黃鎮(zhèn)熙，王祖華，蔣德民

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

0 引言

潛艇是一種非常復(fù)雜的武器裝備，它的研制涉及不同的專業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)與各專業(yè)互相協(xié)調(diào)，因此研制周期較長。潛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是潛艇研制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它的設(shè)計(jì)輸入主要來自總體協(xié)調(diào)的結(jié)果，隨著設(shè)計(jì)的不斷深入及總體協(xié)調(diào)更新，經(jīng)常要修改某些設(shè)計(jì)輸入，因此潛艇結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)一直是潛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者夢寐以求的追索目標(biāo)。從現(xiàn)有文獻(xiàn)研究來看，國內(nèi)潛艇結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)的研究報(bào)道不多，文獻(xiàn)［1］利用UG軟件平臺(tái)對魚雷殼體設(shè)計(jì)進(jìn)行了二次開發(fā)，而航空工業(yè)方面對飛機(jī)快速設(shè)計(jì)起步較早，較早地形成了飛機(jī)總體綜合設(shè)計(jì)平臺(tái)、飛機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、大型客機(jī)總體設(shè)計(jì)平臺(tái)、導(dǎo)彈總體方案設(shè)計(jì)平臺(tái)系統(tǒng)等管理系統(tǒng)、工程協(xié)同和成果管理系統(tǒng)研究平臺(tái)。其他行業(yè)中，文獻(xiàn)［2］采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法對內(nèi)燃機(jī)部件進(jìn)行快速設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)［3］對客車車身結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)進(jìn)行了設(shè)計(jì)開發(fā)。從眾多文獻(xiàn)研究可以看到，快速設(shè)計(jì)已經(jīng)成為各行業(yè)的研究潮流，各行業(yè)正在利用快速設(shè)計(jì)技術(shù)縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期，節(jié)約能源和成本。我所與索為公司合作，利用Sysware平臺(tái)對潛艇結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)進(jìn)行了設(shè)計(jì)開發(fā)，已開發(fā)了幾十個(gè)子模塊與組合模塊。

1 結(jié)構(gòu)子模塊設(shè)計(jì)開發(fā)

1.1 結(jié)構(gòu)子模塊綜述

利用Sysware平臺(tái)對已有的結(jié)構(gòu)計(jì)算程序進(jìn)行包裝形成有參數(shù)化設(shè)計(jì)界面及簡圖的頁面(簡稱用戶界面)，只要輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)就能完成某一功能的結(jié)構(gòu)計(jì)算，并產(chǎn)生結(jié)果文件，這就形成了最簡單的子模塊。子模塊中的計(jì)算程序不限定算法語言的種類，只要有輸入數(shù)據(jù)、可執(zhí)行程序及輸出文件就行。對輸入數(shù)據(jù)限定為非人機(jī)對話型，可為整數(shù)、實(shí)數(shù)和數(shù)組。子模塊必須設(shè)參數(shù)，凡是在輸入輸出中用到的數(shù)據(jù)都必須列為參數(shù)。從功能來分，結(jié)構(gòu)子模塊可分為工具型、一般計(jì)算型、接力計(jì)算型、自帶優(yōu)化計(jì)算型和計(jì)算報(bào)告替換型。工具型主要用于截面慣性矩等剖面模數(shù)的計(jì)算，常用的有:帶附連翼板的T型截面的慣性矩計(jì)算、帶附連翼板的型材截面的慣性矩計(jì)算、帶肘板和附連翼板的T型截面的慣性矩計(jì)算及型材截面與等效的T型截面轉(zhuǎn)換等。一般計(jì)算型主要用于某一功能的結(jié)構(gòu)計(jì)算，例如板的強(qiáng)度計(jì)算、板的穩(wěn)定計(jì)算、帶2根水平大梁的內(nèi)部平面艙壁大梁計(jì)算、內(nèi)部平面艙壁中垂直加強(qiáng)材的計(jì)算等。接力計(jì)算型主要用于需要對計(jì)算程序進(jìn)行前后處理的程序。例如板架、剛架的強(qiáng)度計(jì)算、耐壓殼凹凸角區(qū)域強(qiáng)度計(jì)算、艙壁加強(qiáng)環(huán)強(qiáng)度計(jì)算等。自帶優(yōu)化計(jì)算型主要用于計(jì)算程序中已含有優(yōu)化的計(jì)算結(jié)果。例如圓柱殼艙室的強(qiáng)度與穩(wěn)定優(yōu)化計(jì)算等。計(jì)算報(bào)告替換型用于計(jì)算報(bào)告的自動(dòng)生成。例如艙壁計(jì)算報(bào)告、圍殼計(jì)算報(bào)告、耐壓船體計(jì)算報(bào)告等的自動(dòng)生成。

