基于數(shù)字孿生技術(shù)的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

陸 萍

(江蘇航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010)

0 引 言

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，需要綜合機械、電子、控制、信息等多種學(xué)科，在國家大力推進船舶智能化的今天，關(guān)于船舶航行情況的預(yù)測、監(jiān)控與維護等方面越來越重要[1]，因此對船體結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出了更高的要求，然而使用傳統(tǒng)設(shè)計方法和理念進行船體結(jié)構(gòu)設(shè)計，生產(chǎn)出來的艦船在多系統(tǒng)、多維度協(xié)調(diào)任務(wù)作業(yè)中性能較差，因此如何提高船體結(jié)構(gòu)設(shè)計水平和效率是重點問題。

近年來數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]，通過構(gòu)建船舶的數(shù)字孿生體能夠模擬船舶的航行狀態(tài)，從而對艦船進行各種研究和評估。楊元龍等[3]根據(jù)四維思想，構(gòu)建了艦船全生命周期的五階體系模型，并通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等技術(shù)組成了數(shù)字孿生架構(gòu)模型，實現(xiàn)了艦船蒸汽動力系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計。周少偉等[4]在艦船動力系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，采用數(shù)字孿生技術(shù)，融合虛擬與現(xiàn)實，構(gòu)建了艦船動力系統(tǒng)數(shù)字孿生應(yīng)用體系，實現(xiàn)了艦船動力系統(tǒng)的虛擬化數(shù)字化設(shè)計與應(yīng)用。但是上述2 種方法在船體設(shè)計方面還存在結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、效率低、多任務(wù)協(xié)調(diào)性差、準確性驗證不足、輔助決策功能不成熟等一系列問題。

隨著數(shù)字孿生技術(shù)不斷地完善和發(fā)展，科學(xué)界對于數(shù)字化三維建模等各個方面都進行了深入的研究和應(yīng)用，這些新技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域。本文研究了基于數(shù)字孿生技術(shù)的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，使用三維建模技術(shù)構(gòu)建船體結(jié)構(gòu)的數(shù)字孿生體，實現(xiàn)船舶的虛擬呈現(xiàn)和航行模擬，最終達到迭代優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的。

1 基于數(shù)字孿生技術(shù)的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)是一個比較抽象的概念，沒有固定的結(jié)構(gòu)和模式，它可以通過數(shù)字化的方式復(fù)制或者模擬現(xiàn)實中的裝備設(shè)施，并在虛擬空間當(dāng)中進行測試，其概念模型如圖1 所示。數(shù)字孿生是一個綜合各方面尺度和概率的仿真程序，它集成了多物理量和多學(xué)科，結(jié)合各種傳感器、物理模型和歷史數(shù)據(jù)等，將實際物體映射到虛擬空間當(dāng)中，從而完整地模擬實際物體的全生命周期[5]。

1.2 基于數(shù)字孿生的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)研制要求，通過一步步的設(shè)計，分析和論證，最終確定設(shè)計方案的一系列過程[6]。傳統(tǒng)設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足艦船智能化的需求，新的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計采用數(shù)字孿生技術(shù)，在初始設(shè)計和整體論證階段，直接構(gòu)建一個整船數(shù)字模型，對全船的各個結(jié)構(gòu)和設(shè)備進行全方面的模擬。在高擬真的虛擬現(xiàn)實情況下，研究人員可以利用數(shù)字化模型，測試船體結(jié)構(gòu)性能高低，從而不斷地進行改進和優(yōu)化，使總體設(shè)計更加完美。進行樣機聯(lián)調(diào)時，設(shè)計人員將數(shù)字化船體進行更新迭代，使之與真實的物理系統(tǒng)趨于統(tǒng)一，精確反映船體的實際情況。同時在驅(qū)動方式上使用高擬真度仿真驗證，基于數(shù)字孿生的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計流程如圖2 所示。

圖2 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖Fig. 2 Hull structure design flow chart

1.3 構(gòu)建船體數(shù)字孿生模型

1.3.1 船體數(shù)字孿生模型設(shè)計架構(gòu)

船舶生命周期的每一個階段都可以使用船體結(jié)構(gòu)的數(shù)字孿生模型，本文對船體的結(jié)構(gòu)設(shè)計部分進行研究，其數(shù)字孿生模型總體架構(gòu)如圖3 所示?？芍?，本文設(shè)計的船體數(shù)字孿生模型主要包括：一是整個船體的虛擬呈現(xiàn)，二是船舶的模擬航行。根據(jù)船舶的物理材質(zhì)和形狀信息等對船體進行三維建模，同時模擬船舶四周的航行環(huán)境，即可將船舶進行虛擬呈現(xiàn)。船舶的模擬航行主要是采集各種仿真航行數(shù)據(jù)，進行多源數(shù)據(jù)融合、目標識別、態(tài)勢重構(gòu)、航行預(yù)測等，通過船體水動力學(xué)模型，實現(xiàn)模擬航行輔助的功能。

