基于AVEVA軟件的結構3D一體化設計模式的研究與應用

趙 勇，吉春正，田正軍，沈 杰

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引 言

傳統的結構設計模式主要是基于串行工程理念進行結構設計，在當前的設計基本結束之后才開始進行后續的設計，各設計階段的界限比較清晰［1］。在傳統的設計流程中，基本設計人員僅創建局部的3D模型，用以生成送審的2D圖紙，圖紙送審之后，后續設計人員基于2D圖紙創建3D模型，并開展詳細設計和生產設計工作。該模式對簡單船型的設計效率的影響不明顯，但對客滾船等復雜船型的設計效率的影響非常突出：一方面，重復建模導致設計周期變長；另一方面，由于創建3D模型的時間較晚，舾裝專業與結構專業的設計不同步，導致各專業間的協調工作滯后、反復，不僅使工作量大幅增加，而且使信息傳遞和技術管理變得更加困難，進而影響著船舶設計的周期和準確性。

針對串行設計模式存在的上述缺點，多家大中型船企都在嘗試基于各類設計軟件平臺拓展新的3D一體化設計模式。本文主要對基于AVEVA MARINE（以下簡稱AM）軟件平臺的結構3D一體化設計模式在某系列高端客滾船項目中的應用進行分析，從AM軟件平臺出發詳細介紹該模式的應用流程，并對其中的關鍵點進行詳細剖析，簡述該模式的優勢。

1 結構3D一體化設計模式概述

1.1 結構3D一體化設計拓展過程

為全面提升整體的設計能力和設計效率，實現設計資源高效異地協同，制訂從1D到5D的設計能力拓展規劃［2］，其中3D一體化設計是連接數據工程中心與數據資產應用的關鍵環節。圖1為設計能力拓展規劃簡圖。

圖1 設計能力拓展規劃簡圖

根據軟件平臺的特點和拓展的難易程度，最先研究結構3D一體化設計模式。在2016年啟動某系列客滾船首制船設計時就已進行規劃和探索，但受AM軟件平臺架構方面的限制和各方軟件的應用能力參差不齊等多種因素的影響，未能成功實現。隨著AM軟件平臺架構方面的制約逐步緩解，軟件的應用能力不斷提升，在該系列船的第二型船上通過縝密策劃、深度測試和實船應用等3個過程，實現了結構3D一體化設計模式的在船應用，實現了多個參與方基于平臺異地協同并行設計［3］，信息傳遞和技術管理的流程得到了簡化，船舶設計效率和設計的準確性均得到大幅提升，基本上達到了預期水平。

1.2 結構3D一體化設計拓展基礎

目前各造船企業都在根據自身情況，嘗試以NAPA、INTERGRAPH和CATIA等專業3D設計軟件為底層，構建3D一體化設計軟件平臺，但成功案例較少。若要基于AM軟件拓展3D一體化設計軟件平臺，并使其在實船項目中成功應用，需具備以下條件。

1.2.1 軟件基礎

AM軟件作為應用廣泛的專用船舶設計軟件，其諸多模塊為拓展3D一體化設計提供了技術基礎，其中：AM Global模塊支持多用戶異地協同設計，并實現數據定時更新；Hull structural design模塊可支持結構基本設計模型與生產設計模型多窗口（Multiview）切換。

1.2.2 組織基礎

借助AM軟件，結合企業完整的船舶設計鏈，搭建3D一體化設計平臺，見圖2。在該平臺中，各方可充分發揮自身設計優勢，基于3D模型數據開展設計工作，為異地協同并行設計提供基礎。HUB表示中心端，Satellite表示衛星端，通過AM Global自動進行數據同步，確保各用戶擁有統一的、定時更新的數據庫。

圖2 基于AM軟件的3D一體化設計平臺

1.2.3 設計基準

在進行實船項目拓展之前，統籌協調各方實現對AM系統環境配置、結構3D模型編碼規則、結構模型建模標準和結構圖紙標記基準等的統一，保證各方設計的規范性和準確性。

1.3 結構3D一體化設計應用流程

基于AM軟件平臺的結構3D一體化設計流程是根據AM軟件的功能和特點，在測試和實船應用過程中不斷總結、不斷調整、不斷積累而成的。

圖3為結構3D一體化設計流程圖。結構3D一體化設計主要按以下流程進行：

圖3 結構3D一體化設計流程圖

1）系統配置及區域劃分等前期策劃；

2）基本設計3D模型構建；

3）基本設計3D模型拆分（生成有拓撲關系的生產設計3D模型）；

4）基本設計與生產設計3D模型交互設計（引入船東船檢意見和船廠各專業重大協調）；

5）斷開鏈接；

6）基本設計模型作為改型船的基礎，生產設計模型增加工藝信息，完成生產設計。

在上述流程中，將模型拆分為至關重要的環節，按分段劃分位置將基本設計模型拆分為生產設計模型，實現1個項目僅依靠1個3D模型貫穿始終。其容滾船結構3D一體化設計模型拆分實例見圖4。

