虚拟造船技术应用探讨

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1、 4 虚拟造船技术应用探讨虚拟造船技术应用探讨 谢子明1,2 徐东1,2 朱苏1,2 （1 上海船舶工艺研究所 2 数字化造船国家工程实验室 上海 200032） 摘摘 要要 虚拟造船技术是现代造船的关键技术，已成为全球造船企业提高核心竞争能力的重要措施之一。本文根据国外虚拟造船技术的发展趋势、国内研究与应用现状，提出了虚拟造船技术的体系框架，着重阐述了虚拟造船的应用技术：船舶虚拟设计评估与优化技术、船舶建造工艺仿真优化技术、船厂物流仿真与能力评估技术以及作业、运行保障仿真技术，为我国虚拟造船技术的应用提出发展方向。此外，本文对国内已有成果与深化应用进行了探讨。 关键词：关键词：虚拟造船 体系

2、 虚拟设计评估 建造工艺仿真 能力评估 运行保障仿真 1 1 引言引言 船舶建造虚拟仿真技术作为一种新型技术，旨在利用数字模型替代物理原型，对船舶的设计、制造及生产系统等进行仿真，以提高设计水平、建造质量，缩短产品研制周期。船舶建造虚拟仿真以船舶建造模式为基础，以三维建模、计算机图形学、虚拟仿真技术等理论和方法为手段，以典型的船舶为载体，立足于船舶建造的质量、成本和周期，面向船舶的研制、建造、维护和人员培训等，形成一个理论方法和应用相结合的技术体系。船舶建造虚拟仿真技术是基于计算机和信息技术的一种新的先进造船技术，是船舶数字化建造的具体体现，对船舶产业的科技发展具有重要意义： （1）满足国家发

3、展战略需求 国防科工委等国家部委相继分布了船舶行业中长期发展规划和船舶行业发展“十一五”规划纲要 ，指明了船舶行业的发展方向“突破虚拟造船等关键技术，构建设计建造管理一体化信息平台，实现船舶设计建造全过程无缝集成，着力自主创新，增强产业创新能力出发” 。 为了推动我国船舶的科技发展，提升国家竞争力，迫切需要研究和形成基于数字化集成仿真的快速响应现代制造模式，掌握核心技术，在船舶行业内推广应用，从而推动我国船舶科技更快更平稳更扎实的发展。 （2）促进工业化和信息化融合 全面运用虚拟仿真技术改造传统产业，提升传统产业竞争力。着力推进船舶的开发、设计、制造与创新的虚拟仿真技术融合，深化虚拟仿真技术在

4、船舶设计、制造与适用过程中的渗透融合。推广船舶数字化制造集成仿真等先进制造技术，推进船舶的科技发展。以仿真技术提高造船企业的生产能力和物流效率， 推进企业管理信息化， 提高企业的业务管理能力。 （3）加快船舶工业快速发展，提升自主创新能力 基于虚拟仿真的方法促进了船舶设计、制造、使用等过程的变革，对缩短船舶的研制周期和降低成本费用效果显著。在船舶建造全过程中应用数字化仿真技术，将提供在“计算机中建造船舶”的能力，使用船舶的设计模型、建造资源模型，生产出数字化的船舶。在船舶的设计阶段，实时地模拟出船舶未来建造的全过程，并及时发现船舶设计中的问题，预测船舶性能、建造成本、可制造性，从而更快地组织生

5、产，使船厂和车间的资源得到更合理的配置，以达到缩短船舶的研制周期、降低成本、优化船舶的性能和提高建造效率的目的。 2 2 数字化造船数字化造船国外现状国外现状 造船发达国家纷纷利用信息技术给造船业带来的各种机遇， 积极开展船舶虚拟设计和建5 造仿真技术的研究。 韩国和日本的造船业， 虚拟设计与制造仿真技术研究开展得比较早， 并取得较好的研究成果。 对于首制高附加值船舶和船舶的设计和建造， 在实际建造之前都要利用虚拟仿真技术对设计结果、建造工艺和建造流程进行预先仿真，能够及时发现并纠正设计中存在的问题。由于虚拟现实技术可将仍处于概念阶段的设计方案以逼近于现实的形式呈现出来， 从而可以及早发现并纠

6、正设计问题。 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, 在 2004 年建成一套数字化造船系统， 可在虚拟环境下模拟从开工到下水的整个造船过程， 在船舶建造前对人力负荷、建造方法、物流及自动化应用等建造过程进行模拟和优化，从而大幅度提高生产效率。 2004 年，德国迈尔船厂开始实施船舶虚拟制造计划。该项计划将采用 IBM 公司开发的最新的产品全寿命期管理系统，使船厂能够在三维虚拟环境下完成船舶的开发和设计工作，并使供应链处于最佳运行状态。根据在船厂进行的试验，采用产品全寿命期仿真系统后，船舶设计时间将缩短 30%，建造时间下降 20%，产品目录可减少 50%，船

