相关技术的研究应用工作。 本文根据舰船数字化制造的体系结构及功能需求,提出了舰船数字
2、化制造的若干关键技术及其技术内涵,涉及的主要内容有:舰船数字化制造技术标准及实施规范、 舰船工程共享信息库、 数字化企业管理与运行模式、 数字化并行协同设计技术、 舰船数字化建造体系和装备、 配套系统设备数字化研制技术等。关键词 :船舶、 舰船工程;数字化制造;关键技术中图分类号 :U 671. 99文献标识码 :A1引言数字化制造以其响应快、 质量高、 成本低和柔性好等特点, 正成为推动21 世纪制造业向前发展的主流 1。世界先进造船国家及海军强国广泛地开展了相关技术的研究应用工作。早在上世纪90 年代初 , 美国DA RPA提出了集虚拟样机技术和仿真技术于一体, 并对舰船设计 、 制造、
3、生命周期维护等各项过程兼 顾的新一代舰船设计系统 即基于虚拟仿真的舰船设计(V irtual Sim ulation Based ShipD esign) 2。 2000 年 9 月, 全美六大造船公司率先联合建成基于信息技术的造船虚拟企业(动态联盟 ), 它联合了造船的分包商、 供应商和舰船使用 、 检验、 研究部门 ,采用能交互的 、 一致性定义的设计 、 建造过程控制方法 , 实现了造船CAL S系统 4 。2002 年 4 月, 韩国三星重工正式启动 “数字化造船系统” 的发展计划 3。舰船数字化制造工程作为我国船舶工业信息化建设的主要内容和重点发展方向, 将有力地保证国家重大型号研制
4、生产的顺利进行, 并将建设起军船设计建造的快速反应体系; 同时也将大幅度地提升造船技术水平 , 切实增强国际竞争力, 对于我国迈向世界第一造船大国具有十分重要的意义。本文根据舰船数字化制造的体系结构和功能需求, 介绍了实现舰船数字化制造的若干关键技术。2舰船数字化制造总体结构4 舰船数字化制造(D itigal M anufactu ring fo r Ship,DM S) 是指在计算机技术、 信息技术等支撑技术的支持下 , 在对舰船设计制造过程进行数字化的描述而建立起的数字空间中完成舰船产品的研制过程。其实质是基于产品描述的数字化平台, 建立基于计算机的数字化产品模型,并实现产品开发全过程的
5、数字化。 因此, 它的基本特征表现为: 设计制造全过程信息融合及过程集成管理、 数字化建模仿真与优化、面向产品全生命周期。 其特征结构如图1 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 图1舰船数字化制造特征结构舰船数字化制造系统的目的是实现舰船研制过程中不同数据、 应用、 流程和服务的共享和协作, 其应用对象是具有复杂信息环境、 复杂信息关联的舰船设计制造企业。 它是在面向集团公司的网络系统及其分布式数据库和应用系统
6、的基础上, 建立能够支持集团范围信息集成、 过程控制与资源共享的平台,通过平台提供的专业化系统服务、 管理以及集成接口, 实现并行 、 协同、 实时的舰船产品研制。 其体系结构见图 2。图2数字化舰船制造系统体系结构3舰船数字化制造的关键技术483. 1舰船数字制造技术标准及实施规范舰船设计制造是一项非常复杂的工程, 它是由多团队 、 多领域 、 多厂所共同参与开发, 涉及大量的信息系统 ,并且需要在严格的流程管理控制下实现这些信息系统之间交互和协作。 目前针对不同的对象有不同的技术标准和不同的信息表达方式,但无法满足整个舰船数字制造过程的需要。 因此 ,在舰船数字制造技术研究中,其标准及实施
7、规范便成为关键问题之一。(1) 舰船工程编码技术: 根据 DM S 构建及运行的需要, 构建统一的舰船设计、 建造的工程编码体系 , 建立舰船工程编码管理系统,为舰船产品设计全过程及舰船建造、 维护提供统一的编码依据, 保证信息的一致性;(2) 舰船数字化制造参考模型: 构建完整的 DM S 参考模型库 , 规范并优化舰船设计、 生产、 管理流程 , 指导舰船研制相关单位的协作流程构建和信息共享与交换, 为信息系统的选择、 开发、 实施、 运行和动态重组提供参考。3. 2舰船工程共享信息库(1) 舰船情报信息系统: 建立以舰船专业情报部门为核心, 相关厂所情报部门为骨干, 形成一体化的信息资源
8、结构和协力式情报研究与服务环境, 实现知识资源的电子化、 网络化和预测及分析手段的现代化、 辅助决策过程的科学化;67中国造船学术论文名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - (2) 舰船母型船数据库系统: 按常规潜艇 、 核潜艇 、 水面战斗舰艇 、 军辅船等船型进行分类, 建立一个采用统一工程数据库结构技术、 具有独立管理功能、 开放式体系结构的舰船工程共享数据库, 完成舰船型号产品数据的综合管理, 建立数据库内部多种
