基于主要尺度要素的船型變換

1 引 言

船舶作為交通運輸和作戰的重要工具，應具有良好的航行性能、工作性能和足夠的強度。而隨著船舶設計理論的日益更新，建造方法的不斷進步，對船舶性能的要求也在逐步提高。在當前的船舶研究中，計算機幾何建模和流場數值模擬計算已經應用得非常廣泛。船型優化已不再僅僅滿足于依靠經驗公式的判斷，而需要進一步更詳細準確的性能計算，來確定船型是否具備優良性能。因此，在船型生成與性能計算之間建立相應的聯系，成為船型優化過程中急需解決的重要問題。我們的目的是發展一個基于主要船型的設計變量，自動改變母型船形狀的船型變換子系統，并進一步將其耦合到水動力計算和船型優化系統中。1992年，Stephen M. Hollister提出了自動化船型變換與優化方法[1]。通過控制改變某一船型參數，另一參數相應改變作為補償，而其他主要參數保持不變，自動生成性能計算所需的船型型值文件，實現與水動力數值模擬計算軟件自動對接，開發出水動力性能優化設計系統。本文結合此方法的基本原理，自行編寫船型變換程序，完成了船型生成與性能計算之間的自動化連接。

2 基本原理及程序簡介

船型變換主要分為三種方式：系列船型(如系列60)、母型船改造及通過船型參數控制變換[2]。本文采用船型參數控制變換方法，相對前兩種方法而言，更具一般性。因為，對于系列船型變換或母型船改造兩種方法來說，只能在某一系列或母型船基礎上，小范圍改變船型。本文所采用的方法不僅可以通過仿射變換改變船體尺度，而且可以通過剖面系數、棱形系數改變船體形狀，其應用更加廣泛。

許多性能設計評估方法，如阻力、耐波性能計算中，都通過對主要船型參數控制得到令設計者滿意的結果。主要參數包括：船長(L)、寬(B)、吃水(T)、棱形系數(Cp)、縱向浮心位置(lcb)和船舯系數(Cm)等。理想情況下，設計者希望使其中一個主要設計參數改變為所需要的目標值，而其他主要參數保持不變，當然這是不可能的。由于各參數之間都是相互聯系的，并且很多情況下一變皆變，很難對參數進行敏感性分析。比如船長改變之后，相應的棱形系數、排水量、縱向浮心位置都跟著同時改變。因此，在改變一個參數(稱之為“目標參數”)的同時，必須至少改變另一個參數予以補償(稱之為“補償參數”)。通常情況下，吃水及排水量對船型的改變是最為敏感的，因此，本文方法是采用吃水或排水量作為補償參數。

2.1 船型表達

通過計算機程序表達船型的方式有很多種[3]，常用的方法有：

1) 通過型值建站表達；

2) 通過B樣條(NURBS)建曲面表達；

3) 通過主要控制線來表達；

4) 通過建網格來表達。

相比較而言,前兩種方法對船型表達更直觀和詳盡，而對目前的水動力計算軟件來講，多數通過輸入型值建立計算模型，且對于性能設計評估(阻力、穩性、耐波性)來講，對船體表面光順性要求不高，本文采用常用型值建站表達船型。

2.2 船型變換

主要船型變換參數有：水線長(LWL)、水線寬(BWL)、型深(D)、吃水(T)、排水量(Vol)、棱形系數(Cp)、船舯系數(Cm)。各參數之間關系如下：

(1)

Am=Cm·BWL·T

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，sa(x)為x處的剖面面積；lcb為縱向浮心位置。

從實際應用角度出發，考慮到船型系列變化可分為以下3種：

1) 改變船體主尺度(船長L、船寬B等)

▲ 保持船體形狀不變，改變船體主要尺度。此種變換形式可簡單地通過改變排水量，線性放大或縮小船體，或通過改變吃水得到補償。

▲ 保持船舶排水量不變，改變船體主要尺度。此種變換形式勢必會使船體形狀或吃水發生改變來補償某一尺度的變化。

2) 改變船體形狀(剖面系數cmfact，棱形系數cp等)

▲ 保持主要尺度不變，改變船體形狀。此種變換形式與1)相同，可簡單地通過改變排水量，線性放大或縮小船體，或通過改變吃水得到補償。

▲ 保持排水量不變，改變船體形狀。此種變換形式勢必會使船體主尺度發生改變來補償形狀的改變。

3) 改變船體排水量，保持主要尺度和船體形狀均不改變。此種變換形式勢必會使船舶吃水發生改變來補償排水量的變化。

2.3 程序簡介

程序流程圖如圖1所示。

圖1 基本流程

如圖1所示，程序提供4種變換方式：拉伸變換(STRETCH模塊)、剖面變換(CMVRAY模塊)、棱形系數變換(CHANGECP模塊)、不同排水量變換(CDRAFT模塊)。通過4個模塊的反復迭代計算，保證除目標參數和補償參數改變外，其他參數均保持不變。

