0 引　言

计算机技术与数字化技术在舰艇装备设计领域的成功运用，促使舰艇装备设计成为一项蕴含多学科知识与技术的复杂系统工程。组成该系统工程的设备系统/分系统、设备装置与功能部件，技术复杂。舰艇系统工程总体设计就是将数量众多的设备和功能部件及其组成的系统/分系统，按其空间特性、属性特征和时域特性进行优化组合与综合技术集成，形成一个满足舰艇总体功能要求且具有特定形状的有机整体。由于涉及的设备不仅多，而且技术复杂，使得在优化组合与综合技术集成的设计过程中存在许多难以处理的矛盾。采用串行设计模式，缺少协同因素考虑，难以得出系统的整体最优解。此外，由于设计过程分散进行，不仅需要增加大量人工协调管理过程，还有可能造成反复修改，导致设计周期变长和研制成本的增加。建立的可行工具/过程/方法能够有效支撑舰艇装备实现高效率优化设计^[1]。

1 国外舰艇概念设计

概念设计的重点是完成独立系统性能、船舶总体性能/需求、作战概念和成本间的权衡，以探索性设计为主，重点关注舰艇装备的任务需求，以需求为牵引，开展适用于作战任务需求与场景运用的装备方案探索。概念开发重点关注装备的最终状态，进行方案可行性、技术可实现性分析，以形成装备开发方案^[2-3]。

概念设计属于复杂系统工程，涉及多个学科，同时，涉及多设备功能属性、特征属性、时域属性设计，需要完善的数据库作为支撑。现阶段，舰艇装备设计基本采用多通道的“螺旋式设计流程”方法，主要以美国代表，即通过反复迭代各设计要素，从而实现各要素之间的相互修正。设计要素主要包括重量、体积、结构稳定性、阻力、动力、浮力等。首先系统地选择设计要素，并在之后的迭代计算中反复修正所选要素，即可得到一个满足所有约束条件的平衡式设计。利用“螺旋式设计”方法得到的结果仅是一个可行的基础方案，需要进一步完善才能形成一个最佳的设计方案。在围绕螺旋的各路径中以逐渐增加细节的方式，直到达成满足所有约束并平衡所有考虑的单独设计^[4]。

2 国外舰艇详细设计先进技术 2.1 模块化设计

现代军事装备结构复杂、技术密集、更新换代速度快，加之装备多样化需求与现行“多研制、少生产”政策之间的矛盾，使得规模经济生产方式面临着严峻的挑战。“模块化”作为现代标准化的核心内容和基本工作形式，为解决上述问题提供了一种行之有效的策略，即通过模块的不同组合，实现装备的“多品种、小批量”生产，达到装备多样化与低成本的有机统一，并大大缩短研发周期，加快列装速度，实现装备研发的“高时效性”。同时，模块化策略还可以有效降低新装备研发的技术风险和市场风险，优化国防工业结构，是实现国防科技创新的有效途径。

目前，世界上主要的核潜艇研制国家，美、俄、英等国均在设计阶段采用模块化设计，增强潜艇设计灵活性的同时，更易于实现标准化建造、现代化改装以及新技术植入。美国新一代“哥伦比亚”级弹道导弹核潜艇，按照美国国家审计署2017年12月发布的潜艇评估文件，该核潜艇整体将分为6个部分开展分段设计工作，其中通用导弹舱已完成详细设计，洛克希德•马丁空间系统公司按照合同将“三叉戟Ⅱ”型战略武器系统集成到通用导弹舱中，相关建造工作已先于核潜艇整体建造计划先期开展，“哥伦比亚”级核潜艇项目办公室计划在导弹发射管装艇前完成发射管84％的装配工作，以降低工作难度、提高效率。另外，首段、控制舱段及尾段同属于先期设计建造部分。

俄罗斯较早进行了舰船模块化技术的探索，俄罗斯舰船模块化技术统称为“船舶设计和建造模块—组装法”，采用模块化原理的船舶设计、建造和改装方法。采用此方法时可将技术器材组合在一个根据功能特征和地区特征建立起来的装配—安装单元，以求通过独立地完成装配—安装工作和船体形成来缩短船舶建造周期，改善可修性及可改装性，其中“技术器材”应理解为“产品、机械、仪器、专用技术装备”。