1.2 工具型結(jié)構(gòu)子模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)

上面提到工具型子模塊主要用于截面慣性矩等剖面模數(shù)的計(jì)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(jì)算結(jié)果。另外，該子模塊還經(jīng)常用于給其他模塊傳遞參數(shù)，故要求將需傳遞的數(shù)據(jù)設(shè)為輸出參數(shù)。例如在圖1所示帶附連翼板的T型截面的慣性矩計(jì)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(shù)Wmin、靜矩S、剪切剖面模數(shù)ωx等計(jì)算結(jié)果也是輸出參數(shù)。當(dāng)面板厚度、寬度等參數(shù)確定后，單擊預(yù)覽按鈕就會(huì)立即在用戶界面顯示輸出參數(shù)的值。對該類模塊的開發(fā)，首先需要添加輸入文件、輸出文件及可執(zhí)行程序，其次對輸入文件中進(jìn)行文件解析，將每一輸入?yún)?shù)與模塊自身的參數(shù)實(shí)施映射操作，并對輸出文件也進(jìn)行文件解析，將每一輸出參數(shù)實(shí)施抽取操作存放在與該參數(shù)對應(yīng)的模塊自身參數(shù)中，最后在用戶界面中設(shè)置參數(shù)文本框(用于參數(shù)的說明)、標(biāo)簽文本框(用于填寫參數(shù)的值)及添置說明示意圖即可。

1.3 一般計(jì)算型結(jié)構(gòu)子模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)

一般計(jì)算型子模塊除了參數(shù)較多外與工具型子模塊無多大的差別。對該類模塊的開發(fā)，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(shù)，只需傳遞輸出文件就不必對輸出文件進(jìn)行解析，只需將輸出文件設(shè)為輸出參數(shù)即可。

1.4 接力計(jì)算型結(jié)構(gòu)子模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)

接力計(jì)算型子模塊除了輸入文件、輸出文件及可執(zhí)行程序和參數(shù)較多外，與一般計(jì)算型子模塊無多大的差別。其差別主要是由可執(zhí)行程序的數(shù)量不同所引起的。該類模塊中的主打可執(zhí)行程序往往是一些通用程序。例如板架(即交叉梁系)計(jì)算程序，它需要很多輸入?yún)?shù)，如節(jié)點(diǎn)總數(shù)、單元總數(shù)、荷載總數(shù)、每一節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置、每一單元的節(jié)點(diǎn)號等數(shù)據(jù)，數(shù)量太多，不方便一一輸入。它需要1個(gè)板架輸入數(shù)據(jù)的前處理程序，能大大簡化輸入?yún)?shù)，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(jì)算壓力等就可用前處理程序生成板架的輸入數(shù)據(jù)，再用板架計(jì)算程序生成含每個(gè)節(jié)點(diǎn)的彎矩、剪力的結(jié)果文件。但這樣的結(jié)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(shù)Wmin、剪切剖面模數(shù)ωx相除得到每根梁的最大彎曲應(yīng)力與剪應(yīng)力。它還需要1個(gè)板架輸出數(shù)據(jù)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(shù)Wmin及剪切剖面模數(shù)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(zhí)行多個(gè)可執(zhí)行程序及生成多個(gè)輸出文件，可直接得出最終結(jié)果，在快速設(shè)計(jì)中能大大提高工作效率。除板架程序外，在遷移矩陣計(jì)算模塊中也需添加前后處理程序。在潛艇結(jié)構(gòu)計(jì)算中常用遷移矩陣法計(jì)算耐壓船體凹凸角區(qū)域的應(yīng)力與位移。該計(jì)算方法雖然很有用但由于需輸入的數(shù)據(jù)太多，需添加前后處理程序后才能真正體現(xiàn)快速設(shè)計(jì)。Sysware平臺(tái)使得這一切都很方便，一切都會(huì)有條不紊地進(jìn)行。對該類模塊的開發(fā)，與一般計(jì)算型基本一樣，其不同點(diǎn)是要規(guī)定多個(gè)可執(zhí)行程序的執(zhí)行次序，重點(diǎn)是前后處理程序的開發(fā)。

