前言
船舶在海中航行時，其大型鐵磁結構會與地磁場交互作用，形成可被偵測的靜態磁訊跡（magnetic signatures）。對軍用與特定高敏感性船舶而言，此現象將直接影響隱蔽性與作戰安全性，因此「消磁系統（degaussing）」成為不可或缺的設計要素。隨著模擬技術的成熟，工程團隊不再依賴反覆實驗，而是透過虛擬孿生（virtual twin）、電磁場求解器與 CAD 參數化流程，預先驗證船體磁訊跡並進行最佳化。
本篇文章整理了 webinar 中完整的技術流程，說明如何運用 CATIA 建立可參數化與密閉無縫（watertight）的船體模型、如何以 CST Studio Suite 建立靜態磁場（magnetostatic）分析、以及如何使用 Process Composer 進行多參數最佳化。整體內容涵蓋幾何建模、電磁分析、後處理、資料分析與設計空間探索，呈現完整且可複製的人機協同流程。
船舶磁訊跡的來源與類型
船舶在地磁場中會自然產生磁場偏折，而這些偏折即構成磁訊跡。主要來源包括：
- 靜態磁訊跡（Static Magnetic Signature）：由龍骨、艙壁、甲板等大型鐵磁結構造成，是本案例的模擬核心。
- 剩磁（Remnant Magnetization）：材料固有殘留磁化造成永久性磁訊跡。
- 動態磁訊跡（Dynamic Signature）：船體移動、推進軸旋轉導致的動態磁場變化。
- 陰極防蝕系統（Cathodic Protection）電流耦合所產生的弱磁場：雖然不強，但仍可能被偵測。
核心問題是：如何透過消磁線圈在三個方向上施加補償磁場，使磁訊跡整體減小且均勻。這需要精確的幾何建模、準確材料模型（B-H curve）、正確邊界條件設定及多輪最佳化流程。
CATIA：高品質船體與線纜 CAD 建模
1. 建立密閉無縫幾何（Watertight Geometry）
船體模型必須具備完整封閉的曲面，以利後續 CST 進行電磁求解。CATIA 在大型工業 CAD 領域具備成熟能力，使此步驟相對直覺。
2. 建立消磁線圈（Degaussing Coils）
線圈建立流程包含：
- 於指定區段建立平面
- 萃取艙壁局部曲面與平面求交，取得交線
- 將導線路徑往船體內部 offset（例如 0.6 公尺）
- 建立圓角避免 90° 銳角轉彎
- 使用 symmetry 重建完整路徑
此流程使消磁線圈可直接與後續 CST 參數化求解連動，實現模型同步更新。
CST Studio Suite：靜態磁場分析流程（Magnetostatic Analysis）
1. 匯入 CAD 與設定求解器
透過 CST Connector 載入 CATIA 模型後，選擇 Low-Frequency Electromagnetics → Magnetostatic Solver，並建立導線的 Current Path。線圈電流值將定義為「參數」以供後續最佳化。
2. 材料與邊界設定
- 輸入鐵磁材料的 B-H 曲線
- 設定外加地磁場方向（北半球向下）
- 選擇合適的邊界條件
- 建立 mesh 與後處理設定
完成後即可進行完整磁場分佈計算。
Process Composer：多參數最佳化與設計空間探索
早期以 iSight 執行設計空間探索時，須仰賴大量經驗與反覆試算。本次以 Process Composer 新流程取代，簡化跨工具操作與資料交換。
1. 設計目標（Objectives）
本案例採用兩類評估準則：
- Peak-to-Peak（峰對峰）：降低磁場強度最大差值
- 磁場積分（Integral）：降低整體磁場能量
評估平面採用 2D patch，而非傳統的單一線段，因此結果更穩定、方向性更全面。
2. 設計參數（Design Parameters）
以底部五條 XY 導體作為變數，負責微調磁場；上層導體則施加固定背景磁場。這種分工式參數策略比「全導體同時變數化」更有效率。
3. DOE vs Optimization
- DOE（3 點取樣）在參數數量增加至 5 個時即變為 243 次計算，效率過低
- 因此最終採用 Optimization，僅約 120 次試算便收斂至良好結果
第 116 號設計成為初步最佳解。
4. Results Analytics：機器學習輔助（RBF Model）
透過 Radial Basis Function 模型建立 Reduced Order Model（ROM），並進行「二次最佳化」，產生新設計（第 121 號）。結果顯示與第 116 號差異極小，代表解答穩健且非局部極值。
最終結果：小波紋、低強度、中心對稱的磁場分佈
最終最佳化後：
- 原本靠船體附近的大型磁場凹陷完全消失
- Bx、By、Bz 三方向皆只剩下微小波紋
- 整體分佈呈現接近 0 的中心對稱
這代表本流程不僅抑制磁訊跡，也避免「把磁場推到船外產生新熱點」的反效果，是更精準、更工程化的解法。
結論
本案例展示了一套真正跨領域的工程工作流程，整合 CATIA 的高品質 CAD 建模、CST Studio Suite 的低頻電磁求解能力、以及 Process Composer 的設計空間探索與最佳化工具，成功在有限次模擬中建立可重複、可收斂、且具工程可行性的船舶消磁解決方案。
更重要的是，透過 3DEXPERIENCE 平台：
- CAD 與 EM 模型的參數保持連動
- 模擬資料安全儲存並可版本控管
- 可視化分析（parallel coordinates、correlation）加速決策
- 機器學習模型進一步提高效率並減少試錯成本
對海事工程設計團隊而言，這是一套可落地、可維護、且能快速擴展到新船型的完整方法論。未來也可延伸到動態磁訊跡、陰極防蝕耦合分析及全船多物理最佳化，進一步提高船舶在複雜海洋環境中的生存能力與任務成功率。
內容改編來自: Alex Babkovich – Modeling Magnetic Ship Signatures with CST Studio Suite & CATIA
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