隐蔽性和可探测性是潜艇设计的关键。潜艇在水面的雷达截面（RCS）不仅取决于船只的几何形状，还取决于水面上的流体动力学尾流。仿真软件可用于分析运动中的半潜式潜艇的RCS，并优化几何形状以最小化尾流的RCS。统一的建模和仿真方法（简称：MODSIM）允许仿真结果为设计提供信息，缩短开发过程，以生产出满足隐蔽要求的潜艇，而不会影响其他目标。
介绍
潜艇工程是一个极具挑战的项目，因为很少有工程领域需要如此精确地控制众多不同的物理领域。成功、安全和可靠的水下船只设计必须能够承受深海水的压力和海浪的压力，以及战斗的冲击。它必须尽可能安静地以最小的阻力行驶，同时尽量减少其雷达横截面。其液压、电气、热、通风和机械系统对安全至关重要，都需要连续数月可靠运行。
这意味着潜艇开发需要大型团队与许多不同的专家小组一起工作，以生产一种完全有能力的船只，可以执行海底防御目标。
下面介绍MODSIM(统一建模和仿真)是如何促进现代海底防御技术的发展，并以隐蔽设计为例说明MODSIM方法的优势。
流体力学和雷达
潜艇的可探测性取决于几个因素。潜艇的噪声特征会影响被动声纳探测到船只的难易程度。声音不仅仅是船内机械振动和噪音的结果——船体本身的流体动力学设计也会影响水湍流时的噪音，特别是在控制表面周围。
另一个重要因素是雷达横截面（RCS）。当雷达波撞击船只时，它们会被反射和散射。向接收器反向散射的波会被敌人探测到潜艇。因此，隐蔽设计的基本原则之一是尽量减少反向散射。
为了最大限度地提高隐蔽性，我们需要能够同时处理这两种影响。这意味着造船工程师、雷达工程师和计算流体动力学 （CFD） 专家都需要在多领域、多目标的工作流程中协同工作。
隐形设计工作流程
潜艇建模
图1：整个军用潜艇模型的外壳视图
降低可探测性的工作流程在开发早期其实已经开始了。越早考虑隐形因素，在测试后期发现问题的风险就越小，找到最佳解决方案的可能性就越大。一旦船体的初始CAD模型可用，就可以开始设计了。
该项目首先充分利用“需求、功能、逻辑和物理”(RFLP)数据模型来构建如图1所示的CAD模型。模型几何图形是使用CATIA角色构建的，其参数允许以后进行优化，因此可以立即在3DEXPERIENCE 平台上进行仿真。CAD 模型比仿真软件所需的更详细，从而提高仿真性能。
将控制系统模拟的结果与测试要求进行比较(见图2)。如果不满足，可以通过迭代过程修改模型参数和拓扑，直到实现目标行为。
图2：控制器优化后潜艇水动力行为的结果图
用计算流体动力学模拟尾流
优化几何形状和控制面后，我们就可以计算潜艇的流体动力学尾迹。我们使用 SIMULIA 的流体动力学软件，它利用最先进的非结构化二阶完全隐式有限体积雷诺平均纳维-斯托克斯 （RANS） 求解器来模拟流动，包括湍流。
任何流动仿真都需要仔细的网格划分，因为这会影响收敛行为（决定仿真速度）和结果的准确性。在 MODSIM 下，网格划分在很大程度上是一个自动化的过程。
图3：来流速度为14kn (Fr = 0.23)时自由表面高度的放大图。颜色表示高度变化
电磁仿真软件分析雷达截面
对于此模拟，我们在CST电磁仿真软件中使用了带有渐近解算器的射击和边界光线(SBR)模型。SBR法已被证明对于周期性和随机粗糙表面是可行和精确的，其结果与矩量法的结果一致。CST Studio Suite SBR方法包括阴影和多路径效应，以提高精度，使其成为一种有效的电磁工具，用于RCS评估和在海洋环境中生成雷达信号。
自由曲面 VOF 等值线图通过 3DEXPERIENCE 平台直接从 FMK 应用程序转换为细分网格到 CST Studio 套件。这提供了单一的事实来源，将所有不同的建模和仿真数据以及RFLP收集到所有团队成员都可以访问的单一位置。每个人都可以访问所有文件的最新版本，从而降低因使用不同版本的数据或不兼容的文件格式而导致的混淆和延迟的风险。可追溯性在不同的设计迭代中得以保留。
为了计算RCS，沿方位角从0到360度进行单基地散射仿真，在1度（几乎海平面）的固定仰角下以89度的步宽进行。换句话说，雷达散射是在扫描周围的每个方位角处计算的，并以围绕目标的一维绘制。
为了提取水面形状的影响，对平面重复仿真。将每个模拟中的 RCS 作为对照与该模拟进行比较。图 4 和图 5 显示了潜艇的存在和波浪如何影响 RCS——为了说明目的，这里绘制了一个完整的 3D 远场。
图4:一个参考矩形平面(上图)、一个带有潜艇的矩形平面(中图)和带有潜艇的VOF(下图)的RCS的3D远场
图5:平面(红色)、带有潜艇的平面(绿色)和带有潜艇的真实尾流(蓝色)的矩形RCS图
结果表明，该潜艇对整体RCS有重大贡献。平面表面和现实表面上的子具有非常相似的 RCS，真实表面在某些角度主导平面表面。这些角度很有趣，因为它们告诉我们激发射线从尾流表面反射的方向，从而损害潜艇的隐身性。
结论
MODSIM是统一的建模和仿真，使工程师能够更快、更高效地开发尖端设计。对于一艘海底防御舰，MODSIM启用了用于隐身目的的完整RCS分析，涵盖了多个物理学科。CAD和CAE的统一意味着潜艇设计数据可以很容易地转换为仿真就绪的模型，并且在3D EXPERIENCE平台上集成不同的仿真工具允许将系统，电磁和流体仿真组合到单个工作流程中，以准确捕获雷达散射和流体动力学尾流的复杂相互作用。使用 MODSIM，工程师能够快速找到最佳的潜望镜几何形状，减少 RCS 并提高隐身性，并在最终设计中实现这一点。
