摘要：本文主要研究潜艇舱段的变形问题以及舱段中基座的优化问题。应用有限元软件HyperMesh建立潜艇舱段的有限元模型并利用求解器OptiStruct进行静力学分析，进而得到舱段的变形结果。然后从潜艇舱段中分离出基座作为子模型单独进行优化分析，并提取相应节点的位移值作为基座的位移边界条件，采用OptiStruct求解器对基座进行拓扑优化，最终得出了满足结构强度及刚度要求下的轻量化基座结构的优化模型。

  Altair公司研发的HyperWorks 系列产品可以解决工程优化及分析问题，已成为飞机、汽车和船舶等领域CAE应用的利器之一，得到了工业界的认可。其中的有限元前处理模块HyperMesh网格划分功能强大，并与主流CAD软件有着良好的接口。结构分析模块OptiStruct是一款基于有限元法的结构设计优化软件，可用于线性静态分析、模态分析、惯性释放、频率响应分析和屈曲分析，涵盖了船舶结构 CAE 技术应用的多个方面。
  潜艇下潜状态下承受较大的深水压力，结构存在较大变形，可能会因此影响设备的正常运行。在设计初期，仅靠简单的经验公式和理论计算方法已无法满足设计要求，这时有限元方法就显得非常重要。潜艇结构非常复杂，有限元建模较为困难，而Altair公司研发的前处理软件HyperMesh 具有强大的几何清理及网格划分功能。本文以某潜艇舱段为例，采用HyperMesh建立有限元模型，采用OptiStruct分析求解，得到潜艇变形云图。
  此外潜艇基座设计是潜艇设计的一项重要内容，一方面其结构形式种类多样，另一方面其数量繁多，因而如何优化其结构形式，对减轻潜艇重量有着重大作用。Altair公司的优化软件OptiStruct在结构优化方面有着绝对的优势，因此本文采用OptiStruct对基座进行拓扑优化，使得基座在满足刚度和强度的前提下重量最轻。

1、建有限元模型步骤和方法  
  由于潜艇舱段形状极为复杂，而通常CAE软件绘图功能较差，因此我们采用CAD软件建立几何模型，然后倒入CAE软件中建立有限元模型进行分析求解。本文选用CATIA建立几何模型，然后导入HyperMesh中进行几何清理、划分网格。具体过程如下：
  1).在 CATIA中建立几何模型，并保存为.iges格式或.step格式文件。 通常这两种格式的文件与CAE接口较好，导入过程不容易出现错误。
  2).将几何模型导入HyperMesh中。 点击软件导航中的File>>import>>Geometry>>iges，选择几何文件，点击Apply。
  3).几何清理。 导入的几何模型出现最多的问题是多条边不共线的问题，因此几何清理的主要工作是使多条边共线，保证几何模型为一个整体。
  Geometry Color Mode>>By Topo ,此时线段颜色共有三种:红色为自由边，绿色为两边共线，黄色为三边或三边以上共线。选择Geom>>edge edit>>toggle工具调整所有两边重叠的线段颜色为绿色，所有三边及三边以上重叠线段颜色为黄色。
  4).建立多个部件。Collector>>Create>>Components 创建部件。本文采用二维单元划分网格，潜艇舱段钢板有多种厚度，为便于赋属性，该模型共分为43个Components，对应43种不同厚度。然后通过Geometry>>Organize>>Surfaces 把同一厚度的钢板移到同一Component中。
  5).划分网格。 2D>>automesh>>size and bias,element size=100,mesh type>>mixed。划分过程根据具体情况调整节点数目，使得划分出的网格形状尽可能规整。
  6).网格质量检查。Tool>>faces，选择所有单元，设定容差，点击preview equivalence,预览是否具有重合节点，若有重合节点，点击 equivalence 合并重合节点。
  F6>>cleanup，红色为不合格，黄色为警告，直接拖拽节点调整单元质量。有限元模型如下图所示，由于结构不具有对称性，因此建立的是完整的有限元模型，共计2860个三角型单元,77041个四边形单元，76731个节点。  

2、有限元分析
  潜艇耐压船体采用921A钢制造，其弹性模量E=1.96e5MPa，泊松比υ=0.3。因为潜艇钢板有43种不同厚度，因此对应创建43种不同属性，分别赋予43个部件。在靠近艇舯部的界面创建固定边界条件。艇体外表面暴露水中，因此在外表面创建均布压力载荷，载荷大小为3MPa。创建一个静力学分析工况。本文采用OptiStruct求解器进行求解。结果应力云图及位移云图如下所示：