2013年 第8卷 第2期
舰船综合作战能力的最大化与舰船资源的稀缺性是舰船设计阶段永恒的矛盾，集成优化设计正是在此背景下提出的解决舰船需求与现实之间矛盾的方案。通过提炼国外水面舰船集成优化设计思想，总结舰船集成优化设计的概念与原则；描述国内水面舰船集成优化设计存在的问题，并在此基础上提出舰船总体应通过做好型号总体顶层设计、落实总体设计优化工作及加强对总体和系统的监督管理，舰船系统应通过优化系统结构、提高“四化”（自动化、智能化、信息化及标准化）程度及提高系统效率等方面加强集成优化设计工作；展望了集成优化设计在改变设计理念、提升舰船能力及经济性等方面的收益。
针对舰船总体使用和维修性设计验证手段不足的现状，基于并行工程思想，以虚拟现实、计算机仿真和高性能图形系统作为共性支撑技术，同时依据虚拟现实技术与CAD，PDM以及与使用和维修相关的CAE的集成，构建舰船使用和维修性分析评价系统。该系统构建了面向使用和维修的功能样船和动素层人体姿态库，基于可达性和人因工程两个指标完成舰船使用和维修性分析评价，通过与PDM系统集成实现数据管控与总体设计并行开展。本文的研究成果可为在设计阶段发现、解决舰船的使用和维修问题，提供普遍使用的技术依据和实施方法。
潜艇集体逃生舱作为一种新型的救生装备，目前还缺少历史统计数据，因此利用传统的风险评估方法进行定量分析较为困难。为解决这一问题，把基于专家权重的风险等级计算方法和基于模糊集合的风险概率计算方法与风险矩阵相结合，给出了一种新的风险评估模型，并以集体逃生舱的关键技术为重点，对部分失效模式进行初步风险评估。通过对评估结果进行对比分析，发现与国外类似装备的评估结果基本一致，表明该方法具有较好的适用性，结果可信度高。
舰载机着舰是一项十分危险的任务，为保证着舰安全性，要求每一位舰载机飞行员都拥有熟练的着舰技能。飞行员着舰评估能够为飞行员训练提供反馈，是辅助提高飞行员着舰技能的有效途径。分析整个舰载机着舰过程的影响因素，提炼可用于评估舰载机着舰表现的指标；运用层次分析法建立着舰评估体系，利用模糊层次分析法实现飞行员着舰综合评估的方法；最后利用仿真数据将算法评估结果与专家评估结果进行对比。结果表明，所建立的飞行员着舰评估指标体系与评估方法可以有效地对飞行员着舰过程进行评估分析。
潜艇自航试验是预报和评估潜艇快速性的关键技术。采用数值模拟方法系统地研究全附体潜艇+螺旋桨的三维粘性流场和水动力特性。在对全附体SUBOFF模型+螺旋桨水动力特性进行仿真分析前，分别将全附体SUBOFF模型的阻力和敞水桨水动力特性的数值预报结果与试验数据进行比较，结果吻合较好。通过对全附体SUBOFF模型+螺旋桨进行仿真分析和研究，实现了全附体潜艇+螺旋桨三维流场的数值计算。在给定航速下，螺旋桨推力与艇体阻力为螺旋桨转速的函数，通过改变螺旋桨转速得到潜艇在既定航速下的自航点，仿真分析结果清晰、形象地描述了带桨全附体艇的水动力性能。
采用基于形状参数的船型参数化方法实现复杂舰船的参数化建模，利用Isight集成框架构建基于阻力的船型优化模型，实现参数化船型生成、阻力计算及优化算法等功能模块集成。以某船型为例，选取5个船型参数作为优化变量开展船型优化，并对优化算法开展研究分析。优化研究获得了阻力最小的船型参数组合及合适的优化算法，算例表明，基于形状参数的船型优化方法具有较强的适用性。
对于高速航行的舰船，由于其航行姿态变化明显，因而以设计浮态为基准的阻力理论计算结果并不能准确预报其实际航行阻力。基于RANS方程，划分多块结构化网格，采取一种简化的迭代方法对高速舰船的阻力进行数值计算，当傅氏数在0.15~0.44之间时，阻力计算结果与船模试验值相比误差均保持在5％以内。结果表明，该方法充分考虑了船体姿态的影响，对提高高速舰船的阻力预报精度具有一定的可行性。同时，分析了不同傅氏数下的自由表面波形图和波形等值线图，以及艏艉兴波随航速的变化趋势，结果显示符合试验规律。
