在滿足船舶功能和總體性能要求的前提下，通過結構設計滿足船舶在使用壽命期間的強度、剛度和穩定性。船舶結構設計的內容決定了繁重的設計計算任務。隨著世界航運市場對高技術、高附加值船舶需求的不斷增加，各國造船業之間的競爭日趨激烈。現代造船技術正朝著高度機械化、自動化、集成化、模塊化和計算機化方向發展。為了縮短船舶產品的開發周期，降低開發成本，提高船舶結構設計的計算效率已經提上日程。
在技術的推動和需求的牽引下，計算數值模擬技術發展迅速。在船舶結構設計中，以有限元為核心的CAE(計算機輔助工程)技術——計算機輔助工程技術越來越受到重視，各種仿真方法和工具正在逐步得到應用。CAE技術已經成為船舶結構設計中不可缺少的強大工具，是解決大量工程優化問題的基礎。為了適應船舶工業的快速發展和解決實際工程問題，迫切需要開展CAE在船舶結構設計中的應用和發展。
二、船舶結構設計的特點和CAE發展的現狀
船舶經常在高速、強流、強氣流等環境條件下運行。船舶設計結構不僅要考慮船舶的總縱強度、局部強度和結構穩定性，還要考慮振動、沖擊和噪聲。可見，船舶結構設計是壹個技術含量高、設計難度大的學科領域。船舶結構設計難度的另壹個重要方面是，由於船舶體積巨大，在很多場合不可能像汽車、飛機那樣做全試驗。傳統的船舶結構設計是通過結合經驗對母船進行改進，對簡化後的結構進行定性分析和計算來完成的，其結構設計、計算和分析中含有大量的經驗成分。船舶結構試驗的難度增加了船舶結構設計對數值模擬技術的依賴，CAE技術已成為船舶結構設計的重要工具。
CAE字面意思是計算機輔助工程，它的概念非常廣泛，可以包括工程和制造信息化的各個方面。但傳統的CAE主要是指工程設計中的分析、計算和仿真，其核心是基於現代計算力學的有限元分析技術。CAE開始於50年代中期，而真正的CAE軟件誕生於70年代初。到80年代中期，商用通用和專用CAE軟件逐漸形成。近40年來，CAE技術結合迅速發展的計算力學、計算數學、相關工程科學、工程管理和現代計算技術，從低效檢驗到高效仿真，從線性靜態求解到非線性、動態仿真分析和多物理場耦合，取得了很大的發展和成就。在日益全球化的市場氛圍中，企業之間的競爭將表現為產品性能和制造成本的競爭。CAE在產品開發和創新設計方面無可比擬的優越性，使其成為現代工業企業在日益激烈的市場競爭中取勝的重要條件。利用CAE軟件，可以對工程和產品的性能、安全性和可靠性進行分析，並在虛擬操作中模擬其未來的工作狀態和操作行為，從而及早發現設計缺陷，實現優化設計。在實現創新的同時，提高設計質量，降低研發成本，縮短研發周期。CAE與CAD/CAM軟件壹起成為支撐工程行業和制造企業信息化的主要信息技術之壹。
隨著CAE軟件技術的發展，CAE已經廣泛應用於各行各業。目前，CAE軟件在國外已廣泛應用於核工業、鐵路、石油化工、機械制造、汽車運輸、電子、土木工程、生物醫藥、輕工、家用電器等工業和科研領域。CAE在造船業也發展迅速。目前，海軍各大研究所都引進了CAE軟件開展日常設計研究工作，各大船級社都采用了CAE有限元軟件設計研究自己的標準化計算。
三大CAE技術在船舶結構設計中的應用
目前，CAE技術已廣泛應用於船舶結構設計，並滲透到船舶結構設計計算的各個領域。下面介紹CAE在船舶結構各個計算領域的應用。
3.1強度
強度是船舶結構設計中首先要考慮的問題。船舶結構強度的計算主要包括總縱強度和全船局部強度的計算。總縱強度是校核船體的縱向彎曲，計算波浪條件下船體各截面中縱向結構件的應力，並與許用應力進行比較，判斷船體的強度。傳統的船舶總縱強度計算通常只計算典型截面，通常需要多次近似計算才能得到最終結果。然而，通過對全船進行有限元建模，船舶總縱強度的計算變得更加容易。圖1是船舶在六級海況下總縱強度中某壹垂直狀態的計算結果。在全船有限元模型的CAE計算下，全船各模具截面任意部件的應力都能反映在計算結果中。目前全船總縱強度的有限元計算需要大量的時間建立三維模型，進行全船總縱強度的CAE計算需要較長的周期。但是，如果全船的三維CAD模型已經存在，那麽船舶的CAE計算就會變得非常方便。
船體結構局部強度的計算主要包括底部結構強度、側部結構強度、球鼻結構強度、甲板結構強度、艙壁結構強度、主要設備底座強度等的計算。傳統的計算方法通常是基於簡化的梁結構和板結構來計算船舶的局部結構，而且計算模型通常是平面模型，對於空間復雜結構往往無法完成計算。然而，任何復雜的船舶局部結構的強度問題，利用CAE技術都可以很容易地解決，計算結果非常詳細。圖2是船底結構局部強度的有限元計算結果。
