潜艇结构快速设计研究

黄镇熙，王祖华，蒋德民

(1.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064;2.渤船造船厂集团有限公司，辽宁 葫芦岛 125004)

0 引言

潜艇是一种非常复杂的武器装备，它的研制涉及不同的专业优化设计与各专业互相协调，因此研制周期较长。潜艇结构设计是潜艇研制的一个重要环节，它的设计输入主要来自总体协调的结果，随着设计的不断深入及总体协调更新，经常要修改某些设计输入，因此潜艇结构快速设计一直是潜艇结构设计者梦寐以求的追索目标。从现有文献研究来看，国内潜艇结构快速设计的研究报道不多，文献［1］利用UG软件平台对鱼雷壳体设计进行了二次开发，而航空工业方面对飞机快速设计起步较早，较早地形成了飞机总体综合设计平台、飞机协同设计平台、大型客机总体设计平台、导弹总体方案设计平台系统等管理系统、工程协同和成果管理系统研究平台。其他行业中，文献［2］采用参数化设计方法对内燃机部件进行快速设计，文献［3］对客车车身结构的快速设计进行了设计开发。从众多文献研究可以看到，快速设计已经成为各行业的研究潮流，各行业正在利用快速设计技术缩短设计开发周期，节约能源和成本。我所与索为公司合作，利用Sysware平台对潜艇结构快速设计进行了设计开发，已开发了几十个子模块与组合模块。

1 结构子模块设计开发

1.1 结构子模块综述

利用Sysware平台对已有的结构计算程序进行包装形成有参数化设计界面及简图的页面(简称用户界面)，只要输入结构参数就能完成某一功能的结构计算，并产生结果文件，这就形成了最简单的子模块。子模块中的计算程序不限定算法语言的种类，只要有输入数据、可执行程序及输出文件就行。对输入数据限定为非人机对话型，可为整数、实数和数组。子模块必须设参数，凡是在输入输出中用到的数据都必须列为参数。从功能来分，结构子模块可分为工具型、一般计算型、接力计算型、自带优化计算型和计算报告替换型。工具型主要用于截面惯性矩等剖面模数的计算，常用的有:带附连翼板的T型截面的惯性矩计算、带附连翼板的型材截面的惯性矩计算、带肘板和附连翼板的T型截面的惯性矩计算及型材截面与等效的T型截面转换等。一般计算型主要用于某一功能的结构计算，例如板的强度计算、板的稳定计算、带2根水平大梁的内部平面舱壁大梁计算、内部平面舱壁中垂直加强材的计算等。接力计算型主要用于需要对计算程序进行前后处理的程序。例如板架、刚架的强度计算、耐压壳凹凸角区域强度计算、舱壁加强环强度计算等。自带优化计算型主要用于计算程序中已含有优化的计算结果。例如圆柱壳舱室的强度与稳定优化计算等。计算报告替换型用于计算报告的自动生成。例如舱壁计算报告、围壳计算报告、耐压船体计算报告等的自动生成。

1.2 工具型结构子模块的设计开发

上面提到工具型子模块主要用于截面惯性矩等剖面模数的计算，因此它要求简单、明了、直观等。一般要求在用户界面上就能看到所需要的计算结果。另外，该子模块还经常用于给其他模块传递参数，故要求将需传递的数据设为输出参数。例如在图1所示带附连翼板的T型截面的惯性矩计算子模块中，截面面积A、截面形心高Ymax、截面惯性矩J、截面剖面模数Wmin、静矩S、剪切剖面模数ωx等计算结果也是输出参数。当面板厚度、宽度等参数确定后，单击预览按钮就会立即在用户界面显示输出参数的值。对该类模块的开发，首先需要添加输入文件、输出文件及可执行程序，其次对输入文件中进行文件解析，将每一输入参数与模块自身的参数实施映射操作，并对输出文件也进行文件解析，将每一输出参数实施抽取操作存放在与该参数对应的模块自身参数中，最后在用户界面中设置参数文本框(用于参数的说明)、标签文本框(用于填写参数的值)及添置说明示意图即可。

