基于參數(shù)化建模的船體型線優(yōu)化設計

趙志堅 張 琪 張利軍 陳 鴿

(中遠海運重工有限公司技術研發(fā)中心 大連 116600)

基于參數(shù)化建模的船體型線優(yōu)化設計

趙志堅 張 琪 張利軍 陳 鴿

(中遠海運重工有限公司技術研發(fā)中心 大連 116600)

應用CAESES軟件和SHIPFLOW軟件建立優(yōu)化設計平臺，對某6 800 m2牲畜船的船首進行全參數(shù)化建模，通過改變控制船體曲面的設計變量，并結合Sobol和NSGA-Ⅱ兩種算法，對設計吃水和壓載吃水兩種工況下總的興波阻力最佳船型方案進行搜索.通過CFD方法將優(yōu)化后型線方案與母型船的總阻力性能做比較.結果表明，優(yōu)化后船體興波在兩種工況下均得到改善，且總阻力也得到了明顯降低，驗證了基于參數(shù)化建模的船體型線優(yōu)化設計方法的有效性和工程實用性.

參數(shù)化建模；牲畜船；型線優(yōu)化；興波阻力；計算流體力學

0 引 言

隨著綠色經濟與可持續(xù)發(fā)展理念日益深入人心，航運所造成的環(huán)境污染問題已經成為了國際社會關注的焦點.船舶的節(jié)能、環(huán)保正得到越來越多的重視.而船體型線方案的好壞將影響船舶整個生命周期的性能表現(xiàn)，因此船體型線的設計顯得尤為重要[1-2].

參數(shù)化建模技術的興起，為船體型線設計方案的變換提供了極大的便利.在基于參數(shù)化的型線優(yōu)化研究方面，Aug等[3]利用自由變形和勢流計算方法對某海洋工程輔助船進行了型線優(yōu)化;Wang[4]結合NURBS方法和基于Neumann-Michell理論的CFD計算對型線進行了優(yōu)化設計.國內在參數(shù)化建模方面及基于參數(shù)化模型的型線優(yōu)化方面的研究起步較晚，但近年也有不少學者在該領域的研究上取得豐富的成果，徐俊路等[5]以VB為開發(fā)工具對CATIA進行二次開發(fā)并實現(xiàn)了球首的快速參數(shù)化建模；張萍等[6]對如何實現(xiàn)船型的參數(shù)化曲線，曲面表達進行了研究，并通過確定縱向NURBS特征曲線來實現(xiàn)NURBS船體曲面的建立；馮佰威等[7-8]通過對iSIGHT軟件的二次開發(fā)建立了基于iSIGHT的船舶CAD/CFD一體化設計集成框架，并通過該平臺對某集裝箱船進行了優(yōu)化；鄧賢輝等[9]基于iSIGHT優(yōu)化設計平臺，提出一種基于CFD理論的最小阻力船型自動優(yōu)化方法，集成了船型變換及自動生成技術，并對某雙尾集裝箱船進行了優(yōu)化;邱云明等[10]使用FRIENDSHIP進行船體完全參數(shù)化建模，并使用該軟件中的Feature編程功能編程實現(xiàn)Shipflow型值數(shù)據(jù)的提取和興波阻力計算，最后利用該軟件的優(yōu)化框架，完成了1 300 TEU集裝箱船的興波阻力優(yōu)化，結果表明，優(yōu)化后的興波阻力下降15.7%.

1 船體參數(shù)化建模

參數(shù)化建模技術是指選取決定船舶航行性能的特征參數(shù)、特征線，并根據(jù)特征參數(shù)、特征線生成光順的船體線型[11].CAESES軟件實現(xiàn)參數(shù)化建模的基本思想是首先構建控制主要幾何特征的參數(shù)化曲線和相關特征曲線，如設計水線、平邊線、甲板線、甲板外飄角曲線等.首先自定義剖面的曲線特征(feature)和曲線生成器(curve engine)，然后由這些特征曲線和剖面生成器生成光順的橫剖線，最后由曲面對象生成器(meta surface)利用蒙面法生成光順的曲面.使用CAESES軟件進行船體參數(shù)化建模的一般步驟見圖1.圖2中給出了對球鼻首以及船中以前船體表面進行參數(shù)化建模通常所需的特征曲線.

