0 引　言

现代舰船不再仅仅局限于传统的航行与作战功能。随着科技发展与多样化任务需求，其功能愈发多元复杂。在军事领域，除了常规武器装备搭载，还需具备先进的电子战、信息战能力，要求舰船结构能够为各类电子设备、通信系统提供稳定的安装平台与电磁屏蔽环境。同时，为适应多样化作战场景，如近海巡逻、远洋作战、两栖登陆等，舰船需具备不同的适航性与作战功能布局，这对结构设计的空间利用与功能集成提出了极高要求。舰船性能提升通常伴随着结构设计与材料选用的升级。为增强舰船的航行性能，如提高航速、增强耐波性，需要优化船体线型、采用高强度轻质材料，这往往导致材料成本大幅上升。在提升防护性能方面，安装先进的装甲防护系统、提高结构抗冲击能力，不仅增加了材料用量与结构复杂性，还对制造工艺提出更高要求，进一步推高成本。

模块化技术将舰船结构分解为多个相对独立的模块进行设计。在设计过程中，每个模块可由不同专业团队并行开展工作，减少了专业间的设计冲突与等待时间，大幅提高设计效率。而且模块化设计具有可重复性，对于同类型舰船或不同型号但功能相似的模块，可借鉴已有的设计成果，减少重复设计工作。当舰船结构采用模块化设计时，一旦某个模块出现故障，可直接将其整体拆卸进行维修或更换，无需对整个舰船结构进行大规模拆解，显著缩短维修时间，提高舰船的可用性。在海上执行任务时，若动力模块中的某个设备出现故障，可迅速将该动力模块从舰船上分离，换上备用模块，使舰船能够尽快恢复正常运行，而损坏的模块可在后续返回港口时进行详细维修。

国内一些学者对模块化技术进行了研究，于渊^[1]提出一种船舶轴系以及舵系镗孔模块化的加工方法，并对相关零件的加工方式进行了改进；陈湛^[2]提出一种邮轮的智能化模块设计方法，将感性评价法融入到邮轮的模块化设计中，有效提升了设计效率，董炜^[3]则将模块化技术应用于船舶外舾装；边雅鹏等^[4]、廖金军等^[5]将模块化技术应用于液压设备的快速设计及制造，这些研究都充分利用了模块化设计的效率。本文提出一种基于模块化技术的舰船结构相关性设计与分析方法，利用模块化设计的可重复性与并行设计特点，同时研究了不同模块之间的相关性，为舰船的结构设计提供必要辅助

1 舰船结构模块划分方法研究

在舰船结构模块化设计中，模块划分方法对提升设计效率、建造质量及维护便捷性至关重要。不同的结构模块划分方法如表1所示。

1）基于功能的模块划分

该方法聚焦于舰船各系统功能，将实现特定功能的结构组合为独立模块。通过建立功能-结构映射模型，对各系统功能进行深入剖析，明确实现功能所需的结构部件，以此确定模块边界与组成。以某型舰船动力舱结构模块划分为例，动力舱需容纳发动机、传动装置、燃油储存与输送设备等。基于功能分析，将承载发动机的基础结构、连接传动装置的支撑结构以及燃油管路布置的舱壁结构等，整合为动力舱结构模块，各部分紧密协作，共同实现动力系统功能。

2）基于结构相似性的模块划分

此方法借助结构力学原理，对舰船结构进行分析，将具有相似受力模式和几何形状的区域归为同一模块。利用有限元分析方法对舰船结构力学性能进行模拟，获取各部位应力、应变分布等数据。结合聚类算法，依据结构相似性指标对模拟数据进行处理，实现模块自动划分。划分后，通过对比理论力学性能与实际需求，验证划分结果合理性。如对某舰船甲板结构进行划分，经有限元模拟与聚类分析，划分出多个承载相似载荷、几何形状相近的甲板模块。

