SBD技術(shù)在“探索一號”科考船線型設(shè)計中的應(yīng)用

倪其軍，李勝忠，阮文權(quán) ，侯小軍，楊 磊

（1.江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082）

0 引 言

隨著全球海洋開發(fā)事業(yè)的發(fā)展，海洋資源勘探、考察等工作對科考船的功能要求和技術(shù)要求越來越高。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計全球有40多個國家或地區(qū)擁有自己的海洋科學(xué)考察船，數(shù)量超過500艘，而且一些發(fā)達國家的海洋考察船及海洋勘探技術(shù)非常先進?？瓶即苍谙蚓C合性、現(xiàn)代化和大型化方向發(fā)展。為了迅速提升我國深海科考能力，并為4 500 m載人潛水器提供搭載平臺，在原工程作業(yè)船“海洋石油299”的基礎(chǔ)上，開展“探索一號”科考船重大改造設(shè)計，提高船舶技術(shù)性能和安全可靠性，使其具備支持4 500 m載人潛水器、深海科學(xué)考察、深海裝備試驗的能力。本文主要介紹“探索一號”科考船的船型設(shè)計過程及其所采用的當(dāng)前先進的基于仿真設(shè)計（Simulation Based Design，SBD）的船型設(shè)計技術(shù)。

SBD技術(shù)是隨著CFD技術(shù)、CAD技術(shù)以及最優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，而出現(xiàn)的一種新的以目標(biāo)驅(qū)動設(shè)計的構(gòu)型設(shè)計模式。它將CFD技術(shù)系統(tǒng)地融入優(yōu)化過程，并結(jié)合最優(yōu)化理論與幾何重構(gòu)/變形技術(shù)，實現(xiàn)對優(yōu)化目標(biāo)的直接尋優(yōu)。其基本原理與優(yōu)化設(shè)計流程如圖1和圖2所示。

圖1 SBD船型設(shè)計原理Fig.1 SBD-based hullform design optimization environment

圖2 典型自動設(shè)計流程Fig.2 Typical automated design process

國外在以減阻為目標(biāo)的SBD船型優(yōu)化設(shè)計方面開展了大量的研究工作，特別是對船體幾何重構(gòu)技術(shù)、多目標(biāo)全局優(yōu)化技術(shù)、近似技術(shù)、綜合集成技術(shù)（并行計算）等關(guān)鍵技術(shù)進行了較為系統(tǒng)的研究，也取得了諸多成果。INSEAN水池的Campana和Peri等[1]以DTMB5415船模作為優(yōu)化對象，對多目標(biāo)全局優(yōu)化算法和近似技術(shù)（變逼真度模型）以及船體幾何重構(gòu)方法（分別采用Bezier Patch和基于CAD的幾何重構(gòu)方法）進行了較為詳細的研究。對優(yōu)化設(shè)計方案的模型試驗驗證結(jié)果表明：優(yōu)化設(shè)計方案的總阻力比初始設(shè)計方案減小5.23%。為了推進SBD技術(shù)能夠面向?qū)嶋H的工程應(yīng)用，Peri和Campana等[2]以解決高精度CFD數(shù)值計算帶來的響應(yīng)時長和計算費用問題為目標(biāo)，對簡約策略—近似技術(shù)進行了詳細的總結(jié)和研究。Yang等[3]基于NURBS船體幾何變形方法開展了船舶球艏水動力優(yōu)化設(shè)計。

國內(nèi)近幾年在該領(lǐng)域的研究也取得很大的進步，許多關(guān)鍵技術(shù)問題也已取得突破。中國船舶科學(xué)研究中心開展了眾多以減阻為目標(biāo)的船型優(yōu)化設(shè)計研究工作：針對6 600DWT、44 600DWT等多型散貨船開展了線型優(yōu)化設(shè)計，減阻效果及推進效率提升十分顯著[4-6]；以某艦船作為設(shè)計對象，開展了經(jīng)濟速度與設(shè)計航速下的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明最優(yōu)方案與原方案在兩個設(shè)計點的模型總阻力分別減小了5.5%和5.1%，且減阻效果得到了模型試驗驗證[7-9]。

本文首先介紹了探索一號科考船改型設(shè)計，采用基于RANS的數(shù)值評估方法對改型前后船舶阻力進行計算分析。之后，簡要地闡述了SBD船型設(shè)計方法，并以改型方案為對象，采用SBD技術(shù)對其艏部線型進行了優(yōu)化設(shè)計，并對設(shè)計結(jié)果進行了詳細的對比分析。

1 艏部改型設(shè)計與阻力預(yù)報分析

1.1 艏部改型方案

“探索一號”科考船是在原多功能工程作業(yè)船“海洋石油299”的基礎(chǔ)上改建而成，依據(jù)總體設(shè)計要求，僅保留原船尾半段船體，艏部線型重新設(shè)計。艏部改型設(shè)計方案與原船相比，長度增加了13.8 m，設(shè)計吃水由6.35 m變?yōu)?.50 m，排水體積增加了245.5 m3。改型前后船舶主尺度參數(shù)見表1。船體外形示意圖如圖3所示。