圖1 船體參數(shù)化建模的一般步驟

圖2 特征曲線

2 優(yōu)化工具及對象

采用CAESES(也稱FRIENDSHIP)與SHIPFLOW兩款軟件搭建優(yōu)化平臺，并結合參數(shù)化建模和興波阻力的勢流計算方法以最小興波阻力系數(shù)為目標，開展型線優(yōu)化的研究.CAESES軟件適用于船體的全參數(shù)化建模，且通過CAESES內置的優(yōu)化算法，可以快速的創(chuàng)建任意個數(shù)的變化方案，并通過SHIPFLOW執(zhí)行勢流計算并根據(jù)勢流計算結果對船型的興波進行優(yōu)化.最后借助CFD方法對優(yōu)化后的船型方案進行驗證.

優(yōu)化的對象為某6 800 m2牲畜船，參考的母船型(原始型線方案)三維模型.表1中列出了母型船的主要參數(shù).通過給定的船型參數(shù)和三維模型，首先在CAESES軟件中完成球鼻首和船中以前船體的參數(shù)化建模，用于型線優(yōu)化過程中型線方案的參數(shù)化變換.

表1 船型的主要參數(shù)

3 優(yōu)化策略

優(yōu)化前需明確型線方案變換的約束條件，見表2.優(yōu)化的目標則是以興波阻力最小為目標，這里需要同時考慮設計工況和壓載工況，兩種工況的航速及在優(yōu)化目標中所占的比重情況等信息見表3.

表2 優(yōu)化約束條件

表3 考慮的工況

考慮到船中以前的首部線型對興波阻力影響較大，同時為了節(jié)約優(yōu)化的時間，本次優(yōu)化、建模時僅對船中以前的首部進行了參數(shù)化建模，船中以后的型線保持不變，并選取橫剖面面積曲線(SAC)和設計水線(DWL)特征曲線上的參數(shù)以及控制球鼻首形狀的參數(shù)作為優(yōu)化的設計變量，通過改變這些設計變量的數(shù)值來生成不同的船體型線方案，具體的設計變量名稱見表4.

優(yōu)化過程的核心是通過優(yōu)化算法在指定的優(yōu)化變量變化空間范圍內對最優(yōu)的變量值進行搜索.文中采用Sobol和NSGA-Ⅱ兩種算法對優(yōu)化變量進行搜索，其中Sobol算法是一種穩(wěn)定的、覆蓋率廣的隨機序列.應用Sobol算法便與對設計方案在整個變化空間中的表現(xiàn)有初步的判斷；NSGA-Ⅱ即為第二代非支配排序遺傳算法，它的搜索目標可以是單一目標或是多個目標的，這種算法對于一些互相沖突的目標需要最小化的任務十分有效，而且還可以考慮不等式約束.以設計工況和壓載工況下的興波阻力系數(shù)按1∶1的比例加權求和最小作為優(yōu)化目標，首先通過Sobol算法開展初步隨機搜索，縮小優(yōu)化變量的變化范圍，然后采用NSGA-Ⅱ算法進行目標性搜索，最終在滿足各項約束條件的前提下鎖定總的興波阻力系數(shù)最小的型線方案.優(yōu)化前后設計變量的變化見表4，優(yōu)化前后約束參數(shù)的對比情況見表5.最終得到的優(yōu)化后方案三維模型.圖3則給出了優(yōu)化前后首部線型的對比圖.

表4 設計變量及優(yōu)化前后的對比

圖3 優(yōu)化前后的首部線型對比

約束參數(shù)原始方案優(yōu)化后方案垂線間長Lpp/m133不變型寬B/m21．6不變總長Loa/m140．75141．51排水量Δ/t1475014968浮心縱向位置Xb/m63．5863．95

4 CFD計算結果

為了分析型線優(yōu)化方案的總阻力變化情況，應用STAR-CCM+軟件進行基于CFD的靜水阻力計算，按縮尺比為25的模型尺寸計算，靠近船體表面的第一層網格厚度按照Y+≈100劃分，考慮船體左右的對稱性，計算時按照半船來計算，網格總數(shù)約為150萬，湍流模型選擇SSTk-ω，阻力計算結果見表6.

表6 靜水阻力計算結果

由表6可知，優(yōu)化后方案在設計吃水工況下較原始方案減阻3.7%，在壓載吃水工況下減阻7.6%，兩種工況下減阻效果明顯，這說明型線優(yōu)化的搜索結果是成功的.優(yōu)化前后兩種工況下的摩擦阻力變化不大，而優(yōu)化后方案的壓阻力降低明顯，說明前期基于勢流的優(yōu)化計算起到了改善興波降低壓阻力的效果.

圖4為優(yōu)化前后的自由表面興波對比，由圖4a)可知設計吃水工況下優(yōu)化后的散波波形更早脫離了船體表面，且波形分布密度明顯減少；圖4b)壓載工況下也表現(xiàn)出類似的趨勢.圖5為優(yōu)化前后首部興波對比.

