船舶設計和建造是一門綜合性極強的科學技術，提高船舶設計的效率，有效地降低造船成本，同時提高船體結構的經濟性、安全性和合理性是船舶設計發展的永恒主題。船舶設計手段的提升以提高設計效率、縮短造船周期為目標，在實現三維設計的同時，實現與工廠的數據共享。隨著信息化技術的飛速發展，電子樣船開發技術及“數字化造船工程”已被引入船舶工業。目前，船舶設計與CAE相關的特性指標有：

（1）船舶結構特性

船舶結構應在強度、剛度、振動及噪聲等方面滿足船舶總體設計的要求。對于艦船來說還有水下噪聲和艦體結構、設備和艦員抗沖擊方面的要求。船舶結構特性包括：總縱強度、局部強度、扭轉強度、疲勞強度、抗爆強度、屈曲分析、波浪載荷預報及晃蕩分析等。

（2）船舶流體動力學特性

船舶流體動力學技術的目標，是在一定程度代替船模試驗，為船舶水動力性能設計提供一個全雷諾數的數值模擬工具。它不僅可以預報各類船舶在靜水中航行時的阻力，以及與推進裝置結合起來的推進性能，它還可以根據風、浪、流等環境載荷，預報實尺度船舶在海浪上的航行性能，包括快速性與波浪失速。同時，船艙內部的通風性能以及火災安全性能也可以用計算流體力學技術來仿真。

（3）艦船物理場特性

通常對于艦船來說，物理場特性是關乎艦船生命力的重要特性。艦船物理場特性包括聲場、船舶CAE的分析種類及解決的問題主要概括為以下四個方面：

一、結構靜力分析

船舶結構靜力分析主要是計算船舶的結構強度。船體強度是指結構能承受在正常施工和正常使用時可能出現的各種載荷和（或）載荷效應，并在偶然事件發生時及發生后，仍能保持必需的整體穩定性。

船體強度問題包括總縱強度、局部強度、扭轉強度、疲勞強度及抗爆強度、結構屈曲等。總縱強度是研究船體梁整體變形規律和抵抗破壞的能力。集裝箱船等大開口船舶，因船體扭轉剛度相對較低，需要計算扭轉強度。組成船體的各部分結構、節點及其組成的構件還會因局部載荷和（或）船體梁應力而發生變形或受到破壞，這類強度問題通常稱為局部強度。

借助通用機械仿真軟件ANSYS Mechanical可以處理結構建模、載荷施加、強度、變形等機械分析問題。

此外，船體在整個運行生命周期中所收到了各種交變載荷（靜變載荷、動變載荷、周期載荷）。包括航行過程中的波浪載荷以及引起的船體中拱、中垂交替變化，滿載、空載、壓載等不同工況。這些變化的載荷，以及結構的營運和耐久性要求使船上結構的應力集中和疲勞強度變得尤為突出。采用ANSYS nCode和Fe-safe可分析結構在各種交變載荷下的壽命。

某客船底板的縱向應力

某客船縱骨的縱向應力

二、船舶結構的振動噪聲分析

在船舶設計階段，需要進行振動預報（計算振動模態與響應）和結構聲學設計，并對局部結構采取必要的減振降噪措施，避免船上出現有害振動及其伴隨的噪聲。

船舶振動包括總振動和局部振動。船體總振動是船舶總體振動形態的一種主要反映和描述方式，船體局部振動是船上各種局部構件的振動。船舶噪聲包括艙室噪聲、水下輻射噪聲及自噪聲等。

船舶結構振動和噪聲分析的主要內容包括：

（1）船舶總振動計算
船體總振動可分為自由振動與強迫振動兩大類，前者主要研究船體總振動的模態（固有頻率和固有振型），而后者則研究船體梁在各種不同激勵力作用下的響應及如何減小和控制其振動量級等。

（2）船體局部振動計算

從整個船體結構中分離出上層建筑、桅桿、尾部結構及機艙等立體艙段計算模型進行振動計算。

（3）艙室噪聲計算

艙室噪聲是由船舶的結構噪聲和空氣噪聲共同引起的。除空氣聲源艙室和鄰近艙室中的艙室噪聲主要由空氣噪聲決定外，其它艙室的艙室噪聲主要由結構噪聲決定。

（4）水下輻射噪聲計算
船舶在海上航行時引起的水下輻射噪聲主要由機械設備振動產生的水下噪聲、螺旋槳噪聲、螺旋槳脈動壓力作用在艉部結構產生的水下噪聲和水動力噪聲組成。

