潛艇結構快速設計研究

黃鎮熙，王祖華，蔣德民

(1.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064;2.渤船造船廠集團有限公司，遼寧 葫蘆島 125004)

0 引言

潛艇是一種非常復雜的武器裝備，它的研制涉及不同的專業優化設計與各專業互相協調，因此研制周期較長。潛艇結構設計是潛艇研制的一個重要環節，它的設計輸入主要來自總體協調的結果，隨著設計的不斷深入及總體協調更新，經常要修改某些設計輸入，因此潛艇結構快速設計一直是潛艇結構設計者夢寐以求的追索目標。從現有文獻研究來看，國內潛艇結構快速設計的研究報道不多，文獻［1］利用UG軟件平臺對魚雷殼體設計進行了二次開發，而航空工業方面對飛機快速設計起步較早，較早地形成了飛機總體綜合設計平臺、飛機協同設計平臺、大型客機總體設計平臺、導彈總體方案設計平臺系統等管理系統、工程協同和成果管理系統研究平臺。其他行業中，文獻［2］采用參數化設計方法對內燃機部件進行快速設計，文獻［3］對客車車身結構的快速設計進行了設計開發。從眾多文獻研究可以看到，快速設計已經成為各行業的研究潮流，各行業正在利用快速設計技術縮短設計開發周期，節約能源和成本。我所與索為公司合作，利用Sysware平臺對潛艇結構快速設計進行了設計開發，已開發了幾十個子模塊與組合模塊。

1 結構子模塊設計開發

1.1 結構子模塊綜述

利用Sysware平臺對已有的結構計算程序進行包裝形成有參數化設計界面及簡圖的頁面(簡稱用戶界面)，只要輸入結構參數就能完成某一功能的結構計算，并產生結果文件，這就形成了最簡單的子模塊。子模塊中的計算程序不限定算法語言的種類，只要有輸入數據、可執行程序及輸出文件就行。對輸入數據限定為非人機對話型，可為整數、實數和數組。子模塊必須設參數，凡是在輸入輸出中用到的數據都必須列為參數。從功能來分，結構子模塊可分為工具型、一般計算型、接力計算型、自帶優化計算型和計算報告替換型。工具型主要用于截面慣性矩等剖面模數的計算，常用的有:帶附連翼板的T型截面的慣性矩計算、帶附連翼板的型材截面的慣性矩計算、帶肘板和附連翼板的T型截面的慣性矩計算及型材截面與等效的T型截面轉換等。一般計算型主要用于某一功能的結構計算，例如板的強度計算、板的穩定計算、帶2根水平大梁的內部平面艙壁大梁計算、內部平面艙壁中垂直加強材的計算等。接力計算型主要用于需要對計算程序進行前后處理的程序。例如板架、剛架的強度計算、耐壓殼凹凸角區域強度計算、艙壁加強環強度計算等。自帶優化計算型主要用于計算程序中已含有優化的計算結果。例如圓柱殼艙室的強度與穩定優化計算等。計算報告替換型用于計算報告的自動生成。例如艙壁計算報告、圍殼計算報告、耐壓船體計算報告等的自動生成。

1.2 工具型結構子模塊的設計開發

上面提到工具型子模塊主要用于截面慣性矩等剖面模數的計算，因此它要求簡單、明了、直觀等。一般要求在用戶界面上就能看到所需要的計算結果。另外，該子模塊還經常用于給其他模塊傳遞參數，故要求將需傳遞的數據設為輸出參數。例如在圖1所示帶附連翼板的T型截面的慣性矩計算子模塊中，截面面積A、截面形心高Ymax、截面慣性矩J、截面剖面模數Wmin、靜矩S、剪切剖面模數ωx等計算結果也是輸出參數。當面板厚度、寬度等參數確定后，單擊預覽按鈕就會立即在用戶界面顯示輸出參數的值。對該類模塊的開發，首先需要添加輸入文件、輸出文件及可執行程序，其次對輸入文件中進行文件解析，將每一輸入參數與模塊自身的參數實施映射操作，并對輸出文件也進行文件解析，將每一輸出參數實施抽取操作存放在與該參數對應的模塊自身參數中，最后在用戶界面中設置參數文本框(用于參數的說明)、標簽文本框(用于填寫參數的值)及添置說明示意圖即可。

1.3 一般計算型結構子模塊的設計開發

一般計算型子模塊除了參數較多外與工具型子模塊無多大的差別。對該類模塊的開發，與上述子模塊一樣。如果該模塊不需要對其他模塊傳遞參數，只需傳遞輸出文件就不必對輸出文件進行解析，只需將輸出文件設為輸出參數即可。