圖4 某客滾船結構3D一體化設計模型拆分實例

模型拆分完成之后的交互設計環節為結構詳細設計人員盡早基于3D模型開展專業協調和模型核查工作創造條件。交互設計各方進行模型修改，通過AM Global和模型之間的拓撲關系對數據進行定時更新，確保基本設計模型中的信息與生產設計模型中的信息一致。

在3D一體化設計模式中，在生產設計階段僅需完成涉及裝配、焊接坡口和端部細節等工藝設計內容。

2 結構3D一體化設計模式關鍵點分析

結構3D一體化設計流程涉及面廣，關聯性強，過程復雜，有多種因素制約設計過程、設計效率和設計的準確性。在實船項目的拓展應用中，對各關鍵點的認識逐步清晰，通過總結形成了有效的對策。下面主要從6個方面進行分析。

2.1 設計區域的劃分

設計區域的劃分對拆分效率的影響很大。對于結構簡單、構件數量較少的區域而言，可將設計區域設置得大一些，以提高拆分效率；對于結構復雜的區域而言，需盡可能地將設計區域設置得小，以保證該區域的模型拆分比較容易且順利地進行。區域設置不合理會引發拆分耗時過長、軟件內存不足和拆分不徹底等問題，當遇到此類問題時，主要通過重新拆分解決，這會嚴重影響設計效率。

2.2 基本設計模型質量

基本設計模型質量和設計的準確性直接決定后續交互設計和斷開鏈接（甚至是生產設計）的進行。模型不合理會導致拆分之后的模型拓撲關系丟失，甚至出現構件丟失的情況，且很難發現和修復。在創建基本設計3D模型時，有以下幾點需特別注意：

1）區域級別大板架需根據拆分的過程和先后順序合理選擇邊界，盡可能地選擇將RSO（Reference Surface Object）作為板架的邊界。

2）板架的對稱性需充分考慮后續拆分的分段類型的合理選擇，特別是復雜且不對稱的機艙分段；在分段拆分線與大開孔交叉區域，需將開孔線作為邊界，單獨進行建模，否則跨開孔會導致拆分報錯且板架無法修復；對于壓制槽型艙壁等無法自動進行切分的板架類型，需按實際分段縫單獨創建，使此類板架能直接收集到相應的分段模型中。

2.3 有限元分析的進度

對于客滾船等復雜船型而言，有限元分析的工作量較大，周期較長，與結構設計相互影響，其進度直接影響著結構3D設計全流程的進度和效率。因此，需充分考慮有限元分析流程與結構3D設計流程的有效融合，以提高設計效率。根據實船項目經驗，總結形成有限元分析與結構3D一體化設計流程組合，見圖5。

圖5 有限元分析與結構3D一體化設計流程組合

AM軟件中的FEM模塊可先將結構模型轉化為理想化幾何模型，再生成有限元網格，但通過目前的AM軟件版本直接生成的有限元模型網格的質量較差。在項目執行過程中，僅將利用AM軟件生成的理想化模型導入有限元軟件中進行后續的網格劃分，可在一定程度上提高有限元建模的效率。全船有限元分析工作的最佳完成時間應在模型交互設計階段，以保證為后續的生產設計提供信息全面的AM模型。

2.4 交互設計的深度

交互設計階段的結構基本設計與詳細設計同步進行，該階段作為承接基本設計環節與生產設計環節的過渡環節，其準確性和徹底性直接決定著整個項目中3D一體化設計的效率。交互設計是指利用AM軟件的Multiview功能進行異地協同設計，基本設計人員在基本設計模型中進行模型修改和出圖工作，詳細設計人員在拆分后的分段模型中完成詳細設計專業協調、結構尺寸和結構連接等細節核查及修改工作。修改后的模型可通過AM Global完成異地定時更新，以確保基本設計模型與分段模型信息的一致性。交互設計的深度除了與有限元分析等結構設計本身的工作有關以外，更受舾裝專業與結構專業的設計同步性的影響。在復雜項目中，后者對設計進程和設計周期的影響更明顯。結構基本設計階段早期的AM模型為大舾裝各專業在項目前期盡早啟動設備布置和綜合放樣策劃等工作創造了條件，為保證各專業設計的同步性奠定了基礎。

2.5 設計輸入的管控

獲取準確而詳細地設計輸入信息是各專業開展基本設計、舾裝各專業布置等工作的前提。在設計過程中，獲取的設計輸入信息主要是船上各設備的技術資料。由于諸多設備都是從國外采購的，且大多為定制化設備，設備資料的供圖周期較長，這在很大程度上阻礙了3D設計工作的順利進行，此矛盾在新項目中尤為突出。為更好地管控設備資料的納期，除了優化采購流程以外，最有效的方法是由設計人員根據設計階段和設計內容對設備的需求時間進行細分，明確真正的需求，逐步、逐項與供應商溝通，向其索要資料，例如在設計前期為確認空間布置僅需設備的外形尺寸信息，并不需要細節信息，可先直接與廠家溝通，向其索要外形尺寸信息。這可能是最現實、最高效的設計輸入管控方法，其有效性已在多個復雜項目中得到驗證。

