潛艇結(jié)構(gòu)快速設(shè)計研究

黃鎮(zhèn)熙，王祖華，蔣德民

(1.武漢第二船舶設(shè)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(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)計是潛艇研制的一個重要環(huán)節(jié)，它的設(shè)計輸入主要來自總體協(xié)調(diào)的結(jié)果，隨著設(shè)計的不斷深入及總體協(xié)調(diào)更新，經(jīng)常要修改某些設(shè)計輸入，因此潛艇結(jié)構(gòu)快速設(shè)計一直是潛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計者夢寐以求的追索目標。從現(xiàn)有文獻研究來看，國內(nèi)潛艇結(jié)構(gòu)快速設(shè)計的研究報道不多，文獻［1］利用UG軟件平臺對魚雷殼體設(shè)計進行了二次開發(fā)，而航空工業(yè)方面對飛機快速設(shè)計起步較早，較早地形成了飛機總體綜合設(shè)計平臺、飛機協(xié)同設(shè)計平臺、大型客機總體設(shè)計平臺、導(dǎo)彈總體方案設(shè)計平臺系統(tǒng)等管理系統(tǒng)、工程協(xié)同和成果管理系統(tǒng)研究平臺。其他行業(yè)中，文獻［2］采用參數(shù)化設(shè)計方法對內(nèi)燃機部件進行快速設(shè)計，文獻［3］對客車車身結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計進行了設(shè)計開發(fā)。從眾多文獻研究可以看到，快速設(shè)計已經(jīng)成為各行業(yè)的研究潮流，各行業(yè)正在利用快速設(shè)計技術(shù)縮短設(shè)計開發(fā)周期，節(jié)約能源和成本。我所與索為公司合作，利用Sysware平臺對潛艇結(jié)構(gòu)快速設(shè)計進行了設(shè)計開發(fā)，已開發(fā)了幾十個子模塊與組合模塊。

1 結(jié)構(gòu)子模塊設(shè)計開發(fā)

1.1 結(jié)構(gòu)子模塊綜述

利用Sysware平臺對已有的結(jié)構(gòu)計算程序進行包裝形成有參數(shù)化設(shè)計界面及簡圖的頁面(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)限定為非人機對話型，可為整數(shù)、實數(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、一般計算型、接力計算型、自帶優(yōu)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(shù)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(zhuǎn)換等。一般計算型主要用于某一功能的結(jié)構(gòu)計算，例如板的強度計算、板的穩(wěn)定計算、帶2根水平大梁的內(nèi)部平面艙壁大梁計算、內(nèi)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(qū)域強度計算、艙壁加強環(huán)強度計算等。自帶優(yōu)化計算型主要用于計算程序中已含有優(yōu)化的計算結(jié)果。例如圓柱殼艙室的強度與穩(wěn)定優(yōu)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(jié)構(gòu)子模塊的設(shè)計開發(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(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等計算結(jié)果也是輸出參數(shù)。當面板厚度、寬度等參數(shù)確定后，單擊預(yù)覽按鈕就會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行文件解析，將每一輸入?yún)?shù)與模塊自身的參數(shù)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(shù)實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 一般計算型結(jié)構(gòu)子模塊的設(shè)計開發(fā)

一般計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 接力計算型結(jié)構(gòu)子模塊的設(shè)計開發(fā)

接力計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)計算程序，它需要很多輸入?yún)?shù)，如節(jié)點總數(shù)、單元總數(shù)、荷載總數(shù)、每一節(jié)點的坐標位置、每一單元的節(jié)點號等數(shù)據(jù)，數(shù)量太多，不方便一一輸入。它需要1個板架輸入數(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)，再用板架計算程序生成含每個節(jié)點的彎矩、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)行多個可執(zhí)行程序及生成多個輸出文件，可直接得出最終結(jié)果，在快速設(shè)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(jié)構(gòu)計算中常用遷移矩陣法計算耐壓船體凹凸角區(qū)域的應(yīng)力與位移。該計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。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(fā)，與一般計算型基本一樣，其不同點是要規(guī)定多個可執(zhí)行程序的執(zhí)行次序，重點是前后處理程序的開發(fā)。