1.3 一般计算型结构子模块的设计开发

一般计算型子模块除了参数较多外与工具型子模块无多大的差别。对该类模块的开发，与上述子模块一样。如果该模块不需要对其他模块传递参数，只需传递输出文件就不必对输出文件进行解析，只需将输出文件设为输出参数即可。

1.4 接力计算型结构子模块的设计开发

接力计算型子模块除了输入文件、输出文件及可执行程序和参数较多外，与一般计算型子模块无多大的差别。其差别主要是由可执行程序的数量不同所引起的。该类模块中的主打可执行程序往往是一些通用程序。例如板架(即交叉梁系)计算程序，它需要很多输入参数，如节点总数、单元总数、荷载总数、每一节点的坐标位置、每一单元的节点号等数据，数量太多，不方便一一输入。它需要1个板架输入数据的前处理程序，能大大简化输入参数，只要输入垂直梁的间距、水平梁的间距、垂直梁与水平梁的惯性矩及板架计算压力等就可用前处理程序生成板架的输入数据，再用板架计算程序生成含每个节点的弯矩、剪力的结果文件。但这样的结果文件看起来还是很麻烦，需要人工找出每根梁的最大弯矩与剪力，再分别与该梁的截面剖面模数Wmin、剪切剖面模数ωx相除得到每根梁的最大弯曲应力与剪应力。它还需要1个板架输出数据的后处理程序，该程序以板架的输出文件作为它的输入文件，再输入含每根梁的截面剖面模数Wmin及剪切剖面模数ωx的输入文件，就可直接输出每根梁的最大弯矩与剪力。这类模块要执行多个可执行程序及生成多个输出文件，可直接得出最终结果，在快速设计中能大大提高工作效率。除板架程序外，在迁移矩阵计算模块中也需添加前后处理程序。在潜艇结构计算中常用迁移矩阵法计算耐压船体凹凸角区域的应力与位移。该计算方法虽然很有用但由于需输入的数据太多，需添加前后处理程序后才能真正体现快速设计。Sysware平台使得这一切都很方便，一切都会有条不紊地进行。对该类模块的开发，与一般计算型基本一样，其不同点是要规定多个可执行程序的执行次序，重点是前后处理程序的开发。

1.5 自带优化计算型结构子模块的设计开发

自带优化计算型子模块是指该模块自带优化算法，虽然Sysware平台可与isight程序连用进行优化计算，但对某些类型的优化计算，还是自带优化比较实用与快捷，因为潜艇的主要结构尺寸象半径、肋距、肋骨高度、壳板厚度等一般都经过圆整，太离散的数据工程上不实用，而自带优化就可较好地控制设计变量步长。该类模块除参数较多外与工具型子模块无多大差别。主要差别在计算程序，要在计算程序设置设计变量、约束条件、目标函数及优化算法等。另外，在用户界面中设置设计变量的初值、终值与步长。对该类模块的开发，与上述模块开发一样，不再重复。

1.6 计算报告替换型结构子模块的设计开发

计算报告替换型子模块其主要工作是将上游子模块传递过来的数据进行解析(即依次寻找每一个需要替换的数据，并抽取该数据与本模块中的相应参数对应)用来更新本模块参数值。再用更新后参数值对原计算报告(即母版计算报告)的数据进行替换，生成新的计算报告。该模块设计开发，首先要准备好母版计算报告，同时也要准备好上游传递数据的母版并将它们存放在“设计”的目录中，其次是对所有要替换的数据建立参数名，做到替换数据与参数一一对应。再对母版计算报告中的值进行适当调整，尽量做到每个参数的值不一样，如果不能避免就要在替换数据的前后加不同的符号。Sysware平台只对前后加了特殊符号(如#、¥、!、@、＆、*)数据进行替换。在数据替换前可以对数据进行公式编辑(例如数据圆整)等工作。为减少对数据的再次加工，要求上游各子模块传递过来的数据单位与计算报告中的单位保持一致。对于那些由于判断值不同而引发调用不同的计算公式时(如在板的强度计算中，当参数U不同时，会分别对板作有限刚性板计算或绝对刚性板计算)则对上游传递数据的母版中既要求含有关有限刚性板计算的计算结果也要包含绝对刚性板计算的计算结果，而对母版计算报告则要准备相应于另一种工况的副本。此外还要加设逻辑判断，当转到另一种工况时要对副本的数据进行替换。在用户界面则要将判断值作为输出数据，以提醒程序使用者，需要将副本数据替换正本中的相关章节。对于像“板架”计算程序中生成的输入数据，由于数据太多，不方便一一替换，可将生成的板架输入数据导出，用cxcel的文本格式打开，直接人工替换。

