船舶虚拟制造技术

6.5.2　船舶虚拟制造技术

船舶虚拟制造技术是虚拟制造技术在船舶研制中的实例化应用。作为一种新型技术，旨在利用数字模型替代物理原型，对船舶产品的制造以及生产系统进行仿真，以提高建造效率、缩短建造周期。船舶虚拟制造仿真以船舶先进制造模式及三维建模、计算机图形学等理论和方法为基础，以计算机仿真技术为支持手段、型号产品研制为载体，立足于船舶建造的质量、成本和周期，面向船舶产品研制、建造、维护和人员培训等。船舶虚拟制造技术是基于计算机和信息技术的一种新的数字化造船技术，借助于这种技术可以作出前瞻性的决策与实施方案的优化，对船舶科技的发展具有重要意义。虚拟制造技术在船舶研制过程中可用于设计验证、工艺验证、流程优化和维护保障等多个方面。

6.5.2.1　船舶产品虚拟设计评估与优化技术

船舶制造不同于一般批量产品制造，特别是技术含量高的首制高新技术船舶，在无物理样船的情况下，往往造成返工多、周期长、质量无法控制等问题。应用虚拟评估与优化技术，可让设计单位、船东、制造厂等各方参与，对虚拟船舶进行产品功能、性能、可制造性等分析，提高船舶的设计质量、减少返工等具有重要意义。

船舶虚拟设计评估与优化技术群包含如下技术：船舶总布置虚拟评估与优化、舱室布局虚拟评估与优化、船舶虚拟综合平衡、船舶工程分析数据可视化、船舶性能虚拟测试等应用技术、船舶焊接工艺智能及可视化设计技术等。

1）总布置虚拟评估与优化技术

在船舶详细设计前，对船舶的总布置进行虚拟仿真，建立船体、舱室、设备、装置、电缆、管路、武器系统、逃生装置等完整的数字化环境。以设备最佳效能发挥、设备安装和操作空间、可操纵性、空间控制、船舶安全性、船员逃生、人员舒适性、物流顺畅等为评价原则，对船舶总布置进行合理性验证和布局优化。

2）船舶虚拟综合平衡技术

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，通过船舶虚拟评估软件，设计、制造、使用、配套等各方人员在设计阶段共同参与综合平衡，从而在设计过程更全面地考虑船舶建造、使用和维修。

3）船舶工程分析数据可视化技术

在船舶设计时，CAE仿真数据以数字、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，深入挖掘船舶的各种性能数据，为船舶性能优化提供决策。

4）船舶性能虚拟测试技术

船舶操纵性、快速性、耐波性、稳性和抗沉性、结构可靠性等是决定船舶总体性能的关键技术指标，在无数字样船的情况下，通过CAE、CFD等工具对各种设计方案下虚拟船舶的总体性能进行虚拟测试，实现船舶性能的预报、设计验证与优化。

5）船舶焊接工艺智能化及可视化设计技术

焊接是钢质船体建造最重要的工艺和作业方式，焊接作业覆盖了船舶建造的各阶段，焊接作业时间约占船体建造工时的30%～40%，且需消耗大量焊材。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。由于船舶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。目前，船厂主要依赖经验进行焊接物量、工时估算，导致计划与实际节点脱节、焊材积压或不能及时到位、人员安排不合理、成本预算与实际不符等问题。

焊接工艺智能化设计技术综合考虑船舶设计数据、建造工艺、焊接工艺标准等数据，能够从设计系统提取已有的焊接工艺数据，对缺失的焊缝设计进行智能设计与可视化设计，实现各种焊接工艺信息统计与管理，为造船精细化管理提供基础数据。焊接工艺可视化则提供可视化环境，方便对焊缝信息进行检查与修改。

6.5.2.2　船舶制造工艺仿真与优化技术

船舶制造工艺仿真与优化技术对船舶制造过程的关键技术和建造过程进行虚拟仿真，对建造过程、工艺规划、制造精度、吊装安全等进行虚拟仿真与验证。若问题在建造前已改进，可避免重大失误，确保船舶产品的质量和周期。

船舶制造工艺仿真与优化技术群包括：建造过程仿真与精度分析、船舶分段与舾装模块仿真、船舶典型结构焊接变形预测与控制、船舶复杂曲板成形测量与偏差分析、涂装工艺仿真和优化、大型总段吊装、移动仿真与优化、特种装备安装仿真与优化、大件吊装动力学仿真与优化、船台下水工艺仿真与优化等。

1）建造过程仿真与精度分析技术

在船舶设计阶段，对各建造阶段的作业过程和工艺规划方案进行仿真与验证，制订可生产性改进意见，利用精度数据库对研制产品进行精度预分配，保证设计决策不损害建造策略。在实际建造过程中，采用先进测量设备对船舶中间产品进行精度测量与分析，并进行精度控制，为无余量搭载创造条件。

2）船舶分段与舾装仿真技术

在船舶设计阶段，对各类分段（甲板、舷侧、底部、纵横舱壁、艏部、艉部、甲板等）、舾装模块（舵系统、锚泊系统、起货系统、救生系统、舱盖、系泊等）进行交互式装配仿真，检验对象的可装配性以及工艺的可行性和合理性，以减少返工、缩短周期，提高质量。