7、厂的生产效率将大幅度提高，市场竞争力明显增强。已于 2006 年末该系统将在迈尔船厂全面投入使用，IBM公司已经与迈尔船厂签订了合同。 美国自 90 年代开始，由国防部和军方共同制订和实施的一系列以虚拟制造技术为主导的先进制造技术计划列入船舶关键技术计划和船舶科学技术发展战略中。美国 1999 年启动了 NSRP ASE 计划旨在推进美海军舰船的设计建造尽快实现全面的数字化， 美国主要军船厂诺斯罗普格鲁门的英格尔斯船厂、 纽波特纽斯船厂、 阿冯达尔船厂， 通用动力的电船公司、国家钢铁造船公司、巴斯钢铁公司等都参加了该计划。 3 3 虚拟造船应用体系虚拟造船应用体系 虚拟造船技术的应用体系从支撑

8、技术、 应用技术两个层面较全面地展示虚拟仿真技术在船舶行业的应用范畴， 如图 1 所示。 船舶建造支撑技术是船舶建造虚拟仿真应用技术的基础，涵盖船舶虚拟建造的各种关键技术，包括异构系统数据转换平台，三维快速建模技术、网络与数据库技术、物流仿真技术等。 船舶虚拟仿真应用技术则详细描述虚拟仿真在船舶行业的应用范畴， 主要包含四部分内容：船舶虚拟设计评估与优化技术、船舶建造工艺仿真与优化技术、船厂物流仿真与能力评估技术与作业、运行保障仿真技术。国内船舶行业在前三个方向都开展了一些工作，基本突破了常用异构系统数据转换、船舶产品虚拟评估技术、船舶工艺自动建造技术、船舶焊接工艺智能设计与统计技术等关键技术

9、， 并开展海工装备的总体建造方案仿真， 多型船舶与海工装备的建造工艺仿真，船厂建造资源能力评估等工作。然后，在建造工艺深化应用、船厂物流仿真、运行保障领域的应用较少，深度也较浅，将是未来发展重点。 4 4 船舶虚拟仿真应用技术船舶虚拟仿真应用技术 4.1 船舶虚拟设计评估与优化技术 船舶不同于一般批量产品制造，是资金、技术密集型产品，具有系统复杂、空间狭小等特点。在无物理样船的情况下，往往造成船舶制造返工多，周期长，质量无法控制等问题。在船舶设计阶段，应用虚拟评估与优化技术，设计单位、制造厂、配套厂、船东、客户等各方参与，对船舶的总体布置、舱室布置、设备布置、系统管路与电缆走向、结构开孔等进行

10、总体协调与平衡，对提高船舶产品的设计质量、可制造性、可维护性等具有重要意义。 6 船舶虚拟仿真船舶虚拟仿真 应用技术应用技术异构数据 转换技术船舶虚拟设计 评估与优化技术船舶建造工艺 仿真优化技术作业、运行 保障仿真技术总 布 置 虚 拟 评 估 与 优 化舱 室 布 局 虚 拟 评 估 与 优 化总 体 建 造 方 案 仿 真焊 接 工 艺 虚 拟 设 计 与 验 证典 型 故 障 虚 拟 维 修 技 术远 程 可 视 化 维 修 技 术船舶建造船舶建造 虚拟仿真虚拟仿真支撑技术支撑技术三维建 模技术船舶虚拟仿真技术体系船舶虚拟仿真技术体系船 厂 总 体 布 局 三 维 仿 真 与 优 化船

11、厂物流仿真 与能力评估技术网络与数 据库技术建造工艺自 动仿真技术设 备 、 系 统 与 电 缆 的 虚 拟 综 合 平 衡海 工 装 备 建 造 计 划 仿 真 与 验 证船 厂 建 造 资 源 能 力 评 估 与 负 荷 分 析船 体 典 型 建 造 工 艺 分 道 建 造 仿 真船 舶 虚 拟 操 作 三 维 电 子 手 册船 厂 场 地 资 源 利 用 仿 真 与 优 化内 业 车 间 建 造 资 源 布 局 与 物 流 仿 真船 舶 运 行 保 障 电 子 手 册物流仿 真技术计划仿 真技术建 造 主 流 程 仿 真区 域 舾 装 作 业 仿 真工 程 分 析 数 据 可 视 化图