2 组合模块的设计开发

2.1 用作优化计算的组合模块的设计开发

有些潜艇结构例如耐压液舱结构约束条件很多，设计变量也很多，采用自带优化计算型子模块会给计算程序编写带来很大困难。Ssysware平台开发1种组合模块，可以与isight程序连用进行优化计算。这样就可大大减轻计算程序的编写难度，计算程序只需算出目标函数的值就行了，优化工作由isight程序完成。只要在该模块中单击“优化当前工程”按钮，就会弹出“优化配置”菜单，详见图5所示。在该菜单中设置设计变量、输出参数、优化算法及设置优化目录，设置完成后点击“启动优化”按钮就会弹出isight程序完成优化。isight程序中共有模拟退火法、定向搜索法、改良的可行方向法、遗传因子法等16种优化算法，可根据试用结果来选择合适的优化算法。对约束条件可直接作为输出变量，以运行最佳方案后，直接看到输出结果，详见图6中的输出参数。优化计算时应尽量减少设计变量的数量，以减少优化时间及提高效率。例如，在耐压液舱结构优化中对实肋板上环向筋与纵向筋及舱壁板上加强筋及耐压壳板上的纵骨选择T型材，则要设置T型材的面板宽度、面板厚度、腹板宽度及腹板厚度4个设计变量。若将T型材转换成某系列型材，并将型材的号设为整数，再设型材腹板高度可变化，设1个截取高度为设计变量。这样就可以2个设计变量来描述1个T型材。

图5 优化计算组合模块中的优化设置Fig.5 The optimization settings of the assembled module

2.2 用作完整计算的组合模块的设计开发

潜艇结构子模块只能完成某个单一的计算，计算范围较窄。例如已经对内部平面舱壁开发了板的强度计算、板的稳定计算、2根水平大梁的计算、垂直加强材的计算等子模块，但如需要完成整个内部平面舱壁的计算，则需要一个一个地分开计算，并且对某些相同的参数(例如舱壁板厚、材料屈服点等)要重覆填写。有了组合模块就可以把所有与计算相关的子模块放在1个组合模块中，在组合模块中设置模块执行的次序及参数的传递就可较为方便地完成整个内部平面舱壁的计算。图7和图8显示了各子模块的执行次序及各子模块的数据传递。双击数据传递线就会弹出图9所示菜单，将2个子模块中需要传递的参数用连接线连接，就完成了数据传递。在本例中经过数据传递后再打开T型垂直梁子模块的用户界面，就会发现该用户界面中的相应参数的颜色已变灰，如图10所示。整体运行前，将各子模块的用户界面中的各参数进行设置，单击“整体运行”按钮，程序就会自动完成整个舱壁的计算。

