3DEXPERIENCE的虚拟孪生探索结构仿真在潜艇工程中的应用

通过3DEXPERIENCE平台上的虚拟孪生体验方法增强潜艇的结构完整性

深海是人类已知最具挑战性的环境之一，而水下生存最困难的方面之一就是控制水压。地表下数百米的压力以兆帕为单位测量，远高于大气压力的数十倍。大多数潜艇舰艇具有军事性质，除了静压外，还必须承受水下爆炸带来的突发冲击波。

本文将演示结构仿真在潜艇工程中的应用，使用虚拟双胞胎体验达索系统3DEXPERIENCE平台的访问。虚拟双胞胎体验是潜艇及其系统的完整模型，准确复制了其真实性能。

通过虚拟双重体验的结构模拟，海洋工程师可以在静止条件下、加压和减压循环，甚至暴露于爆炸时分析潜艇的结构完整性。模拟揭示了潜艇在原型测试和海试前的真实场景表现。这降低了制造后发现问题的风险，避免制造后需要昂贵且耗时的复工。

本文还解释了如何通过统一建模与仿真（MODSIM），以及SIMULIA云如何加速设计和分析。

本研究所用潜艇模型的外部和内部视图。

确保静态结构完整性

工程师必须在开发的每一个阶段，从最初的概念到最终设计，都必须理解潜艇及其他海洋结构。结构仿真评估潜艇在任务中所经历的应力和变形——为了对设计师最有帮助，这一模拟需要快速且灵活地进行。

MODSIM方法意味着设计师CAD工具中的几何体——例如CATIA——可以直接传输到仿真工具，几乎无需改动，仿真网格会自动构建。仿真分析师通过3DEXPERIENCE平台上的钢结构工程师角色，能够快速在云端搭建和运行仿真，并确信仿真模型与设计相符。这确保了虚拟双胞胎体验与设计的真实对应，并准确反映其行为。

可用有限元分析（FEA）研究的模拟场景包括静态线性或非线性分析、屈曲、热评估、蠕变和疲劳。在本研究中，我们模拟潜艇壳内单个宏块的结构完整性，所有组件均由高等级钢材制成。该块体承受内部大气压力以及外部重力和浮力载荷，测试深度为350米。

考虑了两种模拟网格：一种是结构内全细节网格，另一种是通过去特征去除部分接缝细节和开口。这大大降低了模拟的计算复杂度，从而缩短了所需时间。然而，它也漏掉了加劲头与隔板交汇处的部分，这些应力较大。这说明了使用详细的虚拟孪生模型准确表示真实几何的重要性。

强调潜艇的中心结构，无（左）理想化，（右）有理想化。

模拟多次加压循环中的船体完整性

近年来，多起备受关注的潜艇和潜水器灾难凸显了水下船舶周期性加压和减压带来的危险。每次潜艇潜航时，结构上的应变都会变化，经过多次循环，这可能导致潜艇结构内外的部件疲劳。一艘最初能承受操作压力的潜艇，如果因疲劳形成裂纹，可能会突然失效。

仿真可以模拟潜艇部件在数百次加压循环中的行为。SIMULIA 提供与有限元分析（FEA）模拟接口的疲劳分析工具，以计算疲劳寿命和裂纹点。利用3DEXPERIENCE平台上的耐久性性能工程师角色，该潜艇隔舱壁预计可承受约70万次加压和减压循环。

分析水下爆炸的生存能力

水下爆炸（UNDEX）是潜艇面临的最重要且独特的挑战之一。水下爆炸的物理可能与空气中的物理大不相同，且对附近物体施加巨大压力。理解这些爆炸需要结合结构模拟和流体力学。

声学有限元分析捕捉流体质量效应及与流体相互作用结构的入射波载荷。模拟可采用全波或散射波形式：前者结合入射波和散射波，后者仅专注于散射压力，利用声学介质的线性特性。在这种情况下，我们使用全波表述并考虑空蚀。模拟模拟了一枚200公斤TNT炸药（密度1.5克/立方厘米）在距离潜艇15米处引爆。

模拟结果如下所示。冲击波的形成及随后的空化气泡随时间可清晰观察。加劲肋显示出足够的结构完整性以保护潜艇（为了能见度而夸大了变形），但隔舱壁显示出一定的横向变形。这表明在建模结构完整性时，考虑整个潜艇结构的重要性。

激波（左）和空化区（右）在毫秒间隔内的水下爆炸进展。

结论

水下环境尤其具有挑战性，因为涉及巨大的压力。潜艇结构需要被设计成能够承受多次加压循环甚至水下爆炸的巨大力量。

通过在潜艇的虚拟孪生体上进行仿真，工程师可以在原型制作或海试前分析潜艇结构完整性。虚拟孪生体提供了潜艇自身行为的准确且真实的表现，统一建模与仿真（MODSIM）为CAD设计数据与仿真模型之间提供了稳健且可追溯的数字线索。

通过模拟，潜艇工程师能够降低开发成本，加快设计.发现的问题可以迅速从根本解决，降低后续昂贵的重做风险。