船舶数字化设计的主脉--CAE信息链

作者：中国船舶工业集团公司第708研究所 胡安康

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 现代的CAE 技术已从传统的对工程和产品进行分析的工具，发展成为与三维CAD、虚拟仿真技术协同工作，集成的数值仿真系统。三维CAD 和虚拟现实技术已逐步取代传统CAE 的前处理和后处理器，与CAE 的单元库、解算器等构成了现代产品自主创新研发的核心工具，形成了一条紧密关联的数字信息链。 引言 目前，以信息化推动现代化已成为国家战略的重要组成部分和经济发展的引擎。我国的造船业和传统的制造业也由此面临着更为开放的市场环境、更好的机遇、更加激烈的竞争。这就要求企业必须不断提高新产品开发的技术水平和产品的市场竞争能力。随着市场需求的发展，船舶产品和船用装备的功能、结构日趋复杂，产品的更新换代也越来越快，新产品开发在整个产品生命周期内占有越来越重要的地位。 计算机辅助工程（CAE Computer Aided Engineering）是一个很广的概念，它可以包括工程和制造业信息化的所有方面，但是传统的CAE 主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性，CAE 技术已成为自主知识产权产品设计的核心支撑技术。 现代的CAE 技术已从传统的对工程和产品进行分析的工具，发展成为与三维CAD、虚拟仿真技术协同工作，集成的数值仿真系统。三维CAD 和虚拟现实技术已逐步取代传统CAE的前处理和后处理器，与CAE 的单元库、解算器等构成了现代产品自主创新研发的核心工具，形成了一条紧密关联的数字信息链。 船舶工业直接为国家现代化建设和海军建设提供船舶装备，是国防工业的重要组成部分。向国民经济建设提供海上运输装备和向海军部队提供新的海战能力的过程，是一个自主创新集成的过程，这一过程首先是从设计开始，设计是产品自主创新的关键。船舶产品的70% 以上的最终费用、性能和功能基本上是在设计阶段初期就已被“固定下来”，此时的船舶性能和功能设计只需最小的费用就易于更改。因此，研究基于船舶CAE 数值仿真分析信息链的数值仿真流程和数据管理，是实现船舶快速设计、柔性设计、综合优化的重要支撑, 将有力促进船舶设计技术创新、设计体制创新和设计装备创新，全面提升我国造船业的综合技术水平和竞争能力，确保一系列重大型号产品的自主创新研制。 船舶仿真分析数字信息链 船舶设计的过程是包含前期研究、概念设计、方案设计、技术设计、施工设计、生产设计的完整设计过程。船舶产品的设计是由浅入深、由粗及细，自顶向下不断深化的过程，设计的信息是一个连续的数字链，其复用性很强。 但是，由于传统的船舶设计的各个设计阶段是垂直、串联的过程，信息载体是二维图纸，信息的连续性、复用性很差，各个设计阶段及各个专业的信息来源于工程师的知识和经验，基本上是各为信息孤岛。由此造成设计时间很长、各专业间矛盾很大，以致设计质量问题突出。特别是设计院所与造船厂的交流不够密切，容易产生与制造工艺发生矛盾的情况。同时，如果设计院所不能提供与造船厂信息一体化的船舶模型，造船厂为了生产设计和制造的需要，要花费近2 个月的时间去建立模型，并且无法较早地安排设备订货和实施开工计划。这已成为缩短造船周期的瓶颈。 实际的设计过程应该是各个设计阶段并行、交互、重叠的过程，设计的理念也已从过去垂直串行的设计逐步转变为平行协同的交互式设计，即以客户为中心，在设计初期就充分考虑客户（军方/ 制造厂）的意见和要求，可将客户不断变化的需求在开发设计的过程中融合进方案中。使客户在船舶开工建造之前，就能够在仿真大屏幕上看到船舶性能和功能设计、建造、试验、使用和维修等方面的综合信息。