3）典型结构焊接变形预测与控制技术

高性能船舶广泛采用薄板，焊接变形大，是实现精度造船的主要障碍，对先进造船方法的应用、船舶精度控制、分段总段的装配等产生不利影响。在船舶结构尚未装焊前，采用数值计算方法对结构的焊接变形进行预测，结合实测数据，逐步掌握典型结构的变形规律，并通过改进焊接顺序、焊接方法、反变形等措施，控制结构的焊接变形，提高船舶的建造精度。

4）涂装工艺仿真技术

涂装作业是船舶建造工程的重要组成部分，通过工艺仿真解决涂装的可操作性、建造过程涂层受损之间的平衡问题，实现涂装工艺过程的优化。同时，在涂装工艺仿真过程中，对各区域、舱室的涂装面积、涂料进行计算，为涂装作业精细化管理提供基础数据。

5）大件吊装动力学仿真与优化技术

建立船舶大件吊装过程吊装设备、钢丝绳、吊环、吊件等组成系统的动力学模型，分析吊装过程吊装设备的倾覆稳定性，吊钩、钢丝绳、吊环和拉索的受力，吊件的变形和损坏情况，验证吊装方案的合理性，评价吊环分布对吊装安全性和施工便利性的影响，为吊环优化布置方案、吊装优化方案提供依据，确保吊装安全性。

6.5.2.3　船舶物流仿真与船厂布局

船舶物流仿真与船厂布局技术群包括：船厂总体布局仿真与优化、船厂制造资源和物流资源可视化建模、造船主流程和施工方案的仿真与优化、内场立体作业物流仿真与优化、分段流通过程仿真、总组场地建造流程仿真、坞内搭载过程仿真与优化、船体与舾装同步并行作业仿真等。

1）船厂总体布局仿真与优化技术

船厂各个车间、堆场、船坞和吊装设备等资源的布置以及道路分布对于物流畅通、设备操作可行性和便利性及提高场地面积使用率等起着至关重要的作用。无论是新建船厂，还是旧船厂改造，船厂的总体布局优化都是必需的。采用船厂布局和漫游软件系统，实现基于造船主流程的船厂布局三维可视化。研究以区域造船理念、船舶总段大型化和模块化造船模式下，基于生产纲领的船厂布局优化技术，寻找船厂布局的瓶颈，并利用仿真技术实现船厂布局优化。

2）船厂制造资源和物流可视化建模技术

建立船舶制造过程的各种资源模型，包括各类厂房、船坞、船台、道路、起重设备、运输工具、堆场以及切割、焊接、弯管等各种设备及辅助工具的三维可视化模型，并实现船厂制造和物流在虚拟环境的整合配置和生产系统的布局，实现造船企业资源和物流过程的可视化和虚拟仿真。

3）分段流通过程仿真技术

对船厂内场建造过程的各个阶段过程进行仿真，包括如下料、切割、组立、涂装和物资运输等立体作业流程仿真，提高内场作业流水线生产效率，保证制造节拍，解决生产瓶颈。对分段厂内运输、堆放、存储、涂装等流通过程仿真，对堆放空间、堆放时间等信息统计和分析，并计算各类分段的有效建造周期，根据对应总段建造方案改进分段建造计划，缩短总段建造周期，提高船厂堆场等资源利用，防止分段长期堆放、质量下降等问题。

4）船体与舾装同步并行作业仿真技术

对船体分段与舾装模块并行建造进行可视化仿真，满足分段预舾装、总段预舾装、船坞合拢阶段船体和舾装同步供应要求，以减少中间产品库存、减少分段堆场、防止闲置产品生锈、缩短产品等待时间，消除调度冲突。

6.5.2.4　船舶作业、运行、维修与保障仿真技术

船舶作业、运行、维修与保障仿真技术包括船舶数字样船技术、船舶维修可拆卸性与可装配性仿真与分析、设备水下安装工艺仿真和评价、海上作业过程仿真、远程可视化维修及船舶人员培训等。

1）船舶数字样船技术

在船舶设计完成后，建立包含几何、工艺、属性等信息的数字化船舶管理平台，支持船舶虚拟评估、建造虚拟仿真等应用系统的集成，并能够对数字化船舶的各种数据进行管理，对船舶的建造、使用、维修维护等具有积极意义。

2）船舶维修可拆卸性与可装配性仿真分析技术

船舶中包含主机、轴系、通信、导航等各种装备与系统，其维修过程较为复杂。对典型故障的拆卸与安装过程进行仿真，形成三维可视化的维修方案，为船舶现代化改装、维修保养、快速救援等任务提供保障。

3）远程可视化维修技术

船舶的复杂装备在海上可能会出现重大故障，受技术限制，如不紧急维修将可能错过最佳时间。远程可视化技术在解决远程通信保密、图像实时传输等技术基础上，能够支持船舶海上远程可视化维修，提供远程测试、诊断、远程维修决策支持，实现紧急状态下设备抢修，提高船舶的海上生存能力。

4）交互式电子手册

现代船舶系统复杂、舱室密集，其使用与维护相关的资料若以纸质文件存在，往往超过几十吨，占用大量存放空间。由于资料规模过大，船舶航行只携带部分最重要的资料，船员检索有价值资料的难度大、时间长。建立船舶产品的交互性强、容易使用、易于维护的全生命周期交互式电子技术手册，包括电子、控制、通信、导航、锚泊、系泊、舵、救生等系统及主机等设备的使用规范、操作规程和维护手册等，将对船舶培训、日常工作、维修维护等提供全面、准确的资料。