一 概述
船舶结构设计是在满足船舶功能及总体性能要求的前提下，通过结构设计使船舶在寿命期间强度、刚度、稳定性等均能满足使用的要求。船舶结构设计的内容决定了其设计计算任务的繁重。随着世界船舶市场对高技术含量、高附加值船舶需求的加大，各国船舶业间的能力竞争日趋激烈。
现代造船技术正朝着高度机械化、自动化、集成化、模块化、计算机化方向发展。为了缩短船舶产品研制开发周期、降低开发费用，提高船舶结构设计计算效率已提上日程。
技术的推动和需求的牵引使计算数值仿真技术得以迅速发展，在船舶结构设计中，以有限元为核心的CAE（Computer Aid Engineering）技术——计算辅助工程技术，越来越受到重视，各种各样的仿真方法和仿真工具正逐步得到应用。
CAE技术已成为船舶结构设计中不可或缺的有力工具，是解决大量工程优化问题的基础。为适应船舶工业的迅速发展，解决实际工程问题，迫切需要开展CAE在船舶结构设计中的应用及开发。
二 船舶结构设计的特点及CAE发展的现状
船舶经常运营于高速、强水流、强气流等环境条件下，船舶设计结构不仅要考虑船舶总纵强度、局部强度、结构稳定性，还需要考虑振动、冲击、噪声等。
由此可见，船舶结构设计是一门技术含量高、设计难度大的学科领域。船舶结构设计的困难的另一个重要方面是由于船舶体积庞大，在很多场合下无法象汽车、飞机等一样做整体试验。传统船舶结构设计是通过母型船改进，结合经验开展简化结构的定性分析计算完成，其结构设计、计算和分析包含大量的经验成分。
船舶结构试验开展的困难，加大了船舶结构设计对数值仿真技术的依赖性，CAE技术成为船舶结构设计的重要工具。
CAE从字面上讲是计算机辅助工程，其概念很广，可以包括工程和制造业信息化的所有方面。但传统的CAE主要是指工程设计中的分析计算和分析仿真，其核心是基于现代计算力学的有限单元分析技术。
CAE起始于20世纪50年代中期，而真正的CAE软件诞生于70年代初期，到80年代中期，逐步形成了商品化的通用和专用CAE软件。近40年来，CAE技术结合迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术，从低效检验到高效仿真，从线性静力求解到非线性、动力仿真分析、多物理场耦合，取得了巨大的发展与成就。
在日趋全球化的市场氛围中，企业间的竞争将表现为产品性能和制造成本的竞争。而CAE在产品研发及创新设计中所显示出的无与伦比的优越性，使其成为现代化工业企业在日趋激烈的市场竞争中取胜的重要条件。利用CAE软件，可以对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，并对其未来的工作状态和运行行为进行虚拟运行模拟，及早发现设计缺陷，实现优化设计；在实现创新的同时，提高设计质量，降低研究开发成本，缩短研究开发周期。
CAE与CAD／CAM等软件一起，已经成为支持工程行业和制造企业信息化的主要信息技术之一。
CAE软件技术的发展，促使CAE在各行各业得到了极为广泛的应用。目前，CAE软件已在国外广泛应用于核工业、铁道、石油化工、机械制造、汽车交通、电子、土木工程、生物医学、轻工、日用家电等工业和科学研究领域。
CAE在船舶行业也正迅速发展，目前各大舰船科研院所均引进CAE软件开展日常设计研究工作、各大船级社均采用CAE有限元软件进行自行规范计算的设计与研究。
三 CAE技术在船舶结构设计中的应用
目前CAE技术在船舶结构设计中已使用非常广泛，已渗透到船舶结构设计计算中的每一个领域，下面分别介绍CAE在船舶结构各计算领域中的应用。
3。1 强度
强度是船舶结构设计首先要考虑的问题。船舶结构强度计算主要包含全船总纵强度计算和局部强度计算。总纵强度是校核船体的纵弯曲计算波浪条件下船体各横剖面内纵向结构构件的应力,并将它与许用应力进行比较以判定船体的强度。传统的船舶总纵强度计算常常仅对典型横剖面进行计算,通常需要进行多次近似计算才可以得到最终结果,而采用全船有限元建模的方式,船舶总纵强度的计算变得较为容易。
