0 引言

    數(shù)字化是制造業(yè)信息化的核心。隨著數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是CAD 及相關(guān)信息化管理平臺技術(shù)的日益普及，基于產(chǎn)品三維模型的數(shù)字化制造技術(shù)已經(jīng)成為企業(yè)信息化發(fā)展的趨勢。產(chǎn)品從基于功能的初步設(shè)計，到由原材料至最終零件狀態(tài)的工藝設(shè)計過程，融入了加工、檢驗等組成工藝鏈的多種工序的設(shè)計和制造信息。各零部件的三維功能模型，以及在各道工序下的幾何、工藝信息、工裝信和資源設(shè)備等信息的零部件的三維制造模型，形成產(chǎn)品的三維數(shù)字樣機。在現(xiàn)代數(shù)字化和集成化制造環(huán)境下，零部件的三維模型決定了產(chǎn)品設(shè)計到制造的質(zhì)量和效率，并實現(xiàn)產(chǎn)品研制經(jīng)驗知識的積累。因此，在產(chǎn)品研制過程中，如何發(fā)揮三維數(shù)字樣機的作用，是提高企業(yè)數(shù)字化制造能力的關(guān)鍵。

    基于產(chǎn)品三維數(shù)字化設(shè)計制造，形成產(chǎn)品研制過程的三維的數(shù)字樣機的形式， 已在航空、航天、汽車工業(yè)等行業(yè)的研制過程中得到廣泛應(yīng)用。由于船舶產(chǎn)品的相對復雜性，其三維數(shù)字化設(shè)計建造的應(yīng)用程度相對落后，尚未定義完整的三維數(shù)字樣船概念，更談不上全面應(yīng)用。參考航空等制造行業(yè)的數(shù)字樣機發(fā)展應(yīng)用經(jīng)驗，借鑒國外先進造船企業(yè)的三維數(shù)字化設(shè)計建造技術(shù)發(fā)展趨勢與應(yīng)用理念，提出造船行業(yè)三維數(shù)字樣船概念，描述全三維數(shù)字樣船的特征，結(jié)合船舶三維設(shè)計、數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)管理、虛擬建造、精度控制等，提出基于全三維數(shù)字樣船的船舶產(chǎn)品信息集成研究解決方案。

1 全三維數(shù)字樣船

1．1 通常意義下的數(shù)字樣機概念與特征

    數(shù)字樣機是對機械產(chǎn)品整機或具有獨立功能的子系統(tǒng)的數(shù)字化描述，這種描述不僅反映了產(chǎn)品對象的幾何屬性，還至少在某一領(lǐng)域反映了產(chǎn)品對象的功能和性能。

    數(shù)字樣機技術(shù)是以CAX／DFX技術(shù)為基礎(chǔ)，融合虛擬現(xiàn)實、仿真技術(shù)、三維計算機圖形技術(shù)，將分散的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)和分析過程集成在一起，使產(chǎn)品的設(shè)計者、制造者和使用者在產(chǎn)品的早期可以直觀形象地對數(shù)字化的虛擬產(chǎn)品原型進行設(shè)計優(yōu)化、性能測試、制造仿真和使用仿真，為產(chǎn)品的研發(fā)提供全新的數(shù)字化設(shè)計方法。

    狹義的數(shù)字樣機從計算機圖形學角度出發(fā)，認為數(shù)字樣機是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對產(chǎn)品模型的設(shè)計、制造、裝配、使用、維護與回收利用等各種屬性進行分析與設(shè)計，在虛擬環(huán)境中逼真地分析與顯示產(chǎn)品的全部特征，以替代或精簡物理樣機。

    廣義的數(shù)字樣機從制造的角度出發(fā)，認為數(shù)字樣機是一種基于計算機的產(chǎn)品描述，是對產(chǎn)品設(shè)計、制造、服務(wù)、維護直至產(chǎn)品回收整個過程中全部所需功能的實時計算機仿真，通過計算機技術(shù)對產(chǎn)品的各種屬性進行設(shè)計、分析與仿真，以取代或精簡物理樣機。

    無論是狹義的還是廣義的數(shù)字樣機，都具有以下3個技術(shù)特點：

    1)真實性。數(shù)字樣機的存在目的是為了取代或精簡物理樣機，所以數(shù)字樣機必須在仿真的重要方面具有同物理樣機相當或者一致的功能、性能或者內(nèi)在特性，即能夠在幾何外觀、物理特性以及行為特性上與物理樣機保持一致；

