船舶CAD／CFD一體化設(shè)計(jì)過程集成技術(shù)研究＊

馮佰威 劉祖源 詹成勝 常海超

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（CAD）的廣泛應(yīng)用和船舶計(jì)算流體力學(xué)（computaional fluid dynamics，CFD）的迅速發(fā)展，船舶設(shè)計(jì)能力和水平都得到極大提高.但總的來看，在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中充分利用CFD技術(shù)進(jìn)行輔助分析、優(yōu)化的手段和能力還不夠，設(shè)計(jì)過程中經(jīng)驗(yàn)還是占主導(dǎo)地位，CFD主要用來檢驗(yàn)CAD的結(jié)果，而不是用來驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，兩者基本上處于“孤島”狀態(tài)，沒有實(shí)現(xiàn)有機(jī)的集成，最終導(dǎo)致CAD的優(yōu)勢(shì)沒有完全發(fā)揮出來.因此，利用集成優(yōu)化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)船舶CAD與CFD一體化設(shè)計(jì)，最終達(dá)到船型“設(shè)計(jì)－分析－再設(shè)計(jì)”任務(wù)的自動(dòng)化，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 基于CAD／CFD的船型一體化的設(shè)計(jì)思想

基于CAD／CFD船型優(yōu)化方面，研究主要集中在意大利、日本、德國(guó)（見參考文獻(xiàn)［1－6］）.總體上來看，這幾個(gè)國(guó)家的船型水動(dòng)力優(yōu)化研究均按照設(shè)計(jì)分析集成化、一體化的主線發(fā)展，且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了CAD／CFD的集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了以性能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的目標(biāo).在船型參數(shù)化建模方面采用了CAD軟件的二次開發(fā)（如擾動(dòng)面方法）或新開發(fā)船舶參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件（如friendship）；在CFD計(jì)算方面部分學(xué)者采用商業(yè)軟件（如shipflow，fluent等），也有部分學(xué)者采用自編軟件；在集成方面大都采用了商業(yè)集成框架（如Modelcener或iSIGHT）.其研究的內(nèi)容也不僅僅局限在單個(gè)性能，而是多個(gè)性能的綜合優(yōu)化，目前，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（MDO）正日益受到重視，并在實(shí)際工程中得到應(yīng)用.

通過借鑒國(guó)外在此領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，本文提出了基于CAD／CFD的船型一體化設(shè)計(jì)的框架，其思路如圖1所示.

圖1 船舶CAD／CFD一體化設(shè)計(jì)框架

由圖1所示，其框架主要由三部分構(gòu)成，分別是船舶CAD軟件、網(wǎng)格生成工具及CFD數(shù)值求解工具、優(yōu)化器.各部分的功能如下：（1）船舶CAD軟件.根據(jù)設(shè)計(jì)變量的變化生成一系列的三維船型，同時(shí)可進(jìn)行靜水力計(jì)算，以判斷約束條件是否滿足；（2）網(wǎng)格生成及CFD數(shù)值求解器.將CAD中生成的船型導(dǎo)入網(wǎng)格生成工具中，自動(dòng)劃分網(wǎng)格，同時(shí)利用CFD軟件進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的自動(dòng)求解；（3）優(yōu)化器.根據(jù)不同的優(yōu)化問題，選擇相應(yīng)的優(yōu)化算法，對(duì)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行有效探索.

若要實(shí)現(xiàn)基于CAD／CFD的船型一體化設(shè)計(jì)，除了必要的軟件工具外，還有一些關(guān)鍵技術(shù)需要解決，主要有以下4個(gè)方面：（1）基于CAD的船型參數(shù)化表達(dá)及修改技術(shù)；（2）船舶CAD／CFD一體化設(shè)計(jì)的集成技術(shù)；（3）船舶CAD／CFD一體化設(shè)計(jì)近似求解技術(shù)；（4）船舶CAD／CFD一體化設(shè)計(jì)優(yōu)化算法.本文主要重點(diǎn)闡述如何實(shí)現(xiàn)CAD／CFD的集成.