1) 拉伸變換。即拉伸模塊按比例改變船長L、船寬B、吃水T中任意一個或全部參數，調整吃水或排水量得到新船型值。

2) 剖面變換[4,5]。此變換方式由Stephen M. Hollister創建，可在恒定的船寬及型深下改變各站剖面形狀。剖面的改變通過剖面參數cmfact來完成。定義cmfact為PA/PQ，其中PA為剖面所在長方形對角線與剖面交點的距離，PQ為對角線長度(圖2)，ABC為原剖面線，A′B′C′為變形后剖面nscmfact(i)為第I個剖面修改后的剖面系數，p.scmf(i)為原來的剖面系數，其中：

rt為坐標變化系數。

保持rt為常數，改變cmfact，得到新的型值點A′B′C′進而得到新的剖面形狀。

圖2 剖面示意圖

3) 棱形系數變換。通過改變船體主尺度，如船長、半寬、吃水、排水量等參數，使棱型系數Cp被動改變，運用母型船改造法中常用的1-CP法，得到各站移動距離，進而得到新船型值。該模塊的船型變換技術是由Lackenby H[6]發展的，除棱型系數Cp外，還可浮心縱向位置(lcb)變換；平行中體前(Pfwd)變換和平行中體后(Paft)變換。

4) CDRAFT模塊。此模塊并不改變船體尺度及形狀，僅在給定目標排水量條件下，運用二分法通過靜水力計算模塊查找對應目標排水量的目標吃水。

3 系列船型變換算例

在船舶水動力設計優化過程中，船型變換作為性能計算的前期工作，起著相當重要的作用。本文采用武漢理工大學863項目“高速三體船關鍵技術研究”中三體船主體為算例母型船，其主尺度見表1。

表1 三體船主體主尺度

在保持排水量不變的前提下，變換3種長寬比(L/B)、3種剖面系數(cmfact)，共派生出15艘不同長寬比，不同剖面系數的船型。

3.1 變換過程

設母型船編號為A。從母型L/B=14.44開始，應用STRECTH模塊改變船寬B，通過吃水補償，分別派生出一短兩長3種船型：L1/B=12.28(編號為B)，L2/B=15.89(編號為C)，L3/B=17.33(編號為D)；再改變這4艘船的剖面系數(cmfact)，對應于每艘船，應用CMVARY模塊改變剖面系數cmfact(以符號M表示，即M0，M1……)，以及STRECTH模塊改變船寬B迭代調整保持BWL不變，通過吃水補償，分別派生出一肥兩瘦3種船型，如對應母型船分別為：M1=0.844(編號為AM1)，M2=0.69(編號為AM2)，M3=0.614(編號為AM3)，共派生出15艘新船型。變換范圍見表2，派生船型列表見表3。

表2 變換范圍

表3 派生船型列表

3.2 派生船型篩選

變換過程中使用吃水作為補償，這樣可能會導致某一派生船型吃水過大或過小，穩性及干舷難以保證，因此我們要在初步篩選過程中把這些船型去掉。考慮到公式(1)及公式(2)，導致吃水過小(或過大)的變換過程是cmfact、船長L同時增加(或減少)。這樣去掉CM1，DM1，BM2，BM3。其余12個派生船型詳細列表見表4。L/B，B/T范圍見圖3。

表4 派生系列船型主要資料

圖3 船型系列中的系數范圍

為更直觀表達船型變換特點，取兩個典型派生船型BM1、DM3的縱剖面圖和橫剖面圖作比較，詳見圖4～圖6。

在三體船的耐波性研究中，該系列船型的變換型值直接以耐波計算軟件WASIM(DNV)需要的型值格式輸出，我們進行了派生系列三體船船型的耐波性和波浪載荷的理論預報，研究了船型變化對耐波性和波浪載荷的影響。該部分研究內容將另文發表。

圖4 縱剖面圖比較

圖5 BM1與AM0(母型船)橫剖面圖比較

圖6 DM3與AM0(母型船)橫剖面圖比較

4 結論與展望

本文提供了一種基于主要船型參數變換船型的方法，在船舶設計優化過程中能夠快速實現數值建模。該程序完善后可作為水動力性能船型優化設計系統中的船型變換子系統。

應用本方法，以船體的船型參數作為輸入變換母型船，以水動力計算所需要的船體型值作為輸出，使幾何船體與水動力性能成為一種內在決定性關系。通過系列CFD數值模擬，可以建立相應的系列船型性能(阻力，耐波)數據庫或圖譜，供日后設計參考借鑒。這樣僅作少量的模型驗證試驗，提高工作效率。當然，可以考慮更多的參數變換船型，如水線面系數，縱向浮心位置等。由于時間及篇幅的限制，本文僅簡要介紹了其基本方法，具體圖譜繪制及更全面的參數變換有待進一步研究。

[1] HOLLISTER S M. Automatic hull variation and optimization[G].Presented at the meeting of the New England Section of the Society of Naval Architects and Marine Engineers,1996.

[2] TODD F. Series 60, methodized experiments with models of single-screw merchant ships[R].DTMB Report 1712, 1963.

[3] REESE D,NOWACKI H.Design and fairing of ship surfaces[G]∥BARNHILL R E,BOEHM W.Surfaces in computer aided geometric design,1983.

[4] 陳明，林焰，紀卓尚，等.基于橫剖面積曲線的船型變換法[J].大連理工大學學報，1998，38(4)：387-391.

[5] 紀卓尚，林焰.一種實用的改變船型UV度設計方法[J].中國造船，1995，(3):23-26.

[6] LACKENBY H.On the systematic geometraical variation of ship forms.RINA-Transactions,1950,92(1):289-315.