舰船动力装置设计综合集成研讨厅系统及关键技术

摘要：舰船动力装置设计是一项复杂的系统工程，开发综合集成研讨厅系统是舰船动力装置设计的有效途径之一。作者在分析了“舰船动力装置设计综合集成研讨厅”系统的功能需求基础上，搭建了系统的基本框架，对分布式产品数据管理（PDM）和虚拟样机技术在系统内的应用进行了研究。开发了系统的分布式PDM环境，介绍了虚拟样机技术与系统集成的实现原理和虚拟样机技术在系统中的应用。

关键词：舰船动力装置设计；综合集成研讨厅；分布式PDM；虚拟样机技术

中图分类号:U664.1 文献标识码: A

1 引言

舰船动力装置设备繁多、结构复杂，其设计论证涉及不同学科领域，需要综合考虑多方面的复杂因素。传统的设计方式，已日渐显示出它的种种局限性，如设计者的经验对设计质量起决定性的作用、设计过程缺乏直观性、设计过程缺乏方法论支持等[1]。综合集成研讨厅(HWMSE)是一个集成专家群体、各种统计数据和信息、计算机仿真的高度智能化人-机结合系统，其理论基础是从定性到定量以及定性定量相结合的综合集成方法论[2]。就当今及今后舰船动力装置设计的需求及手段和技术的发展趋势来看，开发舰船动力装置设计综合集成研讨厅系统是实现设计现代化、提高设计水平的有效途径之一。因而，本文分析了“舰船动力装置设计综合集成研讨厅系统”的功能需求，搭建了的基本框架，并对其中分布式PDM环境的建立和虚拟样机技术与系统的集成应用进行了研究。

2 舰船动力装置设计综合集成研讨厅系统

2.1 系统功能

首先，舰船动力装置设计综合集成研讨厅最基本的特点就是定性与定量相结合，因而研讨厅必须提供定量处理的模型体系和专家解决问题的基本工具，把定量的模型计算与主要是由专家掌握的定性知识有机的结合起来，实现定性知识与定量数据之间的相互转化。第二，舰船动力装置设计涉及的领域非常广泛，包括系统工程理论、振声控制理论、红外抑制理论、现代控制理论、高等传热学以及动力机械等很多领域，需要许多方面的专家的共同合作，协作和研讨将是系统所支持的基本工作方式。对于研讨厅来说，就要为之提供相应的通信、网络、人机接口等技术支持，为他们之间的交互以及他们与系统的交互提供方便。第三，仿真是舰船动力装置设计的重要手段，如利用仿真可以进行设计方案综合评估、动力装置稳态特性及过渡过程动态特性仿真、动力装置及其部件的结构特性、动态特性分析等。因而，研讨厅必须具有便于技术人员进行性能仿真以及专家便于访问这些仿真系统、分析仿真结果的功能。第四，在论证研讨过程中，信息是决策的基础和依据，因此，研讨厅必须提供多种信息获取的能力，如提供多种资料检索手段、各种类型的资源库等[3]。

2.2 系统结构

根据系统的功能需求，设计的系统结构如图1所示。

系统采用B/S模式，支持分布在各地的专家同时、异时进行研讨。其中的“研讨室”子系统包括主题浏览、研讨流程、研讨白板等模块；“应用资源管理及系统管理”子系统对分布的应用资源及应用系统进行管理，以实现“即插即用”的“软件总线”式的集成环境。“综合处理系统”子系统的作用包括：数据库和模型的管理、仿真和推理的分析、文档和专家研讨意见的整合等[4]。其中的数据库内容包括国内外舰船动力装置实例和机组元部件的性能参数、平面图以及立体图等；知识库内容包括各种标准规范、设计经验、专业基础、理论基础、常用工程计算工具以及专业计算工具等；模型库包括各种元部件的的数学模型等；方法库包括工程设计优化方法、综合评估方法等。MPMSPDM（Marine Power Machinery System Product Data Management）即舰船动力装置设计研讨厅的分布式PDM用来对所有信息和过程进行管理，如元部件信息、结构配置、文件、CAD数据文档、专家研讨意见信息、设计论证的进度等[5]。

