基于參數(shù)化CAD模型的船型阻力／耐波性一體化設(shè)計(jì)

邱遼原 謝 偉 姜治芳 馮佰威 劉祖源

1中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

2武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063

基于參數(shù)化CAD模型的船型阻力／耐波性一體化設(shè)計(jì)

邱遼原1謝 偉1姜治芳1馮佰威2劉祖源2

1中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

2武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063

在艦船概念設(shè)計(jì)階段，往往需要快速生成阻力和耐波性能兼優(yōu)的船型。采用基于母型船的船型融合生成方法，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化船型自動(dòng)生成。在此基礎(chǔ)上，采用iSight優(yōu)化平臺(tái)，將參數(shù)化船型生成技術(shù)與阻力、耐波性計(jì)算模型集成，運(yùn)用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了船型阻力／耐波性性能一體化設(shè)計(jì)。優(yōu)化方法采用多目標(biāo)遺傳算法以獲取Pareto前沿。以一艘46 000 DWT油船的型線優(yōu)化為算例對(duì)這個(gè)過(guò)程進(jìn)行了具體說(shuō)明，試驗(yàn)結(jié)果表明總阻力降低了3%，驗(yàn)證了這種方法的可行性。

船舶；參數(shù)化船型；阻力；耐波性；多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化

1 引言

隨著船舶航行環(huán)境的日益復(fù)雜，耐波性能已成為船型設(shè)計(jì)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。由于耐波性能與船型密切相關(guān)，因此船型設(shè)計(jì)不僅要考慮船舶的阻力性能，同時(shí)也要考慮耐波性能。船舶阻力／耐波性的一體化設(shè)計(jì)成了一個(gè)重要的研究問(wèn)題。

從優(yōu)化設(shè)計(jì)角度來(lái)看，船型阻力／耐波性一體化設(shè)計(jì)是一個(gè)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題。例如，意大利羅馬水池教授Peri D，利用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，完成了阻力、耐波性兩學(xué)科三目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題［1－4］；日本大阪大學(xué)的Yusuke Tahara［5］教授利用自主開(kāi)發(fā)集成框架，完成了阻力和推進(jìn)的多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化。

從實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)看，由于目前CAD軟件在船舶設(shè)計(jì)各個(gè)階段中獲得了廣泛的應(yīng)用，將CAD軟件融入到多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化框架中是必然的趨勢(shì)［6-7］。因此，在阻力／耐波性一體化設(shè)計(jì)中應(yīng)該集成CAD軟件，從而可帶來(lái)以下優(yōu)勢(shì)：

1）CAD軟件提供了豐富的三維造型功能，能準(zhǔn)確地生成船體外形，可為阻力和耐波性能分析提供精確的外形模型；

2）在以往的阻力、耐波性設(shè)計(jì)中，阻力學(xué)科和耐波性學(xué)科通常各自建立一個(gè)船體外形模型。而參數(shù)化CAD建?？梢詾樽枇W(xué)科和耐波性學(xué)科提供統(tǒng)一的外形模型，避免了不同學(xué)科重復(fù)的外形建模，并消除了不同模型之間的差異；

3）在船型設(shè)計(jì)中，有關(guān)船型的排水量和浮心縱向位置等船型參數(shù)非常重要，CAD軟件可以直接精確計(jì)算出各類(lèi)靜力學(xué)要素；

4）阻力／耐波性多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果本身就是一個(gè)三維CAD模型，可被下游設(shè)計(jì)階段（詳細(xì)設(shè)計(jì)階段）直接利用，無(wú)需再根據(jù)優(yōu)化結(jié)果重新建立外形CAD模型。

因此，將CAD軟件與阻力／耐波性多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)合起來(lái)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文針對(duì)CAD軟件與船型阻力／耐波性多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化集成的問(wèn)題，采用CAD二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，提出了基于參數(shù)化CAD模型的阻力／耐波性一體化設(shè)計(jì)流程，以46 000 DWT油船阻力／耐波性一體化設(shè)計(jì)為算例，詳細(xì)闡述流程的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2 基于參數(shù)化CAD的阻力 ／耐波性一體化設(shè)計(jì)流程