圖3 船體數(shù)字孿生模型總體架構(gòu)Fig. 3 Overall architecture of ship digital twin model

1.3.2 虛擬船舶呈現(xiàn)

1)構(gòu)建船體三維模型。在構(gòu)建設(shè)計船體三維模型時，需要對船體的各個結(jié)構(gòu)和裝備進行精細化建模，主要部分有船身主體、甲板建筑、駕駛艙、底艙設(shè)施，還包括各種傳感器等設(shè)備。在船體三維模型構(gòu)建過程中注意參考已有的同類型實船設(shè)計和試航資料等，根據(jù)設(shè)計船體的外表與內(nèi)在物理特征、材料屬性等方面進行建模，從而提高模型的逼真度[7]。

2)海洋環(huán)境模擬。為了重現(xiàn)真實的海洋信息，本文采用數(shù)值求解海洋環(huán)境矢量場，從而使設(shè)計船體的數(shù)字孿生模型當(dāng)中的海洋環(huán)境與現(xiàn)實更加統(tǒng)一。在海洋仿真當(dāng)中，NOAA 第三代波浪數(shù)值模型Wave-WatchⅢ(WW3)是應(yīng)用最廣泛的數(shù)學(xué)模型，仿真效果很好，再現(xiàn)真實海域環(huán)境的矢量場：

式中：Z為波作用密度譜；σ為相對頻率；為二維哈密頓算子；L為流速； bg為波群速度；α和β分別為波向和波速；y為方向 α的一個坐標；c為與y垂直的坐標；Y為波普的源項，包括線性輸入項Ya、風(fēng)輸入項Yn、非線性波浪互作用項Ym、耗散項Yl以及海底摩擦項Yk。

1.3.3 建立船舶水動力學(xué)模型

通過剛體六自由度運動方程構(gòu)建船舶的水動力學(xué)模型，設(shè)計船體的六自由度運動變量為：

其中：χ為地理固定坐標系下的三維位置(r,e,s)和三軸朝向角(φ,θ,?)； δ為船舶附體坐標系下的三軸線速度(u,i,o)和角速度(p,q,w)。

由于固定坐標系和附體坐標系之間存在變量關(guān)系，因此二者的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

其中：K為變換矩陣。

時域統(tǒng)一模型理論和模塊化概念是構(gòu)建船舶運動學(xué)模型的基礎(chǔ)，其表達式如下：

式中：f為作用力；D、F、G分別為船體、螺旋槳、船舵產(chǎn)生的作用力；H、J、K、V分別為風(fēng)、海流、一階和二階波浪引起的環(huán)境干擾力；R為附加質(zhì)量矩陣；W為阻尼系數(shù)矩陣；Q為脈沖響應(yīng)函數(shù)矩陣；I為靜水恢復(fù)力矩陣；下標O為非線性黏性力；η為坐標系變量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

構(gòu)建船舶水動力學(xué)模型包括船舶操縱運動建模和波浪環(huán)境下的運動建模等，本文采用分離型建模思想構(gòu)建船舶操縱水動力學(xué)模型，結(jié)合船舶型線圖數(shù)據(jù)進行建模。模型建好后需要對其精度進行驗證，不斷地修正模型參數(shù)，最終呈現(xiàn)高可靠的船舶水動力學(xué)模型。

2 仿真實驗

2.1 實驗對象

本文選用某科考船作為基于數(shù)字孿生技術(shù)的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計研究對象。該船總噸約3600 t，船長約85.2 m，型寬18.37 m，設(shè)計吃水6.5 m。定員50 人，經(jīng)濟航速可達12 kn，最大航速可達15 kn，續(xù)航力12000 n mile。

2.2 船體數(shù)字孿生體構(gòu)建實驗

實驗采用數(shù)字孿生技術(shù)以該科考船為母型船進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)科考船的原始設(shè)計資料和航行歷史信息，通過三維建模構(gòu)建完整的科考船三維模型。

為了使船體三維建模的效果更加逼真，不僅是整個科考船的外部，船艙的內(nèi)部，包括駕駛室、機艙內(nèi)的各種設(shè)備也都要進行詳細的建模，使整個科考船的船體、甲板設(shè)備、船樓、機艙等三維環(huán)境更加逼真和動態(tài)的在場景中進行展示，在此基礎(chǔ)上研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)整個科考船的虛擬互動，與各種船舶設(shè)備進行交互操作，達到與真實船只相同的操作效果。

