舰船总体设计流程分析-徐青

第5期0引言水面战斗舰艇不仅是战斗的堡垒，而且是流动的国土，漂浮的城市，更是信息化条件下陆、海、空、天、潜体系作战中的一个重要节点。舰船总体设计是水面战斗舰艇研制重要的关键环节，其设计流程决定了舰船总体设计的优劣和效率，因此，分析和梳理总体设计流程至关重要。1舰船总体设计基本概念与主要特点舰船总体设计是以满足舰船作战使用要求为目标，在多种约束条件下，以规范和经验为基础，利用系统工程的方法，综合考虑各种要素，应用计算、仿真、试验等手段，进行多学科、多目标优化的反复迭代的创新活动。舰船总体设计是一门综合集成技术［1］，是舰船总体技术的核心技术。舰船总体设计不仅仅只考虑船舶本身的性能，更重要的是要综合考虑舰载系统、设备的关键性能，按照“设备服从系统、系统服从总体、总体服从大局”的原则和科学的方法，应用功能集成、信息集成、网络集成、软件集成等多种集成技术即综合集成技术，将各分离的系统设备、功能和信息等集成为相互关联的、统一和协调的有机的整体“舰船这一大系统”，使得资源达到充分共享，实现舰船的集中、高效和便利的管理。舰船总体设计不仅是一门技术，而且是一门艺术。她通过舰船建筑造型艺术和色彩美学的综合应用，仿佛是谱写着一部海上流动的乐章，传承着海军的传统文化。她使得舰船不仅仅是一种威武的作战装备，更是一件凝聚众多设计师智慧和想象力的艺术品。舰船总体设计流程分析徐青中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064摘要：舰船总体设计是舰船装备研制重要的关键环节，其设计流程决定了舰船总体设计的优劣和效率，因此，分析和梳理总体设计流程至关重要。由于舰船总体设计的系统性和复杂性，探讨了舰船总体设计的定义与特点，介绍了舰船总体设计方法和设计阶段应完成的工作及成果，总结了舰船总体设计流程以及各环节应开展的支撑性工作，并展望了舰船总体设计技术发展方向。关键词：舰船；总体设计；方法；流程中图分类号：U674.7+02文献标志码：A文章编号：1673－3185（2012）05－01－07AnalysisoftheOverallWarshipDesignProcessXUQingChinaShipDevelopmentandDesignCenter，Wuhan430064，ChinaAbstract：Theoveralldesignisacorestageinthedevelopmentofwarships,andthespecificdesignpro⁃cessdeterminestheoverallperformanceandefficiencyofthesubsequentdevelopment.Thispaperfirstdis⁃cussedthedefinitionandcharacteristicoftheoverallwarshipdesigninviewofitssystematizationandcom⁃plexity,andinvestigatesthegeneraltasksandachievementsatthisstage.Thespecificprocessoftheover⁃alldesignwasthensummarizedandcorrespondingsupportivetasksateachphasewerediscussedindetail.Thedevelopingdirectionofoverallwarshipdesignwasalsoprospectedattheendofthispaper.Keywords：warship；overalldesign；method；process收稿日期：2012－02－24作者简介：徐青（1960－），男，硕士，研究员。研究方向：舰船总体研究与设计。通信作者：徐青。