聶玉強(qiáng)，楊龍塾

(1．海軍艦船技術(shù)保障部，北京100841;2．中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京100012)

建模和仿真技術(shù)在潛艇研制過(guò)程中的應(yīng)用

聶玉強(qiáng)1，楊龍塾2

(1．海軍艦船技術(shù)保障部，北京100841;2．中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京100012)

采用建模和仿真技術(shù)既是提升潛艇設(shè)計(jì)水平的有效手段，也是預(yù)測(cè)潛艇性能、發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷的關(guān)鍵一環(huán)。本文主要研究瑞典考庫(kù)姆公司先進(jìn)的潛艇建模和仿真技術(shù)，分析潛艇不同設(shè)計(jì)階段所采用的不同仿真建模技術(shù)，總結(jié)潛艇仿真建模工具的使用經(jīng)驗(yàn)和特點(diǎn)，供潛艇研制部門參考、借鑒。

潛艇;建模;仿真

0 引言

瑞典考庫(kù)姆公司作為世界重要的常規(guī)潛艇生產(chǎn)商之一，研制了“西約特蘭”、“哥特蘭”等多型潛艇，并且憑借著良好的性能在國(guó)際市場(chǎng)上享有很高的聲譽(yù)。該公司在潛艇研究過(guò)程中廣泛應(yīng)用建模仿真技術(shù)，用對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃腿壤凉撏Ｐ瓦M(jìn)行測(cè)量，來(lái)完成潛艇性能的預(yù)報(bào)、需求設(shè)計(jì)的解決方案等工作，使該公司的設(shè)計(jì)始終保持世界領(lǐng)先水平。

考庫(kù)姆公司的建模與仿真技術(shù)主要集中在潛艇信號(hào)特征管理、潛艇結(jié)構(gòu)分析和抗振設(shè)計(jì)、潛艇流體力學(xué)設(shè)計(jì)、潛艇3D CAD設(shè)計(jì)和模擬、潛艇中期升級(jí)改裝等領(lǐng)域。

1 潛艇信號(hào)特征管理

隱身性能是潛艇的最重要性能指標(biāo)之一，因此，確保潛艇具有較低的信號(hào)特征成為潛艇設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。而建模仿真在潛艇信號(hào)特征管理中發(fā)揮著重要的作用。利用建模與仿真能夠完成潛艇信號(hào)特征預(yù)測(cè)，可以尋找到較好的設(shè)計(jì)解決方案來(lái)滿足用戶的具體需求?？紟?kù)姆公司在設(shè)計(jì)階段主要運(yùn)用以下幾種建模仿真工具來(lái)完成對(duì)潛艇多種信號(hào)特征的預(yù)測(cè)。

1)輻射噪聲信號(hào)特征

考庫(kù)姆公司研制了一種稱為“艦艇水下噪聲和傳遞函數(shù)分析”(SUNTAN)的工具。該工具基于一個(gè)噪聲傳遞函數(shù)，該傳遞函數(shù)是通過(guò)許多測(cè)試平臺(tái)和全比例潛艇的試驗(yàn)研制獲得的。對(duì)于一個(gè)給定設(shè)備，具有特定的噪聲和輻射特點(diǎn)，在選擇一個(gè)安裝設(shè)計(jì)方法之后，就可以預(yù)測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲。該分析工具的研究?jī)?nèi)容包含潛艇寬帶噪聲，以及噪聲在結(jié)構(gòu)、流體和空中的不同傳遞途徑。

2)聲目標(biāo)強(qiáng)度 (TS)

瑞典研制的工具是ARTES(聲光線跟蹤目標(biāo)回聲強(qiáng)度)用來(lái)實(shí)現(xiàn)低目標(biāo)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。該工具可以輸入3D CAD設(shè)計(jì)、處理材料特性和聲涂層，得到的結(jié)果是包含頻率和方向角的目標(biāo)強(qiáng)度。ARTES已經(jīng)通過(guò)與其他先進(jìn)工具和試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比進(jìn)行了驗(yàn)證。

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

3)磁信號(hào)特征

為了能夠預(yù)測(cè)潛艇的磁信號(hào)特征，并將其作為消磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)工具，考庫(kù)姆公司利用商用工具Flux3D與國(guó)內(nèi)研制的Matlab數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合的方式，形成了一套完整的預(yù)測(cè)分析工具。目前，考庫(kù)姆公司已經(jīng)通過(guò)與現(xiàn)役潛艇磁信號(hào)特征進(jìn)行對(duì)比的方式，對(duì)該預(yù)測(cè)分析工具進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了很好的效果。

圖2 磁信號(hào)模擬示例Fig.2 An example of the magnetic signal simulation

4)電信號(hào)特征

潛艇的水下電勢(shì)、極低頻輻射信號(hào)及與腐蝕相關(guān)的磁信號(hào) (CRM)都可以通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行模擬，考庫(kù)姆公司使用了商用軟件Beasy來(lái)進(jìn)行模擬。此外，考庫(kù)姆公司還自主研發(fā)了一型名為電信號(hào)預(yù)測(cè) (GASP)的軟件來(lái)預(yù)測(cè)潛艇電信號(hào)特征。