3）考虑制造与维护的模块划分

在模块划分时，充分考量舰船建造工艺与维护需求。建造工艺方面，焊接、铆接等工艺对模块划分有特定限制与要求。例如，焊接工艺要求模块划分应避免出现难以施焊的结构连接部位，确保焊接质量与施工便利性。因此，模块划分时将大型平面结构优先划分为独立模块，便于在车间进行焊接组装，减少现场高空焊接作业。从维护便捷性出发，将舰船易损部位（如靠近海水的船底结构）、需要定期检修的结构（如通风系统管道）划分为独立模块。制定模块划分准则与流程，如首先识别易损及需定期检修部位，然后结合建造工艺可行性，确定模块边界，保证模块在制造与维护过程中的高效性。

2 舰船结构模块间的相关性分析 2.1 多体动力学理论研究

据多体动力学理论，将舰船结构视为由多个模块组成的多体系统。这些模块可以是船体的不同部分，如船头、船身、船尾等，也可以根据功能或结构特点进一步细分。精确测定每个模块的质量、质心位置以及转动惯量等基本动力学参数。质量决定了模块在受力时的惯性大小，质心位置影响模块的运动平衡，转动惯量则用于描述模块绕轴转动的惯性特性，这些参数是后续动力学分析的基础。因而可以对船体的每一个模块进行动力学分析。

根据牛顿第二定律，对于第i个模块，其平动动力学方程为^[6]：

$ {m_i}{\mathop {\ddot r_i}} = \sum\limits_j {{F_{ij}}} + {F_{wi}}。$

(1)

式中：$ {\ddot r_i} = {({\ddot x_i},{\ddot y_i},{\ddot z_i})^{\rm T}} $为第i个模块质心的加速度向量；$ \sum\limits_j {{F_{ij}}} $为该模块受到的来自其他相连模块的力的合力；$ {F_{wi}} $为该模块受到的波浪力；$ {m_i} $为第i个模块的质量。

根据转动定律，第i个模块的转动动力学方程为：

$ {I_i}{\mathop \omega \limits^.{_i}} + {\omega _i} \times ({I_i}{\omega _i}) = \sum\limits_j {{M_{ij}}} + {M_{wi}}。$

(2)

式中：$ {I_i} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{I_{ixx}}}&0&0 \\ 0&{{I_{iyy}}}&0 \\ 0&0&{{I_{izz}}} \end{array}} \right] $为第i个模块的转动惯量矩阵；$ {\mathop \omega \limits^.{_i}} = {({\dot \omega _{ix}},{\dot \omega _{iy}},{\dot \omega _{iz}})^{\rm T}} $为模块的角加速度向量；$ {\omega _i} = {({\omega _{ix}},{\omega _{iy}},{\omega _{iz}})^{\rm T}} $为模块的角速度向量；$ \sum\limits_j {{M_{ij}}} $为该模块受到的来自其他相连模块的力矩的合力矩；$ {M_{wi}} $为该模块受到的波浪力产生的力矩。

对于2个相连的模块i和j，连接力$ {F_{ij}} $和连接力矩$ {M_{ij}} $可以根据刚度和阻尼特性计算。假设连接部位的相对位移为$ {\sigma _{ij}} = {r_i} - {r_j} $，相对速度为$ {\mathop {\dot \sigma_{ij}}} = {\mathop {\dot r_i}} - {\mathop {\dot r_j}} $。

类似地，考虑连接部位的相对角位移和相对角速度，可得到连接力矩的表达式。假设相对角位移为$ {\theta _{ij}} $，相对角速度为$ {\zeta _{ij}} $，则连接力矩可表示为^[7]：

$ {M_{ij}} = - {k_{mij}}{\theta _{ij}} - {c_{mij}}{\zeta _{ij}} 。$

(3)

式中：k_mij和c_mij分别为连接部位的扭转刚度和扭转阻尼。

在二维势流理论下，对于规则波中静止的模块，单位长度上受到的波浪力（垂向）可由莫里森公式的简化形式计算^[8]：

$ {F_w} = \frac{1}{2}\rho gH{C_A}A + \rho {C_D}D\frac{{{\text{π}} H}}{T}\sin \left(\frac{{2{\text{π}} t}}{T}\right) 。$