基于參數(shù)化CAD模型的船型阻力／耐波性一體化設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

簡(jiǎn)述如下：

1）設(shè)計(jì)參數(shù)即為控制船型變化的優(yōu)化變量；

2）船型參數(shù)化融合模塊讀入設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)母型船的融合，生成新的船型；

3）自動(dòng)提取阻力計(jì)算及耐波性能計(jì)算所需的數(shù)據(jù)文件，同時(shí)計(jì)算排水量及浮心的縱向位置；

4）阻力計(jì)算軟件及耐波性計(jì)算軟件分別讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)文件，分別計(jì)算阻力及耐波性指標(biāo)；

5）選擇合適的優(yōu)化算法，進(jìn)行船型阻力及耐波性能綜合優(yōu)化。

自動(dòng)評(píng)判獲得的船體形狀是否為阻力及耐波性能最優(yōu)的船型，如果不滿足要求，則再自動(dòng)更改設(shè)計(jì)參數(shù)，重復(fù)上述步驟的2）～5），直至找到阻力及耐波性能綜合兼優(yōu)的船型。

上述整個(gè)流程可借助多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化集成軟件 iSight來(lái)實(shí)現(xiàn)［8-9］。

3 應(yīng)用算例

以一艘46 000 DWT油船的型線優(yōu)化為算例，闡述圖1流程的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。其阻力／耐波性一體化設(shè)計(jì)問(wèn)題是：在滿足一定的約束條件下，優(yōu)化船型，改善阻力和耐波性能。

該船主尺度排水量48 800 t，設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)176.2 m，船寬 32.4 m，吃水 10.5 m，型深 17.9 m，方形系數(shù) 0.794，浮心縱向相對(duì)位置 0.467。

3.1 船型的參數(shù)化融合生成方法

以型線生成CAD軟件Fastship為二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，基于NURBS的船型描述基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了船型融合自動(dòng)生成方法。該方法是以現(xiàn)有的多條母型船為基礎(chǔ)，通過(guò)融合系數(shù)（權(quán)重因子）的調(diào)節(jié)，產(chǎn)生一系列光順的船型。而這一融合的過(guò)程則是直接修改母型船的NURBS控制頂點(diǎn)，再由融合生成的控制頂點(diǎn)產(chǎn)生船體曲面的網(wǎng)格，進(jìn)而生成船體曲面。在融合過(guò)程中一定要保證融合系數(shù)（權(quán)重因子）的總和為1。其融合過(guò)程如下：

從上面的融合過(guò)程可以看到，因融合系數(shù)的和為1，因此無(wú)論怎樣調(diào)節(jié)Ci的值，融合后生成的船型則總是在正好容納所有母型船的最小空間內(nèi)，如圖2所示。

另外，如果在優(yōu)化過(guò)程中主尺度也作為變量，那么還須要將原主尺度下的融合生成的控制頂點(diǎn)坐標(biāo)按照比例縮放到當(dāng)前的主尺度下的頂點(diǎn)坐標(biāo)?，F(xiàn)以船長(zhǎng)X方向的縮放為例，得到新船控制頂點(diǎn)X坐標(biāo)的過(guò)程可表示為：

式中，Xnew表示新船的控制頂點(diǎn)X坐標(biāo)；Xblending表示融合船的控制頂點(diǎn)X坐標(biāo)；Lbasisship表示母型船的船長(zhǎng)；Lvariable表示通過(guò)優(yōu)化器得到的船長(zhǎng)。船寬Y方向和型深Z方向的縮放與此類(lèi)似。

3.2 阻力及耐波性能計(jì)算

3.2.1 阻力計(jì)算

船舶總阻力Rt用粘壓阻力Rνp、摩擦阻力Rf和興波阻力Rw三者之和來(lái)表達(dá)，即Rt＝Rνp＋Rf＋Rw。

1）摩擦阻力Rf及粘壓阻力Rνp

采用 Holtrop 方法估算，即 Rf＋Rνp＝Rf（1＋k）。

式中摩擦阻力系數(shù)采用1957年ITTC公式計(jì)算，形狀因子k采用下式估算：

c2（B ／LR）0.92497（0.95－Cp）－0.521448（1－Cp＋0.022 5 lcb）0.6906｝式中，Cp為棱形系數(shù)；lcb為浮心縱向坐標(biāo)占船長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)；c1與尾部形狀有關(guān)；c2與吃水船長(zhǎng)比T／L有關(guān)；LR為去流段長(zhǎng)度；LR可用下式估算：