第7卷第5期2012年10月中国舰船研究ChineseJournalofShipResearchVol.7No.5Oct.2012doi：10.3969/j.issn.1673－3185.2012.05.001第7卷中国舰船研究舰船总体设计作为一门工程学科，其主要特点概括如下：1）综合性舰船总体设计是将舰船作为一个综合的系统工程来研究其内部规律和它与外界有关因素的关系，是总体布置、建筑美学、航行性能、结构、材料、动力、电力、电子、武器等各种知识的大集合。舰船总体设计涉及到图形学、水动力学、结构力学、机械学、电磁学、信息学、战术学、人因工程学等多个学科的知识，是一个涉及工程领域最多、知识面最广的学科，需要综合运用舰船战术、战斗器材、航海性能、结构强度、建造工艺、专用装备等各有关学科的知识，是典型的综合学科［2］。2）整体性舰船作为一个大系统，由各功能分系统组成，各分系统内部具有强耦合关系，以实现其功能。舰船总体设计以资源整合、共享、分配、调度等手段，在各分系统内部强耦合关系的基础上，将各分系统有机集成为一个整体，使舰船成为一个高度综合的一体化系统。3）灵活性舰船设计存在多维设计空间，需进行多目标因素的平衡，因此设计中多方案的权衡取舍是一项痛苦抉择的过程，即设计人员面临的是多种方案都能满足同一套战术技术性能指标要求，只是目标的排序不同，在设计上存在相对的灵活性，往往需要对多种方案进行分析评估，从中求得“多方相对满意”的方案［3］。4）风险性一方面，随着技术的持续发展，创新技术的首次工程化应用总是极具风险。舰船研制周期长，通常新研系统和设备与舰船总体处于同步研制阶段，其状态不断变化，新技术不断涌现，用户要求不断变化，总体方案处于一种动态的调整过程，技术状态难以控制，给总体设计带来技术、进度和费用等风险。另一方面，有限的总体资源与不断增长的需求之间的矛盾也会给总体设计带来风险。订货方既希望舰员有良好的生活和工作环境，也希望舰船具有较强的打击和抗打击能力，同时要符合国际公约的要求。受舰船总体资源限制，在总体资源的配置过程中，权衡需求与现实资源之间的关系，给总体研制目标的实现带来一定的风险性。5）复杂性舰船总体设计不仅要完成大量的计算、仿真、试验及图纸的设绘，还要开展大量的工程协调、平衡和迭代，与陆军的战车、空军的战机等装备总体设计相比，舰船总体研制的复杂性呈几何级数增加。图1是美国研究人员得出的各类装备研制工作量图［4］，充分说明了舰船总体研制的复杂性。舰船总体设计的综合性、整体性、灵活性、风险性和复杂性的显著特点，决定了舰船总体设计决不是一蹴而就，而是一个需要进行反复迭代、螺旋式上升，逐次逼近最终目标的过程。2总体设计阶段及主要成果舰船总体设计过程一般分为概念设计、方案设计、深化方案设计、技术设计、施工设计等若干图1舰船与其它装备工作量比较图Fig.1Comparisonofmanufacturingtimeofwarshipwithotherequipment陆军战车5500h14000个部件65t23h3000个部件1.9t小汽车导弹1700h5000个部件1.6t57000h30000个部件10t50000h103000个部件254t8000000h950000个部件6900t12000000h1000000个部件18750t战斗机波音777攻击型核潜艇弹道导弹核潜艇复杂性增加01020304050607080制造时间/月工时部件数重量2第5期个阶段［5］。2.1概念设计阶段概念设计是按照海军舰船装备的发展规划，通过研究国内舰船技术发展的现状和趋势，从舰船的总体、性能、结构、材料、机电、武器、设备制造、技术构成、生产条件、管理体系等方面进行军事分析、技术分析和经济分析，策划工程研制的整体框架、规划；以军事需求为核心，通过概念设计，确定舰船的初步总体技术方案，凝练关键技术，给出舰船的概念图像，以此为基础编制新研舰船的“主要战术使用性能指标”。本阶段的成果：总体及主要系统方案论证报告；总体概念设计图样、文件；主要战术使用性能指标。2.2方案设计阶段方案设计是针对舰船概念设计初步方案，选定主要系统、设备和材料，开展总体方案设计，落实“主要战术使用性能指标”中的各项要求、指标和目标。