12、1 虚拟造船技术应用体系 （1）总布置虚拟评估与优化 在船舶详细设计前，在虚拟环境下对其总体布置进行仿真，建立船体、舱室、设备、装置、逃生装置等完整的数字化环境。以总体功能和性能发挥最佳效能、安全性、装备安装和操作空间、可操纵性、船员逃生、船员舒适性等为评价原则，对船舶总体布置的合理性进行验证和优化。 （2）舱室布局虚拟评估与优化 采用专业工具将船舶的设计模型导入仿真软件， 在虚拟环境下建立逼真的 1:1 全尺寸虚拟模型， 各舱室内部安装着千百台与实际设备相同尺寸的虚拟设备模型和综合交错的系统管路和电缆。设计、建造与使用人员共同参与，进行舱室布局的虚拟评估。通过反复调整每一台设备、装备的位置，

13、实现舱室布局优化。开展所有水密舱室结构开孔位置的虚拟评估，确保开孔位置的合理性，并在加工阶段进行数控切割提供依据。 （3）虚拟综合平衡 船舶具有结构复杂、系统密集、精度要求高等特点，若设备布置、系统走向、结构开孔等不合理，将对船舶的安全、性能、可制造性、可操作性、可维修性等都会产生严重影响。在虚拟环境下，设计、制造、使用、配套等各方人员在设计阶段共同参与虚拟综合平衡，实现所有设备、仪表、系统管路、电缆的合理布置和精确定位，并取得整个船舶的协调平衡，从而在设计过程更全面的考虑建造、使用和维修等方面的问题。 7 （4）总体建造方案仿真 根据船舶产品的具体参数、企业的设备资源、生产计划大节点，对总体

14、建造策略进行虚拟仿真，船东、船级社、船企设计人员共同对建造方案的可行性进行共同评估，根据评估结果对建造策略进行修改和优化。 （5）工程分析数据可视化 在船舶设计阶段，需要进行结构强度、水动力、稳性等性能分析，其数据以数字、二维图形或三维图形二维显示等形式表达，性能评估效果受到限制。工程数据可视化技术解决CAE 仿真分析数据在虚拟环境的可视化，将变形、应力、应变、温度、流体速度、加速度、噪声等数据在超大屏幕上以立体方式直观、 形象地展示给工程设计人员， 深入挖掘各种性能数据，为船舶的性能优化提供决策。 4.2 船舶建造工艺仿真与优化技术 船舶工艺仿真与优化技术对建造过程、工艺规划、制造精度、吊装

15、安全等进行虚拟仿真与验证，若问题在建造前改进，可避免重大失误，确保船舶的质量和周期。船舶建造工艺仿真与优化技术包含以下内容： （1）焊接工艺虚拟设计与验证 焊接是船舶最主要的连接方式，其焊接工艺信息将为计划制定、物资采购、人员安排、设备配备、生产组织等提供基础数据。由于单个产品的焊缝数量达到数百万条，设计工程量巨大， 船厂一般只设计少量重要焊缝的工艺信息。 焊接工艺智能设计技术将综合考虑船厂实际制造能力、船舶的制造特点，结合三维设计系统、焊接工艺规范等信息，进行焊缝识别、焊接工艺的智能设计与虚拟设计， 实现各种焊接工艺信息统计与管理， 为各种需求提供最真实的基础数据。焊接工艺可视化则提供可视化

16、环境，对焊缝信息进行检查与修改。 （2）船体典型建造工艺仿真技术 船体结构是船舶建造的重要内容，贯穿整个建造过程，按制造阶段划分为小组立、中组立、大组立、总组与搭载等阶段。在解决船舶建造工艺基础技术的基础上，根据船舶建造工艺方案，对船舶建造各阶段的典型结构进行仿真。在分段建造阶段，对艏部、艉部、双层底、货舱、锚台等分段的建造工艺仿真，形象地展示建造工艺流程，对建造工艺的合理性和可行性进行验证，并形成建造工艺的仿真视频，指导现场作业。 （3）舾装作业仿真技术 船舶的舾装作业约占据整船建造周期的三分之一， 覆盖船舶建造的主要阶段。 在先进造船模式下，分段舾装、总段舾装是舾装作业的重点。舾装作业仿真时，模型包括船体、舾装以及工装，模型规模比较大，需突破海量数据实时仿真技术，并开发专业软件，对舾装作业过程进行可视化仿真，以大幅度减少建造返工。 （4）建造主流程仿真 建造主流程体现了船舶的总体建造策略，传统采用框图方式阐述，直观性差，且无法体现船厂的建造资源。根据建造主流程方案，建立船厂建造资源的三维模型，按分道建造方式进行仿真。对码头下料、堆场、钢