0 引言
數字化是制造業信息化的核心。隨著數字化設計與制造技術的迅猛發展，特別是CAD 及相關信息化管理平臺技術的日益普及，基于產品三維模型的數字化制造技術已經成為企業信息化發展的趨勢。產品從基于功能的初步設計，到由原材料至最終零件狀態的工藝設計過程，融入了加工、檢驗等組成工藝鏈的多種工序的設計和制造信息。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、工裝信和資源設備等信息的零部件的三維制造模型，形成產品的三維數字樣機。在現代數字化和集成化制造環境下，零部件的三維模型決定了產品設計到制造的質量和效率，并實現產品研制經驗知識的積累。因此，在產品研制過程中，如何發揮三維數字樣機的作用，是提高企業數字化制造能力的關鍵。
基于產品三維數字化設計制造，形成產品研制過程的三維的數字樣機的形式， 已在航空、航天、汽車工業等行業的研制過程中得到廣泛應用。由于船舶產品的相對復雜性，其三維數字化設計建造的應用程度相對落后，尚未定義完整的三維數字樣船概念，更談不上全面應用。參考航空等制造行業的數字樣機發展應用經驗，借鑒國外先進造船企業的三維數字化設計建造技術發展趨勢與應用理念，提出造船行業三維數字樣船概念，描述全三維數字樣船的特征，結合船舶三維設計、數據管理、生產管理、虛擬建造、精度控制等，提出基于全三維數字樣船的船舶產品信息集成研究解決方案。
1 全三維數字樣船
1．1 通常意義下的數字樣機概念與特征
數字樣機是對機械產品整機或具有獨立功能的子系統的數字化描述，這種描述不僅反映了產品對象的幾何屬性，還至少在某一領域反映了產品對象的功能和性能。
數字樣機技術是以CAX／DFX技術為基礎，融合虛擬現實、仿真技術、三維計算機圖形技術，將分散的產品設計開發和分析過程集成在一起，使產品的設計者、制造者和使用者在產品的早期可以直觀形象地對數字化的虛擬產品原型進行設計優化、性能測試、制造仿真和使用仿真，為產品的研發提供全新的數字化設計方法。
狹義的數字樣機從計算機圖形學角度出發，認為數字樣機是利用虛擬現實技術對產品模型的設計、制造、裝配、使用、維護與回收利用等各種屬性進行分析與設計，在虛擬環境中逼真地分析與顯示產品的全部特征，以替代或精簡物理樣機。
廣義的數字樣機從制造的角度出發，認為數字樣機是一種基于計算機的產品描述，是對產品設計、制造、服務、維護直至產品回收整個過程中全部所需功能的實時計算機仿真，通過計算機技術對產品的各種屬性進行設計、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字樣機，都具有以下3個技術特點：
1)真實性。數字樣機的存在目的是為了取代或精簡物理樣機，所以數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)面向產品全生命周期。數字樣機是對物理產品全方位的一種計算機仿真，而傳統的工程仿真是對產品某個方面進行測試，使產品獲得該方面的性能。數字樣機是由分布的、不同工具開發的甚至是異構子模型的聯合體，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境模型；
3)多學科交叉性。復雜產品設計通常涉及機械、控制、電子、流體動力等多個不同領域。要想對這些產品進行完整而準確的仿真分析，必須將多個不同學科領域的子系統作為一個整體進行仿真分析，使得數字樣機能夠滿足設計者進行功能驗證與性能分析的要求。
1．2 全三維數字樣船的概念與特征
全三維數字樣船是一種基于全三維設計技術的船舶產品數字化描述，三維模型數據的產生和應用貫穿于船舶產品殼舾涂等各專業、多系統、跨階段的設計、制造和管理過程。
全三維數字樣船技術是采用三維建模系統進行數字化產品定義，以CAX、PDM、ERP和MES技術為基礎，融合虛擬現實、工藝仿真技術、三維圖形技術，將船舶產品船體、舾裝、涂裝各專業的開發和分析過程集成在一起，定義出能夠為下游各應用環節所使用的準確、完整、規范和有效的產品信息，使三維實體模型作為生產制造過程中的唯一依據，改變了傳統以工程圖紙為主，而以三維實體模型為輔的船舶建造模式。
全三維數字樣船以數字化的方式完整地表征了船舶產品的特性，是實現船舶產品研制體系轉變的技術基礎，具體見圖1。
1)產品三維幾何的表達。全三維數字樣船完整表達了船舶產品船體結構、舾裝區域三維幾何模型，同時完整的表達了產品模型之間的拓撲關系，形成產品模型結構樹，并描述了產品零部件之間的裝配關系；
2)產品信息表達。全三維數字樣船在幾何表達的基礎上，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。根據全三維數字樣船的三維模型及產品信息，可以生成船體生產、舾裝作業、涂裝作業等施工圖與安裝圖，生產滿足船體零件加工、舾裝管系加工的零件圖等，用于實際生產制造應用；
圖1 全三維數字樣船的特征
4)具有船舶產品生產信息的傳遞性。全三維數字樣船的設計編碼信息、設計BOM信息、設計計劃管理信息等，通過樣船的信息集成流轉，由生產管理繼承應用，進行生產計劃安排、任務包的物量計算、生產效率與負荷分析等；
5)具有船舶產品制造信息的傳遞性。利用全三維數字樣船的模型、產品信息等，可以生成產品零件的制造BOM，用以作為領料依據，進行制造計劃的安排等；
6)具有船舶產品可制造性分析。根據全三維數字樣船的模型和產品信息，可以進行設計評估仿真驗證，對分段、區域、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，對船舶產品建造流程進行分析；
