近日，在西門子大中華區(qū)軟件年會(huì)上，中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司榮獲2017年度“SiemensPLMSoftware最佳應(yīng)用實(shí)踐獎(jiǎng)”，這是船舶行業(yè)唯一的獲獎(jiǎng)作品。
“近年來，我們中心借鑒吸收大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能制造的理念，采用架構(gòu)自主船型設(shè)計(jì)優(yōu)化鏈的方式，應(yīng)用世界領(lǐng)先的全參數(shù)化船體建模技術(shù)和SHERPA集成智能優(yōu)化算法，緊跟CFD（計(jì)算流體力學(xué)）技術(shù)發(fā)展趨勢，以多目標(biāo)多參數(shù)優(yōu)化為核心，最大程度地克服了自身在經(jīng)驗(yàn)積累上的不足，實(shí)現(xiàn)了以智能內(nèi)核驅(qū)動(dòng)船型設(shè)計(jì)的目標(biāo)。”日前，中遠(yuǎn)海運(yùn)重工技術(shù)研發(fā)中心相關(guān)人士對(duì)筆者說。
1.另辟蹊徑補(bǔ)齊短板
CFD是自20世紀(jì)50年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而衍生出的一個(gè)介于數(shù)學(xué)、流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)之間的交叉學(xué)科，至今已有近80年的歷史，該技術(shù)最早被應(yīng)用于航天航空和化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域，由于受限于數(shù)值波浪模型、自由液面捕捉以及六自由度運(yùn)動(dòng)仿真等關(guān)鍵技術(shù)在物理模型開發(fā)與應(yīng)用上的滯后，CFD技術(shù)在近十年來才被應(yīng)用于船舶實(shí)際項(xiàng)目的研發(fā)設(shè)計(jì)中，主要集中在船型開發(fā)和優(yōu)化上。
幾年前，中遠(yuǎn)海運(yùn)重工技術(shù)研發(fā)中心針對(duì)自身存在著船型研發(fā)團(tuán)隊(duì)成立時(shí)間短、缺乏經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)積累不足的短板，另辟蹊徑，將CFD技術(shù)大量應(yīng)用于科研、報(bào)價(jià)以及實(shí)際建造項(xiàng)目中，培養(yǎng)和儲(chǔ)備CFD直接計(jì)算、疲勞譜分析、水動(dòng)力分析等高端計(jì)算能力，用新技術(shù)補(bǔ)短板。CFD團(tuán)隊(duì)將技術(shù)應(yīng)用于系柱拖力直接計(jì)算、拖航阻力預(yù)估、熱流耦合模擬、改裝方案論證，解決了船舶設(shè)計(jì)中的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問題，打破國外設(shè)計(jì)公司技術(shù)壟斷壁壘，為保交付、支撐重點(diǎn)項(xiàng)目推進(jìn)和提升企業(yè)品牌效應(yīng)、提升企業(yè)核心技術(shù)競爭力起到了突出的作用。
經(jīng)過幾年的積累和完善，目前，技術(shù)研發(fā)中心無論是在穿梭油輪、牲畜運(yùn)輸船、風(fēng)電安裝船、海洋平臺(tái)輔助船、鉆井船等特種船舶還是在油輪、集裝箱船等運(yùn)輸船舶的船型優(yōu)化設(shè)計(jì)方面均有嘗試，并取得了較好的效果。2016年，在某特種運(yùn)輸船項(xiàng)目研發(fā)過程中，技術(shù)研發(fā)中心與國內(nèi)某知名院所以及國際某知名船級(jí)社同時(shí)開展船型優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終技術(shù)研發(fā)中心開發(fā)的船型壓載吃水下較母船型減阻9.59%，營運(yùn)特征條件下減阻7.95%，不僅快速性能優(yōu)秀，同時(shí)由于對(duì)船舶的浮心位置確定、波浪增阻計(jì)算、砰擊載荷預(yù)報(bào)等問題也進(jìn)行了充分的考慮，獲得了業(yè)內(nèi)人士和船東的高度認(rèn)可；在自主研發(fā)的兩型穿梭油輪報(bào)價(jià)設(shè)計(jì)中，技術(shù)研發(fā)中心摒棄了傳統(tǒng)穿梭油輪艏部設(shè)計(jì)方式，經(jīng)過了數(shù)千個(gè)方案的篩選，創(chuàng)新性地開發(fā)了用于穿梭油輪的“DoubleU型艏部”設(shè)計(jì)，成功地將船舶浮心向前優(yōu)化了1.5m，解決了穿梭油輪常見的艏傾問題，提高了艙容和設(shè)計(jì)航速，同時(shí)也滿足了船東要求艏部安裝兩個(gè)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和一個(gè)艏側(cè)推的布置需求。
