达索V5产品建模方法与基本结构设计

摘要

在竞争日益激烈的船舶制造业，造船厂一直致力于改进它们的设计流程。现在，IT 软件工具及IT 产业基础结构的进步给提高船舶设计流程的效率提供了可能性，因此，在提高设计质量的同时还可以大大地减少成本，并且能够按期交船。

在本篇文章中，我们将重点介绍 “基本设计”结构工程阶段。它是从和船东签署“初步设计”合同一直延伸到第一个要组装的分段需进行“详细设计”为止。

我们将通过达索V5 船舶建造解决方案提供的工程管理功能，详细地介绍和描述以下基本特征和科技创新的概念。

·工程管理
·三维快速建模与修改(建模理念，设计模板重用与协同工程)
·重量和成本计算（报告提取）
·强度分析（网格生成）
·分类工程图出图（自动注解和图形替换）
·与其它部门的协同设计（机器—设备布置，分布系统—干涉检查）
·自动转入详细设计的准备工作。

本文叙述V5 船舶建造解决方案是如何支持不同方法及其相关结果（CAD，Reports，等等）；并且解释这些方法是如何与上一级和下一级流程相连接，如何管理协同作业和船舶工程设计中所产生的大量数据。

简介

在过去的几年中，造船行业变幻莫测的经济形势一直阻碍船厂全球化进程在商业和技术上的实现。为了解决这种困难，造船厂不得不从管理（采取分包合同，协同设计，等等）和纯技术两个方面来改造其建造流程。现今这种随着科技进步而采取应对措施的自发积极性由于极其固定的计算机体系结构与生产领域中多样性信息体系而遭遇挫折。在过去，这两方面都需要大量的投资来确保它们是完全完整的，而这即使在今天也是维护预算中重要的一块。因此我们可以轻易地理解船厂为什么极其不愿意废除那些存在大的缺陷并且本身并不稳定的系统了（缺乏协同管理，数据重复，过期信息，错误，等等）。

如果目标是大大地改善任何一个工程项目本身所固有的三个因素（即研制周期，成本和质量）的话，那么建立在《产品模型》方法和基于不断发展的计算机体系结构基础之上的完整解决方案是关键的成功因素之一。这篇文章将通过叙述船舶设计流程中的一个比较重要的阶段“基础设计”来重点介绍此种方法的好处。

船体设计与宏

由于各型船舶本身的特性和固有的差异，很难三言两语清楚地描述船舶设计流程中特有的复杂性，尤其是事先定义一个可以应用于全船的通用流程。然而，可以在增值链中确定一定数量的宏流程，这些宏流程的应用边界和时间进度是随着船厂条件和船型的变化而显著变化。

每一个宏流程都由一组产品设计状态来定义并由它代表了一个项目进展状态。

·概念设计
·基础设计
·详细设计
·产品，检验与测试
·试航与交船
·保质期阶段

事实上，因为这些宏在特定的时间段中会交迭所以很难清楚地定义出它们之间的界限。这些宏的顺序和时间安排在《Top-Down》的一个方法中有描述，它针对的是船舶设计特有的问题。这种方法把船体分成一定数量的系统模块并且能够进行全船分析。当这些系统模块还可以再分时将其依次分解为一些子模块，最后是零件或是安装在甲板上的元件。最后，随着设计的不断进行，成型实物与参与人员数量成指数增加。

结构基本设计

基本设计是船舶设计流程中一个关键阶段。它是在总体设计（详细说明船东提出的规格阶段）之后，详细设计（生成必要的贯穿孔和准备产品整体结构阶段）之前。事实上，在总体布置方案确定之前基本设计就已经开始了。这种生产过程中的交替要求船厂不同部门人员在调整劳动力分配方面进行紧密合作，特别是设计流程中这个阶段的调整是繁多而又非常重要的。

这个阶段的目标是确定钢结构构件尺寸与确保建造工艺满足现有的船级社规范。钢结构包括所有承受船舶整体强度的构件（主要构件和次要构件）与承载局部强度并且连接构件的结构元件（开口，肘板，等等）。

在这个阶段中，主要任务是：

·研究船中横剖面
·绘制需送船级社审核的结构总图
·重量估算
·船体整体与局部结构建模（梁模型，有限元分析，载重，结果后处理）
·与船厂设计部门之间的协同设计（例如检查与核准贯穿孔信息）
·为详细设计模块做准备

