在現代水下防衛與先進造船工程中，如何在瞬息萬變的海流與敵方偵測系統下，兼顧結構強度、流體動力與電磁匿蹤（Stealth），是研發團隊面臨的多物理場極限挑戰。傳統的開發流程中，幾何設計（CAD）與工程模擬（CAE）往往分屬不同的工具孤島，導致每一次的設計變更都需要經歷繁瑣的資料轉換與重新網格生成，不僅耗時，更難以在緊迫的時程內達到全系統的最佳化。 為了打破此一瓶頸，達梭系統推出了 MODSIM（Modeling and Simulation，建模與模擬一體化） 架構。本文將以潛艦匿蹤設計為例，深入探討如何透過 3DEXPERIENCE 平台，將跨學科的多物理場模擬無縫整合於單一工作流中，以設計驅動模擬，縮短開發週期，並在不犧牲其他系統性能的前提下，達成嚴苛的匿蹤指標。 1. MODSIM 參數化建模，打破傳統 CAD 與 CAE 藩籬 在 MODSIM 的架構下，幾何模型的建構與後續的模擬分析不再是脫鉤的兩個步驟。研發團隊利用 CATIA 角色（Roles）建構潛艦的參數化幾何模型，這意味著所有設計特徵都具備參數關聯性。 當幾何模型建立完成後，它便能立即在 3DEXPERIENCE 平台上提供給後續的模擬工作流使用。最核心的優勢在於，當 CAE 模擬結果顯示需要調整結構時，工程師可以直接修改幾何參數，模擬模型也會自動同步更新，徹底免除了傳統跨軟體匯入匯出時常見的幾何破面與資料遺失問題。 2. 運用動態行為建模（DBM），精準掌握控制面系統行為 潛艦的操控性與水下動態反應，直接關係到航行安全與匿蹤表現。在此工作流中，動態行為建模（Dynamic Behavior Modeling, DBM） 技術發揮了關鍵作用。 DBM 能夠直接從 CAD 幾何資料中生成多體系統（Multibody System）模型。這項技術為研發團隊提供了直觀的 3D 可視化與系統行為動畫，工程師得以在虛擬環境中即時觀察並分析包括潛艦控制面（Control Surfaces）在內的整體多體系統動態。這使團隊在設計初期就能精準評估操縱系統的物理反饋，確保車體控制的穩定性。 圖1. 流體動力系統工作流程說明 圖2. 控制器最佳化後的潛艦流體動力行為結果圖 3. 自動化網格生成，突破 CFD 模擬瓶頸 航行時產生的尾跡（Wake）是潛艦在水下被偵測到的主要特徵之一。因此，精準的計算流體力學（CFD）模擬至關重要。然而，傳統 CFD 流程中最耗費工程師心血的，往往是複雜幾何的網格劃分，這不僅影響計算收斂速度，更直接決定了結果的精確度。 在 MODSIM 流程中，網格生成（Meshing）已實現高度自動化。系統能針對複雜的自由液面與流場變化進行智能化網格動態調整。例如在評估進流速度 14 節（福祿特數 Fr = 0.23）的特定航行工況時，自動化網格技術能精準捕捉自由液面上升（Free Surface Elevation）與波高變化，以極高的收斂效率提供高精度的流體動力學數據，協助工程師優化艦體外型並降低水下阻力與尾跡特徵。 圖3. 進流速度 14 節（Fr = 0.23）的自由液面高程局部放大圖，顏色代表高度變化。 4. 以 CST 彈跳射線法（SBR），精準解析 RCS 達成極致匿蹤 當潛艦在潛望鏡深度航行或桅杆探出水面時，防範敵方雷達偵測的「電磁匿蹤」便成為生死攸關的課題。為了將雷達散射截面（RCS）降至最低，研發團隊導入了 CST Studio Suite 電磁場模擬軟體。 針對潛艦這類大型結構物的高頻電磁散射分析，傳統方法計算量過於龐大。本方案採用了 CST Studio Suite 中的漸進式求解器（Asymptotic Solver），並搭配彈跳射線法（Shooting-and-Bouncing Ray, SBR）。SBR 射線追蹤技術已被證實對於大型幾何的電磁模擬具備極高的準確性與運算效率。 此外，該求解器更將遮蔽效應（Shadowing）、多路徑效應（Multi-path Effects），以及物理衍射理論（PTD）與一致性衍射理論（UTD）納入計算，能夠完美模擬潛艦在海洋邊界環境下的真實雷達回波信號。 在本次設計優化中，工程師嘗試在潛望鏡結構上加入 300 mm 的螺旋導流結構（Helical Strakes）。模擬結果明確證實，此一結構修改成功在目標頻段內大幅降低了 RCS 數值。受惠於 MODSIM 的雙向鏈結特性，這項經由電磁模擬驗證的最佳化潛望鏡設計，隨即被無縫回饋至主幾何模型中，直接整合進最終的潛艦總體設計。 圖4. 雷達特徵工作流程說明 圖5. 潛艦於純艦體孤立狀態（上）、平靜的海面上（中）、經 VOF 技術還原的真實動態海面（下）之雷達散射截面（RCS）3D 遠場圖 圖6. 潛艦雷達散射截面（RCS）之直角座標對比圖，包含：純艦體（紅線）、理想平靜海面組合（藍線）與真實航行尾跡海面組合（綠線） 跨學科多物理場整合，加速複雜工程的研發決策 透過 3DEXPERIENCE 平台上的 MODSIM 卓越架構，頂尖工程團隊成功將系統動態、高精度流體力學（CFD）以及先進電磁匿蹤（RCS）模擬，完美整合至單一、連續且可追溯的工作流中。 這項變革不僅大幅縮短了高科技船舶與國防裝備的開發時程，更確保了各項複雜的物理指標在研發初期就能獲得充分驗證。對於追求極致研發效率與技術突破的現代企業而言，打破學科壁壘、以設計驅動模擬，正是邁向新世代數位轉型與提升核心競爭力的關鍵鑰匙。 圖7. 潛望鏡周圍自由液面高程之側視圖，包含：純潛望鏡在 $Fr = 1.3$ 工況下 （左一）； 純潛望鏡在 $Fr = 1.8$ 工況下（左二）；加裝 150 mm 螺旋導流結構之潛望鏡在 $Fr = 1.8$ 工況下 （右二）； 加裝 300 mm 螺旋導流結構之潛望鏡在 $Fr = 1.8$ 工況下（右一） 圖8. 潛艦潛望鏡雷達散射截面（RCS）直角座標對比圖，包含：未加裝螺旋導流結構（紅線）、加裝 150 mm 螺旋導流結構（綠線）與加裝 300 mm 螺旋導流結構（藍線） 延伸閱讀 ▶ 以虛擬雙生鍛造深海之盾：SIMULIA 全面構築潛艦結構完整性與極端生存力 達梭系統原文 關鍵字 : CFD 模擬、MODSIM、多體系統