HyperWorks驱动“伊丽莎白女王级航母”结构的高效设计

    行业：船舶工程

    挑战：研究仿真驱动设计流程能否为 船舶工业提供一次成功型设计 解决方案。

    Altair 解决方案：使用设计优化技术在船舶中选 择合适区域来最大程度降低材 料使用量并削减制造成本。

    优点：以结构上最为高效的方式满足 设计目标。

    背景介绍 

    在海军舰艇项目的概念设计以及初始设计阶段制定关键决策时，通常设计者在 舰艇的主结构设计驱动器方面能够利用的数据颇为有限。这一传统的海军舰艇设计 方式主要依靠主观判断，因而即使采用最佳的工程判断，仍不免在设计初期便出现 低效甚至是结构问题。这不仅会增加材料的使用量、重量和不必要的复杂性，还将 增加最终产品的设计与制造成本。 

    航空母舰联盟 (ACA) 是英国国防部与业内企业间合作关系的唯一纽带。ACA 成立于2003年，共有四位成员：Babcock、BAE Systems、Thales UK和英国国防 部。   

    挑战 

    伴随着传统设计方法的使用，一系列问题接踵而来。来自高层的设计决策往往 会带来很多本应避免的结构布置约束，这很可能导致后期进行反复更改，使成本不 断攀升。 

而借助仿真驱动设计，这些问题迎刃而解。造船师在概念设计阶段可加深对设 计驱动器的了解，进而在这一关键阶段制定出更为明智的决策。 “

仿真驱动设计”流程将结构仿真与优化技术完美结合，可从数学与逻辑角度 探索设计解决方案。采用此方法不仅可减少迭代设计的次数并缩短设计周期，还可 确保优化结构解决方案满足设计目标。 

此项技术在助力船舶结构设计中的潜在优势吸引了“航空母舰联盟”(ACA) 的 关注。该联盟中的成员均是负责为英国皇家海军设计和制造“伊丽莎白女王级航母” 的公司。为评估仿真驱动设计在海军舰艇独特设计要求下的潜在优势，ACA与Altair 的产品开发部门ProductDesign携手合作，共同进行了一系列涉及复杂结构设计问 题的项目。      

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    “通过与Altair合作，我们发现HyperMesh和OptiStruct在局部结构分析以 及识别并去除多余材料方面大有用武之地，可带来重量减轻和成本节约的 双重优势。”  

                                                                                                              Aircraft Carrier Alliance                                                                                                             

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    解决方案

    所有项目都旨在使用优化技术为船舶结构打造一次成功型设计解决方案。首先研究的是船舶的双底结构，它通常要承 受来自大型设备的巨大流体静压与动态载荷。此外，该结构必须符合“密闭空间准入与疏散安排政策”，这就需要在双底底 板上设置进入口。而对于底板则需要特殊的注意。Altair ProductDesign利用了Altair HyperWorks仿真工具套件中的 OptiStruct并辅以拓扑优化技术，来推动高效设计解决方案。 

    通常，拓扑优化流程可以发现全局结构（如舱壁）和局部结构（包括舱壁中的开口）中的最佳位置，在去除结构中多 余材料的同时保证最佳的性能。该过程不仅可以获得高效的结构解决方案，还可以减轻结构重量并最大程度地降低应力集 中情况，从而避免在后续设计过程中进行修补工作。使用拓扑优化技术确定了在双底底板上设置进入口的最佳位置后，会 在最终设计说明中进行尺寸和形状的优化。此步骤可以进一步提升结构的压力反应，并在实现设计目标的同时最大程度降 低钢结构质量。借助优化方法，Altair ProductDesign所创建的结构比基准设计轻9%，同时满足了基准设计未能达到的所有 应力目标。

     Altair ProductDesign团队使用仿真驱动流程为航空母舰的飞行管制室 (FLYCO)确定了优化设计。FLYCO结构由一个 大型釉面组成，位于上下舷结构之间。这些舷台结构需要满足固有频率与挠度的要求，因此其设计受制于质量与刚度的复 杂相互作用。

     首先采用拓扑优化技术在管制室的封装包络线中确定了加强筋的最优全局位置。在接下来的拓扑优化中，找到了这些 加强筋中的最佳加载路径，这样即可在不影响结构性能的情况下切割开口。最后，通过对尺寸和形状进行优化来微调板厚 度和开口大小，以在满足设计目标的前提下最大程度降低质量和设计复杂性。最终得出的结构全面实现了固有频率、挠度、 应力以及屈曲四大目标。与传统设计相比，该结构使用的零件更少，重量减轻达16%，显著降低了制造成本。

              除此之外，Altair ProductDesign与ACA还进行了其他仿真驱动设计项目，包括航母的船尾平台以及横舱壁设计等等。                                                                     

    结论 

    与自动化和航空航天领域相比，以优化为中心的仿真驱动设计在海事工程领域中的发展缓慢很多，其主要原因在于新 型舰船设计的周转率较低，因而不利于其快速发展以及新设计技术的应用。 

    仿真驱动设计为车辆和飞行器制造商提供的诸多设计优势在船舶制造业中也同样可以大展身手。船舶结构经过优化后， 能尽量避免通过复杂的局部解决方案来处理概念设计阶段出现的问题，从而实现结构的轻质高效性，最终削减材料的使用 量并降低制造成本。此外，仿真驱动设计只需很少的设计流程即可取得以上优势，并且还有助于减少解决局部结构问题所 需的修补设计工作。 

    事实证明，仿真驱动设计可在船舶结构的设计与制造中大有作为，不仅降低成本并减轻质量，还可提高结构的性能和 效率。    

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