艦船總體區域設計技術研究

張 平 洪偉宏

1中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064 2中國人民解放軍海軍裝備部，北京100071

艦船總體區域設計技術研究

張 平1洪偉宏2

1中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064 2中國人民解放軍海軍裝備部，北京100071

通過分析艦船總體功能，開展了艦船總體區域劃分，給出了總體區域劃分、分段區域劃分的設計準則；從技術和管理角度闡明了區域設計的控制過程，并就區域施工設計向生產設計的信息傳輸進行了分析，給出了自動轉化方案，為區域設計向區域建造的轉化提供了技術基礎。同時，在文中提出了模塊化對象封裝設計方法應作為艦船總體區域設計中的重點予以關注。

艦船；區域；模塊；生產設計

1 引言

近幾十年來，造船設備與技術在各方面都取得了巨大的進展，如焊接設備與技術、運輸與起重吊運能力、建造變形公差控制、數學放樣、數控加工技術等。特別是計算機技術的發展與應用，使船舶建造的質量和生產效率有了很大的提高，它同時也對船舶建造方式提出了新的要求，為適應這種要求，船舶生產建造的模式正在發生變化，即由傳統的造船模式向以區域造船為標志的現代造船模式轉化，傳統的造船模式按功能／系統／專業為導向來進行設計生產與管理，而區域造船模式以區域／階段／類型為導向來進行設計、生產與管理。采用區域造船的生產模式將改善生產條件、提高生產效率及建造質量。區域造船技術在民船建造方面的應用已取得長足進展。而軍品建造方面由于完成的任務不同，從而在材料、結構、設備、性能以及制造要求上都不一樣，軍船艦船性系統比較多，各種設備和系統繁雜、空間緊湊，還需滿足作戰上的一些特殊要求，因此在建造上與民船有所區別。軍艦的建造合同、設計、體制、設備配套特別是武備的配套、艦艇的監造、試驗與試航以及使用環境不同于民船，軍艦建造由傳統的造船模式向以區域造船模式轉換要比民船困難得多，當前在這方面的進展還不夠大，開展這方面的研究是很必要的。

區域造船法就是運用先進的設計、制造理論，將整條船按空間而不是按系統組成區域，然后在不同的工藝階段按不同的施工區域去組織高效、有序的生產。現代造船的主要特征是區域造船，把傳統造船按功能／系統／專業為導向的設計、生產、管理方式改變為按區域／階段／類型為導向的設計、生產、管理方式。在“區域”代替系統過程中，以“區域”為建造的一個中間產品，在完成的過程中，以合理的空間分道，在時間有序的原則下實施殼、舾、涂一體化，實施設計、工藝、管理一體化。其優點為：

1）提高艦船建造質量

實現區域造船，在進行轉換設計及生產設計時，運用計算機技術，繪制區段的綜合布置圖，每一區段內的船機電設備、管系和電纜都加以定位，把建造中預計碰到的問題事先在設計階段就進行協調，并繪制出相應專業的工區圖和工位圖，使得建造工作事先在紙上造一次船。因此，它可以避免設備之間的搶位、碰撞，減少返工。

由于大量的舾裝工作在分段以及總段上進行，可將很多工作移至車間或平臺上完工，施工方式也可改變，勞動和施工條件大大改善，提高了產品建造質量和生產效率。

2）縮短造船周期

區域造船法是把船體劃分為若干總段和分段建造，這些總段和分段可以在車間內或在船體外場平臺上制造并進行預舾裝，即船機電設備、管系和電纜可預先安裝就位，并可平行作業，然后在船臺上進行總段之間的大合攏，這就大大地縮短了建造周期，如澳大利亞和新西蘭聯合研制的新型護衛艦“安扎克”（ANZAC）號，它是以德國MEKO技術實施總段（模塊）建造的3 600 t艦艇，其建造周期為31個月。

3）有利于現代化改裝

由于區域造船在艦船區域功能模塊、區域功能封裝等設計準則下進行，便于新的功能嵌入，這樣就便于艦船全壽命期內的現代化改裝，尤其利于作戰功能的更新。

由于區域造船在提高艦船建造質量、縮短造船周期及現代化改裝等方面具有諸多好處，因此有必要開展艦船總體的區域設計研究。本文在有關設計準則、流程及建造接口設計方面進行了論述，以實現區域設計、建造一體化。

