建模和仿真技術(shù)在潛艇研制過程中的應(yīng)用

聶玉強，楊龍塾

(1．海軍艦船技術(shù)保障部，北京100841;2．中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京100012)

建模和仿真技術(shù)在潛艇研制過程中的應(yīng)用

聶玉強1，楊龍塾2

(1．海軍艦船技術(shù)保障部，北京100841;2．中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京100012)

采用建模和仿真技術(shù)既是提升潛艇設(shè)計水平的有效手段，也是預(yù)測潛艇性能、發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷的關(guān)鍵一環(huán)。本文主要研究瑞典考庫姆公司先進的潛艇建模和仿真技術(shù)，分析潛艇不同設(shè)計階段所采用的不同仿真建模技術(shù)，總結(jié)潛艇仿真建模工具的使用經(jīng)驗和特點，供潛艇研制部門參考、借鑒。

潛艇;建模;仿真

0 引言

瑞典考庫姆公司作為世界重要的常規(guī)潛艇生產(chǎn)商之一，研制了“西約特蘭”、“哥特蘭”等多型潛艇，并且憑借著良好的性能在國際市場上享有很高的聲譽。該公司在潛艇研究過程中廣泛應(yīng)用建模仿真技術(shù)，用對試驗?zāi)Ｐ秃腿壤凉撏Ｐ瓦M行測量，來完成潛艇性能的預(yù)報、需求設(shè)計的解決方案等工作，使該公司的設(shè)計始終保持世界領(lǐng)先水平。

考庫姆公司的建模與仿真技術(shù)主要集中在潛艇信號特征管理、潛艇結(jié)構(gòu)分析和抗振設(shè)計、潛艇流體力學(xué)設(shè)計、潛艇3D CAD設(shè)計和模擬、潛艇中期升級改裝等領(lǐng)域。

1 潛艇信號特征管理

隱身性能是潛艇的最重要性能指標之一，因此，確保潛艇具有較低的信號特征成為潛艇設(shè)計中的一項非常重要的任務(wù)。而建模仿真在潛艇信號特征管理中發(fā)揮著重要的作用。利用建模與仿真能夠完成潛艇信號特征預(yù)測，可以尋找到較好的設(shè)計解決方案來滿足用戶的具體需求?？紟炷饭驹谠O(shè)計階段主要運用以下幾種建模仿真工具來完成對潛艇多種信號特征的預(yù)測。

1)輻射噪聲信號特征

考庫姆公司研制了一種稱為“艦艇水下噪聲和傳遞函數(shù)分析”(SUNTAN)的工具。該工具基于一個噪聲傳遞函數(shù)，該傳遞函數(shù)是通過許多測試平臺和全比例潛艇的試驗研制獲得的。對于一個給定設(shè)備，具有特定的噪聲和輻射特點，在選擇一個安裝設(shè)計方法之后，就可以預(yù)測遠場輻射噪聲。該分析工具的研究內(nèi)容包含潛艇寬帶噪聲，以及噪聲在結(jié)構(gòu)、流體和空中的不同傳遞途徑。

2)聲目標強度 (TS)

瑞典研制的工具是ARTES(聲光線跟蹤目標回聲強度)用來實現(xiàn)低目標強度設(shè)計。該工具可以輸入3D CAD設(shè)計、處理材料特性和聲涂層，得到的結(jié)果是包含頻率和方向角的目標強度。ARTES已經(jīng)通過與其他先進工具和試驗測量數(shù)據(jù)的對比進行了驗證。

圖1 使用ARTES的建模示例Fig.1 An example of the ARTES modeling

3)磁信號特征

為了能夠預(yù)測潛艇的磁信號特征，并將其作為消磁系統(tǒng)設(shè)計的一個工具，考庫姆公司利用商用工具Flux3D與國內(nèi)研制的Matlab數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式，形成了一套完整的預(yù)測分析工具。目前，考庫姆公司已經(jīng)通過與現(xiàn)役潛艇磁信號特征進行對比的方式，對該預(yù)測分析工具進行了驗證，取得了很好的效果。

圖2 磁信號模擬示例Fig.2 An example of the magnetic signal simulation

4)電信號特征

潛艇的水下電勢、極低頻輻射信號及與腐蝕相關(guān)的磁信號 (CRM)都可以通過軟件來進行模擬，考庫姆公司使用了商用軟件Beasy來進行模擬。此外，考庫姆公司還自主研發(fā)了一型名為電信號預(yù)測 (GASP)的軟件來預(yù)測潛艇電信號特征。

