船舶設(shè)計(jì)和建造是一門綜合性極強(qiáng)的科學(xué)技術(shù)，提高船舶設(shè)計(jì)的效率，有效地降低造船成本，同時(shí)提高船體結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、安全性和合理性是船舶設(shè)計(jì)發(fā)展的永恒主題。船舶設(shè)計(jì)手段的提升以提高設(shè)計(jì)效率、縮短造船周期為目標(biāo)，在實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)與工廠的數(shù)據(jù)共享。隨著信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，電子樣船開發(fā)技術(shù)及“數(shù)字化造船工程”已被引入船舶工業(yè)。目前，船舶設(shè)計(jì)與CAE相關(guān)的特性指標(biāo)有：

（1）船舶結(jié)構(gòu)特性

船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)在強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)及噪聲等方面滿足船舶總體設(shè)計(jì)的要求。對(duì)于艦船來說還有水下噪聲和艦體結(jié)構(gòu)、設(shè)備和艦員抗沖擊方面的要求。船舶結(jié)構(gòu)特性包括：總縱強(qiáng)度、局部強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗爆強(qiáng)度、屈曲分析、波浪載荷預(yù)報(bào)及晃蕩分析等。

（2）船舶流體動(dòng)力學(xué)特性

船舶流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)的目標(biāo)，是在一定程度代替船模試驗(yàn)，為船舶水動(dòng)力性能設(shè)計(jì)提供一個(gè)全雷諾數(shù)的數(shù)值模擬工具。它不僅可以預(yù)報(bào)各類船舶在靜水中航行時(shí)的阻力，以及與推進(jìn)裝置結(jié)合起來的推進(jìn)性能，它還可以根據(jù)風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷，預(yù)報(bào)實(shí)尺度船舶在海浪上的航行性能，包括快速性與波浪失速。同時(shí)，船艙內(nèi)部的通風(fēng)性能以及火災(zāi)安全性能也可以用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)來仿真。

（3）艦船物理場(chǎng)特性

通常對(duì)于艦船來說，物理場(chǎng)特性是關(guān)乎艦船生命力的重要特性。艦船物理場(chǎng)特性包括聲場(chǎng)、船舶CAE的分析種類及解決的問題主要概括為以下四個(gè)方面：

一、結(jié)構(gòu)靜力分析

船舶結(jié)構(gòu)靜力分析主要是計(jì)算船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。船體強(qiáng)度是指結(jié)構(gòu)能承受在正常施工和正常使用時(shí)可能出現(xiàn)的各種載荷和（或）載荷效應(yīng)，并在偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。

船體強(qiáng)度問題包括總縱強(qiáng)度、局部強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及抗爆強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)屈曲等?？偪v強(qiáng)度是研究船體梁整體變形規(guī)律和抵抗破壞的能力。集裝箱船等大開口船舶，因船體扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)較低，需要計(jì)算扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。組成船體的各部分結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)及其組成的構(gòu)件還會(huì)因局部載荷和（或）船體梁應(yīng)力而發(fā)生變形或受到破壞，這類強(qiáng)度問題通常稱為局部強(qiáng)度。

借助通用機(jī)械仿真軟件ANSYS Mechanical可以處理結(jié)構(gòu)建模、載荷施加、強(qiáng)度、變形等機(jī)械分析問題。

此外，船體在整個(gè)運(yùn)行生命周期中所收到了各種交變載荷（靜變載荷、動(dòng)變載荷、周期載荷）。包括航行過程中的波浪載荷以及引起的船體中拱、中垂交替變化，滿載、空載、壓載等不同工況。這些變化的載荷，以及結(jié)構(gòu)的營(yíng)運(yùn)和耐久性要求使船上結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中和疲勞強(qiáng)度變得尤為突出。采用ANSYS nCode和Fe-safe可分析結(jié)構(gòu)在各種交變載荷下的壽命。

某客船底板的縱向應(yīng)力

某客船縱骨的縱向應(yīng)力

二、船舶結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲分析

在船舶設(shè)計(jì)階段，需要進(jìn)行振動(dòng)預(yù)報(bào)（計(jì)算振動(dòng)模態(tài)與響應(yīng)）和結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)，并對(duì)局部結(jié)構(gòu)采取必要的減振降噪措施，避免船上出現(xiàn)有害振動(dòng)及其伴隨的噪聲。