9、数据的传递、查询响应机制 , 为新产品设计中船型优化、 性能预报 、 结构设计 、 设备及材料选择等数据源和工具, 建立起数据库与其它应用系统之间的耦合。该数据库系统应包含舰船母型船性能数据(实船阻力性能 、 推进性能 、操纵性能 、螺旋桨、 舵)、 结构数据(船用钢材 、 舰船结构图形 、 舰船振动性能数据等)、 产品数据 (舰船的线型 、 主要结构图 、 载重量、 航速、 总布置、 主要材料 、 设备等 );(3) 舰船综合性能优化设计及工程分析计算软件库:利用该系统能完成满足各项要求的优化的船体线型和螺旋桨设计方案, 并能给出优化设计方案的快速性、 操纵性和耐波性预报。 同时 , 应能够
10、满足D SM 系统的工程分析计算(如舱容、 稳性、 完工证件 、 结构有限元计算等) 的要求 ;(4) 舰船建造工艺数据库: 通过对舰船建造工艺数据、 技术标准进行研究分类, 建立工艺数据库管理系统 , 同时该系统应包含舰船现有建造工艺技术及国内外民用船舶和军用船舶的先进建造工艺技术(如分道建造 、 精度控制 、 高效焊接 、 区域舾装 、 区域涂装 、 管件加工 、 壳舾涂一体化 、 模块化建造等 ) , 为新型舰船建造提供工艺技术支撑;(5) 舰船规范及标准数据库:建立适合我国舰船设计和建造的舰船规范数据库、 舰船标准数据库集成系统 ,开发先进的管理功能完备的舰船规范、 标准数据库 , 实
11、现数据库实用化的网上查询系统, 舰船规范、 标准的电子化制订系统。3. 3数字化企业管理与运行模式(1) 舰船数字化制造系统体系结构: 运用过程建模 、 分析和重构技术手段, 结合先进的信息技术和设备 , 构建数字制造系统总体框架、 分系统构建方案, 为实现舰船研制相关厂所之间的信息集成及协同设计、 集团公司内部管理提供技术和管理平台;(2) 企业管理运作模式:按舰船数字化制造体系的要求,分析集团公司厂所企业功能体系构成、 组织结构及量化管理方法, 构建企业内部及企业间信息管理组织新型模式, 建立总体优化的生产管理模式 , 形成管理结构合理、 业务层次分明 、 运行机制良好的管理模式;(3)
12、决策支持技术 : 建立市场预测 、 船舶经营 、 资本运营 、重大型号项目管理和企业发展战略等方面的决策模型 , 建立舰船各类用户应用对象的决策支持系统;(4) 电子商务系统 : 整合优化船舶工业物流系统及采购系统, 开发相应的信息系统, 实现基于互连网的船用材料 、 设备的电子采购及销售和交易电子商务。3. 4舰船数字化并行协同设计技术(1) 全舰三维数字化电子样船技术: 根据舰船设计制造特征, 研究建模的流程规范、 产品数字化基础模型 、 数字化约束模型和数字化信息变换模型(算法)、 产品的状态信息数字化和可视化技术、 三维实体模型与信息库间的关联原则等, 实现船体 、 机、 电、 武器等
13、自顶向下设计全过程三维数字化技术在舰船复杂产品上的应用;(2) 并行协同设计环境及其协调技术: 面向整个产品生命周期, 以业务流程为中心, 研究基于并行的产品 、 流程、 资源的建模和管理技术, 建立支持平行协同设计的平台; 研究并行协同设计过程中的冲突协调技术及设计审核机制,使得不同厂所之间协同工作共同完成舰船的设计;研究基于W eb的三维数据交流和产品协同技术, 包括产品结构协同、 支持上下游相关设计技术、 支持产品开发更改控制技术以及支持企业内或企业间的合作技术等。 为实现舰船总体设计所、 船厂、 配套设备系统厂所之间进行并行协同设计提供平台, 以满足对信息快速、 及时的共用要求 ;(3
14、) 知识驱动的设计方法: 面向对象知识库技术, 包括知识的获取 、 推理与应用 ; 设计信息和知识的合理流向转换与控制; 设计知识的融合 、 管理与共享等 ;(4) 分布式产品数据管理系统: 为支持舰船行业的动态联盟, 需要采用面向敏捷制造的分布式产品数据管理系统 。 具体内容包括分布式产品数据管理平台、 产品全生命周期数据集成技术、 应用开发工具 、7746卷第2期(总第169期)吴强:舰船数字化制造的若干关键技术名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页
15、- - - - - - - - - 基于 D PDM 的异构软件封装和集成技术等;(5) 异构 CAD系统集成技术 : 舰船设计中采用了多种CAD软件系统 ,通过研究标准格式接口文件集成方法 、 基于统一的产品数据模型和数据库的集成技术、 基于 PDM 的异构 CAD 之间的集成技术等,实现异构CAD系统之间的信息集成;(6) 舰船设计仿真和虚拟制造技术: 以计算机技术 、 仿真技术和多媒体技术为技术支持, 对舰船产品及其设计 、 建造过程进行统一建模, 进行可生产性 、 可操作性 、 可维修性检验, 舰船运行和作战环境的模拟 , 舰船可制造性 、 制造成本 、 制造过程规划仿真, 实时地以及