（5）自噪聲計算

自噪聲是指聲納接收換能器（或聲基陣）所接收到的其載體產生的噪聲和聲納設備本身產生噪聲的總和。

通過流體動力學分析軟件ANSYS Fluent、機械分析軟件ANSYS Mechanical以及低頻電磁場分析軟件ANSYS Maxwell可以對上述各種原因引起的的噪聲問題進行研究。

船舶尾部結構響應分析

船舶尾部結構響應分析

三、船舶碰撞擱淺、抗爆抗沖擊分析

船舶碰撞往往會造成災難性的后果。尤其滿載危險貨物的巨輪如發生碰撞事故，一方面很可能會帶來巨大的經濟損失和人員傷亡，另外還將造成海洋環境的污染。碰撞和擱淺顯然是船舶安全的最大危害之一，解決好船舶碰撞強度和擱淺強度問題，不僅有利于海上生命安全，而且可以防止海洋環境污染，提高航運經濟效益。

船舶碰撞是一個高度的非線性過程，采用非線性有限元數值模擬方法是進行船舶碰撞和擱淺研究的有力工具。

對戰艦而言，艦船抗爆抗沖擊性能已成為衡量其戰艦戰技術性能的重要指標，抗爆抗沖擊性能的好壞將影響到艦艇服役后特別是在戰斗條件下艦艇的生命力。艦船抗沖擊分析的目的是對船體結構、重要設備及作戰人員采取必要的抗沖擊措施，努力提高全艦的抗沖擊能力，以滿足艦船戰術技術指標的要求。艦船的抗沖擊分析主要包括水下爆炸載荷、艦船在水下爆炸作用下的動響應以及對主要設備、軸系及典型管路和人員進行沖擊防護設計等內容。

某柴油機基座抗沖擊性計算

水面艦艇水下爆炸分析

四、船舶性能設計中的流體力學和流固耦合分析

船舶中很多部件的設計都與流體相關，如：槳葉的驅動效率分析、船體外型的流線化設計、船體在船外波浪和船內液體（水、油等）液面晃動共同作用下的響應。

ANSYS CFD（FLUENT/CFX）是目前最優秀的CFD軟件，其用戶界面友好，算法健壯，功能強大，長期以來在用戶中有著良好的口碑。

（1）船體阻力計算

ANSYS CFD能準確捕捉船舶周圍復雜流動形態及結構；預報出船舶的摩擦阻力和興波阻力。和水池試驗相比，ANSYS CFD分析的長處是它允許對更寬范圍的備選船型方案進行測試。比較理想的做法是，它適合用來選擇有希望的備選設計方案作進一步的水池試驗。ANSYS CFD也指明對設計方案進行改進的部位和方法，比如，顯示出船身上的壓力分布的細節。

ANSYS FLUENT計算的船體阻力

（2）螺旋槳計算

通過優化船型，可以減小船舶阻力，而改善螺旋槳的推進性能則明顯可以增加船舶的推進效率，可以增加船舶的速度，對推進效率的研究是船舶今后研究的一個重點。

ANSYS CFD能模擬如何避免空泡的產生，改善尾部線型，處理好船體和槳之間的距離，盡可能使螺旋槳處在均勻的流場中。通過ANSYS CFD數值模擬，可以得到螺旋槳附近的詳細流動細節，從而合理布置螺旋槳的位置。

ANSYS CFD對螺旋槳模擬得到的壓力分布和流線效果圖

ANSYS CFX計算的船尾螺旋槳影響及其氣蝕

（3）船艙通風計算

ANSYS CFD方法還可以進行諸如置換通風、潔凈醫療艙室、較大發熱處所、廚房以及大空間通風（客滾船、滾裝船等）問題的研究和優化設計。ANSYS CFD技術可分析了解室內空氣的流場分布，對工程設計進行直觀預測，并可大大節約研究費用，有較大的應用前景。

冷藏船內的通風換熱計算

船艙內舒適度計算

船體設備間的火災模擬

艦船受生化武器攻擊后的安全評估

（4）船體耐波性計算

在船體耐波性設計方面，首先是作用于船體的載荷具有很大的變動性和隨機性，特別是波浪載荷。波浪是一個由許多隨機因素決定的隨機過程，波浪載荷則是船體對波浪隨機過程的響應。

采用ANSYS AQWA計算船體在各種海況下的運動狀態，并把水壓力直接傳到ANSYS Mechanical中計算船體的強度。而且AQWA在艦船和海洋平臺的計算結果是得到ABS、DNV、LG等船級社的認可。

系泊系統設計

FPSO系統設計

除了上述應用外，ANSYS CFD還廣泛應用于船舶發動機內流場、管路內流動、船用空調系統流場（復雜艙室內的熱交換）、船用電機散熱、動力裝置燃燒及換熱解決方案、船用電器、機箱、顯控臺等的散熱、各種油泵、風扇的仿真數值模擬。