為了使科考船數(shù)字孿生體更加逼真，實驗在船體三維建模的基礎(chǔ)上繼續(xù)進行海洋環(huán)境模擬，根據(jù)構(gòu)建的船舶水動力學(xué)模型，真實模擬科考船在海中航行的情況，并根據(jù)船體多傳感器數(shù)據(jù)融合得到的信息，對科考船的航行進行預(yù)測和輔助等操作。本文方法構(gòu)建的船舶數(shù)字孿生體效果非常逼真，同時在海洋環(huán)境中的航行模擬效果也非常好，完全可以用來進行各種結(jié)構(gòu)和設(shè)備的性能測試，從而不斷地改進船體結(jié)構(gòu)設(shè)計，最終達到更好的優(yōu)化效果。

2.3 船舶航行狀態(tài)模擬效果對比分析

為了進一步驗證本文方法構(gòu)建的船舶數(shù)字孿生體在模擬航行方面的性能，實驗將科考船母型船的某段航行歷史進行重現(xiàn)，使用科考船數(shù)字孿生體進行一次模擬航行，分析二者的航行數(shù)據(jù)。實驗使用真實的海域數(shù)據(jù)庫將當(dāng)時科考船航行的海洋環(huán)境進行復(fù)刻，保持相同的海域和時間段。同時根據(jù)當(dāng)時采集的傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)離散螺旋槳轉(zhuǎn)速和舵角驅(qū)動科考船的物理模型，控制信號輸入時保證數(shù)字孿生體與真實船舶達到一致。為了驗證海洋環(huán)境模擬的效果，實驗另外設(shè)置了3 種不同的海洋環(huán)境，具體的模擬航行數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)的對比結(jié)果如圖4 所示?？芍? 號數(shù)據(jù)是科考船的真實航行數(shù)據(jù)，2 號數(shù)據(jù)是只考慮風(fēng)向和風(fēng)速影響的海洋環(huán)境下模擬航行的數(shù)據(jù)，3 號數(shù)據(jù)是只考慮海流和海浪影響的模擬航行數(shù)據(jù)，4 號數(shù)據(jù)是全面考慮風(fēng)、海流和海浪等影響的海洋環(huán)境下模擬航行的數(shù)據(jù)。通過以上分析可得，1 號和2 號數(shù)據(jù)差距較大，說明只考慮風(fēng)向的模擬航行數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)偏差較大；1 號和3 號數(shù)據(jù)差距小一些，說明在綜合考慮海流和海浪影響后，模擬航行的偏差更小；1 號和4 號數(shù)據(jù)差距最小，即模擬航行的預(yù)測軌跡與實際數(shù)據(jù)的相對誤差最小，說明全面考慮所有因素對于海洋環(huán)境的影響，數(shù)字孿生體能夠逼真的模擬真實的海洋環(huán)境，從而增加模擬航行的準確度，更加有利于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化研究。

圖4 虛擬航行軌跡與真實數(shù)據(jù)對比Fig. 4 Comparison between virtual navigation trajectory and real data

為了進一步驗證數(shù)字孿生體在模擬航行中的航向誤差情況，實驗在全耦合環(huán)境下對船舶的艏向和舵角進行監(jiān)測，并根據(jù)二者的角度獲取航向，同時與真實的航行數(shù)據(jù)進行對比，實驗結(jié)果如圖5 所示。可知，模擬航行的艏向與舵角變化與真實的航行數(shù)據(jù)基本相同，即航向保持一致。當(dāng)模擬航行時間保持在2500 s以內(nèi)時，航向誤差小于4°，不會產(chǎn)生太大的影響，隨著模擬航行時間加長，航向誤差也會有所增加，在2 500 s 以后模擬航行的航向誤差會達到8°左右。

圖5 模擬航行航向誤差Fig. 5 Predicted heading error

實驗說明，隨著科研船數(shù)組孿生體模擬航行時間的增加，產(chǎn)生的航向誤差也會變大，但是在實際應(yīng)用過程中，30 min 左右的模擬航行完全可以滿足船體結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的需求。

3 結(jié) 語

本文研究基于數(shù)字孿生技術(shù)的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，使用三維建模技術(shù)構(gòu)建設(shè)計船舶的數(shù)字孿生體，達到優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的。實驗表明：本文方法構(gòu)建的船舶數(shù)字孿生體效果非常逼真，船體內(nèi)外結(jié)構(gòu)和設(shè)備都與實際相符，同時航行模擬效果也非常好，預(yù)測航向很準確，相對誤差很小，根據(jù)模擬航行的測試結(jié)果可以優(yōu)化設(shè)計布局，最終確定更好的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。