2 船舶CAD／CFD一體化設(shè)計(jì)的集成技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)集成

目前船舶領(lǐng)域各學(xué)科均有各自相對(duì)成熟的計(jì)算理論和仿真軟件，但卻較少考慮相互之間的集成，以致在進(jìn)行船舶CAD／CFD一體化設(shè)計(jì)時(shí)，各學(xué)科之間的數(shù)據(jù)不能很好銜接.數(shù)據(jù)集成的目的是解決不同學(xué)科軟件間的數(shù)據(jù)通信問題.主要包括以下兩個(gè)方面的數(shù)據(jù)集成.

1）船舶CAD軟件與集成框架iSIGHT的數(shù)據(jù)集成 該部分集成主要包括母型船的調(diào)和程序、船舶CAD軟件的宏程序與iSIGHT之間的相互傳遞.母型船的調(diào)和模塊在前文已經(jīng)敘述，主要功能是產(chǎn)生一系列的光順船型.而宏程序則是以文件的方式存在，通過CAD軟件可以直接執(zhí)行該宏程序，從而完成讀取新船型數(shù)據(jù)并完成靜水力計(jì)算及其他一系列的功能.通過利用iSIGHT的文件解析功能，可分別對(duì)母型船調(diào)和程序的輸入文件及宏文件中的部分參數(shù)進(jìn)行解析，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的變量化，將參數(shù)轉(zhuǎn)化為優(yōu)化環(huán)境中的變量參數(shù)，使其可以動(dòng)態(tài)調(diào)整；變量參數(shù)值調(diào)整后，iSIGHT自動(dòng)更新輸入文件及宏文件，從而實(shí)現(xiàn)iSIGHT到船舶CAD軟件及母型船調(diào)和程序的數(shù)據(jù)傳遞（見圖2）.

圖2 船舶CAD與iSIGHT的數(shù)據(jù)集成

2）船舶CAD軟件與CFD計(jì)算分析軟件之間的數(shù)據(jù)集成 主要指船舶三維模型與網(wǎng)格劃分軟件Gambit之間的集成，實(shí)現(xiàn)幾何模型傳遞，替代CFD中幾何模型的重建工作，減少分析人員的工作量，保證數(shù)據(jù)的一致性.Gambit支持ACIS、Parasolid，IGES和STEP等數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn).由于大多數(shù)船舶CAD軟件可以產(chǎn)生IGES格式的船型數(shù)據(jù)，因此不需二次開發(fā)即可實(shí)現(xiàn)船舶三維模型與網(wǎng)格劃分軟件Gambit之間的數(shù)據(jù)集成.Gambit可直接讀取IGES格式的幾何模型，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分（見圖3）.

圖3 船舶CAD與CFD分析軟件的數(shù)據(jù)集成

2.2 過程集成

船舶CAD／CFD一體化設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)疊代的過程，盡量避免對(duì)優(yōu)化過程的人工干預(yù)，可以加快優(yōu)化速度，提高優(yōu)化效率.通常，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程是根據(jù)事先制定好的優(yōu)化方案自動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算和評(píng)判，因此在船型水動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要將水動(dòng)力計(jì)算分析和優(yōu)化評(píng)判等過程進(jìn)行集成.主要需要考慮以下幾個(gè)過程的集成.

1）CFD計(jì)算邊界及分析要求設(shè)定 通過執(zhí)行所記錄的Gambit網(wǎng)格劃分和Fluent計(jì)算的運(yùn)行腳本，可以重現(xiàn)原始Gambit網(wǎng)格劃分和Fluent計(jì)算分析操作.在優(yōu)化計(jì)算過程中，通過調(diào)整設(shè)計(jì)變量以修改Gambit和Fluent的運(yùn)行腳本文件，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)CFD分析邊界的自動(dòng)設(shè)定.

2）優(yōu)化策略定制 針對(duì)不同的優(yōu)化對(duì)象需要制定不同的優(yōu)化策略.優(yōu)化策略主要包括試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)變量的靈敏度分析、近似模型算法以及定義優(yōu)化流程的設(shè)計(jì)流、控制流和數(shù)據(jù)流.優(yōu)化流程中的設(shè)計(jì)流定義主要是指分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的邏輯順序和提取各子系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)等；控制流定義主要指優(yōu)化過程中控制流程的定義，包括循環(huán)和條件等控制流程；數(shù)據(jù)流定義主要用于制定各環(huán)節(jié)的輸入輸出數(shù)據(jù)以及設(shè)計(jì)變量，該功能主要通過iSIGHT文件解析器和變量設(shè)計(jì)器實(shí)現(xiàn).

