基于CFD的46 000 t油船型線(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄭強(qiáng)++馮佰威

摘要： 為適應(yīng)國(guó)際海事組織船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)對(duì)綠色船舶的要求，以46 000 t油船為例，采用CAD軟件FRIENDSHIP對(duì)船舶進(jìn)行參數(shù)化建模，同時(shí)集成CFD軟件Shipflow，搭建船型優(yōu)化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化船型自動(dòng)生成、性能計(jì)算及優(yōu)化，獲得阻力性能較好的船型。研究結(jié)果表明：所采用的46 000 t油船型線(xiàn)優(yōu)化方法具有可行性，可為46 000 t油船型線(xiàn)設(shè)計(jì)提供參考。該研究方法可實(shí)現(xiàn)仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，對(duì)縮短設(shè)計(jì)周期具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 參數(shù)化建模； 油船型線(xiàn)； 優(yōu)化； 總阻力

中圖分類(lèi)號(hào)： U441文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Optimization design of 46 000 t oil tanker line based on CFD

ZHENG Qianga， FENG Baiweib

（a.School of Transportation； b.Key Laboratory of High Performance Ship Technology

（Wuhan University of Technology）， Ministry of Education， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China）

Abstract： To meet the requirements of International Maritime Organization（IMO） energy efficiency design index for green ship， the parametric modeling of a 46 000 t oil tanker is carried out using CAD software FRIENDSHIP. The hull form optimization platform is built by integrating the CFD software Shipflow. The automatic generation of parametric hull form， the performance calculation and optimization are realized. The hull form with better resistance performance is obtained. The study results show that the line optimization method on the 46 000 t oil tanker is feasible. The simulationdriven design can be achieved using this research method. It is important for the time saving of the design cycle.

Key words： parametric modeling； oil tanker line； optimization； total resistance

收稿日期： 2017[KG*9〗07[KG*9〗20修回日期： 2017[KG*9〗09[KG*9〗08

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)國(guó)際（地區(qū)）合作研究項(xiàng)目（51720105011）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51479150，51709213）；

自主創(chuàng)新基金（173102007）

作者簡(jiǎn)介： 鄭強(qiáng)（1994—），男，福建寧德人，碩士研究生，研究方向?yàn)榇岸鄬W(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)，（Email）451535308@qq.com

馮佰威（1974—），男，遼寧北鎮(zhèn)人，副教授，博士，研究方向?yàn)榇皵?shù)字化和船舶多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，（Email）275951659@qq.com0引言

傳統(tǒng)的船舶型線(xiàn)設(shè)計(jì)受限于船型數(shù)據(jù)和船舶設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜繁瑣，資源和人力浪費(fèi)嚴(yán)重，得到的方案僅能滿(mǎn)足既定要求而非最優(yōu)設(shè)計(jì)。在科技發(fā)達(dá)的今天，傳統(tǒng)方法已經(jīng)不適應(yīng)船舶工業(yè)的發(fā)展，所以對(duì)船體型線(xiàn)的研究顯得尤為重要。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)技術(shù)蓬勃發(fā)展，各行各業(yè)紛紛應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)化工作，船舶工業(yè)也不例外。計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)在船舶型線(xiàn)設(shè)計(jì)中的作用越來(lái)越重要，常用的計(jì)算工具，如CAD和CFD等，已經(jīng)日漸成熟，越來(lái)越多的學(xué)者應(yīng)用這些軟件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。但是，由于CAD和CFD之間缺少有效的集成，無(wú)法更好地發(fā)揮計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，使得CFD仍不能很好地應(yīng)用于船舶設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

本文圍繞船體的水動(dòng)力性能，利用參數(shù)化建模軟件FRIENDSHIP構(gòu)建船舶參數(shù)化模型，同時(shí)集成CFD計(jì)算程序Shipflow搭建船型優(yōu)化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化船型生成、性能計(jì)算和船型優(yōu)化。

1船型參數(shù)化設(shè)計(jì)

在參數(shù)化建模中，船體的曲面形狀由船體特征參數(shù)控制，特征參數(shù)對(duì)船舶水動(dòng)力性能影響很大。各類(lèi)船舶有不同的特征參數(shù)和曲線(xiàn)，其中特征參數(shù)有船長(zhǎng)、型寬、設(shè)計(jì)吃水、主甲板高、棱形系數(shù)、方形系數(shù)等，特征曲線(xiàn)有龍骨線(xiàn)、平邊線(xiàn)、平底線(xiàn)、舭部升高線(xiàn)等。特征參數(shù)和特征曲線(xiàn)數(shù)據(jù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于確定船體曲面的型值數(shù)據(jù)量。用特征參數(shù)、特征曲線(xiàn)表達(dá)船型，然后進(jìn)行初步的性能估算，可以減少計(jì)算量，提高計(jì)算速度。[13]船型參數(shù)化設(shè)計(jì)方法分為4步：（1）確定特征參數(shù)；（2）設(shè)計(jì)縱向特征曲線(xiàn)；（3）生成橫剖面曲線(xiàn)；（4）得到船體曲面。[45]

1.1特征參數(shù)