5)水面信號特征

為了降低潛艇在通氣管狀態(tài)下的隱身特征，考庫姆公司使用Optiscat軟件來預(yù)測潛艇的雷達橫截面，使用商用軟件ShipIR/NTCS來預(yù)測潛艇的紅外信號特征。

在潛艇設(shè)計階段，通過對多種信號特征進行模擬仿真，可以不斷優(yōu)化潛艇設(shè)計，較好地控制潛艇的綜合信號特征。在潛艇的驗證階段，將會對潛艇的最終信號進行測量，這樣也可以對潛艇的建模仿真結(jié)果進行檢驗。

此外，除了可以對潛艇的信號特征進行管理之外，還可以在了解潛艇的信號特征水平、周圍環(huán)境特點、探測傳感器性能的前提下，對潛艇的暴露范圍進行預(yù)測分析。

2 潛艇結(jié)構(gòu)分析和抗振設(shè)計

為了能夠使?jié)撏г诟玫臄撤江h(huán)境中生存并完成作戰(zhàn)任務(wù)，需要重點考慮潛艇結(jié)構(gòu)的抗振設(shè)計，使?jié)撏Э梢猿惺芨邚姸葲_擊載荷，而艇殼不會破裂，設(shè)備不會被破壞，艇員得以生存。

在過去40年，瑞典海軍規(guī)定所有的每級潛艇的第1艘都必須進行振動試驗。加上從試驗分段、比例模型的振動中獲得的數(shù)據(jù)，使得考庫姆公司擁有了大量的試驗數(shù)據(jù)，在潛艇抗振設(shè)計方面具有豐富的經(jīng)驗。

為了完成潛艇結(jié)構(gòu)抗振性能的數(shù)值計算，考庫姆公司聯(lián)合使用有限元分析軟件LS－DYNA和邊界單元軟件進行水下振動分析。海水和壓力載荷通過水下振動分析軟件建模的保障來產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)建模則使用LS－DYNA。圖3是振動建模研制的一個實例。

圖3 振動建模示例Fig.3 An example of the vibration modeling

此外，潛艇結(jié)構(gòu)的塑性變形也可以通過使用一個彈－塑材料描述的方式來實現(xiàn)建模。為了能夠成功實現(xiàn)建模，考庫姆公司研制和驗證使用材料模型，塑性變形建模如圖4所示。

圖4 塑性變形的建模示例Fig.4 An example of the plastic deformation modeling

潛艇的振動建模貫穿于除了建造階段之外的所有研制階段，在潛艇研制的早期，通過建模，分析潛艇的振動響應(yīng)，這些計算結(jié)果將在潛艇隨后的研制階段中作為依據(jù)，為系統(tǒng)和裝備選擇正確的減振架，以提高潛艇的聲隱身性能。在潛艇的驗證階段，通過實艇的振動，獲得潛艇完整的振動性能。

3 潛艇流體力學(xué)設(shè)計

在潛艇的設(shè)計過程中，為了能夠獲得較低的拖曳阻尼，使?jié)撏Ь哂休^好的機動性能，并具有較低的水動力信號特征，需要注重對潛艇的流體力學(xué)設(shè)計進行優(yōu)化。

為了使?jié)撏軌蚓哂休^好的流體力學(xué)性能，其中一個重要方法是使用計算流體力學(xué) (CFD)?？紟炷饭就ㄟ^不斷的潛艇設(shè)計，在使用計算流體力學(xué)方法方面積累了豐富的經(jīng)驗，并擁有大量的計算資源?？紟炷饭镜牧黧w力學(xué)計算是在一個基于Linux的群環(huán)境中完成的，其中的一些計算流體力學(xué)計算結(jié)果如圖5所示。

在潛艇設(shè)計過程中，計算流體力學(xué)可以模擬的參數(shù)包括作用在潛艇上的力和力矩、壓力和速度分布與變化、尾流和渦流場。此外，計算流體力學(xué)還用來預(yù)測產(chǎn)生的波浪，以及模擬潛艇的通風(fēng)系統(tǒng)中的空氣流動。

除此之外，潛艇的流體動力模擬能力同樣用試驗數(shù)據(jù)進行驗證，其中一個例子如圖6所示，通過模擬獲得一個全比例尺寸潛艇后面的伴流系數(shù)與實驗數(shù)據(jù)具有很好的吻合度，證明了模擬具有很好的準確性。