    2)面向產(chǎn)品全生命周期。數(shù)字樣機是對物理產(chǎn)品全方位的一種計算機仿真，而傳統(tǒng)的工程仿真是對產(chǎn)品某個方面進行測試，使產(chǎn)品獲得該方面的性能。數(shù)字樣機是由分布的、不同工具開發(fā)的甚至是異構(gòu)子模型的聯(lián)合體，主要包括CAD模型、外觀模型、功能和性能仿真模型、各種分析模型、使用維護模型以及環(huán)境模型；

    3)多學科交叉性。復雜產(chǎn)品設(shè)計通常涉及機械、控制、電子、流體動力等多個不同領(lǐng)域。要想對這些產(chǎn)品進行完整而準確的仿真分析，必須將多個不同學科領(lǐng)域的子系統(tǒng)作為一個整體進行仿真分析，使得數(shù)字樣機能夠滿足設(shè)計者進行功能驗證與性能分析的要求。

1．2 全三維數(shù)字樣船的概念與特征

    全三維數(shù)字樣船是一種基于全三維設(shè)計技術(shù)的船舶產(chǎn)品數(shù)字化描述，三維模型數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和應(yīng)用貫穿于船舶產(chǎn)品殼舾涂等各專業(yè)、多系統(tǒng)、跨階段的設(shè)計、制造和管理過程。

    全三維數(shù)字樣船技術(shù)是采用三維建模系統(tǒng)進行數(shù)字化產(chǎn)品定義，以CAX、PDM、ERP和MES技術(shù)為基礎(chǔ)，融合虛擬現(xiàn)實、工藝仿真技術(shù)、三維圖形技術(shù)，將船舶產(chǎn)品船體、舾裝、涂裝各專業(yè)的開發(fā)和分析過程集成在一起，定義出能夠為下游各應(yīng)用環(huán)節(jié)所使用的準確、完整、規(guī)范和有效的產(chǎn)品信息，使三維實體模型作為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)以工程圖紙為主，而以三維實體模型為輔的船舶建造模式。

    全三維數(shù)字樣船以數(shù)字化的方式完整地表征了船舶產(chǎn)品的特性，是實現(xiàn)船舶產(chǎn)品研制體系轉(zhuǎn)變的技術(shù)基礎(chǔ)，具體見圖1。

    1)產(chǎn)品三維幾何的表達。全三維數(shù)字樣船完整表達了船舶產(chǎn)品船體結(jié)構(gòu)、舾裝區(qū)域三維幾何模型，同時完整的表達了產(chǎn)品模型之間的拓撲關(guān)系，形成產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)樹，并描述了產(chǎn)品零部件之間的裝配關(guān)系；

    2)產(chǎn)品信息表達。全三維數(shù)字樣船在幾何表達的基礎(chǔ)上，定義了船體分段、舾裝托盤的屬性信息，分段與托盤的零部件加工信息、裝配信息，描述了產(chǎn)品的焊接工藝和涂裝工藝；

    3)具有船舶制造圖紙的可生成性。根據(jù)全三維數(shù)字樣船的三維模型及產(chǎn)品信息，可以生成船體生產(chǎn)、舾裝作業(yè)、涂裝作業(yè)等施工圖與安裝圖，生產(chǎn)滿足船體零件加工、舾裝管系加工的零件圖等，用于實際生產(chǎn)制造應(yīng)用；

    圖1 全三維數(shù)字樣船的特征

    4)具有船舶產(chǎn)品生產(chǎn)信息的傳遞性。全三維數(shù)字樣船的設(shè)計編碼信息、設(shè)計BOM信息、設(shè)計計劃管理信息等，通過樣船的信息集成流轉(zhuǎn)，由生產(chǎn)管理繼承應(yīng)用，進行生產(chǎn)計劃安排、任務(wù)包的物量計算、生產(chǎn)效率與負荷分析等；

    5)具有船舶產(chǎn)品制造信息的傳遞性。利用全三維數(shù)字樣船的模型、產(chǎn)品信息等，可以生成產(chǎn)品零件的制造BOM，用以作為領(lǐng)料依據(jù)，進行制造計劃的安排等；

    6)具有船舶產(chǎn)品可制造性分析。根據(jù)全三維數(shù)字樣船的模型和產(chǎn)品信息，可以進行設(shè)計評估仿真驗證，對分段、區(qū)域、托盤等劃分合理性和綜合布置合理性進行分析，對各類零部件進行設(shè)計過程的干涉檢測；通過三維虛擬裝配及工藝流程仿真，對船體裝配工藝和舾裝工藝可行性進行驗證分析，對船舶產(chǎn)品建造流程進行分析；