特征參數(shù)控制特征曲線(xiàn)的形狀，進(jìn)而影響船體曲面形狀。特征參數(shù)可以分為2類(lèi)：一類(lèi)為全局參數(shù)，如船體的垂線(xiàn)間長(zhǎng)度、船寬、型深、設(shè)計(jì)吃水、主甲板高度、棱形系數(shù)、方形系數(shù)等船體主要要素；另一類(lèi)為局部參數(shù)，主要控制船體縱向和橫向的特征曲線(xiàn)，如控制平邊線(xiàn)、平底線(xiàn)、舭部升高線(xiàn)和球艏等的參數(shù)。[6]endprint

1.2特征曲線(xiàn)

參數(shù)特征曲線(xiàn)可以分為縱向特征曲線(xiàn)和橫剖面曲線(xiàn)。縱向特征曲線(xiàn)，如橫剖面面積曲線(xiàn)、設(shè)計(jì)水線(xiàn)、船體輪廓線(xiàn)、平邊線(xiàn)、平底線(xiàn)等，都是生成船體曲面必要的曲線(xiàn)。設(shè)計(jì)縱向特征曲線(xiàn)時(shí)，可根據(jù)具體情況決定是設(shè)計(jì)全部縱向曲線(xiàn)還是僅設(shè)計(jì)部分縱向曲線(xiàn)。縱向曲線(xiàn)主要組成見(jiàn)表1。縱向特征曲線(xiàn)通過(guò)控制橫剖面曲線(xiàn)上點(diǎn)的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)橫剖面曲線(xiàn)的設(shè)計(jì)。橫剖面曲線(xiàn)的創(chuàng)建一般用FRIENDSHIP中的Feature實(shí)現(xiàn)。

1.3船體曲面的生成

FRIENDSHIP軟件以形狀參數(shù)為基礎(chǔ)，整個(gè)建模過(guò)程細(xì)分為3個(gè)連續(xù)步驟：首先，根據(jù)所選的特征參數(shù)建立參數(shù)點(diǎn)，用軟件中的各種線(xiàn)型設(shè)計(jì)和生成光順的縱向特征曲線(xiàn)：然后，運(yùn)用軟件的相應(yīng)模塊生成一系列光順的橫剖面曲線(xiàn)；最后，利用蒙面法生成船體曲面。[710]船體曲面生成過(guò)程見(jiàn)圖1。

2油船船體曲面全參數(shù)化建模

以某46 000 t油船為例進(jìn)行船體曲面全參數(shù)化建模。由于后續(xù)黏流計(jì)算的需要，所建參數(shù)化模型按1∶27的比例進(jìn)行縮小。

船體中部曲面的曲率變化較小，建模通常都從船體中部位置開(kāi)始，然后依次向艏、艉延伸。46 000 t油船在船體中部位置設(shè)有一定長(zhǎng)度的平行舯體，并且艏部帶有球鼻，因此以平行舯體段作為起始段，再以平行舯體兩端的橫剖面向艏、艉進(jìn)行延伸建模，主要將船體劃分為平行舯體段，船體前部，船體后部3個(gè)部分。根據(jù)不同部分曲面的特點(diǎn)，對(duì)曲面進(jìn)行進(jìn)一步劃分，見(jiàn)圖2。

2.1主要特征曲線(xiàn)創(chuàng)建

根據(jù)船舶主體尺寸要素等數(shù)據(jù)建立船體的平邊線(xiàn)、平底線(xiàn)、中剖面輪廓線(xiàn)、船的設(shè)計(jì)吃水、橫剖面面積、設(shè)計(jì)水線(xiàn)、球艏等特征曲線(xiàn)。下面以球艏為例介紹特征曲線(xiàn)建立過(guò)程。

球艏建模相關(guān)的主要特征參數(shù)見(jiàn)表2。

2.2橫剖面構(gòu)造

在特征曲線(xiàn)的基礎(chǔ)上用NURBS曲線(xiàn)表達(dá)光順的橫剖面曲線(xiàn)。由于船體橫剖面曲線(xiàn)隨船長(zhǎng)變化，需要將其劃分為幾個(gè)部分單獨(dú)建模，此處僅以船體中部曲面的創(chuàng)建為例詳細(xì)闡述，其他部位方法類(lèi)似。

船體中部曲面橫剖線(xiàn)分為底部、舭部和舷側(cè)3個(gè)部分，需要4個(gè)點(diǎn)控制橫剖面曲線(xiàn)形狀，見(jiàn)圖4。

2.3曲面生成

將Feature導(dǎo)入到Curve Engine中，設(shè)定好特征參數(shù)和曲線(xiàn)的配置，選擇橫剖面曲線(xiàn)生成的坐標(biāo)系統(tǒng)，再將該Curve Engine添加到曲面生成器Meta Surface中，輸入曲面生成的起始和終止位置，就會(huì)在該范圍內(nèi)會(huì)生成無(wú)數(shù)的橫剖面從而得到光順的船體曲面，見(jiàn)圖5。