圖4 優(yōu)化前后自由表面波形對比

圖5 優(yōu)化前后首部興波對比

圖6 Y/Lpp=0縱向切面以及船身表面處的波高圖

圖6為縱向切面以及船身表面處的波高圖.由圖6可知，設計吃水下首興波波峰的高度并沒有下降，且Y/Lpp=0縱向切面上的波形幅值改善效果不明顯；而壓載吃水工況優(yōu)化后方案在首波峰和首波谷的波幅較原始方案均有大幅降低，且縱向切面上的波高分布優(yōu)化效果明顯.由圖4～6可知，兩種工況下優(yōu)化后的方案在興波上均有改善，且壓載工況下的興波改善效果更加顯著，這與前面分析得到的壓載工況下總阻力下降百分比更高的結論相吻合.

5 結 論

1) 球首的形狀在該船型優(yōu)化過程中對首興波的影響效果明顯，適當增加球鼻首的長度對改善首興波有利.此外，降低球鼻首前端點高度對壓載吃水的興波是有利的，但一定程度上增加了設計吃水的興波阻力.

2) 自由表面開爾文波形的疏密程度，分布形式均對興波阻力影響明顯，通常通過改變水線的形狀和橫剖面面積曲線可以很好地改善波形的分布情況.

3) 基于CFD的阻力計算結果表明，本文所提出的型線優(yōu)化思路在兼顧兩種工況下的情況下均獲得了明顯的優(yōu)化效果，可供設計者參考，且具有良好的工程適用性.

后續(xù)有待針對優(yōu)化結果開展船模阻力試驗，進一步證實型線優(yōu)化結果的可靠性.

[1]劉繼海,肖金超,魏三喜,等.綠色船舶的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析[J].船舶工程,2016(S2):33-37.

[2]陳紅梅,蔡榮泉.勢流計算在船舶型線優(yōu)化改型中的適用性研究[J].船舶工程,2012(S2):9-11.

[3]ANG J, GOH C, LI Y. Hull form design optimization for improved efficiency and hydrodynamic performance of “ship-shaped” offshore vessels[C]. Proceedings of International Conference on Computer Application in Ship Building, Bremen, Enlighten,2015.

[4]WANG J. A NURBS-based computational tool for hydrodynamic optimization of ship hull forms[D]. Fairfax: George Mason University,2015.

[5]徐俊路,陳順懷.基于CATIA二次開發(fā)的球首參數(shù)化設計[J].船海工程,2010(1):45-47.

[6]張萍,冷文浩,朱德祥,等.船型參數(shù)化建模[J].船舶力學,2009(1):47-54.

[7]馮佰威,劉祖源,詹成勝,等.船舶CAD/CFD一體化設計過程集成技術研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2010,34(4):649-651.

[8]馮佰威,劉祖源,聶劍寧,等.基于iSIGHT的船舶多學科綜合優(yōu)化集成平臺的建立[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2009,33(5):897-899.

[9]鄧賢輝,方昭昭,趙丙乾.基于計算流體動力學的最小阻力船型自動優(yōu)化[J].中國艦船研究,2015(3):19-25.

[10]邱云明,胡春平.基于參數(shù)化船型的阻力優(yōu)化研究[J].船舶工程,2015(S1):47-51.

[11]胡春平.基于Friendship的船體型線優(yōu)化技術研究[D].武漢：武漢理工大學,2012.

Lines Optimization Based on Parametric Modeling Approach of Hull Form

ZHAO Zhijian ZHANG Qi ZHANG Lijun CHEN Ge

(TechnologyR&DCenter,COSCOShippingHeavyIndustryCo.Ltd.,Dalian116600,China)

Both CAESES and SHIPFLOW are used to establish optimization design platform, and a geometric model of 6800 m2 livestock carrier’s bow is built by full parametric modeling approach of hull form. A series of design variables of hull surface are generated, and automatical optimization of bow lines is realized with the goal of minimizing resistance under the design draft and ballast draft using Sobol and NSGA-Ⅱ searching method. At last the optimization for the hull surface of 6 800 m2cattle ship is completed and the results calculated by CFD method indicate that the total resistance reduces significantly. It confirms that the hull form automatical optimization based on parametric modeling method is feasible.

parametric modeling; livestock carrier; lines optimization; wave resistance; CFD

2017-06-11

U661.31

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.019

趙志堅(1974—)： 男，碩士，高級工程師，主要研究領域為船舶與海洋工程設計