1.5 自帶優(yōu)化計(jì)算型結(jié)構(gòu)子模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)

自帶優(yōu)化計(jì)算型子模塊是指該模塊自帶優(yōu)化算法，雖然Sysware平臺(tái)可與isight程序連用進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，但對某些類型的優(yōu)化計(jì)算，還是自帶優(yōu)化比較實(shí)用與快捷，因?yàn)闈撏У闹饕Y(jié)構(gòu)尺寸象半徑、肋距、肋骨高度、殼板厚度等一般都經(jīng)過圓整，太離散的數(shù)據(jù)工程上不實(shí)用，而自帶優(yōu)化就可較好地控制設(shè)計(jì)變量步長。該類模塊除參數(shù)較多外與工具型子模塊無多大差別。主要差別在計(jì)算程序，要在計(jì)算程序設(shè)置設(shè)計(jì)變量、約束條件、目標(biāo)函數(shù)及優(yōu)化算法等。另外，在用戶界面中設(shè)置設(shè)計(jì)變量的初值、終值與步長。對該類模塊的開發(fā)，與上述模塊開發(fā)一樣，不再重復(fù)。

1.6 計(jì)算報(bào)告替換型結(jié)構(gòu)子模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)

計(jì)算報(bào)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(shù)據(jù)進(jìn)行解析(即依次尋找每一個(gè)需要替換的數(shù)據(jù)，并抽取該數(shù)據(jù)與本模塊中的相應(yīng)參數(shù)對應(yīng))用來更新本模塊參數(shù)值。再用更新后參數(shù)值對原計(jì)算報(bào)告(即母版計(jì)算報(bào)告)的數(shù)據(jù)進(jìn)行替換，生成新的計(jì)算報(bào)告。該模塊設(shè)計(jì)開發(fā)，首先要準(zhǔn)備好母版計(jì)算報(bào)告，同時(shí)也要準(zhǔn)備好上游傳遞數(shù)據(jù)的母版并將它們存放在“設(shè)計(jì)”的目錄中，其次是對所有要替換的數(shù)據(jù)建立參數(shù)名，做到替換數(shù)據(jù)與參數(shù)一一對應(yīng)。再對母版計(jì)算報(bào)告中的值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，盡量做到每個(gè)參數(shù)的值不一樣，如果不能避免就要在替換數(shù)據(jù)的前后加不同的符號。Sysware平臺(tái)只對前后加了特殊符號(如#、￥、!、@、＆、*)數(shù)據(jù)進(jìn)行替換。在數(shù)據(jù)替換前可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行公式編輯(例如數(shù)據(jù)圓整)等工作。為減少對數(shù)據(jù)的再次加工，要求上游各子模塊傳遞過來的數(shù)據(jù)單位與計(jì)算報(bào)告中的單位保持一致。對于那些由于判斷值不同而引發(fā)調(diào)用不同的計(jì)算公式時(shí)(如在板的強(qiáng)度計(jì)算中，當(dāng)參數(shù)U不同時(shí)，會(huì)分別對板作有限剛性板計(jì)算或絕對剛性板計(jì)算)則對上游傳遞數(shù)據(jù)的母版中既要求含有關(guān)有限剛性板計(jì)算的計(jì)算結(jié)果也要包含絕對剛性板計(jì)算的計(jì)算結(jié)果，而對母版計(jì)算報(bào)告則要準(zhǔn)備相應(yīng)于另一種工況的副本。此外還要加設(shè)邏輯判斷，當(dāng)轉(zhuǎn)到另一種工況時(shí)要對副本的數(shù)據(jù)進(jìn)行替換。在用戶界面則要將判斷值作為輸出數(shù)據(jù)，以提醒程序使用者，需要將副本數(shù)據(jù)替換正本中的相關(guān)章節(jié)。對于像“板架”計(jì)算程序中生成的輸入數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)太多，不方便一一替換，可將生成的板架輸入數(shù)據(jù)導(dǎo)出，用cxcel的文本格式打開，直接人工替換。