1.4 接力計算型結構子模塊的設計開發

接力計算型子模塊除了輸入文件、輸出文件及可執行程序和參數較多外，與一般計算型子模塊無多大的差別。其差別主要是由可執行程序的數量不同所引起的。該類模塊中的主打可執行程序往往是一些通用程序。例如板架(即交叉梁系)計算程序，它需要很多輸入參數，如節點總數、單元總數、荷載總數、每一節點的坐標位置、每一單元的節點號等數據，數量太多，不方便一一輸入。它需要1個板架輸入數據的前處理程序，能大大簡化輸入參數，只要輸入垂直梁的間距、水平梁的間距、垂直梁與水平梁的慣性矩及板架計算壓力等就可用前處理程序生成板架的輸入數據，再用板架計算程序生成含每個節點的彎矩、剪力的結果文件。但這樣的結果文件看起來還是很麻煩，需要人工找出每根梁的最大彎矩與剪力，再分別與該梁的截面剖面模數Wmin、剪切剖面模數ωx相除得到每根梁的最大彎曲應力與剪應力。它還需要1個板架輸出數據的后處理程序，該程序以板架的輸出文件作為它的輸入文件，再輸入含每根梁的截面剖面模數Wmin及剪切剖面模數ωx的輸入文件，就可直接輸出每根梁的最大彎矩與剪力。這類模塊要執行多個可執行程序及生成多個輸出文件，可直接得出最終結果，在快速設計中能大大提高工作效率。除板架程序外，在遷移矩陣計算模塊中也需添加前后處理程序。在潛艇結構計算中常用遷移矩陣法計算耐壓船體凹凸角區域的應力與位移。該計算方法雖然很有用但由于需輸入的數據太多，需添加前后處理程序后才能真正體現快速設計。Sysware平臺使得這一切都很方便，一切都會有條不紊地進行。對該類模塊的開發，與一般計算型基本一樣，其不同點是要規定多個可執行程序的執行次序，重點是前后處理程序的開發。

1.5 自帶優化計算型結構子模塊的設計開發

自帶優化計算型子模塊是指該模塊自帶優化算法，雖然Sysware平臺可與isight程序連用進行優化計算，但對某些類型的優化計算，還是自帶優化比較實用與快捷，因為潛艇的主要結構尺寸象半徑、肋距、肋骨高度、殼板厚度等一般都經過圓整，太離散的數據工程上不實用，而自帶優化就可較好地控制設計變量步長。該類模塊除參數較多外與工具型子模塊無多大差別。主要差別在計算程序，要在計算程序設置設計變量、約束條件、目標函數及優化算法等。另外，在用戶界面中設置設計變量的初值、終值與步長。對該類模塊的開發，與上述模塊開發一樣，不再重復。

1.6 計算報告替換型結構子模塊的設計開發

計算報告替換型子模塊其主要工作是將上游子模塊傳遞過來的數據進行解析(即依次尋找每一個需要替換的數據，并抽取該數據與本模塊中的相應參數對應)用來更新本模塊參數值。再用更新后參數值對原計算報告(即母版計算報告)的數據進行替換，生成新的計算報告。該模塊設計開發，首先要準備好母版計算報告，同時也要準備好上游傳遞數據的母版并將它們存放在“設計”的目錄中，其次是對所有要替換的數據建立參數名，做到替換數據與參數一一對應。再對母版計算報告中的值進行適當調整，盡量做到每個參數的值不一樣，如果不能避免就要在替換數據的前后加不同的符號。Sysware平臺只對前后加了特殊符號(如#、￥、!、@、＆、*)數據進行替換。在數據替換前可以對數據進行公式編輯(例如數據圓整)等工作。為減少對數據的再次加工，要求上游各子模塊傳遞過來的數據單位與計算報告中的單位保持一致。對于那些由于判斷值不同而引發調用不同的計算公式時(如在板的強度計算中，當參數U不同時，會分別對板作有限剛性板計算或絕對剛性板計算)則對上游傳遞數據的母版中既要求含有關有限剛性板計算的計算結果也要包含絕對剛性板計算的計算結果，而對母版計算報告則要準備相應于另一種工況的副本。此外還要加設邏輯判斷，當轉到另一種工況時要對副本的數據進行替換。在用戶界面則要將判斷值作為輸出數據，以提醒程序使用者，需要將副本數據替換正本中的相關章節。對于像“板架”計算程序中生成的輸入數據，由于數據太多，不方便一一替換，可將生成的板架輸入數據導出，用cxcel的文本格式打開，直接人工替換。