2.6 技術管理的效率

為充分發揮3D一體化設計模式的優勢，僅制訂合理的設計流程是不夠的，還必須與合理高效的技術管理模式相融合。

2.6.1 以結構固化為導向的技術管理模式

結合設計項目的特點，通過不斷探索和總結發現，目前結構專業在技術管理方面主要采用以核查清單（Check list）為主線，主動協調其他專業，快速固化結構設計狀態的管理模式。Check list中的內容為結構專業與其他各專業的接口項及關鍵注意點。通過該清單，能系統、完整地與各專業進行協調，推動其他專業優先處理與結構專業接口問題，促進技術狀態快速固化。典型的Check list示例見表1。

表1 典型的Check list示例

2.6.2 信息管理模式

在3D一體化設計中，由于參與方眾多，信息傳遞與溝通也較為關鍵。為此，除了充分利用3D模型進行交流以外，還制定《3D一體化設計信息管理手冊》，主要突出以下幾個方面的措施：

1）信息準確。在傳遞信息之前，確保信息的準確性并得到相關各方的確認，避免流轉不可靠的信息。盡可能地面對面溝通和交流。

2）傳遞簡化。盡可能地減少信息傳遞的載體，并簡化信息傳遞環節，避免信息多次傳遞，基于統一工作平臺的共享文檔等進行信息的溝通交流，所有參與人員均能實時查看和處理平臺中存在的問題。

3）及時溝通。及時向相關方傳遞信息，重要信息傳遞之后，要及時與各方確認收到情況。建立周會制度，盡可能地及時且準確地進行信息溝通。

盡管上述技術管理模式和信息溝通模式在推動3D一體化設計方面發揮了重要作用，但目前的操作平臺仍有待進一步完善，若能通過軟件平臺實現任務分派、任務催辦和任務閉環跟蹤等功能，將在很大程度上提高技術管理和信息管理的效率。

3 結構3D一體化設計的優勢

3.1 設計效率

相比傳統設計模式，結構3D一體化設計模式的模型創建所需時間更短（見圖6），根據工時的跟蹤與統計結果，約節省建模工作量50%，占生產設計工作總量的1／18左右。在新模式下以3D模型數據為信息傳遞的主要載體，2D圖紙版本的數量可大幅減少，圖紙設繪和管理工作量相應減少，技術管理效率得到大幅提升。通過多方異地協同、設計階段相互搭接和設計協調提前等方式可縮短設計周期，特別是在首制船上能發揮結構3D一體化設計的核心優勢，系列船結構3D一體化設計的優勢更加明顯。

圖6 傳統設計模式與3D一體化設計模式的流程對比

3.2 設計質量

在結構3D一體化設計模式中，質量控制主要集中在基本設計階段，設計質量控制的主體為基本設計和詳細設計工程師，能在很大程度上降低項目的技術風險；同時，1個模型貫穿始終，能有效避免人為失誤。

4 項目拓展

與傳統的設計模式相比，3D一體化設計模式將全船統一設計模式轉變為小區域定制化設計模式。在拓展后續船型時，可基于AM軟件強大的線型替換、模型批量移動和模型批量修改等功能，最大程度地繼承母型船的3D模型。通常情況下，后續船僅需創建變化較大的局部區域的模型，其他區域的模型可通過對母型船相應區域的模型進行拷貝和調整快速生成。圖7為3D一體化模式后續船拓展示意圖，其中：網格標記部分為與已有項目相同或接近的部分，直接對已有項目的3D模型進行拷貝和調整即可完成新模型構建；斜線部分為差異較大的區域，需重新建模。從示例中可看出，結構3D一體化區域定制化設計模式在系列船的設計中優勢非常明顯，可在很大程度上提升設計效率，縮短設計周期，在主尺度發生變化的后續項目中也能體現出很大的優勢。

圖7 3D一體化設計模式后續船拓展示意圖

5 結 語

本文介紹了基于AM軟件平臺的結構3D一體化設計模式的實施流程和關鍵點，并簡要分析了該模式的優勢及其在后續項目中拓展的過程及優勢。目前，由于AM軟件平臺的限制，大舾裝各專業3D一體化設計仍在拓展過程中，在項目應用過程中采用的是結構3D一體化設計與舾裝提前進行的模式。為充分發揮3D一體化設計模式的優勢，需突破結構和大舾裝各專業的全3D一體化設計瓶頸。另外，與結構3D一體化設計關聯的其他諸多課題仍需進一步研究，特別是前端的船級社推出的3D審圖和后端的模型漫游、數字化模型生產指導等。