圖3 原船與改型設(shè)計方案示意圖Fig.3 The side view of original and redesign case

表1 船舶主尺度Tab.1 Principal dimensions of ship

1.2 改型設(shè)計前后阻力數(shù)值計算與分析

本文采用高精度的RANS方法對原型和設(shè)計方案的船舶模型阻力進行數(shù)值預(yù)報。湍流模型選用SST k-ω，自由面采用level-set方法處理。采用重疊網(wǎng)格技術(shù)，船體貼體網(wǎng)格與背景網(wǎng)格重疊，網(wǎng)格單元數(shù)量約為60萬（一半計算域），其中第一層網(wǎng)格間距根據(jù)y+確定（y+平均約為50）。計算域及船體表面網(wǎng)格如圖4和圖5所示。

圖4 計算域Fig.4 Computation region

圖5 原船與改型設(shè)計方案表面網(wǎng)格Fig.5 The hull surface mesh of original and redesign case

表2 原船與改型設(shè)計方案阻力計算結(jié)果及比較Tab.2 Comparison of resistance components between the original and the redesign case

計算模型的縮比為1：15，分別計算了對應(yīng)實船航速8 kns、10 kns、12 kns、14 kns和16 kns時的模型阻力。結(jié)果見表2，自由面興波見圖6～8。從表中可以看出：改型設(shè)計方案在對應(yīng)實船航速Vs=8～16 kns時，模型阻力減小了2%～5%左右，實船總阻力分別減小了1%～5%左右，其中12 kns時，實船總阻力減小了2.9%，改型設(shè)計方案的排水量較原船增加4.1%。從興波云圖可以看出，改型方案的興波波形與原船不同（船長的變化引起的），波幅明顯小于原船。

圖6 原船與改型設(shè)計方案Vs=10.0 kns時的自由面波形云圖Fig.6 Comparison of wave contours between the original and the redesign case(Vs=10.0 kns)

圖8 原船與改型設(shè)計方案Vs=14.0 kns時的自由面波形云圖Fig.8 Comparison of wave contours between the original and the redesign case(Vs=14.0 kns)

2 基于SBD技術(shù)的艏部線型優(yōu)化設(shè)計

在改型設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，采用SBD船型設(shè)計方法以阻力最優(yōu)為目標(biāo)開展線型優(yōu)化設(shè)計。首先對SBD船型設(shè)計方法進行簡要的介紹，之后詳細地描述了艏部線型優(yōu)化設(shè)計過程及其結(jié)果分析。

2.1 船型SBD設(shè)計方法簡介

SBD船型設(shè)計方法是以先進的CFD技術(shù)為依托，以超級計算機集群的高速計算能力為基礎(chǔ)，結(jié)合船體幾何重構(gòu)與變形技術(shù)，并將其融入基于現(xiàn)代優(yōu)化分析理論的設(shè)計流程，建立的一種嶄新的源于嚴(yán)謹數(shù)理控制、基于知識化的船舶水動力構(gòu)型設(shè)計模式。它是以船舶一項或多項水動力性能最優(yōu)作為設(shè)計目標(biāo)，在給定的約束條件和構(gòu)型設(shè)計空間內(nèi)，通過CFD數(shù)值評估技術(shù)和現(xiàn)代最優(yōu)化技術(shù)實現(xiàn)船舶水動力構(gòu)型的優(yōu)化求解（逆問題求解），最終獲得給定條件下的水動力性能最優(yōu)的船型。

該設(shè)計方法具有如下特點：設(shè)計過程是目標(biāo)驅(qū)動設(shè)計；設(shè)計依據(jù)是最優(yōu)化理論；設(shè)計手段是先進CFD技術(shù)；設(shè)計質(zhì)量是滿足約束條件的最優(yōu)設(shè)計。主要關(guān)鍵技術(shù)包括以下三個方面。

2.1.1 最優(yōu)化技術(shù)

最優(yōu)化技術(shù)是區(qū)別于經(jīng)驗設(shè)計、體現(xiàn)知識化船型設(shè)計的重要特征，是求解船型優(yōu)化設(shè)計問題的科學(xué)方法和必要手段。最優(yōu)化技術(shù)在整個優(yōu)化設(shè)計流程中充當(dāng)“指路器”：即為優(yōu)化設(shè)計問題的求解提供科學(xué)方法，科學(xué)地指導(dǎo)最優(yōu)解的搜索方向。其作用是快速、準(zhǔn)確地搜索到構(gòu)型設(shè)計空間中的全局最優(yōu)解。

2.1.2 船體幾何重構(gòu)技術(shù)

船體幾何重構(gòu)技術(shù)是聯(lián)系優(yōu)化算法（設(shè)計變量）與船舶性能分析評估（目標(biāo)函數(shù)）之間的橋梁和紐帶，同時也是船型優(yōu)化設(shè)計過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在船舶優(yōu)化設(shè)計過程中，必需首先對船體幾何進行參數(shù)化表達，利用盡可能少的參數(shù)實現(xiàn)船體幾何的重構(gòu)，并且要建立船體表達參數(shù)與優(yōu)化過程中設(shè)計變量之間的聯(lián)系。船體幾何重構(gòu)技術(shù)在整個優(yōu)化設(shè)計流程中充當(dāng)“鏈接器”：其作用是自動生成盡可能多的設(shè)計方案；直接決定船型優(yōu)化問題的設(shè)計空間“大小”。

