船舶设计和建造是一门综合性极强的科学技术，提高船舶设计的效率，有效地降低造船成本，同时提高船体结构的经济性、安全性和合理性是船舶设计发展的永恒主题。船舶设计手段的提升以提高设计效率、缩短造船周期为目标，在实现三维设计的同时，实现与工厂的数据共享。随着信息化技术的飞速发展，电子样船开发技术及“数字化造船工程”已被引入船舶工业。目前，船舶设计与CAE相关的特性指标有：

（1）船舶结构特性

船舶结构应在强度、刚度、振动及噪声等方面满足船舶总体设计的要求。对于舰船来说还有水下噪声和舰体结构、设备和舰员抗冲击方面的要求。船舶结构特性包括：总纵强度、局部强度、扭转强度、疲劳强度、抗爆强度、屈曲分析、波浪载荷预报及晃荡分析等。

（2）船舶流体动力学特性

船舶流体动力学技术的目标，是在一定程度代替船模试验，为船舶水动力性能设计提供一个全雷诺数的数值模拟工具。它不仅可以预报各类船舶在静水中航行时的阻力，以及与推进装置结合起来的推进性能，它还可以根据风、浪、流等环境载荷，预报实尺度船舶在海浪上的航行性能，包括快速性与波浪失速。同时，船舱内部的通风性能以及火灾安全性能也可以用计算流体力学技术来仿真。

（3）舰船物理场特性

通常对于舰船来说，物理场特性是关乎舰船生命力的重要特性。舰船物理场特性包括声场、船舶CAE的分析种类及解决的问题主要概括为以下四个方面：

一、结构静力分析

船舶结构静力分析主要是计算船舶的结构强度。船体强度是指结构能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种载荷和（或）载荷效应，并在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。

船体强度问题包括总纵强度、局部强度、扭转强度、疲劳强度及抗爆强度、结构屈曲等。总纵强度是研究船体梁整体变形规律和抵抗破坏的能力。集装箱船等大开口船舶，因船体扭转刚度相对较低，需要计算扭转强度。组成船体的各部分结构、节点及其组成的构件还会因局部载荷和（或）船体梁应力而发生变形或受到破坏，这类强度问题通常称为局部强度。

借助通用机械仿真软件ANSYS Mechanical可以处理结构建模、载荷施加、强度、变形等机械分析问题。

此外，船体在整个运行生命周期中所收到了各种交变载荷（静变载荷、动变载荷、周期载荷）。包括航行过程中的波浪载荷以及引起的船体中拱、中垂交替变化，满载、空载、压载等不同工况。这些变化的载荷，以及结构的营运和耐久性要求使船上结构的应力集中和疲劳强度变得尤为突出。采用ANSYS nCode和Fe-safe可分析结构在各种交变载荷下的寿命。

某客船底板的纵向应力

某客船纵骨的纵向应力

二、船舶结构的振动噪声分析

在船舶设计阶段，需要进行振动预报（计算振动模态与响应）和结构声学设计，并对局部结构采取必要的减振降噪措施，避免船上出现有害振动及其伴随的噪声。

船舶振动包括总振动和局部振动。船体总振动是船舶总体振动形态的一种主要反映和描述方式，船体局部振动是船上各种局部构件的振动。船舶噪声包括舱室噪声、水下辐射噪声及自噪声等。

船舶结构振动和噪声分析的主要内容包括：

（1）船舶总振动计算
船体总振动可分为自由振动与强迫振动两大类，前者主要研究船体总振动的模态（固有频率和固有振型），而后者则研究船体梁在各种不同激励力作用下的响应及如何减小和控制其振动量级等。

（2）船体局部振动计算

从整个船体结构中分离出上层建筑、桅杆、尾部结构及机舱等立体舱段计算模型进行振动计算。

（3）舱室噪声计算

舱室噪声是由船舶的结构噪声和空气噪声共同引起的。除空气声源舱室和邻近舱室中的舱室噪声主要由空气噪声决定外，其它舱室的舱室噪声主要由结构噪声决定。

（4）水下辐射噪声计算
船舶在海上航行时引起的水下辐射噪声主要由机械设备振动产生的水下噪声、螺旋桨噪声、螺旋桨脉动压力作用在艉部结构产生的水下噪声和水动力噪声组成。

（5）自噪声计算

自噪声是指声纳接收换能器（或声基阵）所接收到的其载体产生的噪声和声纳设备本身产生噪声的总和。

通过流体动力学分析软件ANSYS Fluent、机械分析软件ANSYS Mechanical以及低频电磁场分析软件ANSYS Maxwell可以对上述各种原因引起的的噪声问题进行研究。

