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(zhàn)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(shù)值模擬計算已經(jīng)應用得非常廣泛。船型優(yōu)化已不再僅僅滿足于依靠經(jīng)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(yōu)良性能。因此，在船型生成與性能計算之間建立相應的聯(lián)系，成為船型優(yōu)化過程中急需解決的重要問題。我們的目的是發(fā)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(tǒng)，并進一步將其耦合到水動力計算和船型優(yōu)化系統(tǒng)中。1992年，Stephen M. Hollister提出了自動化船型變換與優(yōu)化方法[1]。通過控制改變某一船型參數(shù)，另一參數(shù)相應改變作為補償，而其他主要參數(shù)保持不變，自動生成性能計算所需的船型型值文件，實現(xiàn)與水動力數(shù)值模擬計算軟件自動對接，開發(fā)出水動力性能優(yōu)化設計系統(tǒng)。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(shù)控制變換[2]。本文采用船型參數(shù)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(shù)、棱形系數(shù)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(shù)控制得到令設計者滿意的結果。主要參數(shù)包括：船長(L)、寬(B)、吃水(T)、棱形系數(shù)(Cp)、縱向浮心位置(lcb)和船舯系數(shù)(Cm)等。理想情況下，設計者希望使其中一個主要設計參數(shù)改變?yōu)樗枰哪繕酥担渌饕獏?shù)保持不變，當然這是不可能的。由于各參數(shù)之間都是相互聯(lián)系的，并且很多情況下一變皆變，很難對參數(shù)進行敏感性分析。比如船長改變之后，相應的棱形系數(shù)、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(shù)(稱之為“目標參數(shù)”)的同時，必須至少改變另一個參數(shù)予以補償(稱之為“補償參數(shù)”)。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(shù)。

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(wǎng)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(shù)通過輸入型值建立計算模型，且對于性能設計評估(阻力、穩(wěn)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(shù)有：水線長(LWL)、水線寬(BWL)、型深(D)、吃水(T)、排水量(Vol)、棱形系數(shù)(Cp)、船舯系數(shù)(Cm)。各參數(shù)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(fā)，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(fā)生改變來補償某一尺度的變化。

2) 改變船體形狀(剖面系數(shù)cmfact，棱形系數(shù)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(fā)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(fā)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(shù)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(shù)和補償參數(shù)改變外，其他參數(shù)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(shù)，調(diào)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(chuàng)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(shù)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(shù)，p.scmf(i)為原來的剖面系數(shù)，其中：

rt為坐標變化系數(shù)。

保持rt為常數(shù)，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(shù)變換。通過改變船體主尺度，如船長、半寬、吃水、排水量等參數(shù)，使棱型系數(shù)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(fā)展的，除棱型系數(shù)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(yōu)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(shù)(cmfact)，共派生出15艘不同長寬比，不同剖面系數(shù)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(shù)(cmfact)，對應于每艘船，應用CMVARY模塊改變剖面系數(shù)cmfact(以符號M表示，即M0，M1……)，以及STRECTH模塊改變船寬B迭代調(diào)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(wěn)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(shù)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(nèi)容將另文發(fā)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(shù)變換船型的方法，在船舶設計優(yōu)化過程中能夠快速實現(xiàn)數(shù)值建模。該程序完善后可作為水動力性能船型優(yōu)化設計系統(tǒng)中的船型變換子系統(tǒng)。

應用本方法，以船體的船型參數(shù)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(nèi)在決定性關系。通過系列CFD數(shù)值模擬，可以建立相應的系列船型性能(阻力，耐波)數(shù)據(jù)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(shù)變換船型，如水線面系數(shù)，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(shù)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.