CFD團(tuán)隊(duì)充分利用平臺(tái)優(yōu)勢，大膽創(chuàng)新，短短四年內(nèi)便申報(bào)國家專利十余項(xiàng)，參與了國家級(jí)科研項(xiàng)目4項(xiàng)，自主研發(fā)的各類船型累計(jì)超過20型，有效提升了企業(yè)的核心技術(shù)競爭力。2017年3月3日，在西門子大中華區(qū)軟件年會(huì)上，中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司榮獲2017年度“SiemensPLMSoftware最佳應(yīng)用實(shí)踐獎(jiǎng)”，這是船舶行業(yè)唯一的獲獎(jiǎng)作品。
2.突破經(jīng)典大膽試新
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和船舶建造設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提高，CFD技術(shù)也在由錦上添花到必不可少，無論在船舶/海工裝備設(shè)計(jì)的初期、中期還是后期，CFD技術(shù)都將起到重要的作用。因此，技術(shù)研發(fā)中心努力提高CFD技術(shù)應(yīng)用水平、擴(kuò)大應(yīng)用范圍，在船舶設(shè)計(jì)中，通過運(yùn)用CFD技術(shù)大膽試新，進(jìn)而突破經(jīng)典，形成具自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)成果，提升企業(yè)的市場競爭力。
2012年，原中遠(yuǎn)船務(wù)牽頭研發(fā)國家工信部“采用液壓升降裝置的近海風(fēng)電設(shè)備安裝船關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目，此前，南通中遠(yuǎn)船務(wù)建造的系列風(fēng)電安裝船“決心”1、2號(hào)和“東安吉”1、2號(hào)，由某世界知名公司設(shè)計(jì)，其中“決心1”號(hào)風(fēng)電安裝船還作為人類合理利用開發(fā)風(fēng)能的代表入選了央視與BBC合作的大型紀(jì)錄片《改變地球的一代人》，可以說，該系列風(fēng)電安裝船無論設(shè)計(jì)還是建造都堪稱經(jīng)典。因此，在進(jìn)行近海風(fēng)電設(shè)備安裝船的自主研發(fā)時(shí)，整個(gè)項(xiàng)目組承受了巨大的壓力。
就船型開發(fā)而言，如何在外形、性能等方面突破國外設(shè)計(jì)公司的經(jīng)典設(shè)計(jì)，既突出自主研發(fā)特色又在性能上較“決心”和“東安吉”系列風(fēng)電安裝船更為出色是擺在船型開發(fā)小組面前的最大難題。經(jīng)過數(shù)月的調(diào)研分析并對(duì)“決心2”號(hào)風(fēng)電安裝船進(jìn)行了細(xì)致的設(shè)計(jì)分解后，船型開發(fā)小組敏銳地發(fā)現(xiàn)，雖然國外設(shè)計(jì)公司的設(shè)計(jì)在穩(wěn)性、耐波性、振動(dòng)等方面均非常出色，但在快速性上較相近尺度的散貨船要低。究其原因，是因?yàn)闉榱吮ＷC動(dòng)力定位能力，“決心”和“東安吉”2型風(fēng)電安裝船均在船體艏部設(shè)計(jì)了一個(gè)突出的“鼻子”，這在很大程度上破壞了船體的光順，增加了船舶阻力。對(duì)此，船型開發(fā)小組通過先進(jìn)的全參數(shù)化建模技術(shù)對(duì)船體型線進(jìn)行了顛覆式的設(shè)計(jì)，特別是對(duì)艏部3個(gè)艏側(cè)推進(jìn)器的安裝位置、最佳管隧長度、水線形狀、砰擊載荷等問題進(jìn)行了詳細(xì)地分析和論證，歷時(shí)8個(gè)月，經(jīng)過近7000個(gè)優(yōu)化方案的篩選，自主研發(fā)了“超U型水線的三艏側(cè)推低阻船體”設(shè)計(jì)，最終得到了最優(yōu)化的船型。經(jīng)過水池試驗(yàn)的驗(yàn)證，優(yōu)化后的船型較“決心”“東安吉”兩型風(fēng)電安裝船提高航速約1節(jié)左右。該項(xiàng)目中自主研發(fā)的“超U型水線的三艏側(cè)推低阻船體”獲得了國家發(fā)明專利和實(shí)用新型專利。