(4)

式中：$ \rho $为海水密度；g为重力加速度；C_A为附加质量系数；A为模块在波浪传播方向的投影面积；C_D为拖曳力系数；D为模块在波浪传播方向的特征尺寸。

2.2 基于多体动力学理论的模块相关性研究

在根据多体动力学理论对不同模块的动力学进行分析后，就可以对舰船不同模块在不同工况下的相关性进行研究，本文对波浪冲击工况以及武器发射反冲力工况下的模块相互作用进行研究。

1）波浪冲击工况

依据多体动力学理论，将某型舰船结构划分为12个模块化单元（模块1～模块12），各模块的物理参数通过逆向工程方法获取：模块1（船头段）质量为32.5 t，质心坐标为（0.8 m, 1.2 m, 0.5 m），转动惯量为J_x = 1850 kg·m²、J_y = 2100 kg·m²、J_z = 1980 kg·m²；模块2～模块5（前船体段）质量梯度递减15%，质心沿纵向后移；模块6～模块9（舯部段）质量稳定在28.3 t；模块10～模块12（艉部段）质量递增12%。模块间采用非线性弹簧-阻尼器连接，刚度矩阵K = [2.8×10⁶, 3.1×10⁶, 2.9×10⁶] N/m，阻尼系数C = [850, 920, 880] N·s/m。

实验条件设定为：采用线性波浪理论生成规则波，波高H = 3 m，周期T = 8 s，波长λ = 50 m，波浪入射角θ = 30°（与船首向夹角）。波浪力计算基于莫里森方程，考虑附加质量和辐射阻尼效应，最大波峰压力达1.2 MPa。

运用多体动力学模拟软件，输入上述设定的参数，模拟波浪冲击舰船的过程。在模拟中，软件会根据多体动力学方程，计算每个模块在波浪力作用下的运动状态，包括平动和转动，可以发现，在波浪冲击瞬间，船头模块会将部分力通过连接部位传递给相邻模块，随着波浪的持续作用，力会在整个舰船结构中传播，形成复杂的力传递网络。

图1为波浪冲击工况下不同模块的位移情况，可以直观地观察到不同模块在波浪冲击下的响应差异。在波浪冲击工况下，模块1（船头部分）于0～3 s率先受正面冲击，位移快速攀升，峰值超15 mm，呈现单向大幅波动特征；模块2在2 s后产生响应，位移在−10～5 mm间交替波动，运动方向呈现正负交替的复杂变化；模块3于5 s后形成稳定响应，位移主要在0～5 mm区间波动，幅度小于模块1、模块2。从变形协调角度分析，模块1与模块2在3～5 s期间最大位移差达20 mm，模块2与模块3在7～9 s位移差达15 mm。这种模块间较大的位移差若持续出现，易因变形不协调引发连接部位疲劳损伤或破坏。对此，需优化连接方式，如增加连接处缓冲结构，或调整模块间刚度分布，以提升结构整体变形协调能力。

2）武器发射反冲力工况

针对武器发射反冲力这一特殊工况，在已建立的多体动力学模型基础上进行调整，工况参数如表2所示。根据武器的类型和发射参数，确定反冲力的大小、作用时间和作用方向。考虑武器发射时产生的冲击会引起结构的振动，需要合理设定结构的阻尼参数，以准确模拟结构在反冲力作用下的动力学响应。同时，由于武器发射可能会对局部结构产生高温、高压等特殊环境，在模型中对相关模块的材料属性进行相应调整，考虑材料在特殊环境下的力学性能变化。

利用模拟软件进行武器发射反冲力的模拟，如图2所示。在模拟过程中，可以观察到反冲力作用瞬间（0～0.5 s），与发射装置直接相连的模块1受冲击力影响，位移从0迅速攀升至32 mm，产生剧烈振动变形。这种振动变形经连接部位快速传递：模块2在1.0 s后响应明显，位移急剧下降至−30 mm以下，呈现大幅负向波动；模块3在2.5 s后开始持续位移增长，至5 s时达22 mm。可见，与发射装置直接相连的模块1承受显著反冲力，变形与应力变化剧烈；模块2虽远离发射部位，但受传递影响产生大幅反向振动；模块3受到结构传递间接受影响，虽响应启动滞后，但仍产生不可忽视的持续变形，整个舰船结构呈现复杂动态响应。