应用经典薄船理论，以Michell兴波阻力积分公式为基础，针对高速船的方尾船型特点，采用“虚长度”法，即在方尾后增加一个虚拟附体以使尾部封闭，通过对NPL船模系列（包括3b，4a，4b，4c，5a，5b，5c，6a，6b，6c共10条船型）的文献数据进行分析，总结得到一个计算虚长度的公式，同时对代号分别为4a，5c，6b的3种船型的兴波阻力进行数值计算，并与文献中的实验数据进行比较。研究表明，3条双体船型的计算结果与实验数据在趋势上吻合较好，在高傅汝德数下误差小于6%，符合工程应用要求。
针对移除单元法数值模拟裂纹板拉伸断裂的过程，研究单元失效应变的选取方法及影响因素。采用MSC.Dytran有限元软件进行数值计算，分别以试验获得的载荷极值、最大伸长量和能量为依据，分析网格尺寸对单元失效应变的影响，讨论3种准则的失效应变计算结果与试验间的误差。结果表明：能量准则的失效应变综合考虑了裂纹板拉伸过程中载荷与位移这两个因素，计算结果能较好地反映裂纹板的力学特性；最大伸长量准则的失效应变计算载荷极值略高于试验值，适用于优先考虑裂纹板伸长位移的数值计算；载荷极值准则的失效应变计算结果偏差较大，难以全面反映裂纹板拉伸断裂的力学特性。结果显示，移除单元法适于模拟大型结构物的破坏过程。
新型聚能装药战斗部是高效毁伤战斗部的发展方向之一，已成为各国研究的重点。利用LS-DYNA软件，对聚能战斗部侵彻过程进行数值模拟，提出一种利用相对侵彻深度定义结构毁伤等级，进而表征聚能战斗部毁伤能力等级的评估方法，并利用实爆试验测量的穿孔大小和侵彻深度对数值模拟结果进行验证，该研究方法能够为设计新型聚能装药战斗部提供参考。
在船舶设计与强度评估中，为更加真实地了解船体结构的安全极限，要求计算船体梁的极限强度。逐步破坏法由于其计算效率高，结果比较可靠，被广泛运用于大型海船设计，但在内河船舶设计规范中，至今尚无有关极限强度的条款。通过非线性有限元程序计算得到加筋板单元平均应力应变关系，并与Rahman法、CSR法以及ISUM方法计算得到的应力应变关系曲线进行对比，以验证其可靠性。然后，按照一定的规律建立符合内河船舶构造的加筋板单元应力应变关系数据库，并编写逐步破坏法计算程序，在计算过程中，其能根据加筋板单元尺寸自动选取对应的关系曲线；对参数超出数据库的情况，则通过插值实现。
为研究横向增强芯材的等效弹性模量，首先采用基于Eshelby等效夹杂原理的Mori-Tanaka方法，求解出包含横向增强构件的复合材料夹芯板中芯层的等效弹性模量。同时，采用有限元软件ANSYS对芯材元胞进行数值模拟并计算出等效弹性模量，其与Mori-Tanaka方法的计算结果误差基本在5%以内，验证了Mori-Tana?ka方法的准确性。在此前提下，继续研究基体和增强构件的弹性模量及尺寸参数等因素对复合芯材等效弹性模量的影响规律。研究结果表明，Mori-Tanaka方法能够有效地用来进行横向增强芯材的等效处理，具有较高的准确性；基体和增强构件的弹性模量及尺寸对厚度方向的等效杨氏模量和面内泊松比影响显著，而对面内等效杨氏模量和厚度方向的泊松比影响较小。
借助CFD软件，采用Rayleigh-Plesset空化模型和三种湍流模型对导管螺旋桨进行不同空化数条件下的空化性能计算，通过与试验数据对比，分析不同湍流模型、不同空化数对计算结果的影响。分析结果表明：k - ω 模型计算更加稳定，更加容易收敛，精度也相对较高，因而与k - ε 模型和RNG k - ε 模型相比更适于对导管螺旋桨的空化性能进行计算；在空化数或进速系数较小的条件下，空化相对较剧烈，计算的相对误差较大，需要采用更加精确的空化模型或通过进一步提高网格质量来提高计算精度；另外，与k - ε 模型和RNG k - ε 模型相比，k - ω 模型对空化数较敏感，对不同空化数条件下计算的相对误差变化较大。