    7)具有船舶產(chǎn)品精度性分析。利用全三維數(shù)字樣船的模型和產(chǎn)品信息，對船體三維模型進行三維測量點的定義與標注，生成精度測量草圖，進行三維精度測量與模擬搭載，針對三維精度測量結(jié)果進行分段制造精度分析，針對模擬搭載結(jié)果進行模擬搭載精度誤差分析。

2 基于全三維數(shù)字樣船的數(shù)字化造船技術(shù)體系

    根據(jù)全三維數(shù)字樣船的概念和特征，全三維數(shù)字樣船的信息集成主要應(yīng)用如下技術(shù)：三維建模技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)、產(chǎn)品生產(chǎn)管理技術(shù)、車間制造執(zhí)行技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)以及精度控制技術(shù)。具體的技術(shù)體系如圖2所示。

    1)三維建模技術(shù)。三維建模技術(shù)主要包括三維模型造型技術(shù)、三維標注技術(shù)、三維模型的工藝信息建庫技術(shù)、裝配工藝建模技術(shù)、焊接工藝建模技術(shù)、專業(yè)圖紙生成技術(shù)等；

    2)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)主要包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理技術(shù)、BOM 管理技術(shù)、產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計管理技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成技術(shù)等；

    3)產(chǎn)品生產(chǎn)管理技術(shù)。產(chǎn)品生產(chǎn)管理技術(shù)主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理技術(shù)、生產(chǎn)計劃管理技術(shù)、制造BOM管理技術(shù)、設(shè)計與物資關(guān)聯(lián)技術(shù)等；

    4)車間制造執(zhí)行技術(shù)。車間制造執(zhí)行技術(shù)主要包括車間作業(yè)指令分解技術(shù)、車間級生產(chǎn)管理反饋和控制技術(shù)、作業(yè)技術(shù)變更管理技術(shù)、零件加工跟蹤分析技術(shù)等；

    5)虛擬仿真技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)主要包括設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、船舶大數(shù)據(jù)量處理技術(shù)、船舶三維數(shù)字化設(shè)計仿真評估技術(shù)、裝配過程自動生成技術(shù)等；

    6)精度控制技術(shù)。精度控制技術(shù)主要包括精度控制模型轉(zhuǎn)換技術(shù)、基于PDA測量誤差分析技術(shù)、模擬搭載三維標注技術(shù)、模擬搭載誤差分析技術(shù)、精度數(shù)據(jù)分析技術(shù)等。

    圖2 基于全三維數(shù)字樣船的數(shù)字化造船技術(shù)體系

3 基于全三維數(shù)字樣船的信息集成研究與實施總體方案

    根據(jù)全三維數(shù)字樣船的特征和數(shù)字化造船技術(shù)體系，結(jié)合高技術(shù)船舶研制的需求(以液化天然氣船LNG為例)，船舶產(chǎn)品全三維數(shù)字樣船的信息集成研究與實施采用如下方案：開展國內(nèi)外造船企業(yè)數(shù)字化技術(shù)發(fā)展趨勢研究，進行數(shù)字化造船理念的提升和技術(shù)的儲備；結(jié)合典型船舶以及高技術(shù)船舶LNG船研制需求，開展全三維數(shù)字樣船的業(yè)務(wù)需求分析；根據(jù)業(yè)務(wù)分析，進行全三維數(shù)字樣船功能建模，建立相應(yīng)的實施基礎(chǔ)標準；最后進行整體實施規(guī)劃，結(jié)合LNG 船的研制，形成信息完整的全三維數(shù)字樣船。整個研究與實施總體方案如圖3所示：

    1)國內(nèi)外趨勢分析。收集其他制造行業(yè)(如航空、汽車等)三維數(shù)字樣機的研究、應(yīng)用與發(fā)展趨勢資料，類比目前造船行業(yè)三維數(shù)字樣船的研究與應(yīng)用情況；研究國內(nèi)外數(shù)字化造船現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，重點析船舶CAD技術(shù)、三維建模技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)、船舶生產(chǎn)管理技術(shù)、虛擬制造技術(shù)、精度測量控制技術(shù)、數(shù)據(jù)集成技術(shù)、模型重用技術(shù)、數(shù)據(jù)建庫技術(shù)等；