16、并行地模拟出舰船未来建造的全过程;(7) 舰船费用及评估系统:运用现有的CAD软件,引进或自主开发新的模块,逐步解决自顶向下的设计满足快速建模、 多方案比较所要求的三维模型的快速费用评估系统。 按战技指标要求向军方及主管部门提供规范化的、 适应设计结果的费用评估结果。3. 5舰船数字化建造体系和装备舰船数字化建造综合应用各种先进制造技术, 按现代造船模式的要求, 系统构造企业的信息层次,快速优化地进行资源配置, 并行实时动态地流程控制, 智能敏捷地造船 。 其特征为 :“可视化虚拟策划; 社会化资源配置 ; 数字化加工装配; 智能化敏捷造船; 动态化并行控制 ; 全程化服务保障” 。(1) 并
17、行建造模式:开展以船台为中心的造船并行工艺流程的优化配置研究,确定企业的标准工艺流程 ; 研究在舰船并行设计阶段进行舰船分解为中间产品的技术; 按区域 阶段类型确定各工序环节的生产节拍 , 确定企业生产作业的标准日程, 使并行设计和并行制造按相应的节拍形成流水作业; 按区域阶段类型系统测算生产环节的工序能力, 通过工序能力的数量化测算, 进行生产任务和生产能力的平衡分析 ,实现生产资源的最佳配置;(2) 造船过程建模与重构: 对舰船设计 、 建造、 管理流程进行分析和规范化, 研究造船过程的建模分析、 过程重构与资源配置等技术,建立从舰船研究 、 设计、 制造到交付全生命周期的过程模型(涵盖资
18、源 、组织、 信息、 经济等方面信息) , 提供简明统一的模型语言,使企业快速动态地组织生产。 同时 , 通过过程建模与分析系统 、 资源配置系统 、 产品商务系统 、 供应链管理系统等的集成,改进企业的物流 、 价值流、 信息流 ;(3) 船舶企业资源计划系统实施技术: 在现代造船模式基础上, 构建舰船建造的ERP 系统体系结构; 并结合船舶企业管理特点, 研究船舶ERP 系统的实施技术, 包括构建船舶行业适用的ERP 系统的功能体系 、 关联关系和生产管理模式, 研究 ER P 在船舶建造中的模式、 功能和流程的订制方案, 研究面向 ERP 的企业生产管理模式和变革方法, 以及制造 BOM
19、 生成技术和ERP 的快速配置技术等;(4) 造船精度控制:形成适合我国舰船建造的精度补偿体系和精度控制方法,在分段及舾装件精度尺寸控制下 , 实现舰船建造的自动化, 包括建立造船精度控制体系、 精度补偿值体系、 工序标准余量体系、 精度控制方案与生产设计的集成、 精度控制过程体系、 舾装件的精度控制等;(5) 自动化装备 : 研究、 设计舰船数字化建造装备运行体系中各工艺阶段的关键设备, 在船舶建造流程中形成流水或准流水生产方式, 包括钢材自动化加工技术与装备、 船体自动化装配焊接技术和装备、 施工现场 (船台船坞码头) 移动式机加工设备、 船舶管系加工自动化装置系统、 船舶涂装自动化技术与
20、装备等 。3. 6配套系统设备数字化研制技术(1) 舰船动力数字化研发技术: 实现舰船动力数据共享、 异地协同设计 、 虚拟设计制造与试验、 关键技术的试验验证 、 动态响应及故障诊断等研发、 评估体系 ,构建舰船动力(包括柴油机 、 燃气轮机 、 后传动装置、 核动力核二回路主汽轮机组、 综合电力推进及特种推进等) 信息化研发 、 制造体系 。 关键技术包括舰船动力数字化样机设计技术及虚拟设计、 制造及试验技术, 非标试验装置设计技术, 动态测试技术 , 舰船动力综合性能 、 关键零部件及装置技术试验验证技术, 试验数据库及知识库, 可靠性试验技术, 集成测试技术 ,故障诊断技术, 咨询评估
21、技术 , 新材料 、 新工艺及先进制造技术试验验证, 系统仿真技术 、 联合动力装置试验技术,舰船动力的设计准则、 设计规范 、 图库、 数据库技术等;87中国造船学术论文名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - (2) 鱼水雷数字化研发技术: 核心技术包括以CADCA E 为基础的鱼雷数字化预测设计技术, 以CA PP CAMCA T CAQ为基础的数字化鱼雷产品制造系统, 以仿真 、 试验反演为基础的靶场试验数据与信息
22、系统, 满足鱼水雷产品研制及后勤保障的SC MCRM 系统 , 鱼水雷产品PLM 系统ER P 系统;(3) 舰船信息化作战系统数字化研发技术: 舰船信息化作战系统是海军作战综合一体化电子信息系统 , 具备区域信息探测和传输能力, 可对敌实施主动电子进攻、 信息欺骗 、 协同作战和时敏打击。 舰船信息化作战系统数字化研发为实现海军信息战系统、 设备研制提供数字化平台。 关键技术包括海上多基地、 多层次警戒探测系统数字化研制技术,海战场宽带高速大容量通信及对潜通信系统数字化研制技术 , 舰船编队协同作战指挥系统数字化研制技术, 海上时敏打击联合火控系统数字化研制技术, 海上信息攻防系统数字化研制