船舶尾部结构响应分析

船舶尾部结构响应分析

三、船舶碰撞搁浅、抗爆抗冲击分析

船舶碰撞往往会造成灾难性的后果。尤其满载危险货物的巨轮如发生碰撞事故，一方面很可能会带来巨大的经济损失和人员伤亡，另外还将造成海洋环境的污染。碰撞和搁浅显然是船舶安全的最大危害之一，解决好船舶碰撞强度和搁浅强度问题，不仅有利于海上生命安全，而且可以防止海洋环境污染，提高航运经济效益。

船舶碰撞是一个高度的非线性过程，采用非线性有限元数值模拟方法是进行船舶碰撞和搁浅研究的有力工具。

对战舰而言，舰船抗爆抗冲击性能已成为衡量其战舰战技术性能的重要指标，抗爆抗冲击性能的好坏将影响到舰艇服役后特别是在战斗条件下舰艇的生命力。舰船抗冲击分析的目的是对船体结构、重要设备及作战人员采取必要的抗冲击措施，努力提高全舰的抗冲击能力，以满足舰船战术技术指标的要求。舰船的抗冲击分析主要包括水下爆炸载荷、舰船在水下爆炸作用下的动响应以及对主要设备、轴系及典型管路和人员进行冲击防护设计等内容。

某柴油机基座抗冲击性计算

水面舰艇水下爆炸分析

四、船舶性能设计中的流体力学和流固耦合分析

船舶中很多部件的设计都与流体相关，如：桨叶的驱动效率分析、船体外型的流线化设计、船体在船外波浪和船内液体（水、油等）液面晃动共同作用下的响应。

ANSYS CFD（FLUENT/CFX）是目前最优秀的CFD软件，其用户界面友好，算法健壮，功能强大，长期以来在用户中有着良好的口碑。

（1）船体阻力计算

ANSYS CFD能准确捕捉船舶周围复杂流动形态及结构；预报出船舶的摩擦阻力和兴波阻力。和水池试验相比，ANSYS CFD分析的长处是它允许对更宽范围的备选船型方案进行测试。比较理想的做法是，它适合用来选择有希望的备选设计方案作进一步的水池试验。ANSYS CFD也指明对设计方案进行改进的部位和方法，比如，显示出船身上的压力分布的细节。

ANSYS FLUENT计算的船体阻力

（2）螺旋桨计算

通过优化船型，可以减小船舶阻力，而改善螺旋桨的推进性能则明显可以增加船舶的推进效率，可以增加船舶的速度，对推进效率的研究是船舶今后研究的一个重点。

ANSYS CFD能模拟如何避免空泡的产生，改善尾部线型，处理好船体和桨之间的距离，尽可能使螺旋桨处在均匀的流场中。通过ANSYS CFD数值模拟，可以得到螺旋桨附近的详细流动细节，从而合理布置螺旋桨的位置。

ANSYS CFD对螺旋桨模拟得到的压力分布和流线效果图

ANSYS CFX计算的船尾螺旋桨影响及其气蚀

（3）船舱通风计算

ANSYS CFD方法还可以进行诸如置换通风、洁净医疗舱室、较大发热处所、厨房以及大空间通风（客滚船、滚装船等）问题的研究和优化设计。ANSYS CFD技术可分析了解室内空气的流场分布，对工程设计进行直观预测，并可大大节约研究费用，有较大的应用前景。

冷藏船内的通风换热计算

船舱内舒适度计算

船体设备间的火灾模拟

舰船受生化武器攻击后的安全评估

（4）船体耐波性计算

在船体耐波性设计方面，首先是作用于船体的载荷具有很大的变动性和随机性，特别是波浪载荷。波浪是一个由许多随机因素决定的随机过程，波浪载荷则是船体对波浪随机过程的响应。

采用ANSYS AQWA计算船体在各种海况下的运动状态，并把水压力直接传到ANSYS Mechanical中计算船体的强度。而且AQWA在舰船和海洋平台的计算结果是得到ABS、DNV、LG等船级社的认可。

系泊系统设计

FPSO系统设计

除了上述应用外，ANSYS CFD还广泛应用于船舶发动机内流场、管路内流动、船用空调系统流场（复杂舱室内的热交换）、船用电机散热、动力装置燃烧及换热解决方案、船用电器、机箱、显控台等的散热、各种油泵、风扇的仿真数值模拟。

关键词:船舶 仿真 技术

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编辑：思扬

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