现代船舶设计正是基于这一理念，以现代知识集成的思想、方法为指导，结合信息数字化、网络化及智能管理技术、并行协同设计技术以及先进造船模式的整体优化技术来完成船舶设计的全过程。由此也产生了以船舶CAE 数值仿真分析为关键节点，前连船舶CAD 设计全过程，后接船舶虚拟现实系统技术的船舶CAE 数值分析信息链。 现代船舶设计的特征模型 船舶并行协同设计的特征结构如图1 所示。 从图1 可看出，船舶并行协同设计的过程，要有一个支撑技术链来辅助船舶的三维设计及分析验证的实现，其主要是以三维综合智能数据库为基础与船舶产品数字模型、船舶数值分析工程库和船舶仿真功能库的集成系统（见图2 所示）。 从图1 支撑技术框架结构可见，船舶数值分析工程库是一个承上启下、左右关联的关键节点。但各个功能系统之间，互相不应该是独立的节点，而应该是由信息链将他们无缝连接。 船舶数值仿真分析的信息流 传统的船舶设计与分析的信息流如图3 所示。 传统的船舶设计是设计与CAE 分析为两段独立的信息，从设计方案模型到工程分析模型是一个非常复杂的过程，因为模型转换的工作量太大；尽管现在有前处理工具，但仍需人工处理，这已成为船舶快速设计的瓶颈。同时，其后处理工具也不直观，缺乏真实感和沉浸感，与现代船舶设计的要求还不相适应。 因此，研究基于三维综合智能数据库为核心，实现船舶产品数字模型、船舶数值分析工程库和船舶仿真功能库无缝集成的船舶快速设计、验证、仿真的数字信息链，不仅是船舶设计技术发展的需要，也是我国CAE 技术自主创新发展之路。 船舶数值仿真分析的信息链 现代数值仿真分析特别需要解决简便、快速和直观问题，使得更多的科技人员在设计时同步、方便使用。其构成见图4。 这样一个船舶数值仿真分析的信息链，集成了流体动力分析、结构的线性与非线性分析、声学分析、电磁场和爆炸分析、流体与结构及声与固耦合的分析和多物理场与多体优化分析等功能软件和分析流程；链接CAD模型向分析模型和分析模型向虚拟现实模型的自动转换及协同数据管理。可以用来对船舶产品进行工程分析和验证的作业进行协同或同步处理；可以对设计方案反馈，达到快速设计和系统资源优化的目的，实现设计分析并行协同。 数值仿真分析信息链的技术结构如图5 所示。 要实现上述的技术结构，关键是信息链的连接技术。鉴于船舶设计的复杂性，目前国际上任何软件公司都没有完整的产品、也很难做到覆盖全部功能，需要我们破解难题, 自主集成创新, 研究解决船舶仿真分析数字信息链的关键技术, 支持设计、测试和验证一体化平台的有序、高效、流畅运行，实现优化的流程管理，满足现代船舶产品创新设计和验证要求。 船舶数值仿真分析的信息链关键技术 • 知识库应用技术 收集数值分析流程采用的各种规则，经验，方法等，归并建立知识库，整理并总结形成条件、判断准则（标准）、结论三段式知识，集成于信息链。 • 数值计算模型生成技术 分析CAD 定义的船舶结构模型，除包括几何数据、属性、构件及位置、相互拓扑关系外，还有技术数据、管理数据、功能数据以及它们之间的层次关系；基于知识和经验的模型精简处理；有限元模型生成算法，生成符合船舶结构有限元分析要求的数值计算模型。 • 虚拟仿真模型生成技术 船舶CAD 模型解析，几何属性数据的管理和标准化导入，模型的精简、优化和转换。 • 协同管理技术 协同环境中，业务流程逻辑管理、知识库引用和提取的数据管理、多学科多方案关系管理等。 结 语 船舶CAE 数值仿真信息链以三维综合智能数据库为核心，必须实现船舶数字模型、船舶数值分析工程库和船舶仿真功能库的无缝集成。而其中的关键——信息链的连接技术，目前的IT 软件公司还没有完整的产品，需要我们自主开发相关的接口软件，这既是船舶设计技术发展的需要，也是我国CAE 技术自主创新发展之路。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/22/2009)