2016年初，馬士基航運(yùn)對(duì)舟山中遠(yuǎn)船務(wù)在建的3600TEU項(xiàng)目貨艙區(qū)域通風(fēng)設(shè)計(jì)提出質(zhì)疑，認(rèn)為國外設(shè)計(jì)公司的設(shè)計(jì)存在缺陷，無法實(shí)現(xiàn)艙室內(nèi)部的徹底通風(fēng)循環(huán)，要求船廠進(jìn)行技術(shù)澄清或更換風(fēng)機(jī)并進(jìn)行貨艙區(qū)風(fēng)道布置修改。
對(duì)于中遠(yuǎn)海運(yùn)重工技術(shù)研發(fā)中心來說，這又是一次對(duì)經(jīng)典的挑戰(zhàn)。在經(jīng)過反復(fù)討論和慎重評(píng)估后，研發(fā)組決定采用CFD技術(shù)對(duì)貨艙區(qū)域進(jìn)行全域直接計(jì)算和優(yōu)化，在確保不更換風(fēng)機(jī)選型的前提下，對(duì)風(fēng)道開口位置以及通風(fēng)擋板的角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)貨艙任一角落的徹底通風(fēng)循環(huán)。CFD團(tuán)隊(duì)運(yùn)用參數(shù)化手段進(jìn)行針對(duì)性建模，就可能存在的問題點(diǎn)逐一排查，反復(fù)校核計(jì)算的物理模型和網(wǎng)格劃分精度。同時(shí)，對(duì)國外設(shè)計(jì)公司的設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行了詳盡的論證，應(yīng)用非支配排序遺傳子算法對(duì)影響艙室通風(fēng)平均性的參數(shù)化逐一進(jìn)行敏感度分析，CFD團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新性地在計(jì)算中加入了“無質(zhì)量空氣粒子追蹤”技術(shù)，以動(dòng)畫的形式完美地再現(xiàn)了整個(gè)貨艙內(nèi)部空氣的流動(dòng)軌跡，經(jīng)過對(duì)各個(gè)貨艙總計(jì)30余次的計(jì)算和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了所有貨艙區(qū)域內(nèi)最小瞬時(shí)風(fēng)速不低于0.1m/s的目標(biāo)。
3.精研細(xì)算助力生產(chǎn)
技術(shù)研究是為了更好地服務(wù)于生產(chǎn)。幾年來，技術(shù)研發(fā)中心用CFD技術(shù)為多個(gè)實(shí)際建造項(xiàng)目提供全面支撐，為企業(yè)解決了多項(xiàng)技術(shù)難題，規(guī)避了對(duì)原有設(shè)計(jì)的顛覆性修改，在建造成本控制、保證項(xiàng)目工期等方面均起到了積極的促進(jìn)作用。
2016年9月，大連中遠(yuǎn)船務(wù)對(duì)承建的某油輪進(jìn)行技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)發(fā)現(xiàn)，節(jié)能附體設(shè)計(jì)廠家所提供的節(jié)能附體設(shè)計(jì)存在與船體不匹配、無法起到效果的風(fēng)險(xiǎn)。就此問題，節(jié)能附體廠家無法提供相應(yīng)的材料進(jìn)行有效的說明，臨時(shí)進(jìn)行水池試驗(yàn)也需至少1個(gè)月的時(shí)間才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果，這將大幅影響項(xiàng)目的進(jìn)度，因此向技術(shù)研發(fā)中心發(fā)出了技術(shù)服務(wù)申請(qǐng)。
節(jié)能附體的效果驗(yàn)證涉及船、槳、附體三者間的相互作用，螺旋槳旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)周圍的流場產(chǎn)生激勵(lì)作用進(jìn)而影響到船和節(jié)能附體；而船和節(jié)能附體的存在也影響了螺旋槳的進(jìn)流，整個(gè)計(jì)算具有較強(qiáng)的耦合度和各向應(yīng)力的不對(duì)稱性，通過CFD手段高精度地完成這樣的計(jì)算具有相當(dāng)?shù)碾y度。同時(shí)，為了確保項(xiàng)目的有序開展，計(jì)算也需在1周內(nèi)完成，這無疑進(jìn)一步加大了此項(xiàng)工作的難度。CFD小組在對(duì)大量的相關(guān)文件進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析總結(jié)后，提出了集“雷諾應(yīng)力湍流模型、實(shí)尺度模擬、全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分模式、雙重壓力應(yīng)變、高Y+值控制”于一體的高精度低時(shí)間成本解決方案，五天內(nèi)即完成了全部工況的計(jì)算，證明了節(jié)能附體的設(shè)計(jì)缺陷點(diǎn)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了初步的優(yōu)化方向。