图1是某船在六级海况总纵强度中垂状态计算结果。在全船有限元模型CAE计算下，全船的每一个模剖面任意构件的应力情况都可以在计算结果中反映。目前由于全船总纵强度有限元计算需要耗费大量机时进行三维模型的建立,要开展全船总纵强度CAE计算需要较长周期，但如果全船三维CAD模型已经存在,船舶CAE计算将变得十分方便。
船体结构局部强度计算主要包括对底部结构强度计算、舷部结构强度计算、球鼻首结构强度计算、甲板结构强度计算、舱壁结构强度计算、主要设备基座强度计算等。传统计算方法对船舶局部结构的计算通常建立在简化的梁系结构和板架结构来计算，计算模型也通常是平面模型，空间复杂结构常常无法完成计算。
而运用CAE技术任意复杂的船舶局部结构，其强度问题都能迎刃而解，并且计算结果非常详实。图2为船舶底部结构局部强度有限元计算结果。
图1 全船总纵强度计算 图2 底部结构强度有限元计算
运用CAE技术进行船舶结构强度计算目前应用非常广泛，CAE已成为实际船舶结构强度计算的不可缺少的工具。
3。2 刚度
在船舶结构强度满足的条件下,船舶结构设计的另一个重要指标就是刚度，即在预定的载荷下船舶结构的变形必须在许用的范围内。如规范规定全船在波浪下的静变形不大于船长的五百分之一。图3是对典型船舶双臂尾轴架结构刚度CAE计算结果。
利用先进CAE计算软件,可以真实的反映结构的实际承载情况,能考虑传统方法不能计算的复杂结构的变形问题,而且结果更准确可靠。
图3双臂尾轴架结构刚度计算 图4 甲板板架板架结构稳定计算
3。3 稳定性
船舶结构的稳定性分析，即船舶结构的失稳计算,属于船舶结构计算的重要组成部分。
船舶结构稳定性计算常常包括对支柱结构的失稳欧拉力的校核计算、甲板纵骨带板结构失稳欧拉应力计算和甲板板架、底部板架结构失稳计算。图4是对典型甲板架板架结构稳定计算结果。传统计算方法对结构失稳计算通常仅能对支柱、简单板架结构进行计算。运用CAE方法可以快捷的计算复杂结构的失稳问题。
3。4 振动
船舶结构的振动计算对于船舶结构设计十分重要。规范要求，船舶总振动固有频率应避开主机频率、轴频、螺旋浆叶频等,尾部板及板架结构振动固有频率要避开螺旋浆激励频率；机舱区板及板架要避开主机频率。
图5 某舰总振动计算
图6 船舶尾部振动计算
船舶结构总振动传统计算方法是将全船简化为二十站变截面的空心梁，然后用经验公式计算得附连水质量附加到总船质量上进行振动计算。
这样计算方法能在相当简化的程度上得出计算结果，但会把实船会遇到的横向总振动、扩张收缩等的振动形态给忽略掉。全船CAE振动计算能精确的建立全船有限元模型，并根据船体外板的空间形状考虑水对总振动的影响，而不必用人工经验公式计算的方式加附连水质量。
全船CAE计算的结果可以全面的仿真全船在水中振动的情况。图5为某船总振动模态。
船舶尾部结构振动是船舶结构振动的一个难题，该问题不但涉及到船舶结构本身的固有频率，还涉及到船体结构与周围流场的流固耦合振动，要详细研究船舶尾部结构振动问题，传统方法仅能做定性分析，CAE技术为其提供技术解决方案。
图8为某船尾部振动计算结果。文献[4]也利用SESAM有限元程序船舶尾部振动进行响应预报。
尾轴架结构的振动问题也是船舶局部振动经常要面对的问题，传统计算方法也只能对其做相当的简化求出近似的结果。文献[5]运用有限元法建立尾轴架结构的真实实体模型,并进行了详细的干湿模态计算。
3。5 冲击
船舶抗冲击性是目前越来越受相关专业人员重视的学科领域，对于军舰来说尤为重要，因为舰船结构抗冲击性是舰船生命力的重要保障。设计军舰结构时，舰船结构不但要经受强大的风浪载荷，还需要考虑舰船结构承受炸药爆炸的冲击载荷。该领域分两大类研究范畴：舰船结构抗水下非接触爆炸计算研究和舰船结构抵御接触爆炸穿甲研究，统称舰船结构抗冲击研究。
舰船抗冲击性在传统方法中无法计算。近些年来,随着计算硬件的发展及CAE技术的发展，从船局部结构到整舰的CAE抗冲击评估计算逐步可以在微机上开展。文献[6]运用MSC。DYTRAN对加筋板架爆炸载荷下动态响应进行了数值分析，文献[7]对某型水面舰船全船结构在水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应进行了MSC。
DYTRAN数值模拟。图7为某舰整舰水下爆炸冲击计算有限元模型。图8为某柴油机基座抗冲击计算结果。 。