船舶设计流程中钢结构重复出现的特性和繁多的规格使得只要将它们定义得足够精确就完全可以通用。受外协购件限制需提前考虑所有的并行步骤，并且这些限制将影响到快速寻找最优方案的任何一个决策（例如，某些大的设备如主机必须在其上船安装前一年就要订购,准确计算出它在机舱中所占的体积是很重要的）。

与船级社交涉

船级社自18 世纪成立以来就是海事界一个极其重要的服务组织。除了它们的本职工作外（船舶入级和注册），在最近的十年中，船级社还开发了计算机辅助工具（VeriSTAR-Hull，ABS-SaferHull，PrimeShip-Hull，等等）来分析容许规则限度内（屈服，失稳，疲劳，等等）的结构应力。

这些软件是在各个船级社的规范和数理方法（直接强度计算）基础上开发的，前处理和后处理功能的开发用以简化其结构分析。总之，人机工程学和使用方便性受到人们的特别关注。这些软件的最大缺陷是与船厂的生产流程相分离。尽管最近CAD 开发商和船级社紧密合作并且允许开发特定接口，但这些工具仍然与CAD 几乎不能通用。

另外一个重要的限制条件是不同规范与规则或多或少有些差别。尽管最近IACS（国际船级社联会）颁布了一个关于油船和散货船在不久的将来会在结构规范上统一的决议，但是标准化还是一个比较长远的目标。为适应而付出的巨大努力和为各个细节激烈争论的讨价还价之后，船厂必需设法应付这种状况。

缩短船舶交货前期准备时间以及受生产工具的约束使得这个关键阶段的优化变得尤为重要。这个阶段的目标是为了减少审批结构图时间而逐渐减少与船级社的交涉次数。

V5 PLM Shipbuilding Solution

概述

V5 PLM 船舶建造解决方案是一套完整的覆盖船舶制造业中所涉及的许多部门的一体化应用软件(如结构设计，舱室布置和舾装设备设计，基建设计，机械设备，管路设计，通风管路设计，电气设计及制造)。它支持协同设计功能并且还可以提供完全集成的设计流程和端对端的解决方案。

V5 PLM 船舶建造解决方案是基于部件的数据库（工程网络中心）而建构的，它把相关的船型数据（详细规范，草图，3D 部件，文档资料，规则，材料清单，2D 工程图，等等），甚至是第三方软件（如 naval architect 软件）生成的数据都集中到同一个工程项目文件夹中。工程网络中心组成公司的产品信息中枢，能够保证在一个虚拟的扩展企业中进行协同设计、管理、分发及使用产品定义信息。

图1 数字化企业的组成

在这个方法中，船被描述和分解成智能部件的集合体，每个部件包含大量的几何和工程信息，包括：

·部件标识（如创建者，数据， 生命周期），
·分类（如船底板，肘板，管路，弯管，阀门，泵），
·属性
·图形表示方式
·连通性（如与露天甲板和双层底的连接）
·参考文档（如详细规范，工程图）
·归类
·等等

这个系统结构可以保证创建一个服务于整个生命周期的、准确的、有重大意义的并且比较详尽的船体虚拟产品模型。它能够通过多种灵活的提取方法（不用引入特别的预定义将船体分成分段、系统或者区域）使得各个职能部门可以轻松访问数据库获得各自所需的数据。

产品建模与结构设计流程：

在大多数船厂，船舶的3D 表示一般仅限于详细设计模块，而结构基本设计流程主要依据2D 工程图，为了提取一些数据（如重量计算报告，有限元分析，等等）进而临时创建了基于2D 工程图参考数据生成的3D 模型。

V5 PLM 船舶建造解决方案从实施的观点提出了一个重要的突破点并且实际上影响到了整个船舶结构设计过程。在这个方法中，船舶设计的每一次循环都被认为是相同并且唯一的产品模型的给定的生命周期的完备；连贯性和信息流保存在工程网络中，并且为了避免重复而不断地精炼，因此在减少设计错误的同时可以提高生产效率。

图2 船体结构的设计流程

产品模型的精确性和船舶项目中不同设计组获取数据的便捷性有助于提出一些有启迪性的问题，而这在过去通常都太晚了；另一方面，这也加速了纠正措施的提出。

但是，船厂或设计所在选择这种方法来组织生产之前，必须先进行一个关于已经存在的工作方法、设计制造流程和工作流的深入分析。