特別值得一提的是，技術(shù)研發(fā)中心CFD團(tuán)隊(duì)成功地打破國外設(shè)計(jì)公司的技術(shù)壁壘，為舟山船務(wù)承建的馬士基3600TEU項(xiàng)目提供了一系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，贏得了馬士基航運(yùn)的高度認(rèn)可和好評(píng)。在前述貨艙區(qū)域通風(fēng)問題解決后不久，船東又發(fā)現(xiàn)機(jī)艙主機(jī)進(jìn)氣口壓降不足的問題。對(duì)此，項(xiàng)目組大膽提出了“以主機(jī)進(jìn)氣量為目標(biāo)，定制化進(jìn)氣口設(shè)計(jì)”的原則，應(yīng)用“優(yōu)中擇優(yōu)”概念，打破原有設(shè)計(jì)的限制，設(shè)計(jì)了5套優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，最終選定了既能保證主機(jī)進(jìn)氣量，又對(duì)機(jī)艙布置影響很小的方案作為最終優(yōu)化方案，獲得了船東的認(rèn)可和高度好評(píng)。
2016年末，馬士基航運(yùn)根據(jù)FORCE水池風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果向船廠方面提出關(guān)于雷達(dá)桅溫度超標(biāo)的質(zhì)疑。根據(jù)雷達(dá)生產(chǎn)廠家的反饋，雷達(dá)桅主要敏感部件的最高溫度不應(yīng)超過攝氏55°，而根據(jù)FORCE水池風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果，在極限工況下最大溫度已達(dá)97°左右，存在雷達(dá)失效的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)該突發(fā)情況，研發(fā)室CFD小組首先對(duì)FORCE水池的風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行系統(tǒng)分析，并嚴(yán)格按照風(fēng)洞試驗(yàn)的條件準(zhǔn)確地對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值還原，對(duì)風(fēng)管朝向、雷達(dá)桅距煙囪的相對(duì)位置以及雷達(dá)桅整體高度等進(jìn)行了多達(dá)20輪的優(yōu)化計(jì)算，最終保證雷達(dá)桅處全部敏感部件在最極限工況下溫度也在55℃以下。
4.瞄準(zhǔn)前瞻引領(lǐng)未來
科技引領(lǐng)未來，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展。船舶設(shè)計(jì)正在由傳統(tǒng)的以量為先、粗獷式的設(shè)計(jì)模式向著細(xì)化、規(guī)范化、智能化的以質(zhì)求生存模式轉(zhuǎn)變，要充分發(fā)揮技術(shù)的引領(lǐng)作用必須保證具有前瞻性的眼光和一定的預(yù)研積累。技術(shù)研發(fā)中心在保證各類項(xiàng)目按計(jì)劃有序推進(jìn)的前提下，立足市場現(xiàn)狀，分析未來發(fā)展趨勢，把握國家政策導(dǎo)向，針對(duì)性地開展了技術(shù)預(yù)研儲(chǔ)備工作。
CFD小組就近幾年來在世界范圍內(nèi)掀起熱潮的北極航線和極地航行船舶進(jìn)行了充分調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前極地類船舶在設(shè)計(jì)和優(yōu)化上對(duì)冰池試驗(yàn)有著極高的依賴度，然而傳統(tǒng)的冰池試驗(yàn)成本高、操作復(fù)雜、周期長等缺陷在很大程度上限制了極地類船舶的設(shè)計(jì)研發(fā)效率。相比而言，應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)的CFD數(shù)值冰池雖然技術(shù)難度極高，但在經(jīng)濟(jì)性、時(shí)間成本、數(shù)據(jù)完整性等方面具有傳統(tǒng)冰池試驗(yàn)無法比擬的優(yōu)勢。鑒于此，技術(shù)研發(fā)中心以此為突破口，在數(shù)值造冰、冰載荷模擬仿真計(jì)算、冰片與螺旋槳相互作用等方面進(jìn)行了技術(shù)預(yù)研工作，以初步形成的成果為內(nèi)容發(fā)表的專項(xiàng)論文也受到了國際學(xué)術(shù)會(huì)議的肯定，并受邀將于今年7月參會(huì)進(jìn)行主題演講。