5)水面信號(hào)特征

為了降低潛艇在通氣管狀態(tài)下的隱身特征，考庫(kù)姆公司使用Optiscat軟件來(lái)預(yù)測(cè)潛艇的雷達(dá)橫截面，使用商用軟件ShipIR/NTCS來(lái)預(yù)測(cè)潛艇的紅外信號(hào)特征。

在潛艇設(shè)計(jì)階段，通過(guò)對(duì)多種信號(hào)特征進(jìn)行模擬仿真，可以不斷優(yōu)化潛艇設(shè)計(jì)，較好地控制潛艇的綜合信號(hào)特征。在潛艇的驗(yàn)證階段，將會(huì)對(duì)潛艇的最終信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，這樣也可以對(duì)潛艇的建模仿真結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。

此外，除了可以對(duì)潛艇的信號(hào)特征進(jìn)行管理之外，還可以在了解潛艇的信號(hào)特征水平、周圍環(huán)境特點(diǎn)、探測(cè)傳感器性能的前提下，對(duì)潛艇的暴露范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

2 潛艇結(jié)構(gòu)分析和抗振設(shè)計(jì)

為了能夠使?jié)撏г诟玫臄撤江h(huán)境中生存并完成作戰(zhàn)任務(wù)，需要重點(diǎn)考慮潛艇結(jié)構(gòu)的抗振設(shè)計(jì)，使?jié)撏Э梢猿惺芨邚?qiáng)度沖擊載荷，而艇殼不會(huì)破裂，設(shè)備不會(huì)被破壞，艇員得以生存。

在過(guò)去40年，瑞典海軍規(guī)定所有的每級(jí)潛艇的第1艘都必須進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。加上從試驗(yàn)分段、比例模型的振動(dòng)中獲得的數(shù)據(jù)，使得考庫(kù)姆公司擁有了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在潛艇抗振設(shè)計(jì)方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

為了完成潛艇結(jié)構(gòu)抗振性能的數(shù)值計(jì)算，考庫(kù)姆公司聯(lián)合使用有限元分析軟件LS－DYNA和邊界單元軟件進(jìn)行水下振動(dòng)分析。海水和壓力載荷通過(guò)水下振動(dòng)分析軟件建模的保障來(lái)產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)建模則使用LS－DYNA。圖3是振動(dòng)建模研制的一個(gè)實(shí)例。

圖3 振動(dòng)建模示例Fig.3 An example of the vibration modeling

此外，潛艇結(jié)構(gòu)的塑性變形也可以通過(guò)使用一個(gè)彈－塑材料描述的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)建模。為了能夠成功實(shí)現(xiàn)建模，考庫(kù)姆公司研制和驗(yàn)證使用材料模型，塑性變形建模如圖4所示。

圖4 塑性變形的建模示例Fig.4 An example of the plastic deformation modeling

潛艇的振動(dòng)建模貫穿于除了建造階段之外的所有研制階段，在潛艇研制的早期，通過(guò)建模，分析潛艇的振動(dòng)響應(yīng)，這些計(jì)算結(jié)果將在潛艇隨后的研制階段中作為依據(jù)，為系統(tǒng)和裝備選擇正確的減振架，以提高潛艇的聲隱身性能。在潛艇的驗(yàn)證階段，通過(guò)實(shí)艇的振動(dòng)，獲得潛艇完整的振動(dòng)性能。

3 潛艇流體力學(xué)設(shè)計(jì)

在潛艇的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了能夠獲得較低的拖曳阻尼，使?jié)撏Ь哂休^好的機(jī)動(dòng)性能，并具有較低的水動(dòng)力信號(hào)特征，需要注重對(duì)潛艇的流體力學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

為了使?jié)撏軌蚓哂休^好的流體力學(xué)性能，其中一個(gè)重要方法是使用計(jì)算流體力學(xué) (CFD)?？紟?kù)姆公司通過(guò)不斷的潛艇設(shè)計(jì)，在使用計(jì)算流體力學(xué)方法方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并擁有大量的計(jì)算資源。考庫(kù)姆公司的流體力學(xué)計(jì)算是在一個(gè)基于Linux的群環(huán)境中完成的，其中的一些計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

在潛艇設(shè)計(jì)過(guò)程中，計(jì)算流體力學(xué)可以模擬的參數(shù)包括作用在潛艇上的力和力矩、壓力和速度分布與變化、尾流和渦流場(chǎng)。此外，計(jì)算流體力學(xué)還用來(lái)預(yù)測(cè)產(chǎn)生的波浪，以及模擬潛艇的通風(fēng)系統(tǒng)中的空氣流動(dòng)。

