行業：船舶工程

    挑戰：研究仿真驅動設計流程能否為 船舶工業提供一次成功型設計 解決方案。

    Altair 解決方案：使用設計優化技術在船舶中選 擇合適區域來最大程度降低材 料使用量并削減制造成本。

    優點：以結構上最為高效的方式滿足 設計目標。

    背景介紹 

    在海軍艦艇項目的概念設計以及初始設計階段制定關鍵決策時，通常設計者在 艦艇的主結構設計驅動器方面能夠利用的數據頗為有限。這一傳統的海軍艦艇設計 方式主要依靠主觀判斷，因而即使采用最佳的工程判斷，仍不免在設計初期便出現 低效甚至是結構問題。這不僅會增加材料的使用量、重量和不必要的復雜性，還將 增加最終產品的設計與制造成本。 

    航空母艦聯盟 (ACA) 是英國國防部與業內企業間合作關系的唯一紐帶。ACA 成立于2003年，共有四位成員：Babcock、BAE Systems、Thales UK和英國國防 部。   

    挑戰 

    伴隨著傳統設計方法的使用，一系列問題接踵而來。來自高層的設計決策往往 會帶來很多本應避免的結構布置約束，這很可能導致后期進行反復更改，使成本不 斷攀升。 

而借助仿真驅動設計，這些問題迎刃而解。造船師在概念設計階段可加深對設 計驅動器的了解，進而在這一關鍵階段制定出更為明智的決策。 “

仿真驅動設計”流程將結構仿真與優化技術完美結合，可從數學與邏輯角度 探索設計解決方案。采用此方法不僅可減少迭代設計的次數并縮短設計周期，還可 確保優化結構解決方案滿足設計目標。 

此項技術在助力船舶結構設計中的潛在優勢吸引了“航空母艦聯盟”(ACA) 的 關注。該聯盟中的成員均是負責為英國皇家海軍設計和制造“伊麗莎白女王級航母” 的公司。為評估仿真驅動設計在海軍艦艇獨特設計要求下的潛在優勢，ACA與Altair 的產品開發部門ProductDesign攜手合作，共同進行了一系列涉及復雜結構設計問 題的項目。      

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    “通過與Altair合作，我們發現HyperMesh和OptiStruct在局部結構分析以 及識別并去除多余材料方面大有用武之地，可帶來重量減輕和成本節約的 雙重優勢。”  

                                                                                                              Aircraft Carrier Alliance                                                                                                             

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    解決方案

    所有項目都旨在使用優化技術為船舶結構打造一次成功型設計解決方案。首先研究的是船舶的雙底結構，它通常要承 受來自大型設備的巨大流體靜壓與動態載荷。此外，該結構必須符合“密閉空間準入與疏散安排政策”，這就需要在雙底底 板上設置進入口。而對于底板則需要特殊的注意。Altair ProductDesign利用了Altair HyperWorks仿真工具套件中的 OptiStruct并輔以拓撲優化技術，來推動高效設計解決方案。 

    通常，拓撲優化流程可以發現全局結構（如艙壁）和局部結構（包括艙壁中的開口）中的最佳位置，在去除結構中多 余材料的同時保證最佳的性能。該過程不僅可以獲得高效的結構解決方案，還可以減輕結構重量并最大程度地降低應力集 中情況，從而避免在后續設計過程中進行修補工作。使用拓撲優化技術確定了在雙底底板上設置進入口的最佳位置后，會 在最終設計說明中進行尺寸和形狀的優化。此步驟可以進一步提升結構的壓力反應，并在實現設計目標的同時最大程度降 低鋼結構質量。借助優化方法，Altair ProductDesign所創建的結構比基準設計輕9%，同時滿足了基準設計未能達到的所有 應力目標。

     Altair ProductDesign團隊使用仿真驅動流程為航空母艦的飛行管制室 (FLYCO)確定了優化設計。FLYCO結構由一個 大型釉面組成，位于上下舷結構之間。這些舷臺結構需要滿足固有頻率與撓度的要求，因此其設計受制于質量與剛度的復 雜相互作用。

     首先采用拓撲優化技術在管制室的封裝包絡線中確定了加強筋的最優全局位置。在接下來的拓撲優化中，找到了這些 加強筋中的最佳加載路徑，這樣即可在不影響結構性能的情況下切割開口。最后，通過對尺寸和形狀進行優化來微調板厚 度和開口大小，以在滿足設計目標的前提下最大程度降低質量和設計復雜性。最終得出的結構全面實現了固有頻率、撓度、 應力以及屈曲四大目標。與傳統設計相比，該結構使用的零件更少，重量減輕達16%，顯著降低了制造成本。

              除此之外，Altair ProductDesign與ACA還進行了其他仿真驅動設計項目，包括航母的船尾平臺以及橫艙壁設計等等。                                                                     

    結論 

    與自動化和航空航天領域相比，以優化為中心的仿真驅動設計在海事工程領域中的發展緩慢很多，其主要原因在于新 型艦船設計的周轉率較低，因而不利于其快速發展以及新設計技術的應用。 

    仿真驅動設計為車輛和飛行器制造商提供的諸多設計優勢在船舶制造業中也同樣可以大展身手。船舶結構經過優化后， 能盡量避免通過復雜的局部解決方案來處理概念設計階段出現的問題，從而實現結構的輕質高效性，最終削減材料的使用 量并降低制造成本。此外，仿真驅動設計只需很少的設計流程即可取得以上優勢，并且還有助于減少解決局部結構問題所 需的修補設計工作。 

    事實證明，仿真驅動設計可在船舶結構的設計與制造中大有作為，不僅降低成本并減輕質量，還可提高結構的性能和 效率。    

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