船舶振動(dòng)包括總振動(dòng)和局部振動(dòng)。船體總振動(dòng)是船舶總體振動(dòng)形態(tài)的一種主要反映和描述方式，船體局部振動(dòng)是船上各種局部構(gòu)件的振動(dòng)。船舶噪聲包括艙室噪聲、水下輻射噪聲及自噪聲等。

船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲分析的主要內(nèi)容包括：

（1）船舶總振動(dòng)計(jì)算
船體總振動(dòng)可分為自由振動(dòng)與強(qiáng)迫振動(dòng)兩大類，前者主要研究船體總振動(dòng)的模態(tài)（固有頻率和固有振型），而后者則研究船體梁在各種不同激勵(lì)力作用下的響應(yīng)及如何減小和控制其振動(dòng)量級(jí)等。

（2）船體局部振動(dòng)計(jì)算

從整個(gè)船體結(jié)構(gòu)中分離出上層建筑、桅桿、尾部結(jié)構(gòu)及機(jī)艙等立體艙段計(jì)算模型進(jìn)行振動(dòng)計(jì)算。

（3）艙室噪聲計(jì)算

艙室噪聲是由船舶的結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲共同引起的。除空氣聲源艙室和鄰近艙室中的艙室噪聲主要由空氣噪聲決定外，其它艙室的艙室噪聲主要由結(jié)構(gòu)噪聲決定。

（4）水下輻射噪聲計(jì)算
船舶在海上航行時(shí)引起的水下輻射噪聲主要由機(jī)械設(shè)備振動(dòng)產(chǎn)生的水下噪聲、螺旋槳噪聲、螺旋槳脈動(dòng)壓力作用在艉部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水下噪聲和水動(dòng)力噪聲組成。

（5）自噪聲計(jì)算

自噪聲是指聲納接收換能器（或聲基陣）所接收到的其載體產(chǎn)生的噪聲和聲納設(shè)備本身產(chǎn)生噪聲的總和。

通過流體動(dòng)力學(xué)分析軟件ANSYS Fluent、機(jī)械分析軟件ANSYS Mechanical以及低頻電磁場(chǎng)分析軟件ANSYS Maxwell可以對(duì)上述各種原因引起的的噪聲問題進(jìn)行研究。

船舶尾部結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

船舶尾部結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

三、船舶碰撞擱淺、抗爆抗沖擊分析

船舶碰撞往往會(huì)造成災(zāi)難性的后果。尤其滿載危險(xiǎn)貨物的巨輪如發(fā)生碰撞事故，一方面很可能會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，另外還將造成海洋環(huán)境的污染。碰撞和擱淺顯然是船舶安全的最大危害之一，解決好船舶碰撞強(qiáng)度和擱淺強(qiáng)度問題，不僅有利于海上生命安全，而且可以防止海洋環(huán)境污染，提高航運(yùn)經(jīng)濟(jì)效益。

船舶碰撞是一個(gè)高度的非線性過程，采用非線性有限元數(shù)值模擬方法是進(jìn)行船舶碰撞和擱淺研究的有力工具。

對(duì)戰(zhàn)艦而言，艦船抗爆抗沖擊性能已成為衡量其戰(zhàn)艦戰(zhàn)技術(shù)性能的重要指標(biāo)，抗爆抗沖擊性能的好壞將影響到艦艇服役后特別是在戰(zhàn)斗條件下艦艇的生命力。艦船抗沖擊分析的目的是對(duì)船體結(jié)構(gòu)、重要設(shè)備及作戰(zhàn)人員采取必要的抗沖擊措施，努力提高全艦的抗沖擊能力，以滿足艦船戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的要求。艦船的抗沖擊分析主要包括水下爆炸載荷、艦船在水下爆炸作用下的動(dòng)響應(yīng)以及對(duì)主要設(shè)備、軸系及典型管路和人員進(jìn)行沖擊防護(hù)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