对武器发射反冲力工况下不同模块的应力、应变和位移响应进行计算，并可以评估反冲力对舰船结构的影响程度，对于后期的舰船结构模块化分解及设计具有显著作用。需要重点关注连接部位在反冲力作用下的力学状态，判断是否会出现应力集中、连接失效等问题。如果发现某些连接部位的应力超过材料的许用应力，或者出现较大的相对位移，表明这些部位需要加强。同时通过对不同模块响应的对比，分析结构的薄弱环节，为结构的优化设计提供依据。如果发现某个区域的模块在反冲力作用下变形过大，且该区域的连接方式较为薄弱，可以考虑增加连接的强度或改变连接方式，以提高结构整体的抗反冲能力。

2.3 模块化结构设计

通过对舰船不同模块的相关性进行分析，可以获取不同工况下不同模块的相互作用力及位移情况，根据舰船不同结构对力学的不同要求，可以设计出不同的标准化模块，从而提升建造效率。

舰船不同模块之间依靠焊接、螺栓等方式进行连接，不同的连接方式对舰船结构模块化设计影响很大。以螺栓为例对舰船不同模块进行组合分析，如图3(a)所示，不同模块之间使用多个螺栓及连接件进行连接，使得整个结构件具有良好的强度。图3(b)为模块间的连接结构设计示意图，并使用有限元软件进行了网格划分，图3(c)为模块间结构受力的有限元分析。通过有限元分析结果可知，在不同工况加载下，螺栓连接处的应力分布呈现出明显的规律性。当模拟波浪冲击工况时，靠近波浪冲击面的模块承受的剪切应力和拉伸应力迅速增大，部分关键位置的应力值接近甚至超过螺栓材料的许用应力。在武器发射反冲力工况模拟中，紧邻发射装置模块的连接螺栓所受应力更为复杂，除了较大的冲击力引发的剪切应力外，因发射瞬间的振动还产生了高频交变应力。

因而合理增加螺栓数量、优化螺栓间距，能够有效分散模块间的作用力，降低单个螺栓的受力峰值，从而提升连接部位的可靠性。同时，连接件的材质与结构设计也不容忽视，采用高强度且韧性良好的连接件，并对其形状进行优化，可增强连接的稳定性，减少应力集中现象。

图4为2个模块在不同载荷情况下连接螺栓的位移情况，可以发现，当载荷不断增大时，连接的螺栓位移也在不断增大，当载荷接近700 kN时到达极限。因而对不同模块的应力分布、变形情况以及承载能力进行相关性分析对保障舰船结构稳定具有重要意义。

3 结　语

随着科技的进步与多样化任务需求的涌现，对舰船其结构设计提出了更高要求。模块化技术在舰船结构设计中的应用，旨在提升舰船设计效率、降低维护成本，并优化结构性能，对推动舰船领域的发展具有重要意义。本文主要结论如下：

1）合理的舰船结构模块划分方法是实现模块化设计优势的基础。基于功能、结构相似性以及制造与维护需求的模块划分方法各有特点，能从不同角度提升设计、建造及维护的便捷性与高效性，为舰船全寿命周期效益提供保障。

2）借助多体动力学理论对舰船结构模块间的相关性进行分析，能够揭示不同工况下（如波浪冲击、武器发射反冲力工况）模块间的力传递、运动响应以及变形情况。这为评估舰船结构性能、识别薄弱环节以及优化结构设计提供了关键依据。

3）对舰船不同模块的相关性进行深入分析，有助于设计出满足不同力学要求的标准化模块，提升舰船建造效率。同时，不同连接方式对模块化结构设计影响显著，对模块间应力分布、变形及承载能力的相关性研究，是保障舰船结构稳定的重要环节。