2.3 计算报告替换型的组合模块的设计开发

严格地说，计算报告替换型子模块还不能直接生成计算报告，因为它要接收上游传递数据后才能更新计算报告。该子模块只有与完整计算的组合模块连用才能完全发挥作用。例如在上述所说的2根大梁舱壁完整计算的组合模块中再加入适合2根大梁舱壁的计算报告替换型子模块就组成了计算报告替换型组合模块。计算报告替换型子模块接收的上游传递数据可以是参数也可以是文件。传递数据如是参数则直接可用，如是文件则必须解析后才能使用。对于某些潜艇结构如围壳结构，不同型号的潜艇其围壳结构也不一样。有可能某型潜艇需校核3×4板架、5×4板架，而另一型潜艇需校核2×4板架、4×4板架。这样母型计算报告就较难适应，如要求母型计算报告包含所有形式的板架，则既无必要又不实用。因为当模块中的参数总量太多时，实施“替换数据与参数一一对应”就比较费时与费力。对类似这样潜艇结构的计算报告，我们采用类似模块化的做法，对不同形式的板架配置不同的计算报告替换型子模块。如某型潜艇需校核某几型板架，就抽取哪几型板架的计算报告替换型子模块。生成不同的子计算报告后再人工组合成总计算报告。

3 结语

本潜艇结构快速设计模块对按规范公式的计算、迁移矩阵法计算及板架与刚架的计算作出了较为系统的开发，输入方便直观、前后处理功能强、计算正确、快速、实用，为实施潜艇结构快速设计方案，提供了强有力的计算工具。本快速设计模块对用Sysware平台参数化设计界面开发有限元的参数化建模与计算及对那些特殊结构采用其他计算途径的开发也有重要的借鉴意义。潜艇快速设计技术必定在潜艇结构设计中发挥出越来越重要的作用，并为提升科研效率和工作质量作出帮助。

［1］万欣.鱼雷壳体快速设计［J］.舰船科学技术，2006，28(8):55-57.WAN Xin.Rapid design of torpedo shells［J］.Ship Science and Technology，2006，28(8):55-57.

［2］张继春，徐斌，李兴虎.参数化设计方法在内燃机设计中的应用研究.［J］.车辆与动力技术，2006，(2):24-28.ZHANG Ji-chun，XU Bin，LI Xing-hu.Applied research on using parametric technology to desinn interational combustion engine［J］.Vehicle and Power Technology，2006，(2):24-28.

［3］张红旗，曹文钢，王保清.汽车车架快速设计系统的研究［J］.机械科学与技术，2002，21(6):972-974.ZHANGHong-qi，CAOWen-gang，WANGBao-qing.Research on a rapid design system of automobile frame［J］.Mechanical Science and Technology，2002，21(6):972-974.

［4］江宁，吴庆鸣.水工机械产品快速设计平台［J］.中国水资源，2008，(8):58 －59.JIANG Ning，WU Qing-ming.Fast-design platform for hydraulic machinery product［J］.China Water Resources，2008，(8):58 －59.

［5］任乃飞，江杰，顾佳方，许美玲，罗艳.基于RE/CFD带分流叶片离心泵叶轮快速开发［J］.排灌机械工程学报，2010，(1):18 －21.REN Nai-fei，JIANG Jie，GU Jia-fang，XU Mei-ling.Rapid development of centrifugal pump lmpeller with splitting vanes based on RE/CFD［J］.Journal of Drainage and Irrigation Machinerty Engineering，2010，(1):18 －21.

［6］李学斌，潘治.潜艇概念设计阶段的多目标优化研究［J］.海军工程大学学报，2008，(4):56 －60.LI Xue-bin，PAN Zhi.Multi-objective optimization study on conceptual design of submarine［J］.Joural of Naval University of Engineering，2008，(4):56 －60.

［7］黄镇熙，刘宇.凹角处设舱壁的轴对称凹凸角舱段优化设计［J］.舰船科学技术，2009，31(3):24 －29.HUANG Zhen-xi，LIU Yu.Optimization design of axial symmetric concave-convex angle segment structure in the nook ring supported bulkhead［J］.Ship Science and Technology，2009，31(3):24 －29.

［8］黄镇熙，刘宇.凸角处设舱壁的轴对称凹凸角舱段优化设计［J］.舰船科学技术，2009，31(2):29 －33.HUANG Zhen-xi，LIU Yu.Optimization design of axial symmetry concave-convex angle segment structure in the salient ring supported bulkhead［J］.Ship Science and Technology，2009，31(2):29 －33.