2 艦船設計總體區域劃分準則和方法

2.1 艦船功能分解

艦船的使命任務在于對特定海區進行長時間的巡邏、警戒、封鎖，搜索和救援；協同戰斗艦艇編隊進行反潛、對海和防空作戰，另外還可以為艦隊護航、保護海上交通線、支援兩棲作戰等。為完成這些使命任務，艦船本身按功能和結構分解為平臺和作戰系統，平臺和作戰系統之間有能量和信息傳輸關系。平臺可分為船體、電氣、動力、輔助系統和裝置；作戰系統包括傳感器、指控系統以及武器裝置［1］。如圖1所示：

圖1 艦船功能分解圖

2.2 艦船總段劃分準則

1）結合艦船功能開展總段區域劃分

根據艦船功能分解，可以將艦船大致分成以下區域［2］：推進功能區、武器功能區、信息接受區、指揮控制區、艦員生活區、輔助功能區。

2）結合模塊化設計功能劃分要求

模塊化作為一種過程或方法，其定義可描述為：將裝置按功能分解成許多單元，并將其設計成模塊，然后與少量非標準裝置合成為一個系統的過程或方法。因而，模塊化有兩層含義，即模塊的形成和用模塊構造系統，亦即模塊的分解和模塊的組合。這里，我們將艦船分解為若干總段，總段分為若干分段和許多標準的功能模塊［3］；功能模塊的出現不僅可以縮短總段的建造周期，而且有利于艦船的現代化改裝。如圖2為MEKO艦各功能單元設計說明。美國海軍在潛艇模塊化發展中提出了區域模塊的概念［4］。民船在區域建造中也大量使用了區域模塊的技術［5］，如住艙功能模塊、衛生單元模塊等。

3）結合總段建造方針

在總段及其功能劃分的同時，我們要結合考慮船廠的建造能力，考慮其建造方針，以便順利實現艦船總段建造。

4）同一系統盡可能劃分在同一總段中

圖2 MEKO艦各功能單元設計說明圖

前面我們引入了模塊化設計原則，即對一定范圍內的系統進行功能分解，再按照“高內聚、低耦合”的原則，實現功能高內聚，而其與外界聯系又是低耦合；把實現某一功能的各要素在結構上“封裝”起來，形成一個“箱裝式”整體單元，該單元與外界聯系只留下信息接口、能量接口和物理結構接口，并將這些接口進行標準化處理，實現與外界聯系標準化，即“低耦合”。就艦艇而言，則是對艦體進行總段模塊分解，進行總段功能設計，作戰功能等其他功能均“封裝”于總段中。在該總段內封裝了區域配電系統、區域海水消防系統、區域空調通風系統等。功能模塊封裝體之間、作戰與平臺之間聯接則采用標準信息、能源接口連接。在體系結構上，則主張作戰系統、平臺監控管理系統等為分布開放式，從而便于模塊化的重新組合，以適應新的作戰任務需求。

但是對于同一系統冗余設計的系統設備，從生命力上講要分散布置，可以不在同一總段中。

5）總段具有足夠的強度和剛度

總段端部盡可能是艙壁等強力結構件，以保持總段的剛性和穩定性。

6）便于舾裝和涂裝

總段開放端部應有適當的通道，供舾裝和涂裝作業用，盡量提高預舾裝率。

2.3 分段劃分準則

總段劃分后接下來是分段劃分，所謂分段劃分就是指將艦船合理地分割和合攏，一張船體分段劃分圖實際上是將其艦船在圖面上建造了一遍，它不僅要考慮船體強度分割的合理性，還要兼顧原材料利用效率、工廠資源的最大利用率、施工工藝的可操作性等等［6，7］。由此可見分段劃分是艦船建造中的一項重要工作。早在1985年，我國翻譯出版的《鋼船建造法》第2卷中就比較詳細地介紹了船體分段劃分準則。在現代造船轉模中，我們不僅要繼承傳統分段劃分的優點，還要面向殼舾涂一體化區域造船開展船體分段劃分準則研究，主要準則如下：