7)具有船舶產品精度性分析。利用全三維數字樣船的模型和產品信息，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果進行分段制造精度分析，針對模擬搭載結果進行模擬搭載精度誤差分析。
2 基于全三維數字樣船的數字化造船技術體系
根據全三維數字樣船的概念和特征，全三維數字樣船的信息集成主要應用如下技術：三維建模技術、產品數據管理技術、產品生產管理技術、車間制造執行技術、虛擬仿真技術以及精度控制技術。具體的技術體系如圖2所示。
1)三維建模技術。三維建模技術主要包括三維模型造型技術、三維標注技術、三維模型的工藝信息建庫技術、裝配工藝建模技術、焊接工藝建模技術、專業圖紙生成技術等；
2)產品數據管理技術。產品數據管理技術主要包括產品結構管理技術、BOM 管理技術、產品協同設計管理技術、產品數據集成技術等；
3)產品生產管理技術。產品生產管理技術主要包括基礎數據管理技術、生產計劃管理技術、制造BOM管理技術、設計與物資關聯技術等；
4)車間制造執行技術。車間制造執行技術主要包括車間作業指令分解技術、車間級生產管理反饋和控制技術、作業技術變更管理技術、零件加工跟蹤分析技術等；
5)虛擬仿真技術。虛擬仿真技術主要包括設計數據轉換技術、船舶大數據量處理技術、船舶三維數字化設計仿真評估技術、裝配過程自動生成技術等；
6)精度控制技術。精度控制技術主要包括精度控制模型轉換技術、基于PDA測量誤差分析技術、模擬搭載三維標注技術、模擬搭載誤差分析技術、精度數據分析技術等。
圖2 基于全三維數字樣船的數字化造船技術體系
3 基于全三維數字樣船的信息集成研究與實施總體方案
根據全三維數字樣船的特征和數字化造船技術體系，結合高技術船舶研制的需求(以液化天然氣船LNG為例)，船舶產品全三維數字樣船的信息集成研究與實施采用如下方案：開展國內外造船企業數字化技術發展趨勢研究，進行數字化造船理念的提升和技術的儲備；結合典型船舶以及高技術船舶LNG船研制需求，開展全三維數字樣船的業務需求分析；根據業務分析，進行全三維數字樣船功能建模，建立相應的實施基礎標準；最后進行整體實施規劃，結合LNG 船的研制，形成信息完整的全三維數字樣船。整個研究與實施總體方案如圖3所示：
1)國內外趨勢分析。收集其他制造行業(如航空、汽車等)三維數字樣機的研究、應用與發展趨勢資料，類比目前造船行業三維數字樣船的研究與應用情況；研究國內外數字化造船現狀與發展趨勢，重點析船舶CAD技術、三維建模技術、產品數據管理技術、船舶生產管理技術、虛擬制造技術、精度測量控制技術、數據集成技術、模型重用技術、數據建庫技術等；
2)業務需求分析。結合LNG船研制情況，從設計、產品數據管理、生產管理、建造等船舶研制主要業務進行業務現狀和需求分析，包括造船三維設計、產品數據管理、基于任務包的生產管理、三維設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務現狀與存在問題，歸納相關的業務需求；
3)功能分析與基礎標準建立。在業務需求分析的基礎上，進行三維設計、設計管理、生產管理、虛擬仿真和精度控制的功能建模， 同時歸納建立相應的基礎規范與標準；
4)整體實施規劃。從信息集成的角度，結合軟件工程，根據上述分析研究結果，開展系統功能需求分析和技術攻關，建立軟件體系與集成框架，進行相應的集成開發與測試，最后結合LNG研制進度，形成LNG全三維數字樣船。
圖3 基于全三維數字樣船的信息集成研究與實施總體方案
4 結語
通過基于全三維數字樣船的信息集成技術研究，突破了船舶產品全三維數字樣船建模技術、基于產品結構的船舶產品數據管理技術、基于三維數字樣船的船舶建造任務包管理技術、船舶三維設計與虛擬仿的數據重用性技術、造船精度補償值的設定技術、船舶產品制造信息集成應用基礎技術等六項關鍵技術，取得了造船三維設計、產品數據管理、生產管理、虛擬仿真和精度控制等六方面共七項具有自主知識產權的軟件系統，形成了一批標準規范。
同時，結合滬東中華造船(集團)有限公司17.2萬m3 LNG船進行各項研制成果的相關應用，基本實現了全三維數字樣船定義與特征表述：在設計中，采用船舶三維設計系統SPD實現了船體和舾裝的全三維數字化設計，并進行三維標注和工藝信息建庫；通過船舶產品數據管理系統SPDM 實現設計數據的有效管理和并行協同設計管理，并通過與SPD以及后續的ERP及生產制造等系統的有效集成，初步實現設計BOM與制造BOM 的有效轉換以及POR(Purchase Order Requirements)采購需求有效管理；通過三維模型有效復用技術，進行三維設計仿真評估、三維裝配與建造主流程工藝仿真，實現虛擬建造；通過三維測量和造船精度補償技術，進行三維精度測量與模擬搭載，實現精益造船。
研究與應用結果表明，基于全三維數字樣船的信息集成總體方案切實可行。通過研究，使我國造船企業及新造船基地高技術船舶設計與建造水平躍上一個新的臺階，提升我國船舶行業高技術船舶設計與建造在國際市場上的競爭力，形成船舶行業先進的設計模式、建造模式和管理模式，縮短與國際先進造船國家的差距。通過對船舶產品全三維數字化系統和集成系統的自主研發，形成一批具有自主的知識產權軟件系統，打破國外軟件長期對國內船舶企業的壟斷，引領船舶行業數字化技術的發展；同時鍛煉和培養技術隊伍，促進我國數字化造船可持續的全面自主開發和應用，取得較大的經濟和社會效益，具備較強的行業示范效果和應用推廣基礎。
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