-船舶三维设计系统的自主开发和应用.doc

船舶三维设计系统(SPD)的自主开发苏文荣 （中国船舶工业集团公司沪东中华造船(集团)有限公司,上海,200136）一、船舶三维设计系统的自主开发的背景改革开放以来20多年，我国造船工业得到了发展迅速。至新世纪初我国造船产量名列世界第三。但我国造船要成为世界第一造船大国和强国还面临着十分繁重的技术和管理上的创新，还有一段艰巨的路程要走。因为日、韩等国家的造船技术和管理水平已从第四阶段集成制造向造船发展的第五阶段敏捷制造过渡。我国主要骨干船厂现在的造船技术和管理水平都处于第三阶段的分道制造，沪东中华当时也只处于第三阶段，准备向第四阶段集成制造方向发展。我国作为世界第三造船大国。造成如此差距的主要问题在于以下几方面：建造周期长、制造返工量大，质量难以控制和成本难以控制。我国要成为第一造船大国和强国，沪东中华要成为一流的造船企业，必须解决上述问题，变革造船的模式，走数字化造船之路，实现集成制造。 1.深化设计，为建立现代造船模式提供支撑现代造船模式是以中间产品为导向，按区域组织生产，壳、舾、涂、作业在空间上分道，时间上有序，实现设计、生产、管理一体化连续总装造船。造船总装化、管理精细化、信息集成化是现代造船模式的主要实现形式。推行现代总装造船模式，首先要改变原串行设计为各专业的平行设计，以利于加强专业协调和缩短设计周期;变按功能系统设计为按区域设计、以中间产品为导向的设计为总装造船提供技术基础。要树立不仅要解决“造怎样船”还要解决“怎样造船”的面向生产、管理的设计理念。设计要贯彻壳、舾、涂一体化：设计生产管理一体化的原则为总装造船提供大量的制造、工程管理等信息。设计模式的转变，设计的深化是实现总装造船的必要条件。2.三维设计技术是实现集成制造的基础设计模式的转变、设计的深化离不开三维设计技术的应用。三维设计技术符合人的设计思维习惯，整个设计过程各专业可以平行进行并在三维模型上讨论，直观形象。在设计时，能够随心所欲地构建或随意修改，能够在显示器上构造出三维立体的设计模型，进行各专业的技术协调，而且保留每一个中间结果，以备反复设计和优化设计。并可进行应力/应变分析、质量属性分析、空间运动分析、装配干涉分析、工装设计、NC编程及可进行加工性、装配性分析、二维自动出图，设计效果评价等工作。这样在设计时可及时发现制造中可能产生的问题，予以及时在设计中提前解决。三维设计所建立的产品模型可生成以中间产品形式生成产品装配树，以及相应中间产品的物量、工时和加工、制造、管理信息，为壳、舾、涂CAD/CAPP/CAM/MES集成提供正确的信息，是完现集成制造的基础。3.以我为主发展数字化造船是造船跨越式发展的重要战略措施新世纪初沪东中华提出了数字化造船，要建立以船舶产品三维建模、建立以产品数据库为中心，由数字化设计、设计管理、物流管理、资源配置管理、制造执行系统、综合管理六个系统组成的设计、制造、管理一体化的数字化造船平台，其中数字化设计是整个造船平台的信息源头和基础。在90年代中期，我国大、中型造船企业先后引进了国外计算机辅助设计系统。但随着深化生产设计的需要和造船模式的转换，也暴露出这些引进系统得一些弱点和不足。一些国外软件技术垄断系统开放性差，难以进行二次开发以及和其它应用系统集成；软件的垄断造成价格不断上升；军品保密需要；国外软件不适合国内工艺要求需要大量二次开发工作。1998年公司在CIMS实施中，难以解决设计和生产、管理的集成。当时请国外软件商配合解决接口和集成问题，但均以因商业保密或技术上难以实 现予以拒绝，这样促使我们走自主开发船舶数字化设计系统，以确保数字化造船实施的主动权。