1）保證船體結構強度；

2）分段具有足夠的剛度；

3）便于舾裝和涂裝；

4）便于裝配施工管理；

5）結合船廠的生產能力；

6）考慮鋼板的規格。

3 艦船總體區域設計過程控制

3.1 傳統艦船設計和建造的設計流程分析

傳統的艦船設計可以分為方案設計、初步設計、技術設計、施工設計和生產設計。在施工設計以前各個階段都是面向系統的，按功能進行設計，各專業科組按系統的功能進行設計和布置，遇到接口和設備碰撞時，各專業在主任設計師組織下協調和平衡，然后由各專業科出各自的圖紙，其流程見圖3。

圖3 傳統艦船設計流程圖

3.2 區域造船設計流程

考慮到并行設計技術的先進性，結合區域造船方法，在艦船總體區域設計之初，即方案設計中就要考慮建造問題、維修問題、改裝問題等；提前引入建造方法，并一直傳遞下去，其流程見圖4。

計算機的三維設計是作為一種設計工具和手段，能將船舶設計的所有方面設計出來，能應用于設計各個階段，可以從方案設計、初步設計開始，一直到技術設計、施工設計和生產設計，隨著設計階段的進展，能滿足直到生產所需各類零件加工和安裝的圖紙及各種信息的要求。所以計算機的三維設計是區域造船設計的必要手段。

圖4 區域造船設計流程圖

3.3 艦船總體區域設計工作內容

艦船總體區域設計工作內容是隨設計深入逐步展開的，各階段的區域設計工作內容說明如下。

1）在方案設計、初步設計中擬定艦船總體區域圖

在總體區域設計的思想下，艦船設計中的船體、作戰系統、動力、電氣、裝置及輔助系統專業各自開展相應區域設計。

2）在原理線路圖中推廣區域劃分

電類、管路原理線路圖中跨總段時，在圖的縱向分隔中用虛線將各總段分開。

3）在技術設計中擬定艦船總體區域設計說明書

技術設計階段應對每個區域進行說明，該說明是該區域內各專業的匯總，包括區域的功能、組成、能源信息接口、主要設備明細、重量重心、設備吊裝轉運等。

4）施工設計全面推行區域出圖

區域建造是指區域內船體、舾裝、涂裝圖紙集中在一起施工，因此要求艦船總體設計總段區域的施工圖，包括船體、動力、輔助系統、船舶裝置、作戰系統、電力系統在該總段內所有圖紙。

5）在區域建造、總體合攏中加強精度控制。

3.4 艦船區域設計控制管理

傳統的艦船總體設計是以科為單位進行設計技術管理的，專業科的設置有：總體、船體、裝航、動力、電氣、觀通、武器；技術上由總師、主任設計師、主管設計師、技術人員負責。各專業按本專業圖紙目錄規定的系統出圖。面向區域設計后，除了保留以前的專業負責制外，還要建立區域負責制，即各總段區域、艙室區域、模塊功能區域要設置相應的負責人，負責區域內的三維建模、設備的布置和協調。

由于艦船總體區域設計是構建在計算機輔助設計之上的，因此在技術管理上要建立一套CAD設計方法、信息管理、安全、保密簽署制度和工作程序等。

4 艦船總體區域設計與生產設計的接口研究

4.1 傳統造船模式中施工設計表達方法

施工設計是艦艇建造的依據，施工設計包括施工建造所必需的全部圖樣及技術文件，有關工藝文件由總體設計單位編制原則性工藝要求。圖紙、原則工藝、訂貨信息等均從艦船角度出發、按專業劃分開展圖紙設計。

4.2 區域造船中施工設計內容

區域造船要求以區域（總段）為建造單元，實現殼、舾、涂一體化生產，這就要求設計所改變以往按功能或系統繪制施工設計圖紙的出圖模式，轉變為按區域或階段設計該區域的所有船、機、電各專業的施工設計圖紙，在圖號中用符號來區別；編制區域圖紙目錄，匯總船、機、電設備清單，標明各零部件的重量等。