2）粗糙度補(bǔ)貼ΔCf

根據(jù)1975年第14屆國(guó)際船模試驗(yàn)池會(huì)議公式計(jì)算粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)計(jì)算：式中，ks為粗糙度表觀高度，本軟件取150×10－6m。

3）興波阻力Rw

采用Shipflow軟件計(jì)算，即Rw＝CwρV2S。

Cw的計(jì)算通過(guò)Shipflow軟件，采用邊界元法、線性自由面邊界條件以及船體表面用高階NURBS表達(dá)，源的分布為NURBS表達(dá)的高階源分布。Shipflow軟件計(jì)算興波阻力所需要的船型曲面上的數(shù)據(jù)均從圖2所示的CAD模型中直接獲得。

3.2.2 耐波性能計(jì)算

船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)計(jì)算程序是建立在線性理論基礎(chǔ)上，并假設(shè)流體為均勻、不可壓縮和無(wú)粘性的理想流體。在此基礎(chǔ)上建立船舶線性運(yùn)動(dòng)微分方程：

式中，Mij，mij，Nij和 Cij分別為船舶質(zhì)量慣性力系數(shù)、附連質(zhì)量系數(shù)、阻尼系數(shù)和線性恢復(fù)力系數(shù)。

方程中的水動(dòng)力系數(shù)采用經(jīng)典的切片理論求解，進(jìn)而求解運(yùn)動(dòng)微分方程得到船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)頻率響應(yīng)函數(shù)。耐波性計(jì)算所需要的船型各剖面的數(shù)據(jù)均從圖2所示的CAD模型中獲取。圖3為耐波性計(jì)算的程序流程。

3.3 優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)表達(dá)

船型阻力及耐波性能一體化設(shè)計(jì)問(wèn)題可用下面的方式來(lái)表達(dá)。

目標(biāo)

1）設(shè)計(jì)航速20 kn時(shí)的單位排水量總阻力最小，即Min；

2）固定海況下的垂蕩峰值最小，即min（max-heave），其中maxheave＝，ξmax為垂蕩峰值，h為波高；

3）固定海況下的縱搖峰值最小，即min（maxpitch），其中maxpitch＝，φmax為縱搖峰值，k為波數(shù)。

變量

船長(zhǎng)L、船寬 B、吃水 T、型深 D、融合系數(shù) Ci。約束條件：

1）浮力平衡約束；

2）穩(wěn)性約束；

3） ∑Ci＝1 ，且0≤Ci≤1。

本文利用iSight的過(guò)程集成及優(yōu)化策略定制功能，完成了上述各模塊的集成及優(yōu)化問(wèn)題的表述。其部分界面見(jiàn)圖4。

3.4 優(yōu)化結(jié)果及分析

上述的優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題的求解，通常不存在絕對(duì)的最優(yōu)解，實(shí)為Pareto解集。求解多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的實(shí)質(zhì)就是確定Pareto解集［10］。本文采用Shinya提出的多目標(biāo)遺傳算法求解該優(yōu)化問(wèn)題。優(yōu)化算法中的參數(shù)設(shè)置為：初始種群 20，代數(shù) 10，交叉概率為 1.0，變異概率為0.01。優(yōu)化后得到該問(wèn)題的Pareto解集，該解集中共有44個(gè)優(yōu)化方案，見(jiàn)圖5及表1。