圖1全船總縱強度計算圖2底部結構強度有限元計算
目前，CAE技術廣泛應用於船舶結構強度計算，CAE已經成為實際船舶結構強度計算不可缺少的工具。
3.2剛度
在滿足船舶結構強度的條件下，船舶結構設計的另壹個重要指標是剛度，即在預定載荷下，船舶結構的變形必須在允許的範圍內。規範規定，全船在波浪作用下的靜變形不超過船長的五分之壹。圖3是典型船舶雙臂艉架結構剛度的CAE計算結果。
采用先進的CAE計算軟件，能夠真實反映結構的實際承載能力，能夠考慮傳統方法無法計算的復雜結構的變形問題，結果更加準確可靠。
圖3雙臂艉架結構剛度計算圖4甲板板架結構穩定性計算
3.3穩定性
船舶結構的穩定性分析，即船舶結構的失穩計算，屬於船舶結構計算的重要組成部分。船舶結構穩定性的計算往往包括支柱結構的不穩定歐拉拉力的驗算、甲板縱板結構的不穩定歐拉應力的計算和甲板板架和底板架結構的不穩定性計算。圖4是典型甲板桁架結構穩定性的計算結果。傳統的計算方法只能用於計算柱和簡單板結構的結構失穩。利用CAE方法可以快速計算復雜結構的失穩。
3.4振動
船舶結構振動計算對船舶結構設計非常重要。根據規範，船舶總振動的固有頻率應避開主機頻率、軸頻和螺旋槳槳葉頻率，艉板和板架結構振動的固有頻率應避開螺旋槳激振頻率。機艙板和框架應避開主機頻率。
圖5船舶總振動的計算
圖6船舶尾部振動計算
船舶結構總振動的傳統計算方法是將全船簡化為二十根變截面空心梁，然後將經驗公式計算的附著水質量加到總船質量上進行振動計算。這種計算方法可以得到相當簡化程度的計算結果，但會忽略實船會遇到的總橫向振動、伸縮等振動形式。全船CAE振動計算可以準確建立全船有限元模型，根據船體外板的空間形狀考慮水對總振動的影響，不需要通過人工經驗公式計算添加附著水質量。全船CAE計算結果可以充分模擬全船在水中的振動。圖5顯示了船的總振動模式。
船舶尾部結構的振動是船舶結構振動的壹個難題，它不僅涉及到船舶結構本身的固有頻率，還涉及到船舶結構與周圍流場的流固耦合振動。要詳細研究船舶尾部結構的振動，傳統方法只能做定性分析，而CAE技術為其提供了技術解決方案。圖8示出了船的船尾振動的計算結果。文獻[4]也使用SESAM有限元程序來預測船舶艉部振動的響應。
船尾框架結構的振動問題也是船舶局部振動中的常見問題，傳統的計算方法只能對其進行簡化，得到近似的結果。參考文獻[5]采用有限元方法建立了艉框架結構的實體模型，並對其進行了詳細的幹濕模態計算。
3.5影響
目前，船舶抗沖擊性能是壹個越來越受到相關專業人士重視的學科領域，尤其是對於軍艦來說，因為船舶結構的抗沖擊性能是船舶生命力的重要保證。在設計艦船結構時，不僅要考慮強烈的風浪載荷，還要考慮炸藥爆炸的沖擊載荷。該領域分為兩大類:艦船結構抗水下非接觸爆炸的計算研究和艦船結構抗接觸爆炸和穿甲的研究，統稱為艦船結構的沖擊研究。傳統方法無法計算船舶的抗沖擊性能。近年來，隨著計算硬件和CAE技術的發展，從船舶局部結構到全船的CAE抗沖擊評估和計算逐漸可以在微機上進行。在文獻[6]中，用MSC。DYTRAN，而在參考文獻[7]中，利用MSC.DYTRAN對水面艦船在水下爆炸沖擊載荷作用下的全船結構動力響應進行了數值模擬，圖7為計算艦船水下爆炸沖擊的有限元模型。圖8示出了柴油發動機基座的抗沖擊性計算結果。
圖7全船水下爆炸沖擊計算
圖8柴油機底座抗沖擊性的計算
全船結構抗沖擊性能CAE計算規模壹般較大，有限元模型的網格質量、單元選擇、材料選擇、外載荷施加方法和計算算法選擇對計算結果有重要影響。全船CAE計算還是壹個高科技領域，急需投入大量精力進行研發。
3.6噪音
船舶結構噪聲主要包括船舶艙室室內噪聲研究和船舶結構水下噪聲研究。船舶噪聲的控制壹直離不開船舶結構的振動，但它與船舶結構的振動有很大的不同。船舶結構振動往往只需要解決低頻問題，而船舶結構噪聲往往具有很寬的頻率範圍，從幾赫茲到幾十萬赫茲。CAE技術中的有限元法是不夠的，因為聲學問題如果要用有限元法計算，隨著頻率的增加，網格密度會非常大，甚至簡單結構的計算模型也是如此龐大，現有的計算機無法完成計算。因此，在噪聲領域，低頻、中低頻的計算常采用有限元法，中高頻以上的問題需要其他CAE技術，包括統計能量法、邊界元技術、無限元技術等。圖9是使用AUTOSEA軟件對簡化的全船結構進行聲輻射計算的示例。