为预先确定工程设计中闭式机舱通风系统的通风效果，找出初步设计方案中气流组织与温度分布存在的问题，对系统内部三维湍流进行基于CFD的三维数值模拟。在此基础上，于机舱前壁合理增设布风口与排风口，并将舷侧的进、排气方向予以合理改进，形成良好的气流组织。计算结果表明，改进后的通风方案效果良好，消除了初步设计方案中存在的问题。
采用结构有限元耦合流体边界元的附加质量附加阻尼算法，对肋骨采用不同侧向加强材的环肋圆柱壳水下振动与声辐射进行数值计算，并对数值计算结果进行比较和分析。讨论了4种侧向加强材对环肋圆柱壳水下振动与声辐射的影响，结果表明：4种肋骨侧向加强材对环肋圆柱壳结构的减振降噪是有利的，肋骨采用扶强材、半肋距肘板、整肋距肘板和纵筋加强其减振降噪效果会逐渐增强；随着频率的升高，各种侧向加强材的减振降噪效果也逐渐增强；肋骨侧向加强材主要对环肋圆柱壳肋骨间的振动产生影响，对其低频整体振动影响较小。
管路阀组单元是舰船管路系统中的重要组成部分，阀组的振动通过阀组架传递到船体，从而引起船体的振动与噪声，对阀组结构进行优化以减小传递到船体的振动，对舰船振动与噪声控制具有重要意义。利用有限元软件ANSYS建立阀组单元的有限元模型，对阀组单元进行振动响应分析，得到阀组单元在垂直和水平载荷激励下的加速度振动特性。通过分析阀组架的阀架臂长、布置间距和阀架角钢尺寸等结构参数对振动的影响，对这些参数进行组合设计并优选结构参数，提出优化方案，使得阀组单元的声振特性得到了有效改善，传递到船体的振动加速度降低了10 dB。
艉轴架系统是由艉轴、前（后）艉轴架臂以及螺旋桨等共同组成的复杂构件系统，其固有振动特性的有效测试、合理分析和振型识别对于开展舰船艉轴架设计、建造以及控制舰体尾部振动等具有重要意义。为此，针对艉轴架系统的构成特征以及组成构件的固有振动特性，分别建立理论分析模型，通过分析，认为艉轴架系统固有特性属于复杂构件系统的振动问题，其固有特性取决于艉轴及前（后）艉轴架臂的共同特性，两者间存在较大关联性，实际模态的识别应根据工程需要加以确定。基于以上分析，给出艉轴架系统固有特性测试要求和振型识别原则，并以某型舰的艉轴架系统为例开展固有振动特性试验测试和模态识别，取得了良好的效果。
针对舰用主滑油系统汽轮滑油泵装置，系统研究其结构功能关系及典型的故障模式。基于系统3种典型故障的FTA模型，建立相应的贝叶斯网络模型进行可靠性定量分析。考虑到系统中存在的固有不确定性因素，对模型的条件概率进行合理修正，提高可靠性分析的准确性。运用贝叶斯网络精确推理算法，得出系统可靠性指标和模型中底事件的概率重要度。根据计算结果，分析得到影响系统可靠性较大的关键部件，这些部件需要加强备份和重点监控。
为应对船舶直升机起降平台所发生的火灾，一般设置有泡沫枪灭火系统。为更加高效地扑灭起降平台所发生的较大火灾，提出了设置甲板平台固定式水成膜泡沫喷洒灭火系统（AFFF）的设计思想，并通过一系列的灭火试验来验证该系统灭火的有效性。针对不同的油池面积、喷头数量和喷射压力，以及灭火过程是否存在遮挡等状态，共进行了10次灭火试验。根据试验测量数据，从灭火与控火时间，以及灭火过程中火场热辐射变化等方面对甲板平台固定式AFFF的灭火效能进行评估，讨论系统压力、流量及喷头数量对控火时间的影响。试验和分析结果表明，甲板平台AFFF对于发生在直升机甲板平台的无遮挡大型池式火灾具有较好的灭火效能，其在大型船舶和海洋石油钻井平台的直升机起降甲板上也有较好的应用前景。
从有机甲板防滑涂料和无机甲板防滑涂料两个方面阐述舰船甲板防滑涂料的技术发展及应用情况，并针对舰载机甲板防滑涂料的国内外发展概况进行重点介绍。结合当前甲板防滑涂料的发展情况，分析舰用新型甲板防滑涂料的发展趋势，指出我国甲板防滑涂料研制的重点发展方向。目前，舰船甲板部位的涂料正向无溶剂、水性化、功能性等方向发展，舰载机防滑甲板涂料正向低太阳能吸收、高耐久性、快干性、无机型等方向发展，我国应重点发展长效、环保、多功能和施工方便的舰船甲板涂料。