除此之外，潛艇的流體動(dòng)力模擬能力同樣用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，其中一個(gè)例子如圖6所示，通過(guò)模擬獲得一個(gè)全比例尺寸潛艇后面的伴流系數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很好的吻合度，證明了模擬具有很好的準(zhǔn)確性。

圖5 計(jì)算流體力學(xué)建模示例Fig.5 An example of the CFD modeling

圖6 計(jì)算流體力學(xué)模擬示例Fig.6 An example of the CFD simulation

潛艇的計(jì)算流體力學(xué)設(shè)計(jì)建模主要在潛艇研制的早期完成，集中在研究、定義和設(shè)計(jì)階段，以提高潛艇的水動(dòng)力性能、隱身性能、機(jī)動(dòng)性能等。

4 3D CAD設(shè)計(jì)和模擬

在潛艇研制過(guò)程中，可以通過(guò)3D CAD系統(tǒng)來(lái)完成輔助設(shè)計(jì)。從建模仿真的角度來(lái)看，利用3D CAD系統(tǒng)可以顯示潛艇不同系統(tǒng)以及整個(gè)潛艇的概況。在模擬過(guò)程中，未來(lái)能夠突出一個(gè)特殊系統(tǒng)，并便于實(shí)際觀察，不同的系統(tǒng)可以用不同的顏色來(lái)表示。如圖7所示，潛艇冷卻水管道可以用一種顏色，而液壓管道則可以用另外一種顏色。

在潛艇的3D CAD設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以利用軟件的三維特性，任意移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)零部件及性能，以研制不同系統(tǒng)的性能，這樣可以用來(lái)訓(xùn)練和增強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)功能的理解。

圖7 3D CAD模擬示例Fig.7 An example of the 3D CAD simulation

在3D CAD建模中同樣可以使用虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)工具，通過(guò)將CAD設(shè)計(jì)輸出到一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)工具中，可以通過(guò)使用大型、四周環(huán)繞顯示和3D眼鏡“進(jìn)入”設(shè)計(jì)和體驗(yàn)環(huán)境中。

同樣，采用虛擬現(xiàn)實(shí)工具可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)潛艇“空中俯視”，如圖8所示。這樣可以使用戶進(jìn)入到潛艇內(nèi)部，檢查潛艇的空間和體積、工作條件、顏色配置和照明條件等內(nèi)容。這種方法可以應(yīng)用在潛艇項(xiàng)目的早期，主要集中在研究和定義階段，來(lái)確定總布置方法，使其滿足用戶需求。

圖8 3D CAD“空中俯視”建模Fig.8 3D CAD“aerial view”modeling

圖中顯示的是瑞典A26潛艇早期概念設(shè)計(jì)階段的柔性有效負(fù)載艙情況，該艙可以存儲(chǔ)魚雷、UUV、預(yù)備鋪位，圖片的中間部位是中間柔性有效負(fù)載閘門。

5 潛艇中期升級(jí)

通常情況下，一艘潛艇的壽命為30多年，為了能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)目標(biāo)，潛艇通常在服役10－20年之后就需要進(jìn)行中期升級(jí)。潛艇中期升級(jí)的項(xiàng)目包括更換過(guò)時(shí)設(shè)備、在潛艇上增加新的能力及進(jìn)行潛艇大修。在潛艇中期升級(jí)過(guò)程中同樣可以應(yīng)用建模仿真技術(shù)。

同設(shè)計(jì)一艘新潛艇相類似，在潛艇升級(jí)過(guò)程中應(yīng)用建模仿真技術(shù)，是為了確保完成升級(jí)的潛艇可以滿足用戶需求。當(dāng)然，也可以使用3D CAD設(shè)計(jì)，來(lái)觀察升級(jí)的效果，如圖9所示。

圖9 3D“藝術(shù)家的效果”模擬Fig.9 3D simulation of“artist’s effect”

6 結(jié)語(yǔ)

建模仿真是潛艇設(shè)計(jì)中的一個(gè)至關(guān)重要的部分，可以使用不同的建模仿真工具和方法來(lái)預(yù)測(cè)潛艇的性能，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)解決方法，使?jié)撏軌蚋玫臐M足用戶需求。

由于在潛艇的不同設(shè)計(jì)階段，以及潛艇設(shè)計(jì)過(guò)程中的不同部分，所面臨的具體要求都各不相同，因此在潛艇的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要不同的建模仿真工具。但是，對(duì)所有的建模仿真工具而言，有2點(diǎn)是共同的：一是需要對(duì)建模仿真的基本理論進(jìn)行深入的了解和研究;二是需要用實(shí)際試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。因此，在發(fā)展建模仿真工具的同時(shí)，還要加強(qiáng)基礎(chǔ)理論知識(shí)的研究和試驗(yàn)條件的建設(shè)，使建模仿真工具能夠發(fā)揮更好的作用。

［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

聶玉強(qiáng)(1972－)，男，主要從事潛艇維修方面工作。