2.1.3 船舶水動力性能預(yù)報評估技術(shù)

船舶水動力性能預(yù)報評估技術(shù)是建立船型優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)，是連接船體幾何外形和優(yōu)化平臺的紐帶。水動力性能的預(yù)報精度直接影響著優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的質(zhì)量。用于船型優(yōu)化設(shè)計的船舶水動力性能評估方法應(yīng)該具備以下條件：預(yù)報精度盡可能高且穩(wěn)定；預(yù)報結(jié)果對船體幾何變化比較敏感，即具有較好的“分辨率”；計算響應(yīng)快捷、高效。然而，精度高、“分辨率”好與計算響應(yīng)快捷高效往往相互矛盾，這給水動力性能評估方法帶來了非?？量痰囊?。本文采用基于RANS的CFD數(shù)值評估技術(shù)，已在多個船型設(shè)計中進行了應(yīng)用[4，6，8-9]，能夠滿足上述要求。

2.2 艏部線型優(yōu)化設(shè)計

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)及其評估方法

應(yīng)用SBD船型設(shè)計方法對設(shè)計方案艏部線型進行優(yōu)化設(shè)計，以船模（縮比λ=1：15）在Fn=0.203（即實船航速Vs=12 kns）時的總阻力最小作為優(yōu)化目標(biāo)，即：

優(yōu)化設(shè)計過程中的阻力評估采用上節(jié)介紹的數(shù)值計算方法。

2.2.2 設(shè)計變量及約束條件

船體幾何重構(gòu)采用FFD方法，將船舯前部分裝入控制體中，共選擇十二組頂點，每組為一個設(shè)計變量共十二個設(shè)計變量，實現(xiàn)船體的自動變形與重構(gòu)。排水量約束，船體濕表面積約束，船長、寬、吃水等主尺度參數(shù)保持不變。

2.2.3 優(yōu)化算法

優(yōu)化算法的選擇對優(yōu)化問題的求解至關(guān)重要，合適的優(yōu)化算法不僅可以提高搜索效率，而且可以避免搜索陷入局部最優(yōu)解，提高獲得全局最優(yōu)解的可靠性。本文采用基于隨機搜索的粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization,PSO）對船體線型優(yōu)化設(shè)計問題進行求解。該算法在船舶水動力性能優(yōu)化設(shè)計中已得到廣泛的應(yīng)用，其基本原理及優(yōu)化過程見參考文獻[7]。

2.2.4 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果及其分析

以船模（縮比1:15）在Fn=0.203時的總阻力最小作為優(yōu)化目標(biāo)對其線型進行優(yōu)化設(shè)計。PSO算法的種群粒子數(shù)為36個，共迭代10次。船模阻力數(shù)值計算在并行計算機上進行（共使用八個節(jié)點），完成整個優(yōu)化設(shè)計共用時約180個小時。優(yōu)化方案與設(shè)計方案模型阻力結(jié)果比較如表3和圖9所示，船體外形與線型比較如圖10所示。

從表3可知，優(yōu)化方案在航速12 kns時的模型總阻力減小了7.7%，剩余阻力系數(shù)減小了26.6%；排水量和濕表面面積略有減小，分別為0.37%和0.19%。表中還給出了其他航速時的阻力結(jié)果對比，可以看出在12 kns和14 kns附近總阻力的收益十分顯著。

圖9 最優(yōu)方案與改型設(shè)計方案模型總阻力比較Fig.9 Comparison of the total resistance between the optimized and the redesign case at different speeds

圖10 最優(yōu)方案與改型設(shè)計方案線型比較Fig.10 Comparison of bodyplan between the optimized and the redesign hullform

圖11 優(yōu)化方案與改型設(shè)計方案自由面興波波幅比較Fig.11 Comparison of wave contours between the optimized and the redesign case

表3 優(yōu)化方案和改型設(shè)計方案模型阻力數(shù)值計算結(jié)果比較（模型縮比1：15）Tab.3 Comparison of resistance components between the optimized and the redesign case(λ=1:15)

圖11給出了優(yōu)化方案和設(shè)計方案自由面興波波幅云圖比較，從圖中可以看出優(yōu)化方案的自由面興波波幅較設(shè)計方案明顯減小。

3 結(jié) 論

本文介紹了“探索一號”科考船船體改型設(shè)計，采用CFD數(shù)值方法對其阻力性能進行了計算分析；之后，基于SBD數(shù)值仿真設(shè)計方法，以航速12 kns時的總阻力作為優(yōu)化目標(biāo)，采用PSO優(yōu)化算法對其線型進行了優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明：在滿足工程約束條件下，最優(yōu)方案總阻力收益十分顯著，航速12kns時模型總阻力減小了7.7%，換算到實船總阻力減小了11.6%。SBD船型設(shè)計方法的應(yīng)用為“探索一號”科考船快速性能提升提供了有力的技術(shù)支撐。

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