在新世纪初，在国防科工局和中船集团的支持下，沪东中华造船集团在积卅余年CAD、CAM开发应用经验基础上，开始研发船舶产品设计系统（SPD），至2003年在完成船舶舾装三维设计系统，开始应用于我公司军品产品设计，至2005年又完成了具有三维船体设计软件，基本完成了一个有自主版权的造船三维CAD/CAM设计系统船舶产品设计系统（SPD）。至今SPD在应用中不断发展，从而使我公司掌握数字化造船的技术创新主动权。二、船舶产品设计系统(SPD)系统是在Windows操作系统下，基于OpenGL图形库进行开发的CAD基础平台，开发的能满足船体结构、机装、电装、居装、甲装等专业设计的三维全数字化船舶产品模型软硬平台。通过三维模型对舰船产品进行性能、结构强度分析、工艺合理性和制造可行性分析，是整个船舶数字化制造集成系统的基础。设计系统具有如下功能：船体结构设计系统图1 船体三维建模船体结构设计系统是涉及船舶技术设计、详细设计、生产设计全过程的三维建模系统。系统进行船体型线定义、结构布置、板材和型材零部件定义、建立具有拓扑关系的三维船体结构模型。该模型具有船体结构的几何、物理、工艺等属性。从模型中可分解全船结构的板材和型材零件，建立产品结构树，生成满足生产所需的各类安装制造图册和生产管理表册。图2 管系三维建模管系设计系统管系设计系统是以船舶管系设计以及其他行业的管路设计为对象进行开发的，提供交互管系布置界面，建立三维管系模型，具有很强的实用性，系统涵盖了管路设计的全过程，有管系原理设计、设备布置、管路布置、另件分割、安装图、另件图到有关托盘表、管附件表等生产管理信息生成等功能。风管设计系统风管设计系统是一套面向船舶通风管系的三维设计系统，针对通风管系的特点，风管规格多变，接头形式多样，利用参数化的设计方法，进行个性化的风管布置、接头生成和拼接，建立方风管和螺旋风管的三维实体模型。船舶电气设计系统电气设计系统的开发贯穿于电气详细设计和电气生产设计整个过程，采用交互设计的操作界面，实现电气三维模型设计，生成电气系统图设计、电气设备布置、主干电缆走向布置，主干电缆表册编制，电缆导架安装图，电缆开孔图，中小型电气设备，基座安装图、电缆支承件制造图册，照明灯架制造图册以及托盘管理表、材料定额表等图册。 铁舾件设计系统船舶铁舾件设计系统是处理船舶设计各个专业的对各类设备、管图3 舾装三维建模子、风管、电缆等系统的定位和船舶各舱室畅通行走的辅助装置和设备，如：管子支架、电缆导架、风管吊架、基座、窗、梯、护栏等铁舾装件的三维建模设计和生成相应的生产信息，以及铁舾件在船舶设计三维建模的定位所需信息。涂装生产设计系统涂装生产设计系统是在设定涂装的原则工艺的基础上，导入船体模型，按照船体涂装的各个不同的阶段和要求，进行涂装舱室的划分，自动计算涂装的面积，并根据涂装面积和涂装工艺信息生成涂装施工图纸和表册。三、船舶产品设计系统(SPD)的开发应用效果在各级领导支持下通过项目科研人员努力和广大用户的支持，本系统于2005年底全面完成了开发工作。于2006年10月通过了国防科工委组织的项目验收和鉴定。项目被评为2007年中国船舶工业集团公司科技成果一等奖，国防科工委科技成果二等奖。1打破了国外设计软件的垄断地位，为舰船数字化集成制造打下了基础SPD系统是以现代造船模式为指导，结合我国造船工艺特点，充分吸收国外系统的先进技术，克服国外系统的不足，因此SPD系统技术先进，实用性强，适合中国船舶设计制造方式，操作方便易接受，自主开发价格大大低于国外系统价格，至今SPD系统不仅在沪东中华造船集团公司应用并已推广全国百余家船舶企业、研究院所、院校应用，取得了良好的经济和社会效益，若以每一用户引进国外系统平均每个企业为50万美元，则需5000万美元合计人民币3亿4千万，另加每年维护费1000万美元合人民币6800万。