SBD技術在“探索一號”科考船線型設計中的應用

倪其軍，李勝忠，阮文權 ，侯小軍，楊 磊

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

0 引 言

隨著全球海洋開發事業的發展，海洋資源勘探、考察等工作對科考船的功能要求和技術要求越來越高。據有關數據統計全球有40多個國家或地區擁有自己的海洋科學考察船，數量超過500艘，而且一些發達國家的海洋考察船及海洋勘探技術非常先進。科考船也在向綜合性、現代化和大型化方向發展。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，在原工程作業船“海洋石油299”的基礎上，開展“探索一號”科考船重大改造設計，提高船舶技術性能和安全可靠性，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”科考船的船型設計過程及其所采用的當前先進的基于仿真設計（Simulation Based Design，SBD）的船型設計技術。

SBD技術是隨著CFD技術、CAD技術以及最優化技術的發展，而出現的一種新的以目標驅動設計的構型設計模式。它將CFD技術系統地融入優化過程，并結合最優化理論與幾何重構/變形技術，實現對優化目標的直接尋優。其基本原理與優化設計流程如圖1和圖2所示。

圖1 SBD船型設計原理Fig.1 SBD-based hullform design optimization environment

圖2 典型自動設計流程Fig.2 Typical automated design process

國外在以減阻為目標的SBD船型優化設計方面開展了大量的研究工作，特別是對船體幾何重構技術、多目標全局優化技術、近似技術、綜合集成技術（并行計算）等關鍵技術進行了較為系統的研究，也取得了諸多成果。INSEAN水池的Campana和Peri等[1]以DTMB5415船模作為優化對象，對多目標全局優化算法和近似技術（變逼真度模型）以及船體幾何重構方法（分別采用Bezier Patch和基于CAD的幾何重構方法）進行了較為詳細的研究。對優化設計方案的模型試驗驗證結果表明：優化設計方案的總阻力比初始設計方案減小5.23%。為了推進SBD技術能夠面向實際的工程應用，Peri和Campana等[2]以解決高精度CFD數值計算帶來的響應時長和計算費用問題為目標，對簡約策略—近似技術進行了詳細的總結和研究。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化設計。

國內近幾年在該領域的研究也取得很大的進步，許多關鍵技術問題也已取得突破。中國船舶科學研究中心開展了眾多以減阻為目標的船型優化設計研究工作：針對6 600DWT、44 600DWT等多型散貨船開展了線型優化設計，減阻效果及推進效率提升十分顯著[4-6]；以某艦船作為設計對象，開展了經濟速度與設計航速下的多目標優化設計，結果表明最優方案與原方案在兩個設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計，采用基于RANS的數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船型設計方法，并以改型方案為對象，采用SBD技術對其艏部線型進行了優化設計，并對設計結果進行了詳細的對比分析。

1 艏部改型設計與阻力預報分析

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船“海洋石油299”的基礎上改建而成，依據總體設計要求，僅保留原船尾半段船體，艏部線型重新設計。艏部改型設計方案與原船相比，長度增加了13.8 m，設計吃水由6.35 m變為5.50 m，排水體積增加了245.5 m3。改型前后船舶主尺度參數見表1。船體外形示意圖如圖3所示。

圖3 原船與改型設計方案示意圖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 改型設計前后阻力數值計算與分析

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

圖4 計算域Fig.4 Computation region

圖5 原船與改型設計方案表面網格Fig.5 The hull surface mesh of original and redesign case

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

計算模型的縮比為1：15，分別計算了對應實船航速8 kns、10 kns、12 kns、14 kns和16 kns時的模型阻力。結果見表2，自由面興波見圖6～8。從表中可以看出：改型設計方案在對應實船航速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技術的艏部線型優化設計

在改型設計方案的基礎上，采用SBD船型設計方法以阻力最優為目標開展線型優化設計。首先對SBD船型設計方法進行簡要的介紹，之后詳細地描述了艏部線型優化設計過程及其結果分析。

2.1 船型SBD設計方法簡介

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

該設計方法具有如下特點：設計過程是目標驅動設計；設計依據是最優化理論；設計手段是先進CFD技術；設計質量是滿足約束條件的最優設計。主要關鍵技術包括以下三個方面。

2.1.1 最優化技術

最優化技術是區別于經驗設計、體現知識化船型設計的重要特征，是求解船型優化設計問題的科學方法和必要手段。最優化技術在整個優化設計流程中充當“指路器”：即為優化設計問題的求解提供科學方法，科學地指導最優解的搜索方向。其作用是快速、準確地搜索到構型設計空間中的全局最優解。

2.1.2 船體幾何重構技術

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

2.1.3 船舶水動力性能預報評估技術

船舶水動力性能預報評估技術是建立船型優化問題數學模型的基礎，是連接船體幾何外形和優化平臺的紐帶。水動力性能的預報精度直接影響著優化設計結果的質量。用于船型優化設計的船舶水動力性能評估方法應該具備以下條件：預報精度盡可能高且穩定；預報結果對船體幾何變化比較敏感，即具有較好的“分辨率”；計算響應快捷、高效。然而，精度高、“分辨率”好與計算響應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常苛刻的要求。本文采用基于RANS的CFD數值評估技術，已在多個船型設計中進行了應用[4，6，8-9]，能夠滿足上述要求。

2.2 艏部線型優化設計

2.2.1 目標函數及其評估方法

應用SBD船型設計方法對設計方案艏部線型進行優化設計，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化目標，即：

優化設計過程中的阻力評估采用上節介紹的數值計算方法。

2.2.2 設計變量及約束條件

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

2.2.3 優化算法

優化算法的選擇對優化問題的求解至關重要，合適的優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解，提高獲得全局最優解的可靠性。本文采用基于隨機搜索的粒子群優化算法（Particle Swarm Optimization,PSO）對船體線型優化設計問題進行求解。該算法在船舶水動力性能優化設計中已得到廣泛的應用，其基本原理及優化過程見參考文獻[7]。

2.2.4 優化設計結果及其分析

以船模（縮比1:15）在Fn=0.203時的總阻力最小作為優化目標對其線型進行優化設計。PSO算法的種群粒子數為36個，共迭代10次。船模阻力數值計算在并行計算機上進行（共使用八個節點），完成整個優化設計共用時約180個小時。優化方案與設計方案模型阻力結果比較如表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 最優方案與改型設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 最優方案與改型設計方案線型比較Fig.10 Comparison of bodyplan between the optimized and the redesign hullform

圖11 優化方案與改型設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 優化方案和改型設計方案模型阻力數值計算結果比較（模型縮比1：15）Tab.3 Comparison of resistance components between the optimized and the redesign case(λ=1:15)

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

3 結 論

本文介紹了“探索一號”科考船船體改型設計，采用CFD數值方法對其阻力性能進行了計算分析；之后，基于SBD數值仿真設計方法，以航速12 kns時的總阻力作為優化目標，采用PSO優化算法對其線型進行了優化設計。結果表明：在滿足工程約束條件下，最優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船型設計方法的應用為“探索一號”科考船快速性能提升提供了有力的技術支撐。

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