“和平方舟”号医院船数字化设计

“和平方舟”号医院船数字化设计
中国船舶及海洋工程设计研究院刘晓明傅作民王贵芳
摘要
本文介绍了我国第一艘大型医院船“和平方舟”号研发设计全过程采用的数字化技术，包括厂所协同三维设计、基于全船有限元模型数值分析、区域化制造及伤员运送作业仿真设计。

数字化技术的应用优化了船舶总体方案、船体结构布置及振动特性、验证区域建造方案和通道输转设计方案，提高了设计质量和缩短了研制周期。

关键词：数字化设计协同设计仿真验证
1概述
“和平方舟”号医院船是我国第一艘大型的医院船，抗12级风，9级海况能安全航行，可在世界各大洋航行。

船上设有完整的医疗和护理系统，布局的设计充分考虑了医疗的功能需要做到了“交通流线舒畅、平面布置紧凑适宜、立体布置层层呼应、使用管理方便有序”。

2010年执行“和谐使命”，到亚丁湾为我国护航官兵巡诊，并出访亚非五国，为当地群众、侨胞和我国驻外人员医疗服务，成为我国履行国际义务和展示人民海军多样化任务能力建设的重要平台
综合医院船研发设计采用了全过程数字化技术，包括三维设计、基于全船有限元模型数值分析、可制造性和部分作业的仿真设计验证，在设计阶段厂所开展了并行协同设计。

数字化设计技术应用，在总体改进了设计布置的不合理性，并进行方案优化；数值分析保证了船体结构和振动特性；虚拟仿真设计演示了船舶功能，验证了生产制造的可行性和救护通道设计；厂所协同设计初步形成合作机制和模式，三维设计模型和生产模型得到衔接，有效缩短整个研制周期，提高了质量。

2 三维设计
综合医院船设计采用现代造船模式，开展了三维并行协同设计，按照工厂的分段划分，遵循以中间产品为导向的区域化和模块化理念。

三维设计模型为大场景视景仿真展示提供数字模型。

三维船体建模按照产品导向工程分解，把全船分为艏、艉、机舱、船中和上建五个区域，区域由若干个分段构成，分段由若干个基本板架构成，板架是由若干个构件即板材、型材、角钢和节点等元素组成。

为了实现快速设计，进行了船体结构参数化设计参数分析、对象分析、归并和实施；参数化设计方法研究；建立典型节点、肘板、孔等参数化基础库和管理应用；基本“中间产品”形式，如双层底、舷侧结构、甲板等参数化设计。

模块对象分析、归并和实现；模块化设计方法研究；建立基本“中间产品”基础库和管理应用。

图1为船体三维模型。

舾装设计中采用了模块化、部件化和元件化三个层次的设计方法。

建模在船体模型背景上，进行协同设计布置，设计模型包含部分工艺信息、作业计划、环境布置等。

设备构造采用三维实体建立设备模型库；通风设计根据通风原理图的风量要求，构造风管三维模型；电器设计根据电缆布置图，构造电缆托架三维模型。

系统管路的三维布置，在结构、设备、通风、电器、梯道等舾装件的三维环境中，依据管路原理图，布置管路的三维模型，布置阀件和管路附件。

在设备、通风、电器、梯道、管路的三维布置过程中，设备、通风、电器、梯道、管路各专业之间，以对方的模型为参考对象，提出本专业模型布置中需要其他专业提供的空间，相互协调，达到空间利用的合理化。

在协调中，还有涉及到与船体结构专业的协调，船体结构局部的修改和增加结构，达到机舱内的设备、管路、风管、电缆的三维布置的优化。

图2为机舱三维模型。

厂所协同设计，双方组成团队，建立设计协调机制，确定了设计中的规则方案。

按照船厂设备、工艺和标准图册等，建立船厂标准的节点、坡口、肘板、各种开孔等数据库，分段划分和编码按照船厂的生产及工艺要求，建立数字模型符合船厂生产设计需要，打通设计、制造的信息。

图1 船体三维模型图2 机舱三维模型
3 数值仿真分析
医院船长甲板室，设单层强力甲板，后设直升飞机平台，上层建筑层数多且复杂，甲板和舷侧外板在船舯有大开口。

该船必须在高海况下完成医疗救护使命，医疗救护舱室、手术舱室及其他特殊用途舱室等振动噪声有严格要求。

因此本船结构设计与常规舰船结构相比具有特殊性和复杂性。

在优化设计分析中建立了全船有限元模型，采用设计波方法进行全船强度分析。

选用P-M海浪谱和全球波浪散布图，进行波浪载荷长期预报，按设计波法计算波浪诱导波动压力及惯性力，进行整船结构有限元准静态响应分析和船体总纵强度的直接计算，得到全船的应力和变形分布，研究分析全船的总纵强度和确定上层建筑参与总纵强度的有效度。

基于MSC/PATRAN二次开发PLC语言，开发了全船有限元模型浮态和重量分布自动调整程序，集成于全船有限元分析计算。

用势流理论计算附连水质量，按照确定载荷工况进行船体总振动分析衡准，以螺旋桨和主机为激励源，进行船体动力响应分析衡准和自由振动分析。

对主要医疗区域振动研究，进行综合优化，满足规范和医用要求。

图3 全船强度分析应力分布图图4 全船垂向振动振型图
4 虚拟仿真设计
医院船结构复杂、管线设备多、作业工艺要求高，采用三维虚拟仿真设计技术，在身临其境环境中全景式和多视角感受船舶真实的造型和功能，并模拟区域建造和伤员运送作业过程，对设计制造方案和救护作业时间进行验证。

三维虚拟仿真设计以三维工程模型为基础，在三维立体虚拟现实环境中，进行船体和舾装在数字化平台上根据产品的装配工艺、建造场地的选择根据的主要尺度情况，结合工厂资源如船坞、吊车等的配置情况，来确定医院船的分段和模块，并进行数字化装配虚拟流程模拟，建立预备模块组件，真实地模拟医院船搭载过程。

在过程模拟中，及时发现工艺中存在的各种结构性和空间性等问题, 并根据模拟、分析和装配工效评估的结果对工艺方法、工装结构和生产线布局等进行修改和优化。

整个建造方案分大二部分：
1）船坞中的装配过程：对船坞、龙门吊、岸吊以及各种工装设备和它们的运行轨迹进行仿真模拟。

模拟分段合拢精度、合拢顺序、吊运技术及过程，优化船体结构制造
工艺，提供必须的制造工艺文件。

2）舾装搭载模拟：舾装模拟主要强调和体现壳、舾、涂三类作业的有机结合，按其所划分的各个制造级进行逐级工程分解，以组合成各类零部件、分段、托盘、单元、模块等不同中间产品，连同其所需的全部生产资源，进行区域化、模块化制造过程。

舾装搭载模拟有利于舾装工程的预制和预装，理顺了船体作业和舾装作业的顺序，形成一体化的工艺流程。

进而实现高质量、快捷、安全地造船。

仿真设计还对重要伤病员运送作业进行模拟，由直升机将伤员运送至医院船伤病员换乘区，经主通道运送，首先进入检伤分类区视伤情做出处理，特别危重的伤员入抢救室，如需手术的送入手术室，手术完毕的送入监护病房。

预测运送时间和通道流畅输转能力。