英国新一代“无畏”级弹道导弹核潜艇采用模块化设计，整体将提提划分为前、中、后3个“大型分段”，16个结构单元，最大程度地实现模块化建造，总体提高整体的建造效率。

2.2 三维建模设计

三维建模设计技术通过模拟三维实体模型进行冲突检查、优化设计，已成为先进国家新一代水面舰艇设计的基本手段。目前以美、英、法为代表的核潜艇装备设计先进国家，均在其新一代核潜艇装备（包括“弗吉尼亚”级、“机敏”级、“梭鱼”级核潜艇等）中采用三维设计技术，为其提供前期设计能力以及培训和海军建筑设计方面的支持服务^[5]。在潜艇设计过程中，可以通过3D CAD系统来完成辅助设计。从建模仿真的角度来看，利用3D CAD系统可以显示潜艇的不同系统以及整个潜艇概况。

以美国纽波特纽斯船厂舰艇的设计为例，其在舰艇设计中均采用了三维设计软件。美国纽波特纽斯船厂采用的三维设计软件是法国达索公司开发的CATIA软件，该软件采用CAD/CAE/CAM一体化设计，最早由法国达索公司开发用于飞机设计，现广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子/电器、消费品行业，能够模拟从方案设计到详细设计、装配、维修的全部设计过程。以2001年达索/IBM公司发布了CATIA V5软件为例，其主要构成和功能如下：

1）初步设计模块

初步设计模块中提供了4个子模块，包括结构预布置子模块、舱室定义与通道子模块、系统空间预留子模块和系统布线子模块。

2）结构设计模块

结构设计模块中提供了4个子模块，包括结构功能设计子模块、船舶结构详细设计子模块、板及型材结构设计子模块和设备支撑结构子模块。

3）通用系统与舾装模块

通用系统与舾装模块中提供了5个子模块，包括管路设计子模块、管路和设备原理图子模块、管线设计及管线原理图子模块、通风设计子模块和通风原理图子模块。

4）电气系统子模块

电气系统子模块中提供了4个子模块，包括3D线槽与导管设计子模块、电子电缆布线子模块、电气连接原理图子模块、3D波导设计及3D波导原理图子模块。

5）跨专业应用模块

跨专业应用模块中提供了4个子模块，包括设备布置子模块、支架设计子模块、系统原理图子模块和人体模型构造器子模块。

6）分析模块

分析模块中提供了2个子模块，包括创成式零件、结构分析子模块和EDSA 3D电气子模块。

7）机械CAD模块

IBM PLM解决方案还提供超过35个的机械CAD产品，涵盖线框、曲面到钣金等各方面设计。其中在船舶设计中的常用产品模块包括CATIA零件设计与装配设计模块、创成式工程图与交互式工程图模块、线架与曲面模块、钣金设计模块、焊接设计模块等。

2.3 虚拟现实设计技术

虚拟现实技术以人机交互为主，通过传感设备与虚拟仿真环境中的客体进行交互和相互影响。虚拟现实技术已成为美国海军降低舰艇武器装备研制风险和成本的重要手段，并广泛应用于新型舰艇武器装备的研制。美国“弗吉尼亚”级潜艇以计算机三维交互式数字设计系统和数字管理系统为支撑平台，在计算机显示系统和虚拟现实环境中用多媒体的形式直接显示设计图形、潜艇内部各种设备和系统的三维布置模型，潜艇所有部件及其设计、生产建造等信息与过程全部存储在计算机数据库，有效支持了潜艇研制的全过程^[6]。

虚拟现实技术支持快速建立原型与联合设计多种多样的潜艇作战中心概念。在联合设计过程中，作战部队人员和设计人员可以在不同地点通过安全网络参与到设计中来，根据不同任务和作战场景，通过实时的概念审核与调整，多方人员协同对虚拟设计图进行优化。