表1 優(yōu)化后獲得的部分方案Tab.1 Some of solutions obtained by the optimization process

如果從表中選擇優(yōu)化方案13，那么耐波性能及阻力性能分別提高了 1.3%、1.9%及 12.3%。

為了驗(yàn)證該方法的可行性，對(duì)優(yōu)化前的母型船和優(yōu)化方案13開(kāi)展了模型阻力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)航速20 kn附近時(shí)，優(yōu)化方案13總阻力較母型船降低約3%，表明該方法是可行的，可應(yīng)用于艦船方案論證和設(shè)計(jì)階段方案優(yōu)選，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種采用基于母型船的船型融合生成方法，實(shí)現(xiàn)了船型參數(shù)化自動(dòng)生成。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用CAD二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，將CAD與阻力計(jì)算模型、耐波性計(jì)算模型和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化算法集成起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了船型阻力／耐波性一體化設(shè)計(jì)。以一艘46 000 DWT油船的型線優(yōu)化為算例，詳細(xì)闡述流程的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，優(yōu)化結(jié)果和模型試驗(yàn)驗(yàn)證了這種方法的可行性，表明該方法具有一定的實(shí)用價(jià)值。

在后續(xù)的研究中，將進(jìn)一步擴(kuò)展船型母型庫(kù)，確定合適的航行性能優(yōu)化目標(biāo)，集成更多的船舶航行性能，實(shí)現(xiàn)船舶航行性能多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化。

［1］PERI D，ROSSETTI M，CAMPANA E F.Design optimization of ship hulls via CFD techniques ［J］.Journal of Ship Research，2001，45（2）：141－149.

［2］PERI D，CAMPANA E F.Multidisciplinary design optimzation of a naval combatant ［J］.Journal of Ship Research，2003，47（1）：1－12.

［3］PERI D，CAMPANA E F.High－fidelity models and multiobjective global optimization algorithms in simulationbased design ［J］.Journal of Ship Research，2005，49（3）：159－175.

［4］PERI D，CAMPANA E F，DATTOLA R.Multidisciplinary design optimization of a naval frigate ［C］//10th AIAA／ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization.Albany，NY，2004：487－517.

［5］TAHARA Y，TOHYAMA S.CFD－based multi－objective optimization method for ship design［J］.International Journal for Numerical Methods in Fluids， 2006，52：499－527.

［6］HARRIES S，ABT C.Formal hydrodynamic optimization of a fast monohull on the basis of parametric hull design［C］//5th International Conference on Fast Sea Transportation，Seattle，WA，1999：368－398.

［7］HARRIES S，VALDENAZZI F，ABT C.Investigation on optimization strategies for the hydrodynamic design of fast ferries ［C］//6th International Conference on Fast Sea Transportation.Southhampton，UK，2001：255－263.

［8］馮佰威，劉祖源.多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在船舶設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)造船，2009，50（4）：15－18.

［9］馮佰威，劉祖源.船舶CAD＆CFD集成優(yōu)化接口開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究［J］.船舶工程，2009，31（增刊 1）：32－35.

［10］ ZALEK S F，PARSONS M G，BECK R F.Naval hull form multicriterion hydrodynamic optimization for the conceptual design phase ［J］.Journal of Ship Reseach，2009，53（4）：199－213.

Integrated Ship Resistence/Seakeeping Optimization Based on Parametric CAD Model

Qiu Liao－yuan1 Xie wei1 Jiang Zhi－fang1 Feng Bai－wei2 Liu Zu－yuan2
1 China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064，China
2 School of Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China

The hull forms of ship both with optimal resistance and seakeeping performances are required to create quickly in the conceptual design phase.Parametric ship hulls were achieved automatically with a blending method according to the baseline ship design.Based on that， the resistance and seakeeping performance integrated optimization was implemented with multidisciplinary design optimization method，combining parametric ship hull blending method and the resistance and seakeeping performance procedures through iSight optimization software.A multi－criterion， population－based evolutionary algorithm optimization process was used to provide a more thorough representation of the numerically approximated Pareto front.The resistance and seakeeping integrated optimization of 46 000 DWT oil tanker was presented as an example to illustrate the process.Model test results show that total resistance reduction is up to 3%.The feasibility of this integrated optimization method was also validated.

ship engineering； parametric CAD model； resistance； seakeeping； multidisciplinary design optimization

U662.3

A

1673－3185（2011）01－18－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.01.004

2010-07-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（10772139）；國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2006AA04Z124）；總裝“十一五”水動(dòng)力預(yù)研基金

邱遼原（1977－），男，博士。研究方向：艦船總體設(shè)計(jì)、船舶多學(xué)科綜合優(yōu)化技術(shù)。E-mail：Kiuly＠tom.com