这样应用本系统可为国家节约可观的外汇，应用单位可节约软件购置费用约3亿多人民币。更为主要的是自主版权系统的应用不仅打破了国外系统在我国造船行业的垄断地位，使一些原来用不起国外系统的中、小企业能应用数字化设计技术，向数字化造船目标迈进，这对提高我国造船整体水平有十分重要意义的。2SPD应用取代国外系统，提高了企业的自主开发能力自实施数字化造船和开发应用SPD系统以来，我公司已全面实现了数字化设计，在新设计的军、民产品中全面应用SPD进行设计，逐步取代国外系统。SPD的应用提高了公司船型的自主开发能力，提高了设计效率和质量。由于建立了产品电子信息模型，实现了并行设计，产品设计质量大为提高。由于SPD具有对零部件严密的拓扑关系定义及产品模型和图纸严格的一致性，完全避免了采取二维图设计方式的尺寸差错。采用本系统后船体制造未发生重大返工，管子设计差错率降至1%以下，这在首制船是很难实现的。由于实现了CAD/ CAPP/CAM集成，减少了中间人工环节，发至车间的加工生产信息差错大为减少。数字化设计的应用，大大提高了产品开发设计能力。我公司基本形成了预研一代开发一代在制一代的产品研发体，有效地支持了经营工作。液化天然气船、8530箱集装箱船以及高新工程等产品的承接，充分体现了开发设计带来的公司产品开拓市场的效应，目前我公司新产品开发能力平均每年增加1-2艘。3舰船产品模型能生成完整齐全的加工制造信息，实现了CAD/CAPP/CAM集成在生成图纸的同时，系统还能通过模型生成加工制造信息。船体结构把模型分解成分段、中组立，小组立至板材、型材船体结构另件，相伴能产生零件加工工艺信息，板材、型材套料信息、生成数控切割指令、型材流水线加工指令、以及相应的如活络样板，胎架制作，样箱制作等工装信息。实现船体加工制造从建模至零件加工的CAD/CAPP/CAM的集成打通了船体结构零件加工的数控生产线。同样对舾装件加工制造可从舾装模型中按区域/分段各系统的管子、风管、铁舾件的零件，管附件等加工制造信息生成舾装托盘形成无纸化加工生产线。涂装作业过程信息同样也可从船体结构模型加之涂装原则工艺获得相关的作业信息。所以通过本设计系统建模可实现壳、舾、涂一体化的CAD/CAPP/CAM的集成，也是本系统首先实现的，因国外系统均无完整的涂装设计系统。 图5 CAD/CAPP/CAM集成 4应用船舶三维设计系统为精细化管理创造了条件船舶制造行业是订单型生产行业，其产品是根据船东要求进行设计制造的，由于船舶制造周期长只能边设计、边制造、边采购，在制造前不能获得正确的产品任务包的物量和劳动力负荷等信息，凭管理人员的经验编制计划，造成计划和实际生产脱节，计划变动大，只能以生产调度为主，来执行计划，使船舶制造过程难以实现精细化管理。 采用三维数字化设计，在船舶制造前，在计算机中先模拟造船，建立所需要制造船舶的模型，其模型中每个零部件、有其材质、加工工艺、制造安装等属性以及每个零件在产品结构树中的位置。当编制生产制造计划时，就可以按产品结构树分解产品任务包，再根据每个任务包所包含的零部件的多少决定加工、制造、安装工时。这样，在编制计划时能及时得到相应的劳动力负荷计划，以验证和优化计划的合理性、可行性，确保计划的有效实施。三维模型中为能直接获得各分段的外形尺寸、重量等