建模和仿真技术在潜艇研制过程中的应用

聂玉强，杨龙塾

(1．海军舰船技术保障部，北京100841;2．中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京100012)

建模和仿真技术在潜艇研制过程中的应用

聂玉强1，杨龙塾2

(1．海军舰船技术保障部，北京100841;2．中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京100012)

采用建模和仿真技术既是提升潜艇设计水平的有效手段，也是预测潜艇性能、发现设计缺陷的关键一环。本文主要研究瑞典考库姆公司先进的潜艇建模和仿真技术，分析潜艇不同设计阶段所采用的不同仿真建模技术，总结潜艇仿真建模工具的使用经验和特点，供潜艇研制部门参考、借鉴。

潜艇;建模;仿真

0 引言

瑞典考库姆公司作为世界重要的常规潜艇生产商之一，研制了“西约特兰”、“哥特兰”等多型潜艇，并且凭借着良好的性能在国际市场上享有很高的声誉。该公司在潜艇研究过程中广泛应用建模仿真技术，用对试验模型和全比例潜艇模型进行测量，来完成潜艇性能的预报、需求设计的解决方案等工作，使该公司的设计始终保持世界领先水平。

考库姆公司的建模与仿真技术主要集中在潜艇信号特征管理、潜艇结构分析和抗振设计、潜艇流体力学设计、潜艇3D CAD设计和模拟、潜艇中期升级改装等领域。

1 潜艇信号特征管理

隐身性能是潜艇的最重要性能指标之一，因此，确保潜艇具有较低的信号特征成为潜艇设计中的一项非常重要的任务。而建模仿真在潜艇信号特征管理中发挥着重要的作用。利用建模与仿真能够完成潜艇信号特征预测，可以寻找到较好的设计解决方案来满足用户的具体需求。考库姆公司在设计阶段主要运用以下几种建模仿真工具来完成对潜艇多种信号特征的预测。

1)辐射噪声信号特征

考库姆公司研制了一种称为“舰艇水下噪声和传递函数分析”(SUNTAN)的工具。该工具基于一个噪声传递函数，该传递函数是通过许多测试平台和全比例潜艇的试验研制获得的。对于一个给定设备，具有特定的噪声和辐射特点，在选择一个安装设计方法之后，就可以预测远场辐射噪声。该分析工具的研究内容包含潜艇宽带噪声，以及噪声在结构、流体和空中的不同传递途径。

2)声目标强度 (TS)

瑞典研制的工具是ARTES(声光线跟踪目标回声强度)用来实现低目标强度设计。该工具可以输入3D CAD设计、处理材料特性和声涂层，得到的结果是包含频率和方向角的目标强度。ARTES已经通过与其他先进工具和试验测量数据的对比进行了验证。

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

3)磁信号特征

为了能够预测潜艇的磁信号特征，并将其作为消磁系统设计的一个工具，考库姆公司利用商用工具Flux3D与国内研制的Matlab数据库相结合的方式，形成了一套完整的预测分析工具。目前，考库姆公司已经通过与现役潜艇磁信号特征进行对比的方式，对该预测分析工具进行了验证，取得了很好的效果。

图2 磁信号模拟示例Fig.2 An example of the magnetic signal simulation

4)电信号特征

潜艇的水下电势、极低频辐射信号及与腐蚀相关的磁信号 (CRM)都可以通过软件来进行模拟，考库姆公司使用了商用软件Beasy来进行模拟。此外，考库姆公司还自主研发了一型名为电信号预测 (GASP)的软件来预测潜艇电信号特征。

5)水面信号特征

为了降低潜艇在通气管状态下的隐身特征，考库姆公司使用Optiscat软件来预测潜艇的雷达横截面，使用商用软件ShipIR/NTCS来预测潜艇的红外信号特征。

在潜艇设计阶段，通过对多种信号特征进行模拟仿真，可以不断优化潜艇设计，较好地控制潜艇的综合信号特征。在潜艇的验证阶段，将会对潜艇的最终信号进行测量，这样也可以对潜艇的建模仿真结果进行检验。

此外，除了可以对潜艇的信号特征进行管理之外，还可以在了解潜艇的信号特征水平、周围环境特点、探测传感器性能的前提下，对潜艇的暴露范围进行预测分析。

2 潜艇结构分析和抗振设计

为了能够使潜艇在更好的敌方环境中生存并完成作战任务，需要重点考虑潜艇结构的抗振设计，使潜艇可以承受高强度冲击载荷，而艇壳不会破裂，设备不会被破坏，艇员得以生存。

在过去40年，瑞典海军规定所有的每级潜艇的第1艘都必须进行振动试验。加上从试验分段、比例模型的振动中获得的数据，使得考库姆公司拥有了大量的试验数据，在潜艇抗振设计方面具有丰富的经验。

为了完成潜艇结构抗振性能的数值计算，考库姆公司联合使用有限元分析软件LS－DYNA和边界单元软件进行水下振动分析。海水和压力载荷通过水下振动分析软件建模的保障来产生，结构建模则使用LS－DYNA。图3是振动建模研制的一个实例。