2 組合模塊的設計開發

2.1 用作優化計算的組合模塊的設計開發

有些潛艇結構例如耐壓液艙結構約束條件很多，設計變量也很多，采用自帶優化計算型子模塊會給計算程序編寫帶來很大困難。Ssysware平臺開發1種組合模塊，可以與isight程序連用進行優化計算。這樣就可大大減輕計算程序的編寫難度，計算程序只需算出目標函數的值就行了，優化工作由isight程序完成。只要在該模塊中單擊“優化當前工程”按鈕，就會彈出“優化配置”菜單，詳見圖5所示。在該菜單中設置設計變量、輸出參數、優化算法及設置優化目錄，設置完成后點擊“啟動優化”按鈕就會彈出isight程序完成優化。isight程序中共有模擬退火法、定向搜索法、改良的可行方向法、遺傳因子法等16種優化算法，可根據試用結果來選擇合適的優化算法。對約束條件可直接作為輸出變量，以運行最佳方案后，直接看到輸出結果，詳見圖6中的輸出參數。優化計算時應盡量減少設計變量的數量，以減少優化時間及提高效率。例如，在耐壓液艙結構優化中對實肋板上環向筋與縱向筋及艙壁板上加強筋及耐壓殼板上的縱骨選擇T型材，則要設置T型材的面板寬度、面板厚度、腹板寬度及腹板厚度4個設計變量。若將T型材轉換成某系列型材，并將型材的號設為整數，再設型材腹板高度可變化，設1個截取高度為設計變量。這樣就可以2個設計變量來描述1個T型材。

圖5 優化計算組合模塊中的優化設置Fig.5 The optimization settings of the assembled module

2.2 用作完整計算的組合模塊的設計開發

潛艇結構子模塊只能完成某個單一的計算，計算范圍較窄。例如已經對內部平面艙壁開發了板的強度計算、板的穩定計算、2根水平大梁的計算、垂直加強材的計算等子模塊，但如需要完成整個內部平面艙壁的計算，則需要一個一個地分開計算，并且對某些相同的參數(例如艙壁板厚、材料屈服點等)要重覆填寫。有了組合模塊就可以把所有與計算相關的子模塊放在1個組合模塊中，在組合模塊中設置模塊執行的次序及參數的傳遞就可較為方便地完成整個內部平面艙壁的計算。圖7和圖8顯示了各子模塊的執行次序及各子模塊的數據傳遞。雙擊數據傳遞線就會彈出圖9所示菜單，將2個子模塊中需要傳遞的參數用連接線連接，就完成了數據傳遞。在本例中經過數據傳遞后再打開T型垂直梁子模塊的用戶界面，就會發現該用戶界面中的相應參數的顏色已變灰，如圖10所示。整體運行前，將各子模塊的用戶界面中的各參數進行設置，單擊“整體運行”按鈕，程序就會自動完成整個艙壁的計算。

2.3 計算報告替換型的組合模塊的設計開發

嚴格地說，計算報告替換型子模塊還不能直接生成計算報告，因為它要接收上游傳遞數據后才能更新計算報告。該子模塊只有與完整計算的組合模塊連用才能完全發揮作用。例如在上述所說的2根大梁艙壁完整計算的組合模塊中再加入適合2根大梁艙壁的計算報告替換型子模塊就組成了計算報告替換型組合模塊。計算報告替換型子模塊接收的上游傳遞數據可以是參數也可以是文件。傳遞數據如是參數則直接可用，如是文件則必須解析后才能使用。對于某些潛艇結構如圍殼結構，不同型號的潛艇其圍殼結構也不一樣。有可能某型潛艇需校核3×4板架、5×4板架，而另一型潛艇需校核2×4板架、4×4板架。這樣母型計算報告就較難適應，如要求母型計算報告包含所有形式的板架，則既無必要又不實用。因為當模塊中的參數總量太多時，實施“替換數據與參數一一對應”就比較費時與費力。對類似這樣潛艇結構的計算報告，我們采用類似模塊化的做法，對不同形式的板架配置不同的計算報告替換型子模塊。如某型潛艇需校核某幾型板架，就抽取哪幾型板架的計算報告替換型子模塊。生成不同的子計算報告后再人工組合成總計算報告。

3 結語

本潛艇結構快速設計模塊對按規范公式的計算、遷移矩陣法計算及板架與剛架的計算作出了較為系統的開發，輸入方便直觀、前后處理功能強、計算正確、快速、實用，為實施潛艇結構快速設計方案，提供了強有力的計算工具。本快速設計模塊對用Sysware平臺參數化設計界面開發有限元的參數化建模與計算及對那些特殊結構采用其他計算途徑的開發也有重要的借鑒意義。潛艇快速設計技術必定在潛艇結構設計中發揮出越來越重要的作用，并為提升科研效率和工作質量作出幫助。

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