系统的研讨论证部分按任务分为方案设计、性能仿真、技术设计三个模块。这三个模块都是在数据库、知识库、模型库、方法库的支持下在研讨白板内进行讨论，然后将研讨结果传入性能仿真模块进行实验，实验结果反馈后再次研讨，形成最佳方案。

在研讨厅中基于性能仿真分析的动力装置设计系统如图2所示。

虚拟样机技术在机械设计系统中的应用，可以使设计过程更为形象直观，并可以使用其先进的仿真分析功能对虚拟样机进行虚拟装配、运动学以及动力学特性等分析。在性能仿真模块中，本文对虚拟样机技术与研讨厅系统的集成应用进行了尝试。下面分析本研讨厅的两大关键技术：MPMSPDM的开发和虚拟样机技术的应用。

3 MPMSPDM的开发

实施PDM的主要方式是购买PDM软件，再利用二次开发进行客户化，使之与企业实际相适应[6]。这些商业PDM软件虽然具有运行稳定，功能强大的特点，但是这些软件存在采购费用高、专业针对性不强、专业软件难以实现紧密集成等缺点。随着计算机软硬件技术的不断发展，计算机编程软件的使用变得更加方便简捷，行业软件（如舰船动力系统设计的一些辅助设计软件）也层出不穷，为了实现针对舰船动力装置设计的PDM技术并使其在较长时期内进行进一步增强和完善功能，本文采用了利用通用编程语言开发PDM软件的方式。

研讨厅系统中的MPMSPDM基于VS.省略）环境开发，其开发层次结构如图3所示。

中间层组件主要由.NET中的远程处理（Remoting）技术实现，并将其驻留在服务器的Windows服务内。COM+服务中包含了事务、排队组件（QC）、安全、松耦合事件（LCE）、JIT激活和对象缓冲池等服务。数据库采用了SQL Server，因为SQL Server和.NET开发环境同属一家，所以在.NET环境内针对SQL Server内置了经过优化的专用数据库组件（SQL 数据提供程序），这样能够实现更为简单的应用和更好的性能。这种架构还适用于将来把应用扩展到其它的系统平台或远程用户在研讨厅系统中，所有参与设计的软件模块产生的数据均通过PDM软件集中管理，或者软件本身与PDM集成，实现更深层次的数据交互。这些模块覆盖了动力系统方案设计和技术设计二个阶段的主要设计任务，并按阶段提供给用户不同的界面。在两个阶段中都要使用的一些软件工具（如专业计算软件、仿真软件、实体造型软件等）分布在不同的计算机上，而PDM软件的客户端程序也同时安装到这些计算机上，以提供给用户参与设计的人机界面。

4 虚拟样机技术的应用

系统中虚拟样机技术应用，主要通过VB调用三维造型软件CATIA的API函数，对CATIA进行二次开发来完成。用VB调用CATIA软件的过程，是VB将CATIA软件理解为一个服务器程序（Server），而二次开发出的应用程序是客户程序（Client），用户只要在客户程序上进行操作，客户程序将驱动CATIA软件完成相关的工作，客户机与服务器之间的关系如图4所示[7]。

虚拟样机技术在系统中应用流程如图5所示，其首项工作是对舰船动力装置标准件（如柴油机、联轴器、齿轮箱、离合器等）进行三维造型，将其存储在三维图形数据库中，以备后期的装配、仿真使用。由于舰船动力装置推进轴系的轴段不是标准件，所以在三维图数据库的建库过程中，推进轴系的轴段不能象舰船动力装置中其它元件那样，在舰船动力装置设计前对其进行三维建模，所以需要对其进行参数化设计。在动力装置各元部件设计选型完成后，进行机舱布置和自动化装配，最后对虚拟样机进行机构运动仿真、有限元及动力学等仿真分析。

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5 结术语

5.1 从定性到定量以及定性定量相结合的综合集成法是解决复杂问题的新方法，综合集成研讨厅是实现这种方法的有效途径之一。舰船动力装置设计论证是一项复杂的系统工程，是实现综合集成研讨厅理想的应用对象。

5.2 随着对综合集成研讨厅思想内涵和系统构成的进一步认识，对先进的计算机技术与研讨厅系统集成开发的深入研究，综合集成研讨厅系统在舰船动力装置设计论证中的体系结构将更加完善，功能将更加强大。

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