2015年，為了對(duì)已交付的“MC-Class”極地模塊運(yùn)輸船項(xiàng)目的設(shè)計(jì)建造經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行消化吸收并論證進(jìn)一步優(yōu)化可行性，技術(shù)研發(fā)中心以“Mc-Class”項(xiàng)目為母船型，參考同類型產(chǎn)品的市場趨勢，對(duì)低成本極地甲板模塊運(yùn)輸船進(jìn)行了自主研發(fā)設(shè)計(jì)。模塊運(yùn)輸船屬于中高速甲板裝載類運(yùn)輸船舶，興波阻力占主要成分，根據(jù)其工程特性，項(xiàng)目組大膽地打破常規(guī)，提出了“定制船行波”優(yōu)化方案。所謂的“定制船行波”優(yōu)化法就是針對(duì)興波阻力占總阻力主要成分的船舶，在全參數(shù)化建模的基礎(chǔ)上通過改變其水線形狀、水線入水角、橫剖面充盈度等一系列參數(shù)，設(shè)計(jì)出理想的船身表面壓力分布和船身周圍的波形圖，以實(shí)現(xiàn)興波阻力優(yōu)化的最大化，從而提高船舶的快速性。
通過對(duì)十?dāng)?shù)個(gè)參數(shù)的優(yōu)化、近萬個(gè)方案的篩選，最終形成并提出了“弓箭型水線低阻穿浪船艏”設(shè)計(jì)并獲得了國家發(fā)明專利授權(quán)。該型船艏的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、壓載等主要工況的水線均呈明顯的“反曲”型，艏部為直艏或隱形球艏，通過CFD計(jì)算和水池試驗(yàn)均表明，應(yīng)用該型艏部設(shè)計(jì)可以大幅提高船舶在靜水和風(fēng)浪中的快速性能。
以突破馭突圍
受全球經(jīng)濟(jì)和航運(yùn)市場低迷影響，曾經(jīng)風(fēng)光無限的造船業(yè)目前仍在谷底中徘徊。在此大環(huán)境下，智能制造被世界主要造船大國提升到戰(zhàn)略高度。誰占據(jù)了制高點(diǎn)，誰就占得了掌控整個(gè)戰(zhàn)局的先機(jī)——贏得這場“智能競賽”就能贏得造船市場的未來。
為爭奪這個(gè)“制高點(diǎn)”，世界各海事大國、造船大國，無不窮盡招數(shù)。我國船企如中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司等，也早已瞄準(zhǔn)智能制造第一方陣，以智能內(nèi)核驅(qū)動(dòng)船型設(shè)計(jì)，打了不少“漂亮仗”。然而從整體局勢來看，處于轉(zhuǎn)型升級(jí)關(guān)口的中國船舶工業(yè)，亟待從戰(zhàn)略高度，以突破實(shí)現(xiàn)船舶行業(yè)的突圍，早日實(shí)現(xiàn)造船強(qiáng)國夢想。
對(duì)于國內(nèi)每一個(gè)船企而言，加速創(chuàng)新仍是唯一出路。曾幾何時(shí)，中國驚人的復(fù)制能力既讓自己沾沾自喜，又讓對(duì)手“談虎色變”，這也是中國制造迅速崛起的最大內(nèi)因之一。但一場金融風(fēng)暴讓國內(nèi)船企意識(shí)到，癡迷復(fù)制、疏于創(chuàng)新的代價(jià)是慘痛的。因此，國內(nèi)船企有必要逐步推進(jìn)智能制造技術(shù)集成應(yīng)用和面向智能制造的船舶設(shè)計(jì)技術(shù)以及智能制造工藝及數(shù)據(jù)庫、車間智能管控和互聯(lián)互通平臺(tái)等開發(fā)工作，逐步實(shí)現(xiàn)信息化、數(shù)字化設(shè)計(jì)建造，掌握智能造船的核心技術(shù)。
此外，積極擁抱互聯(lián)網(wǎng)非常重要?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的演進(jìn)和變革，正以顛覆性的力量催生了全新的產(chǎn)業(yè)格局和商業(yè)模式。置身于這股滾滾浪潮下，企業(yè)再抱殘守缺，必定被市場所淘汰。未來，船上設(shè)備按照物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行智能化處理將是大勢所趨。
當(dāng)前，“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”三年行動(dòng)計(jì)劃正在深入實(shí)施，我國船舶工業(yè)要搶抓智能制造政策紅利，順應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”浪潮提供的重要“風(fēng)口”，加快推進(jìn)智能制造，實(shí)現(xiàn)全面轉(zhuǎn)型升級(jí)，快速邁向高端。