3 结　语

1）创新设计流程，开展协同并行设计方法研究

就设计流程而言，目前国内采用的设计思路基本上是顺序设计，即先确定目标舰艇的总体性能，再设计分系统和相应的设备，这是典型的基于点的设计方法。该方法的缺点是在总体设计中缺乏分系统设计单位的参与，一旦总体设计单位不完全掌握分系统或设备特点时，初期设计的不合理将导致后期牵一发而动全身的修改。例如，若某一与硬武器相关舱室的尺寸或形状不能满足弹药转运或武器发射需求，则该舱室的修改很有可能导致稳性或不沉性的重新计算。协同并行设计方法是解决这一问题的有效手段，简单地说，该设计方法设计初期通过各部门的大量沟通而形成更成熟的设计方案，避免设计后期修改造成的大量时间和工作量的增加。目前，国外已在新型核潜艇设计中采用协同设计模式，并开发了相关软件。而国内对于基于集的设计方法却尚未开始研究，仍需要应用先进的设计理论来提高设计效率。

2）优化模块化设计理念，实现设计与建造紧密结合

目前，国外按照潜艇所处的不同阶段，以及技术的发展程度，将潜艇模块化分为以下几种：一是使命任务模块化。主要体现在设计阶段，使得潜艇可以使用多个任务模块，并且可以选择安装不同的任务模块，实现任务系统的技术植入。二是生产模块化。主要体现在建造阶段，使用标准的接口来完成设备的采购，在模块的早期完成相关设备的安装，并且在模块焊接成型之前，完成模块的测试。在这其中的一个关键是实现零部件或系统的通用性，以及确定通用标准和接口。三是软件的模块化。主要是在潜艇的各个系统层面上，重点是借助开放式体系架构，建立开放式计算环境，便于后续的系统升级与技术植入。四是维护的模块化。主要体现在潜艇的后期维护上，重点是要确定标准的接口，便于后续的设备维修与更换，以及相关设备的维护。而采用模块化设计模式，能够有效实现建造程序的优化及成本控制，大幅提升潜艇建造与升级效率。

以“弗吉尼亚”级潜艇为例，为协调“弗吉尼亚”级潜艇的设计与建造，项目组设置了2种类型的团队。一种是区域团队（MAT），另一种是系统集成团队（SIT）。每个区域团队负责一个主要区域，任务是确保区域综合设计、与其他区域的接口、建造程序的优化及成本控制等。团队由“核心”设计人员、工程师、设备供应商、环境和后勤专家及布置装置（管道系统、结构、电子和机械设备）的CAD操作人员组成。由于人力限制，单独的区域团队不可能全部配备全职专家来从事某项工作，有些专家往往被派到多个团队，这在一定程度上促进了团队间交流。系统集成团队主要负责设计与建造的结合，以及特殊系统的专门技术或适用于全艇的技术方法（如用于全艇的水力学、调平及泄水，电力分配或通风系统）。系统集成团队还负责区域团队之间的交流，避免在建造时出现舱壁和边界冲突问题^[7]。

针对后续“弗吉尼亚”级潜艇的发展需求，美国计划采取更多的措施来提高模块化程度，主要包括：艇首发射装置模块化的升级。借鉴“俄亥俄”级巡航导弹核潜艇的设计思路，将原来的12个发射管升级为2个六联装发射筒；艇体中部加装有效负载舱段，模块长93.7 ft，包含4个大直径垂直发射管，存储发射“战斧”巡航导弹或其他负载（大直径UUV）。

3）注重采用新型详细设计技术，实现潜艇设计效率与性能提升

以虚拟现实代表的潜艇新型详细设计技术，能够直观有效提升设计效率，同时保证设计可靠性与可实现性。同时，利用在计算机显示系统和虚拟现实环境中用多媒体的形式直接显示设计图形、潜艇内部各种设备和系统的三维布置模型，潜艇所有部件及其设计、生产建造等信息与过程全部存储在计算机数据库，能够有效支持潜艇研制的全过程，消除设计中存在的可能在潜艇生命周期中的后面环节暴露的设计弊端，将建造过程简化为简单的构件组合，由此提高潜艇质量，降低耗费。