3油船阻力性能優(yōu)化

以參數(shù)化46 000 t油船為基礎(chǔ)，選擇船體的首、尾部型線(xiàn)為優(yōu)化對(duì)象，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。采用Sobol算法和Tsearch算法對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，完成46 000 t油船總阻力性能的數(shù)值優(yōu)化。

3.1型值數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取

為實(shí)現(xiàn)FRIENDSHIP和Shipflow之間的集成，需要將參數(shù)化模型轉(zhuǎn)化為Shipflow所能讀取的格式，實(shí)現(xiàn)CFD計(jì)算和后續(xù)的船型自動(dòng)優(yōu)化。在研究過(guò)程中，定義Feature實(shí)現(xiàn)船體參數(shù)化曲面型值的自動(dòng)提取。根據(jù)曲面特點(diǎn)將曲面型值分為4個(gè)部分：艉軸、主體、艉部、球艏。采用做橫剖線(xiàn)的形式，對(duì)船體提取4部分型值，設(shè)置好Feature中的相關(guān)參數(shù)，即可得到全船型值，見(jiàn)圖6。將該型值數(shù)據(jù)將輸入到SHIPFLOW中完成總阻力的計(jì)算。

3.2計(jì)算網(wǎng)格

對(duì)該46 000 t油船在設(shè)計(jì)航速（弗勞德數(shù)Fr=0.183）時(shí)阻力和流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，興波阻力采用勢(shì)流面元法計(jì)算，在船體和自由表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，船體計(jì)算面元總數(shù)約為3 800個(gè)。自由液面大小取值：船前取0.5LPP（LPP為垂線(xiàn)間長(zhǎng)度），船后取1.6LPP，船側(cè)取0.6LPP，計(jì)算面元數(shù)約為3 500個(gè)，見(jiàn)圖7。計(jì)算黏性阻力時(shí)采用RANS方法，自動(dòng)劃分網(wǎng)格，軸向×周向×徑向網(wǎng)格劃分為113×49×71，網(wǎng)格總數(shù)約為39萬(wàn)個(gè)。

3.3優(yōu)化變量設(shè)定

選擇船體的首、尾部型線(xiàn)為優(yōu)化對(duì)象，在船體的首部選擇10個(gè)參數(shù)、尾部選擇9個(gè)參數(shù)，其相應(yīng)的變化范圍見(jiàn)表4。

3.4優(yōu)化目標(biāo)定義

重點(diǎn)對(duì)船體的首、尾部型線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化，以減小船舶的總阻力，因此將總阻力作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。編寫(xiě)CFD計(jì)算所需的配置文件，型值數(shù)據(jù)按第3.1節(jié)所得到的型值。在FRIENDSHIP中集成Shipflow，設(shè)置好計(jì)算路徑進(jìn)行總阻力數(shù)值計(jì)算。

3.5約束條件定義

在保證46 000 t油船的阻力性能得到改善的同時(shí)，要保持初始船型的營(yíng)運(yùn)性能。為保證船型在優(yōu)化前后的浮性和穩(wěn)性不發(fā)生太大的變化，將排水量和浮心的縱向位置作為優(yōu)化的約束條件，要求船體型線(xiàn)在約束條件范圍內(nèi)變化。選擇約束變化范圍為：（1）排水體積在母型船的基礎(chǔ)上浮動(dòng)范圍小于1%；（2）浮心縱向位置在母型船的基礎(chǔ)上浮動(dòng)范圍小于1%。

3.6優(yōu)化算法設(shè)置

選擇Sobol算法在全局范圍內(nèi)進(jìn)行較優(yōu)船型的探索，生成總計(jì)200組方案，從中選出總阻力最小的方案，并在此方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行Tsearch算法優(yōu)化，最大迭代次數(shù)設(shè)置為200次，最終得到阻力最小的方案。

4優(yōu)化結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)130 h的優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表5。優(yōu)化前后自由面波形輪廓圖及舷側(cè)縱向波切比較見(jiàn)圖8，優(yōu)化前后型線(xiàn)比較見(jiàn)圖9。

優(yōu)化后總阻力下降5.60%。將優(yōu)化船與母型船的型線(xiàn)進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，排水體積的減少使得船體前部的橫剖面形狀由“U”形逐漸變?yōu)椤癡”形。“V”形橫剖面形狀會(huì)使得船體的濕表面積減小，因此會(huì)使得船體的摩擦阻力相應(yīng)減小，同時(shí)由于“V”形橫剖面形狀使得船體的舭部漩渦減少，雖然“V”形剖面可能會(huì)使得船體的興波阻力增大，但由于該46 000 t油船屬于低速船，興波阻力所占的比重較小，因此興波阻力增大的幅度小于船體摩擦阻力增大的幅度。船體的尾部曲線(xiàn)略微收縮有向“V”形變化的趨勢(shì)，船體的濕表面積減小從而使得摩擦阻力減小。endprint

5結(jié)束語(yǔ)

利用FRIENDSHIP和Shipflow成功實(shí)現(xiàn)46 000 t油船船型全參數(shù)化建模和總阻力自動(dòng)優(yōu)化，獲得阻力性能較好的船型，這對(duì)實(shí)現(xiàn)仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、縮短設(shè)計(jì)周期具有重要意義。

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