3）優(yōu)化結(jié)果的自動(dòng)評(píng)判分析 在計(jì)算分析流程集成的基礎(chǔ)上，需要集成綜合評(píng)判流程，才能最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成.優(yōu)化結(jié)果評(píng)判包括指定優(yōu)化評(píng)判目標(biāo)與策略和執(zhí)行結(jié)果評(píng)判.優(yōu)化評(píng)判目標(biāo)與策略主要指在iSIGHT環(huán)境下，通過多層次任務(wù)定制，指定設(shè)計(jì)目標(biāo)權(quán)重選取目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化范圍、選取合適的優(yōu)化算法等.優(yōu)化結(jié)果評(píng)判執(zhí)行是船型水動(dòng)力分析結(jié)束后，根據(jù)所選定的優(yōu)化算法對(duì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行評(píng)判，以及根據(jù)評(píng)判結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整.通過對(duì)船型CAD／CFD的數(shù)據(jù)集成和過程集成進(jìn)行分析，可以得出如圖4所示的船舶CAD／CFD一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖.

圖4 船舶CAD／CFD一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

3 船舶CAD／CFD集成實(shí)例

3.1 集成軟件環(huán)境

操作系統(tǒng)：WINDOWS XP SP2.

船型參數(shù)化建模：CAD軟件二次開發(fā).

計(jì)算網(wǎng)格劃分：Gambit：2.1.

阻力計(jì)算分析：Fluent 6.1.

集成優(yōu)化框架：iSIGHT 8.0.

XWindow模擬軟件：Exceed 8.0.

3.2 船舶CAD／CFD集成

1）軟件集成 利用iSIGHT提供的集成功能，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)船舶三維建模軟件、CFD計(jì)算分析軟件之間的數(shù)據(jù)銜接，在優(yōu)化過程中對(duì)仿真軟件自動(dòng)進(jìn)行調(diào)用.在集成中主要以仿真代碼（Simcode）的形式調(diào)用命令行參數(shù).

2）數(shù)據(jù)集成 將優(yōu)化過程中所涉及到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以設(shè)計(jì)變量的形式進(jìn)行參數(shù)化控制，主要通過iSIGHT的文件解析和變量管理功能實(shí)現(xiàn).

3）優(yōu)化定制 設(shè)置優(yōu)化策略，包括指定設(shè)計(jì)變量的變化范圍和優(yōu)化目標(biāo)、選擇優(yōu)化算法、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制方法和近似方法等.根據(jù)設(shè)計(jì)優(yōu)化的目標(biāo)，比較iSIGHT提供的算法庫［7］，采用符合實(shí)際需求的高效優(yōu)化算法，尋找最優(yōu)的、最可靠的和最穩(wěn)健的設(shè)計(jì)方案.

完成CAD／CFD的集成后，即可根據(jù)制定的優(yōu)化策略對(duì)水動(dòng)力問題進(jìn)行優(yōu)化迭代計(jì)算，顯然，CAD／CFD集成優(yōu)化能夠大大提高設(shè)計(jì)效率.

4 結(jié) 束 語

實(shí)現(xiàn)船舶CAD／CFD一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)，其重要的關(guān)鍵技術(shù)之一便是實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)集成及過程集成.本文通過對(duì)船舶CAD／CFD一體化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，建立了基于iSIGHT的船舶CAD／CFD一體化設(shè)計(jì)的集成框架，運(yùn)用數(shù)據(jù)集成和過程集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了船舶CAD與CFD的集成，極大的提高了設(shè)計(jì)效率.本文所取得的成果是進(jìn)行船型優(yōu)化的基礎(chǔ)，對(duì)后續(xù)的基于CFD的船型多性能協(xié)同優(yōu)化研究工作是不可或缺的.

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