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

自帶優(yōu)化計算型子模塊是指該模塊自帶優(yōu)化算法，雖然Sysware平臺可與isight程序連用進行優(yōu)化計算，但對某些類型的優(yōu)化計算，還是自帶優(yōu)化比較實用與快捷，因為潛艇的主要結(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)工程上不實用，而自帶優(yōu)化就可較好地控制設(shè)計變量步長。該類模塊除參數(shù)較多外與工具型子模塊無多大差別。主要差別在計算程序，要在計算程序設(shè)置設(shè)計變量、約束條件、目標函數(shù)及優(yōu)化算法等。另外，在用戶界面中設(shè)置設(shè)計變量的初值、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 計算報告替換型結(jié)構(gòu)子模塊的設(shè)計開發(fā)

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(shù)據(jù)進行解析(即依次尋找每一個需要替換的數(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)值對原計算報告(即母版計算報告)的數(shù)據(jù)進行替換，生成新的計算報告。該模塊設(shè)計開發(fā)，首先要準備好母版計算報告，同時也要準備好上游傳遞數(shù)據(jù)的母版并將它們存放在“設(shè)計”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)。再對母版計算報告中的值進行適當調(diào)整，盡量做到每個參數(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平臺只對前后加了特殊符號(如#、￥、!、@、＆、*)數(shù)據(jù)進行替換。在數(shù)據(jù)替換前可以對數(shù)據(jù)進行公式編輯(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(fā)調(diào)用不同的計算公式時(如在板的強度計算中，當參數(shù)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(shù)據(jù)的母版中既要求含有關(guān)有限剛性板計算的計算結(jié)果也要包含絕對剛性板計算的計算結(jié)果，而對母版計算報告則要準備相應(yīng)于另一種工況的副本。此外還要加設(shè)邏輯判斷，當轉(zhuǎn)到另一種工況時要對副本的數(shù)據(jù)進行替換。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)計開發(fā)

2.1 用作優(yōu)化計算的組合模塊的設(shè)計開發(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)計變量也很多，采用自帶優(yōu)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(fā)1種組合模塊，可以與isight程序連用進行優(yōu)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(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)化當前工程”按鈕，就會彈出“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)置完成后點擊“啟動優(yōu)化”按鈕就會彈出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)化計算時應(yīng)盡量減少設(shè)計變量的數(shù)量，以減少優(yōu)化時間及提高效率。例如，在耐壓液艙結(jié)構(gòu)優(yōu)化中對實肋板上環(huán)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(shè)置T型材的面板寬度、面板厚度、腹板寬度及腹板厚度4個設(shè)計變量。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個截取高度為設(shè)計變量。這樣就可以2個設(shè)計變量來描述1個T型材。

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

2.2 用作完整計算的組合模塊的設(shè)計開發(fā)

潛艇結(jié)構(gòu)子模塊只能完成某個單一的計算，計算范圍較窄。例如已經(jīng)對內(nèi)部平面艙壁開發(fā)了板的強度計算、板的穩(wěn)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(nèi)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(shù)(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(guān)的子模塊放在1個組合模塊中，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內(nèi)部平面艙壁的計算。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)傳遞線就會彈出圖9所示菜單，將2個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。整體運行前，將各子模塊的用戶界面中的各參數(shù)進行設(shè)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(shè)計開發(fā)

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(shù)據(jù)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(fā)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(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。這樣母型計算報告就較難適應(yīng)，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(shù)總量太多時，實施“替換數(shù)據(jù)與參數(shù)一一對應(yīng)”就比較費時與費力。對類似這樣潛艇結(jié)構(gòu)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(jié)語

本潛艇結(jié)構(gòu)快速設(shè)計模塊對按規(guī)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(tǒng)的開發(fā)，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(jié)構(gòu)快速設(shè)計方案，提供了強有力的計算工具。本快速設(shè)計模塊對用Sysware平臺參數(shù)化設(shè)計界面開發(fā)有限元的參數(shù)化建模與計算及對那些特殊結(jié)構(gòu)采用其他計算途徑的開發(fā)也有重要的借鑒意義。潛艇快速設(shè)計技術(shù)必定在潛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計中發(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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