图3 振动建模示例Fig.3 An example of the vibration modeling

此外，潜艇结构的塑性变形也可以通过使用一个弹－塑材料描述的方式来实现建模。为了能够成功实现建模，考库姆公司研制和验证使用材料模型，塑性变形建模如图4所示。

图4 塑性变形的建模示例Fig.4 An example of the plastic deformation modeling

潜艇的振动建模贯穿于除了建造阶段之外的所有研制阶段，在潜艇研制的早期，通过建模，分析潜艇的振动响应，这些计算结果将在潜艇随后的研制阶段中作为依据，为系统和装备选择正确的减振架，以提高潜艇的声隐身性能。在潜艇的验证阶段，通过实艇的振动，获得潜艇完整的振动性能。

3 潜艇流体力学设计

在潜艇的设计过程中，为了能够获得较低的拖曳阻尼，使潜艇具有较好的机动性能，并具有较低的水动力信号特征，需要注重对潜艇的流体力学设计进行优化。

为了使潜艇能够具有较好的流体力学性能，其中一个重要方法是使用计算流体力学 (CFD)。考库姆公司通过不断的潜艇设计，在使用计算流体力学方法方面积累了丰富的经验，并拥有大量的计算资源。考库姆公司的流体力学计算是在一个基于Linux的群环境中完成的，其中的一些计算流体力学计算结果如图5所示。

在潜艇设计过程中，计算流体力学可以模拟的参数包括作用在潜艇上的力和力矩、压力和速度分布与变化、尾流和涡流场。此外，计算流体力学还用来预测产生的波浪，以及模拟潜艇的通风系统中的空气流动。

除此之外，潜艇的流体动力模拟能力同样用试验数据进行验证，其中一个例子如图6所示，通过模拟获得一个全比例尺寸潜艇后面的伴流系数与实验数据具有很好的吻合度，证明了模拟具有很好的准确性。

图5 计算流体力学建模示例Fig.5 An example of the CFD modeling

图6 计算流体力学模拟示例Fig.6 An example of the CFD simulation

潜艇的计算流体力学设计建模主要在潜艇研制的早期完成，集中在研究、定义和设计阶段，以提高潜艇的水动力性能、隐身性能、机动性能等。

4 3D CAD设计和模拟

在潜艇研制过程中，可以通过3D CAD系统来完成辅助设计。从建模仿真的角度来看，利用3D CAD系统可以显示潜艇不同系统以及整个潜艇的概况。在模拟过程中，未来能够突出一个特殊系统，并便于实际观察，不同的系统可以用不同的颜色来表示。如图7所示，潜艇冷却水管道可以用一种颜色，而液压管道则可以用另外一种颜色。

在潜艇的3D CAD设计过程中，可以利用软件的三维特性，任意移动或旋转零部件及性能，以研制不同系统的性能，这样可以用来训练和增强对系统功能的理解。

图7 3D CAD模拟示例Fig.7 An example of the 3D CAD simulation

在3D CAD建模中同样可以使用虚拟现实(VR)工具，通过将CAD设计输出到一个虚拟现实工具中，可以通过使用大型、四周环绕显示和3D眼镜“进入”设计和体验环境中。

同样，采用虚拟现实工具可以实现对整个潜艇“空中俯视”，如图8所示。这样可以使用户进入到潜艇内部，检查潜艇的空间和体积、工作条件、颜色配置和照明条件等内容。这种方法可以应用在潜艇项目的早期，主要集中在研究和定义阶段，来确定总布置方法，使其满足用户需求。

图8 3D CAD“空中俯视”建模Fig.8 3D CAD“aerial view”modeling

图中显示的是瑞典A26潜艇早期概念设计阶段的柔性有效负载舱情况，该舱可以存储鱼雷、UUV、预备铺位，图片的中间部位是中间柔性有效负载闸门。

5 潜艇中期升级

通常情况下，一艘潜艇的寿命为30多年，为了能够实现整个目标，潜艇通常在服役10－20年之后就需要进行中期升级。潜艇中期升级的项目包括更换过时设备、在潜艇上增加新的能力及进行潜艇大修。在潜艇中期升级过程中同样可以应用建模仿真技术。

同设计一艘新潜艇相类似，在潜艇升级过程中应用建模仿真技术，是为了确保完成升级的潜艇可以满足用户需求。当然，也可以使用3D CAD设计，来观察升级的效果，如图9所示。

图9 3D“艺术家的效果”模拟Fig.9 3D simulation of“artist’s effect”

6 结语

建模仿真是潜艇设计中的一个至关重要的部分，可以使用不同的建模仿真工具和方法来预测潜艇的性能，发现设计解决方法，使潜艇能够更好的满足用户需求。

由于在潜艇的不同设计阶段，以及潜艇设计过程中的不同部分，所面临的具体要求都各不相同，因此在潜艇的设计过程中需要不同的建模仿真工具。但是，对所有的建模仿真工具而言，有2点是共同的：一是需要对建模仿真的基本理论进行深入的了解和研究;二是需要用实际试验测量结果来进行验证。因此，在发展建模仿真工具的同时，还要加强基础理论知识的研究和试验条件的建设，使建模仿真工具能够发挥更好的作用。

［1］BERG R．Signature management and stealth design for AIP submarines［M］．UDT Pacific － 08，Sydney，Australia，2008，11．

［2］ERIKSSON A．Acoustic target strength design for submarinesmodelling and measurements［M］．UDT － 08，Glasgow，UK，2008．

［3］STENVALL J．Investigation of shock response of a submerged reinforced cylinder［C］．UDT Europe02， La Spezia，2002．

［4］STENVALL J．Numerical prediction of submarine shock response［C］．UDT Europe 09，Cannes，2009，6．

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

聂玉强(1972－)，男，主要从事潜艇维修方面工作。