方案设计往往也要作多方案比较，经多次反复分析、修改。重大的关键技术问题要通过模型试验、必要的原理性样机试制，最终确定总体技术方案。编制可靠性大纲、安全性大纲、标准化大纲等文件。方案设计的成果：“总体技术方案”，方案设计图样、文件。2.3深化方案设计阶段深化方案设计是根据方案设计结果，通过进一步的计算和试验，对舰船的相关性能进一步的核准，完成深化方案设计的图样和技术文件；形成“研制总要求”；总体设计单位向系统技术责任单位和设备承制厂（所）提出舰船环境条件、兼容性和隐身性等设计要求，并进行接口协调，武器系统精度分配等工作；落实主要系统、设备、材料等的研制、选型。深化方案设计的成果：设计图样和技术文件。深化方案设计审查通过后，编制舰船总体的“研制总要求”。2.4技术设计阶段技术设计是按研制总要求和审图机构审查认可的深化方案设计成果，及可靠性大纲、维修性大纲、安全性大纲、标准化大纲及综合保障计划等要求，进一步深化设计和模型（模拟）试验、验证，解决设计中的各种主要技术问题，确定总体技术状态；确定系统、设备的订货清单；进一步协调，并基本固化舰船总体与系统、设备间的接口要求、精度分配等；运用可靠性技术、维修性技术和优化设计技术进行舰船及其系统设计；根据可靠性大纲，编制关键件（特性）、重要件（特性）项目明细表。技术设计的成果：技术设计图样和技术文件。技术设计审查通过后，编制形成“舰船总体技术规格书”。2.5施工设计阶段施工设计是确定舰船的建造方案、工艺措施，编制工艺文件及绘制总体施工图样，同时也要解决舰船总体布置、建造中的各种技术细节问题。施工设计的成果：完整的施工图样、文件。2.6完工设计阶段完工设计是根据建造、试验、试航和交付部队中的实际情况，将完工状态反映到图纸和文件中，与总体使用文件一起形成完整的完工文件。完工设计的成果：完整的完工文件、图纸。2.7维修设计阶段维修设计是编制舰船装备基地级维修所需的各种图样和技术文件资料（包括纸质文件和电子文件，简称维修资料）。维修资料规定了舰船装备维修的程序和方法。维修设计阶段的成果：舰员级、基地级维修资料及维修方案等。3总体设计方法分析常用的舰船总体设计方法为基于经验和规范的方法。随着舰船总体设计技术的发展，基于最优化理论、仿真及试验验证的总体设计方法在舰船总体设计中得到广泛应用。3.1基于经验和规范的设计方法以母型设计法、统计资料法、规范设计法等为特征的基于经验和规范的设计方法，是在舰船总体设计中，选择以往成功设计、建造并经过服役考验的同类型舰船作为母型，并利用各种统计数据、经验公式和图表等资料，同时考虑国际和国内有关舰船设计方面的规范和公约作为准则进行总体设计的方法。该方法的优点是能借鉴实船的优良性能，总体设计结果可靠受控；缺点是母型船的特性可能会遗传到新设计舰船，总体优化设计不足。徐青：舰船总体设计流程分析3第7卷中国舰船研究3.2基于最优化理论的设计方法以逐次近似法、最优化方法、多学科优化方法等为特征的基于最优化理论的设计方法。舰艇涉及的系统复杂、技术领域众多，舰艇总体设计过程是一个多系统综合集成、多特性平衡匹配、多组织协同设计、多阶段逐次逼近的复杂过程。因而，基于最优化理论的舰船总体设计方法是解决复杂总体问题的先进途径。该方法强调舰艇总体诸多性能的权衡与折中，体现对多门类技术的考虑与综合、对多学科间耦合效应的反映与处理。3.3基于仿真及试验的设计方法以仿真设计法、试验验证法、演示验证法等为特征的基于仿真及试验的设计方法［6］，是以采用仿真分析、模型试验验证及缩比或1：1演示验证为手段，通过仿真或试验预报及评估舰船总体性能并指导舰船设计的总体设计方法。该方法能全面预报及评估舰船综合性能，具有设计依据充分、结果可信度高的特点。上述3种舰船总体设计方法各有所长，但并非完全独立，总体设计成功的舰船，往往是上述3种方法综合应用的结果。4总体设计流程分析舰船总体各设计阶段中，方案设计和技术设计是舰船总体设计过