    2)業(yè)務(wù)需求分析。結(jié)合LNG船研制情況，從設(shè)計、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)管理、建造等船舶研制主要業(yè)務(wù)進行業(yè)務(wù)現(xiàn)狀和需求分析，包括造船三維設(shè)計、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、基于任務(wù)包的生產(chǎn)管理、三維設(shè)計仿真評估與三維建造工藝評估等虛擬建造、三維精度測量與控制等精益造船等各方面業(yè)務(wù)現(xiàn)狀與存在問題，歸納相關(guān)的業(yè)務(wù)需求；

    3)功能分析與基礎(chǔ)標準建立。在業(yè)務(wù)需求分析的基礎(chǔ)上，進行三維設(shè)計、設(shè)計管理、生產(chǎn)管理、虛擬仿真和精度控制的功能建模， 同時歸納建立相應(yīng)的基礎(chǔ)規(guī)范與標準；

    4)整體實施規(guī)劃。從信息集成的角度，結(jié)合軟件工程，根據(jù)上述分析研究結(jié)果，開展系統(tǒng)功能需求分析和技術(shù)攻關(guān)，建立軟件體系與集成框架，進行相應(yīng)的集成開發(fā)與測試，最后結(jié)合LNG研制進度，形成LNG全三維數(shù)字樣船。

    圖3 基于全三維數(shù)字樣船的信息集成研究與實施總體方案

4 結(jié)語

    通過基于全三維數(shù)字樣船的信息集成技術(shù)研究，突破了船舶產(chǎn)品全三維數(shù)字樣船建模技術(shù)、基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的船舶產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)、基于三維數(shù)字樣船的船舶建造任務(wù)包管理技術(shù)、船舶三維設(shè)計與虛擬仿的數(shù)據(jù)重用性技術(shù)、造船精度補償值的設(shè)定技術(shù)、船舶產(chǎn)品制造信息集成應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)等六項關(guān)鍵技術(shù)，取得了造船三維設(shè)計、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)管理、虛擬仿真和精度控制等六方面共七項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件系統(tǒng)，形成了一批標準規(guī)范。

    同時，結(jié)合滬東中華造船(集團)有限公司17.2萬m³ LNG船進行各項研制成果的相關(guān)應(yīng)用，基本實現(xiàn)了全三維數(shù)字樣船定義與特征表述：在設(shè)計中，采用船舶三維設(shè)計系統(tǒng)SPD實現(xiàn)了船體和舾裝的全三維數(shù)字化設(shè)計，并進行三維標注和工藝信息建庫；通過船舶產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)SPDM 實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)的有效管理和并行協(xié)同設(shè)計管理，并通過與SPD以及后續(xù)的ERP及生產(chǎn)制造等系統(tǒng)的有效集成，初步實現(xiàn)設(shè)計BOM與制造BOM 的有效轉(zhuǎn)換以及POR(Purchase Order Requirements)采購需求有效管理；通過三維模型有效復用技術(shù)，進行三維設(shè)計仿真評估、三維裝配與建造主流程工藝仿真，實現(xiàn)虛擬建造；通過三維測量和造船精度補償技術(shù)，進行三維精度測量與模擬搭載，實現(xiàn)精益造船。

    研究與應(yīng)用結(jié)果表明，基于全三維數(shù)字樣船的信息集成總體方案切實可行。通過研究，使我國造船企業(yè)及新造船基地高技術(shù)船舶設(shè)計與建造水平躍上一個新的臺階，提升我國船舶行業(yè)高技術(shù)船舶設(shè)計與建造在國際市場上的競爭力，形成船舶行業(yè)先進的設(shè)計模式、建造模式和管理模式，縮短與國際先進造船國家的差距。通過對船舶產(chǎn)品全三維數(shù)字化系統(tǒng)和集成系統(tǒng)的自主研發(fā)，形成一批具有自主的知識產(chǎn)權(quán)軟件系統(tǒng)，打破國外軟件長期對國內(nèi)船舶企業(yè)的壟斷，引領(lǐng)船舶行業(yè)數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展；同時鍛煉和培養(yǎng)技術(shù)隊伍，促進我國數(shù)字化造船可持續(xù)的全面自主開發(fā)和應(yīng)用，取得較大的經(jīng)濟和社會效益，具備較強的行業(yè)示范效果和應(yīng)用推廣基礎(chǔ)。

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本文標題：基于全三維數(shù)字樣船的船舶產(chǎn)品信息集成應(yīng)用研究

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