圖5 計算流體力學(xué)建模示例Fig.5 An example of the CFD modeling

圖6 計算流體力學(xué)模擬示例Fig.6 An example of the CFD simulation

潛艇的計算流體力學(xué)設(shè)計建模主要在潛艇研制的早期完成，集中在研究、定義和設(shè)計階段，以提高潛艇的水動力性能、隱身性能、機動性能等。

4 3D CAD設(shè)計和模擬

在潛艇研制過程中，可以通過3D CAD系統(tǒng)來完成輔助設(shè)計。從建模仿真的角度來看，利用3D CAD系統(tǒng)可以顯示潛艇不同系統(tǒng)以及整個潛艇的概況。在模擬過程中，未來能夠突出一個特殊系統(tǒng)，并便于實際觀察，不同的系統(tǒng)可以用不同的顏色來表示。如圖7所示，潛艇冷卻水管道可以用一種顏色，而液壓管道則可以用另外一種顏色。

在潛艇的3D CAD設(shè)計過程中，可以利用軟件的三維特性，任意移動或旋轉(zhuǎn)零部件及性能，以研制不同系統(tǒng)的性能，這樣可以用來訓(xùn)練和增強對系統(tǒng)功能的理解。

圖7 3D CAD模擬示例Fig.7 An example of the 3D CAD simulation

在3D CAD建模中同樣可以使用虛擬現(xiàn)實(VR)工具，通過將CAD設(shè)計輸出到一個虛擬現(xiàn)實工具中，可以通過使用大型、四周環(huán)繞顯示和3D眼鏡“進入”設(shè)計和體驗環(huán)境中。

同樣，采用虛擬現(xiàn)實工具可以實現(xiàn)對整個潛艇“空中俯視”，如圖8所示。這樣可以使用戶進入到潛艇內(nèi)部，檢查潛艇的空間和體積、工作條件、顏色配置和照明條件等內(nèi)容。這種方法可以應(yīng)用在潛艇項目的早期，主要集中在研究和定義階段，來確定總布置方法，使其滿足用戶需求。

圖8 3D CAD“空中俯視”建模Fig.8 3D CAD“aerial view”modeling

圖中顯示的是瑞典A26潛艇早期概念設(shè)計階段的柔性有效負載艙情況，該艙可以存儲魚雷、UUV、預(yù)備鋪位，圖片的中間部位是中間柔性有效負載閘門。

5 潛艇中期升級

通常情況下，一艘潛艇的壽命為30多年，為了能夠?qū)崿F(xiàn)整個目標，潛艇通常在服役10－20年之后就需要進行中期升級。潛艇中期升級的項目包括更換過時設(shè)備、在潛艇上增加新的能力及進行潛艇大修。在潛艇中期升級過程中同樣可以應(yīng)用建模仿真技術(shù)。

同設(shè)計一艘新潛艇相類似，在潛艇升級過程中應(yīng)用建模仿真技術(shù)，是為了確保完成升級的潛艇可以滿足用戶需求。當然，也可以使用3D CAD設(shè)計，來觀察升級的效果，如圖9所示。

圖9 3D“藝術(shù)家的效果”模擬Fig.9 3D simulation of“artist’s effect”

6 結(jié)語

建模仿真是潛艇設(shè)計中的一個至關(guān)重要的部分，可以使用不同的建模仿真工具和方法來預(yù)測潛艇的性能，發(fā)現(xiàn)設(shè)計解決方法，使?jié)撏軌蚋玫臐M足用戶需求。

由于在潛艇的不同設(shè)計階段，以及潛艇設(shè)計過程中的不同部分，所面臨的具體要求都各不相同，因此在潛艇的設(shè)計過程中需要不同的建模仿真工具。但是，對所有的建模仿真工具而言，有2點是共同的：一是需要對建模仿真的基本理論進行深入的了解和研究;二是需要用實際試驗測量結(jié)果來進行驗證。因此，在發(fā)展建模仿真工具的同時，還要加強基礎(chǔ)理論知識的研究和試驗條件的建設(shè)，使建模仿真工具能夠發(fā)揮更好的作用。

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Modeling and simulation technology application in the submarine design process

NIE Yu-qiang1，YANG Long-shu2
(1．Navy Ship Maintain Technology Department，Beijing 100841，China;2．The 714 Recearch Institute of CSIC，Beijing 100012，China)

Modeling and simulation technologies are effective ways to improve the level of submarine design．These approaches are also forecast submarine performance and design faults．In this paper，swedish kockum company's modeling and simulation technologies were studied．Modeling and simulation technologies used in different stages of submarine design process were also analyzed．At the end of this paper，the lessons and the character about the use of the simulation software were summarized，and could be a reference for the submarine research department．

submarine;simulation;modeling

U674．76

A

1672－7649(2014)06－0097－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.06.019

2014－03－24;

2014－04－28

聶玉強(1972－)，男，主要從事潛艇維修方面工作。