2 組合模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)

2.1 用作優(yōu)化計(jì)算的組合模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)

有些潛艇結(jié)構(gòu)例如耐壓液艙結(jié)構(gòu)約束條件很多，設(shè)計(jì)變量也很多，采用自帶優(yōu)化計(jì)算型子模塊會(huì)給計(jì)算程序編寫帶來很大困難。Ssysware平臺(tái)開發(fā)1種組合模塊，可以與isight程序連用進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。這樣就可大大減輕計(jì)算程序的編寫難度，計(jì)算程序只需算出目標(biāo)函數(shù)的值就行了，優(yōu)化工作由isight程序完成。只要在該模塊中單擊“優(yōu)化當(dāng)前工程”按鈕，就會(huì)彈出“優(yōu)化配置”菜單，詳見圖5所示。在該菜單中設(shè)置設(shè)計(jì)變量、輸出參數(shù)、優(yōu)化算法及設(shè)置優(yōu)化目錄，設(shè)置完成后點(diǎn)擊“啟動(dòng)優(yōu)化”按鈕就會(huì)彈出isight程序完成優(yōu)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(yōu)化算法，可根據(jù)試用結(jié)果來選擇合適的優(yōu)化算法。對約束條件可直接作為輸出變量，以運(yùn)行最佳方案后，直接看到輸出結(jié)果，詳見圖6中的輸出參數(shù)。優(yōu)化計(jì)算時(shí)應(yīng)盡量減少設(shè)計(jì)變量的數(shù)量，以減少優(yōu)化時(shí)間及提高效率。例如，在耐壓液艙結(jié)構(gòu)優(yōu)化中對實(shí)肋板上環(huán)向筋與縱向筋及艙壁板上加強(qiáng)筋及耐壓殼板上的縱骨選擇T型材，則要設(shè)置T型材的面板寬度、面板厚度、腹板寬度及腹板厚度4個(gè)設(shè)計(jì)變量。若將T型材轉(zhuǎn)換成某系列型材，并將型材的號設(shè)為整數(shù)，再設(shè)型材腹板高度可變化，設(shè)1個(gè)截取高度為設(shè)計(jì)變量。這樣就可以2個(gè)設(shè)計(jì)變量來描述1個(gè)T型材。

圖5 優(yōu)化計(jì)算組合模塊中的優(yōu)化設(shè)置Fig.5 The optimization settings of the assembled module

2.2 用作完整計(jì)算的組合模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)