與傳統施工設計相比，區域設計有如下變化：

1）圖紙編排按專業科分，但圖紙編號后面增加總段號；

2）圖紙類型增多，除了原理圖、布置圖、安裝圖、基座圖、工藝套等，還有零件圖、裝配圖、中間產品圖［2，8］。根據生產需要，中間產品可以是下列分類中任何一種：

圖5 中間產品分類圖

3）增加綜合布置圖，即以艙室為設計對象，對該艙室內的設備、管系、電纜等進行綜合布置。

4）船體專業增加零件制造圖、各類中間產品的裝配圖、各總段黑色金屬訂貨表等。

5）管系類設計增加管子加工詳圖、支架圖、裝配圖，各總段管系及附件定貨表以及按區域進行管系原理圖設計。

6）電類專業增加所有小型密封件支架圖、電纜固定詳圖，各總段電纜及減振器、小型件訂貨表以及分區域電氣原理圖設計等。

4.3 區域造船下施工設計信息向生產設計自動生成方案

4.3.1 生產設計中托盤信息分析

主要有管系托盤表、電氣托盤表、風管托盤表及舾裝托盤表。托盤中與設計有關的信息見表1。

表1 托盤設計信息表

以上各類信息在施工設計中要分類進行統一編碼存儲，便于計算機統計。

4.3.2 信息自動生成方案

數據流分析是解決托盤中信息生成的一種設計方法，本文以此作為從設計到托盤準備的自動生成方案。

1）管系托盤表數據流

從管路線路圖設計開始，保存初步的管路托盤信息輸入到數據庫中。經綜合布置圖（與主干電纜、設備布置等協調）設計確定管路定位，然后進行管路零件圖設計，完成管路、附件、托架等信息設計。

2）電氣托盤表數據流

電類專業（電氣、作戰系統）在施工設計中進行專業導電圖設計，優化出主干電纜圖，再與管路線路圖等綜合布置確定主干電纜、局部電纜定位，然后繪制電纜支架。

以艙室為區域進行電類專業工藝套設計，與機械、裝置等專業的設備布置協調，設計出艙室綜合布置圖。

通過上述設計過程完成電氣托盤表數據的保存。

3）風管托盤表數據流類似管路設計。

4）舾裝托盤表數據流

此信息從各專業的安裝圖、布置圖、零件圖和工藝套、綜合布置圖中提取。

5 結論

從以上分析，我們可以得出以下結論：

1）總段劃分的準則

艦船總體在區域設計中遵循的準則有：結合艦船功能開展總段區域劃分、結合模塊化設計功能劃分要求、結合總段建造方針、同一系統盡可能劃分在同一總段中、總段端部盡可能是艙壁等強力結構件、總段開放端部應有適當的通道。

2）分段劃分的準則

分段劃分的準則主要有：保證船體結構強度、分段具有足夠的剛度、便于舾裝和涂裝、便于裝配施工管理、結合船廠的生產能力以及考慮鋼板的規格。

3）總體區域設計控制流程

總體區域設計貫穿于艦船設計全過程，在方案設計中需考慮建造方針，在功能、系統設計的同時開展區域建造設計。在設計中必須落實區域設計責任人。

4）總體區域三維設計

總體區域設計要采用計算機輔助三維幾何設計，同時也要對區域內的舾裝、材料、管系、管系附件、電纜等非幾何類的托盤信息進行管理，使施工設計的區域信息自動向生產設計傳輸，減少生產設計中二次輸入的重復性勞動，為殼、舾、涂一體化區域造船創造條件。

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The Technical Research of Ship Zone Design

Zhang Ping1Hong Wei-hong2
1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China 2 The Equipment Department of PLAN，Beijing 100071，China

The paper carries out zone partition of warship through the analysis of warship function and puts forward designing rules of general zone and subsection zone partition.From the point of view of technology and management，the author illustrates the controlling process of zone design，analyzes the information transmission from zone construction design to production design，puts forward automatic transformation scheme and provides technology foundation for the transformation from zone design to zone construction.At the same time，it is advanced in this paper that encapsulation design approach of modularization objects should be paid more attention to in ship zone design.

ship；zone；module；construction design

U662.3

A

1673－3185（2009）03－33－05

2008-11-15

“十五”預研課題

張 平（1964－），男，高級工程師。研究方向：艦船綜合保障。E-mail：Zhangping701＠yahoo.com.cn