某柴油機(jī)基座抗沖擊性計(jì)算

水面艦艇水下爆炸分析

四、船舶性能設(shè)計(jì)中的流體力學(xué)和流固耦合分析

船舶中很多部件的設(shè)計(jì)都與流體相關(guān)，如：槳葉的驅(qū)動(dòng)效率分析、船體外型的流線化設(shè)計(jì)、船體在船外波浪和船內(nèi)液體（水、油等）液面晃動(dòng)共同作用下的響應(yīng)。

ANSYS CFD（FLUENT/CFX）是目前最優(yōu)秀的CFD軟件，其用戶界面友好，算法健壯，功能強(qiáng)大，長(zhǎng)期以來在用戶中有著良好的口碑。

（1）船體阻力計(jì)算

ANSYS CFD能準(zhǔn)確捕捉船舶周圍復(fù)雜流動(dòng)形態(tài)及結(jié)構(gòu)；預(yù)報(bào)出船舶的摩擦阻力和興波阻力。和水池試驗(yàn)相比，ANSYS CFD分析的長(zhǎng)處是它允許對(duì)更寬范圍的備選船型方案進(jìn)行測(cè)試。比較理想的做法是，它適合用來選擇有希望的備選設(shè)計(jì)方案作進(jìn)一步的水池試驗(yàn)。ANSYS CFD也指明對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)的部位和方法，比如，顯示出船身上的壓力分布的細(xì)節(jié)。

ANSYS FLUENT計(jì)算的船體阻力

（2）螺旋槳計(jì)算

通過優(yōu)化船型，可以減小船舶阻力，而改善螺旋槳的推進(jìn)性能則明顯可以增加船舶的推進(jìn)效率，可以增加船舶的速度，對(duì)推進(jìn)效率的研究是船舶今后研究的一個(gè)重點(diǎn)。

ANSYS CFD能模擬如何避免空泡的產(chǎn)生，改善尾部線型，處理好船體和槳之間的距離，盡可能使螺旋槳處在均勻的流場(chǎng)中。通過ANSYS CFD數(shù)值模擬，可以得到螺旋槳附近的詳細(xì)流動(dòng)細(xì)節(jié)，從而合理布置螺旋槳的位置。

ANSYS CFD對(duì)螺旋槳模擬得到的壓力分布和流線效果圖

ANSYS CFX計(jì)算的船尾螺旋槳影響及其氣蝕

（3）船艙通風(fēng)計(jì)算

ANSYS CFD方法還可以進(jìn)行諸如置換通風(fēng)、潔凈醫(yī)療艙室、較大發(fā)熱處所、廚房以及大空間通風(fēng)（客滾船、滾裝船等）問題的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)。ANSYS CFD技術(shù)可分析了解室內(nèi)空氣的流場(chǎng)分布，對(duì)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行直觀預(yù)測(cè)，并可大大節(jié)約研究費(fèi)用，有較大的應(yīng)用前景。

冷藏船內(nèi)的通風(fēng)換熱計(jì)算

船艙內(nèi)舒適度計(jì)算

船體設(shè)備間的火災(zāi)模擬

艦船受生化武器攻擊后的安全評(píng)估

（4）船體耐波性計(jì)算

在船體耐波性設(shè)計(jì)方面，首先是作用于船體的載荷具有很大的變動(dòng)性和隨機(jī)性，特別是波浪載荷。波浪是一個(gè)由許多隨機(jī)因素決定的隨機(jī)過程，波浪載荷則是船體對(duì)波浪隨機(jī)過程的響應(yīng)。

采用ANSYS AQWA計(jì)算船體在各種海況下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并把水壓力直接傳到ANSYS Mechanical中計(jì)算船體的強(qiáng)度。而且AQWA在艦船和海洋平臺(tái)的計(jì)算結(jié)果是得到ABS、DNV、LG等船級(jí)社的認(rèn)可。

系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FPSO系統(tǒng)設(shè)計(jì)

除了上述應(yīng)用外，ANSYS CFD還廣泛應(yīng)用于船舶發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)、管路內(nèi)流動(dòng)、船用空調(diào)系統(tǒng)流場(chǎng)（復(fù)雜艙室內(nèi)的熱交換）、船用電機(jī)散熱、動(dòng)力裝置燃燒及換熱解決方案、船用電器、機(jī)箱、顯控臺(tái)等的散熱、各種油泵、風(fēng)扇的仿真數(shù)值模擬。