潛艇結(jié)構(gòu)子模塊只能完成某個(gè)單一的計(jì)算，計(jì)算范圍較窄。例如已經(jīng)對內(nèi)部平面艙壁開發(fā)了板的強(qiáng)度計(jì)算、板的穩(wěn)定計(jì)算、2根水平大梁的計(jì)算、垂直加強(qiáng)材的計(jì)算等子模塊，但如需要完成整個(gè)內(nèi)部平面艙壁的計(jì)算，則需要一個(gè)一個(gè)地分開計(jì)算，并且對某些相同的參數(shù)(例如艙壁板厚、材料屈服點(diǎn)等)要重覆填寫。有了組合模塊就可以把所有與計(jì)算相關(guān)的子模塊放在1個(gè)組合模塊中，在組合模塊中設(shè)置模塊執(zhí)行的次序及參數(shù)的傳遞就可較為方便地完成整個(gè)內(nèi)部平面艙壁的計(jì)算。圖7和圖8顯示了各子模塊的執(zhí)行次序及各子模塊的數(shù)據(jù)傳遞。雙擊數(shù)據(jù)傳遞線就會(huì)彈出圖9所示菜單，將2個(gè)子模塊中需要傳遞的參數(shù)用連接線連接，就完成了數(shù)據(jù)傳遞。在本例中經(jīng)過數(shù)據(jù)傳遞后再打開T型垂直梁子模塊的用戶界面，就會(huì)發(fā)現(xiàn)該用戶界面中的相應(yīng)參數(shù)的顏色已變灰，如圖10所示。整體運(yùn)行前，將各子模塊的用戶界面中的各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，單擊“整體運(yùn)行”按鈕，程序就會(huì)自動(dòng)完成整個(gè)艙壁的計(jì)算。

2.3 計(jì)算報(bào)告替換型的組合模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)

嚴(yán)格地說，計(jì)算報(bào)告替換型子模塊還不能直接生成計(jì)算報(bào)告，因?yàn)樗邮丈嫌蝹鬟f數(shù)據(jù)后才能更新計(jì)算報(bào)告。該子模塊只有與完整計(jì)算的組合模塊連用才能完全發(fā)揮作用。例如在上述所說的2根大梁艙壁完整計(jì)算的組合模塊中再加入適合2根大梁艙壁的計(jì)算報(bào)告替換型子模塊就組成了計(jì)算報(bào)告替換型組合模塊。計(jì)算報(bào)告替換型子模塊接收的上游傳遞數(shù)據(jù)可以是參數(shù)也可以是文件。傳遞數(shù)據(jù)如是參數(shù)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(jié)構(gòu)如圍殼結(jié)構(gòu)，不同型號的潛艇其圍殼結(jié)構(gòu)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(jì)算報(bào)告就較難適應(yīng)，如要求母型計(jì)算報(bào)告包含所有形式的板架，則既無必要又不實(shí)用。因?yàn)楫?dāng)模塊中的參數(shù)總量太多時(shí)，實(shí)施“替換數(shù)據(jù)與參數(shù)一一對應(yīng)”就比較費(fèi)時(shí)與費(fèi)力。對類似這樣潛艇結(jié)構(gòu)的計(jì)算報(bào)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(jì)算報(bào)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(jì)算報(bào)告替換型子模塊。生成不同的子計(jì)算報(bào)告后再人工組合成總計(jì)算報(bào)告。

3 結(jié)語

本潛艇結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)模塊對按規(guī)范公式的計(jì)算、遷移矩陣法計(jì)算及板架與剛架的計(jì)算作出了較為系統(tǒng)的開發(fā)，輸入方便直觀、前后處理功能強(qiáng)、計(jì)算正確、快速、實(shí)用，為實(shí)施潛艇結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)方案，提供了強(qiáng)有力的計(jì)算工具。本快速設(shè)計(jì)模塊對用Sysware平臺(tái)參數(shù)化設(shè)計(jì)界面開發(fā)有限元的參數(shù)化建模與計(jì)算及對那些特殊結(jié)構(gòu)采用其他計(jì)算途徑的開發(fā)也有重要的借鑒意義。潛艇快速設(shè)計(jì)技術(shù)必定在潛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮出越來越重要的作用，并為提升科研效率和工作質(zhì)量作出幫助。

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