23、技术, 舰船导航定位系统数字化研制技术等。4结语随着数字化技术的蓬勃发展,以数字化造船为核心的船舶工业数字化进程也逐渐加快。 本文所提及的相关关键技术是实现舰船数字化制造的重要基础及支撑技术,也是目前国内船舶工业发展的瓶颈问题的重要实用技术。 它对提高造船企业的数字化应用水平, 促进企业管理理念、 管理模式和管理方法的更新具有推动作用。 切实加强相关关键技术的研究开发对于全面提高船舶工业的整体能力,促进船舶工业向数字化的生产模式转变, 增强船舶行业的核心竞争力,满足我国海军武器装备建设和国民经济发展的需要具有十分重大的意义。参考文献1周祖德.数字制造的现状与发展J .中国机械工程, 2002,
24、13 (6).2Polin iMA .Impact of sim ulation2based design on todays shipbu ilder J . M arine T echno logy , 1997,34 (1).3http :www . shi. samsung. co. k r eng4中国船舶重工集团公司.舰船数字化制造示范工程项目建议书R .2004.5中国船舶重工集团公司,中国船舶工业集团公司.舰船现代集成制造与自动化装备创新工程初步设计报告R .2002.6林欧.舰船数字化设计技术J .上海造船, 2004 (2).7张圣坤.舰船虚拟设计与制造仿真J .上海造船,
25、 2001 (2).8周瑜.基于仿真的船舶设计方法J .造船技术, 2000 (2).Some Key Technolog ies of D igital M anufacturing for ShipW U Q iang1, 2(1 . Ch ina Shipbuilding Industry Corporation, Beijing 100861, China;2 .School of Shipbu ilding Engineering , H arbin Engineering U niversity , H arbin 150001, China)Abstract D igital M
26、 anufactu ring is becoming the mainstream of m anufactu ring in 21 century, and somecoun tries, w hich are advanced in shipbu ilding and have m ighty navies, have been doing research on9746卷第2期(总第169期)吴强:舰船数字化制造的若干关键技术名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5
27、页，共 6 页 - - - - - - - - - relevant technologies. T his paper, based on the system fram e and functi onalityrequirements of digitalm anufactu ring for ship, puts forward some key technologies of digital manufactu ring for ship, such astechnology standard and implementation regulation,shared info rmat
28、ion database, management andoperation pattern of digital enterp rise, digital concurren t and collabo rative design, building frame andequipm ents of digitalshipbuilding , accessory equipm ent digital development system and etc.Key words:ship engineering ; digital m anufactu ring; key technologies作者简介吴强 男, 1957年生,高级工程师,博士研究生,武汉理工大学兼职教授。08中国造船学术论文名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -