船舶虚拟仿真技术在船舶建造评估中的应用研究
时间：2020-12-21 16:05:17 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
【摘 要】文章就虚拟仿真技术在船舶行业的应用现状进行了分析，并就船舶建造评估过程中虚拟仿真技术的发展趋势进行了介绍，同时对虚拟仿真技术在国内外舰船研制中的发展作了阐述；最后用实例说明虚拟仿真技术在舰船研制评估当中的应用，并提出了以虚拟仿真为基础的舰船研制评估的系统结构。
【关键词】船舶；虚拟仿真技术；建造评估；应用
1、船舶虚拟仿真技术研究及应用现状
在船舶工业里面对虚拟仿真技术加以应用，能使敏捷造船、并行工程以及数字化造船得以实现，同时它也是我国传统造船模式转向现代化的重要环节之一。对虚拟仿真技术加以运用，在建造船舶之前，工程师可在虚拟环境下对船舶的建造过程进行仿真，从而改进和评价船舶的工艺与设计，这样便于指导船厂进行现场生产作业。在船舶行业里运用虚拟仿真技术，能使生产效率得到提升，降低生产成本，使建造周期缩短，从而为我国船舶行业的发展奠定良好的基础。船舶的建造评估和设计可以使先前工艺或前期设计导致的工程修改得以消除，进而对船舶企业的成本、质量以及生产效率产生直接的影响。现如今，许多国家正在开展以虚拟仿真评估和数字化描述相结合的船舶虚拟制造、设计仿真技术的应用研究，并且在船舶建造中也应用了多种仿真评估软件，而且其研制水平和效率还在近年来得到了大幅提升，包括我国在内的许多国家都正在寻求提升研制质量、节省研制费用、缩短研制时间的新方式。挪威UD公司作为船舶设计的佼佼者，现如今，他们在对新船型进行设计时，全都会对三维模型加以利用，然后在虚拟环境下综合评价钻井船的设备布局、布置、外观等，分析虚拟船舶水动力，对虚拟评估进行分段划分，并仿真船舶的作业过程。
自20世纪90年代一来，我国开始对各种先进的仿真技术加以研究，并开展大规模系统仿真。但将虚拟仿真技术应用在海洋和船舶领域的起步还比较晚，现如今，其工作最主要集中在初步实施和理论研究的应用阶段，此外，国内的船舶研究所也开发有虚拟仿真的软件系统和硬件平台。
2、以虚拟仿真为基础的舰船研制评估方法
对于传统的产品开发，它具有这样的特点，即设计者只能在试验之后才能知道它是否符合用户的全部要求和期望，而真正的试验和使用评估只能在制造完毕后进行。因此，设计过程中没有发现的问题在制造后纠正，既十分困难，又需要很多时间和经费。在缺少令人满意的替代方法的情况下，通常是在生产之前开发“原型”进行充分试验验证。但对舰船这
样构成十分复杂、研制周期长、研制费用昂贵的大系统而言，依靠“原型”进行试验后再生产往往难以做到，这就需要在论证阶段解决主要问题，即在实际制造之前能够“看到”并“操作使用”所设计的舰船，这需要一种仿真手段来真实地表达舰船及其使用环境和使用过程。而虚拟仿真技术的出现，使舰船装备的研制评估有可能采用一种全新的方法，即先进行虚
拟研制评估，确定最优方案，再进行设计的方法。这种方法为节省费用和时间提供了丰富的想象空间。
在系统的支撑平台上，各相关研制人员在虚拟的环境空间中对虚拟舰船原型所进行的论证、评估被称之为舰船虚拟研制评估。它是利用并行工程、虚拟仿真等以信息技术为基础的先进技术，在虚拟的信息空间系统地构造舰船研制评估的手段，在虚拟的信
息空间中构建结构化、模块化、层次化的数字模型，实时、并行、动态地控制和调节信息，实现舰船数字化研制评估。以虚拟仿真为基础的舰船研制评估的数据流程如图1所示。
虚拟仿真技术对舰船研制和效能评估可以提供全面的支持。首先，根据任务需求产生舰船初步方案，然后利用模型集成和协同专业设计及分析工具建立舰船的虚拟样机模型，之后将虚拟样机模型放到虚拟环境中运行，对虚拟样机模型的各种性能进行性能仿真评估（包括：几何性能仿真、物理性能的仿真），并将改进信息反馈到各个相关子系统，设计部门再进行设计上的改进。虚拟样机和虚拟环境使舰船的设计者从方案论证阶段就可以对性能、费用、
风险等进行分析评估，并对设计进行迭代和优化。同时还可对多种方案进行评估，从中选出满足设计要求的方案。
2.1基于虚拟仿真舰船研制评估系统的体系结构
基于仿真的舰船研制评估系统是以集成产品与过程开发IPPD为基本的组织原则，以网络连接为媒体，以数据共享为核心内容，将参与舰船研制评估的用户或机构集合成了一个地理上分散的系统。在这个系统里，每个子系统从自身的职能属性出发，在网络上（Internet或Intranet）获取共享数据，并将本系统的决策信息反馈给公共网络服务器，以供其他系统使用。基于虚拟仿真的舰船研制评估的体系结构如图2所示。
2.2舰船研制评估系统共包括五部分：
1）虚拟仿真环境
舰船研制评估在论证阶段（包括作战使用要求论证、研制总要求论证）的主要目的是从作战需求出发确定舰船应具备的战术技术性能，即在初步总体方案（总体主要要素、总布置、机电系统主要配置、作战系统主要配置）形成后，以主要作战使用要求和规范为边界条件，以作战效能为目标函数，通过多方案优化实现最优的系统配置和最大的作战效能。
因此，要求虚拟的仿真环境能表达舰船的总体布局与系统主要配置以及总体性能、目标特征等主要性能；表达舰载电子、武器系统的作战使用过程（对海、防空和反潜）和相应的舰船机动过程；表达战场环境（敌方武器配置及使用过程）和自然环境（水文、气象、航道等）。
2）集成产品与过程开发IPPD舰船论证小组
集成产品与过程开发舰船论证小组是IPPD的主要要素之一。具有跨学科、多功能、信息交流及时船舶畅通、协调一致的特点。它的功能是实现对舰船研制评估的并行、协同。
3）舰船专业设计及分析工具
舰船产品研制评估过程中的各种数字化设计、分析工具。主要包括CAD、CAE、CAM、CFD等。
4）面向对象的数据管理器
面向对象的数据管理器主要管理的是分布式面向对象的数据库。它为各子系统提供一致的数据，对舰船研制评估涉及的各类数据进行统一规范管理。
5）分布在Internet上的其他机构
主要包括：总部及管理部门、配套设备所、建造厂、设备供应厂商、军方、总体所。主要功能是实现异地的协同研制评估。
3、结语
因为在国内的船舶生产评估过程中应用虚拟仿真评估技术尚属起步阶段，并且在国外也并无标准应用模式可供借鉴，再加上国内造船现状有别于国外，此外，由于船舶虚拟仿真的评估技术是伴随船舶制造工艺以及技术的发展而发展起来的，所以，它的研究工作、虚拟维修、新工艺等许多方面还有待完善和改进。
现如今，集成化仿真已经成为船舶制造的发展方向，此项技术的应用也已经成为船舶制造模式最为关键性的技术，并且已经变成船舶制造能力得到提升的手段之一，此外，在船舶企业中应用此项技术，将会为企业进一步的发展提供技术支撑。
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