圖9全船聲輻射計算
四、船舶結構CAE技術應用的特點
CAE技術正在應用於船舶結構設計和計算的各個領域。CAE在船舶結構設計中具有以下優勢:
1.可視化CAE用於計算船舶結構，從圖像中可以看到分析結構的尺寸、材料、邊界條件和載荷情況。大多數CAE軟件都提供了良好的人機交互環境。
2.真實性利用CAE技術對船舶結構進行建模可以反映船舶結構的真實幾何形狀。無論是平板結構還是立體結構，無論是簡單的平面結構還是復雜的空間結構，CAE的建模功能都可以根據問題的需要適當簡化，建模反映結構的真實情況，為精確計算奠定基礎。
3.利用CAE工具對船舶結構進行詳細計算，根據模型參數、加載條件和計算參數的設置，可以得到詳細的計算結果。根據設計人員的需要，可以得到任意部位的計算結果，並根據設計人員提供的參數精度，詳細反映結構的物理情況。
4.數值計算能力強目前通用的CAE軟件采用了多種高效的數值計算方法，大量的線性和非線性問題都有解。不同的CAE軟件往往有不同的功能側重點，比如MSC。有限元線性力學領域非常成熟的NASTRAN和ANSYSABAQUS軟件在有限元非線性接觸和摩擦領域有其特殊性；ANSYS-LSDYNA和MSC。DYTRAN由於使用了顯示動力學算法，比穿通裝甲的相關計算要好。SYSNOISE是壹款專業的聲振分析工程軟件，擁有有限元法、無限元法、直接/間接邊界元法等多種聲學解法。AUTOSEA軟件是壹個基於統計能量分析方法的結構振動和聲學設計工具。HYPERMESH優於網格生成，非常適合目前的結構力學優化設計。
雖然將CAE技術應用於船舶結構設計計算具有上述優點，但仍存在以下問題:
1.如何快速建模是船舶結構CAE設計中的壹項重要任務。由於船舶工業的特點，船舶結構的二維CAD設計仍將長期存在，並在工程中發揮重要作用。目前，從2D CAD圖紙設計到3D CAE模型生成需要花費大量時間。
2.CAE目前還是比較難用的。由於大量CAE軟件的存在，而且每個CAE軟件都有很強的專業背景，為了用好壹個具體的CAE軟件，設計者和使用者必須具備相當的相關領域的專業知識。CAE軟件仍然被少數專業人士使用。
3.修改設計需要大量的CAE計算。因為CAE的計算過程比較復雜，所以進行壹次設計修改就相當於重新開始壹次CAE計算。在許多情況下，網格劃分和邊界條件的定義必須重新進行。對於壹個小規模的問題，重算工作量的增加並不明顯，對於壹個大規模的計算，會耗費大量的機時。
4.目前，船舶結構CAE計算還沒有質量控制標準。雖然CAE在造船業的應用由來已久，也有大量的任務是通過CAE進行分析計算的，但是CAE建模的簡化、網格的質量、邊界條件的設置以及外部載荷的加載方式都與分析計算人員的經驗密切相關，計算結果的準確性也相差很大。經常發生不同的人計算同壹個問題得到不同的結果。
動詞 （verb的縮寫）總結與展望
隨著船舶結構設計技術的發展，CAE在船舶強度、剛度、穩定性、振動、沖擊和噪聲等方面的應用將越來越廣泛和深入。CAE不僅可以解決船舶結構的傳統經典力學問題，還可以解決爆炸、沖擊等新興學科中的問題。CAE不僅在現有結構的力學計算中發揮著巨大的作用，而且在船舶結構設計的創新和新材料、新結構形式的使用中發揮著不可替代的作用。
展望未來，船舶結構設計中的CAE技術將具有以下特點:
1.進壹步拓展了船舶結構CAE計算的領域。船舶結構的CAE計算將在更加精確的基礎上拓展計算的學科領域，如流固耦合計算、振動與聲學耦合計算、高速沖擊下的結構力學和熱力學計算等。
2.CAD設計與CAE計算的結合更加緊密。船舶結構二維和三維圖紙的設計方案可以很容易地轉化為CAE分析的幾何模型。
3.CAE軟件的操作更加簡單實用。CAE技術將在更大範圍內成為工程技術人員的實用工具，而不僅僅是掌握在少數專業人士手中。更加人性化和智能化的CAE工具將幫助大多數船舶結構設計技術人員解決日常設計問題。
4.針對特定問題的CAE計算參數化。產品模型的系列化壹直是設計師的工作。在船舶結構設計的很多領域，都需要對結構相似的相似問題進行計算，而具體問題的CAE參數化將極大地方便設計人員的結構優化設計。
5.船舶結構CAE計算的標準化。根據船舶結構設計計算的不同領域，制定標準化的CAE計算流程，確保CAE船舶結構設計計算的正確性。