船舶CAD／CFD一體化設計過程集成技術研究＊

馮佰威 劉祖源 詹成勝 常海超

（武漢理工大學交通學院 武漢 430063）

0 引 言

隨著計算機輔助設計技術（CAD）的廣泛應用和船舶計算流體力學（computaional fluid dynamics，CFD）的迅速發展，船舶設計能力和水平都得到極大提高.但總的來看，在設計開發過程中充分利用CFD技術進行輔助分析、優化的手段和能力還不夠，設計過程中經驗還是占主導地位，CFD主要用來檢驗CAD的結果，而不是用來驅動產品設計，兩者基本上處于“孤島”狀態，沒有實現有機的集成，最終導致CAD的優勢沒有完全發揮出來.因此，利用集成優化平臺，實現船舶CAD與CFD一體化設計，最終達到船型“設計－分析－再設計”任務的自動化，具有重要的現實意義.

1 基于CAD／CFD的船型一體化的設計思想

基于CAD／CFD船型優化方面，研究主要集中在意大利、日本、德國（見參考文獻［1－6］）.總體上來看，這幾個國家的船型水動力優化研究均按照設計分析集成化、一體化的主線發展，且已經實現了CAD／CFD的集成優化設計，達到了以性能驅動設計的目標.在船型參數化建模方面采用了CAD軟件的二次開發（如擾動面方法）或新開發船舶參數化設計軟件（如friendship）；在CFD計算方面部分學者采用商業軟件（如shipflow，fluent等），也有部分學者采用自編軟件；在集成方面大都采用了商業集成框架（如Modelcener或iSIGHT）.其研究的內容也不僅僅局限在單個性能，而是多個性能的綜合優化，目前，多學科設計優化（MDO）正日益受到重視，并在實際工程中得到應用.

通過借鑒國外在此領域的技術發展，本文提出了基于CAD／CFD的船型一體化設計的框架，其思路如圖1所示.

圖1 船舶CAD／CFD一體化設計框架

由圖1所示，其框架主要由三部分構成，分別是船舶CAD軟件、網格生成工具及CFD數值求解工具、優化器.各部分的功能如下：（1）船舶CAD軟件.根據設計變量的變化生成一系列的三維船型，同時可進行靜水力計算，以判斷約束條件是否滿足；（2）網格生成及CFD數值求解器.將CAD中生成的船型導入網格生成工具中，自動劃分網格，同時利用CFD軟件進行目標函數的自動求解；（3）優化器.根據不同的優化問題，選擇相應的優化算法，對設計空間進行有效探索.

若要實現基于CAD／CFD的船型一體化設計，除了必要的軟件工具外，還有一些關鍵技術需要解決，主要有以下4個方面：（1）基于CAD的船型參數化表達及修改技術；（2）船舶CAD／CFD一體化設計的集成技術；（3）船舶CAD／CFD一體化設計近似求解技術；（4）船舶CAD／CFD一體化設計優化算法.本文主要重點闡述如何實現CAD／CFD的集成.

2 船舶CAD／CFD一體化設計的集成技術

2.1 數據集成

目前船舶領域各學科均有各自相對成熟的計算理論和仿真軟件，但卻較少考慮相互之間的集成，以致在進行船舶CAD／CFD一體化設計時，各學科之間的數據不能很好銜接.數據集成的目的是解決不同學科軟件間的數據通信問題.主要包括以下兩個方面的數據集成.

1）船舶CAD軟件與集成框架iSIGHT的數據集成 該部分集成主要包括母型船的調和程序、船舶CAD軟件的宏程序與iSIGHT之間的相互傳遞.母型船的調和模塊在前文已經敘述，主要功能是產生一系列的光順船型.而宏程序則是以文件的方式存在，通過CAD軟件可以直接執行該宏程序，從而完成讀取新船型數據并完成靜水力計算及其他一系列的功能.通過利用iSIGHT的文件解析功能，可分別對母型船調和程序的輸入文件及宏文件中的部分參數進行解析，實現參數的變量化，將參數轉化為優化環境中的變量參數，使其可以動態調整；變量參數值調整后，iSIGHT自動更新輸入文件及宏文件，從而實現iSIGHT到船舶CAD軟件及母型船調和程序的數據傳遞（見圖2）.

圖2 船舶CAD與iSIGHT的數據集成

2）船舶CAD軟件與CFD計算分析軟件之間的數據集成 主要指船舶三維模型與網格劃分軟件Gambit之間的集成，實現幾何模型傳遞，替代CFD中幾何模型的重建工作，減少分析人員的工作量，保證數據的一致性.Gambit支持ACIS、Parasolid，IGES和STEP等數據標準.由于大多數船舶CAD軟件可以產生IGES格式的船型數據，因此不需二次開發即可實現船舶三維模型與網格劃分軟件Gambit之間的數據集成.Gambit可直接讀取IGES格式的幾何模型，然后進行網格劃分（見圖3）.

圖3 船舶CAD與CFD分析軟件的數據集成

2.2 過程集成

船舶CAD／CFD一體化設計是一個反復疊代的過程，盡量避免對優化過程的人工干預，可以加快優化速度，提高優化效率.通常，優化設計流程是根據事先制定好的優化方案自動進行優化計算和評判，因此在船型水動力優化設計時需要將水動力計算分析和優化評判等過程進行集成.主要需要考慮以下幾個過程的集成.

1）CFD計算邊界及分析要求設定 通過執行所記錄的Gambit網格劃分和Fluent計算的運行腳本，可以重現原始Gambit網格劃分和Fluent計算分析操作.在優化計算過程中，通過調整設計變量以修改Gambit和Fluent的運行腳本文件，即可實現對CFD分析邊界的自動設定.

2）優化策略定制 針對不同的優化對象需要制定不同的優化策略.優化策略主要包括試驗設計方案、設計變量的靈敏度分析、近似模型算法以及定義優化流程的設計流、控制流和數據流.優化流程中的設計流定義主要是指分析優化設計的邏輯順序和提取各子系統的運行參數等；控制流定義主要指優化過程中控制流程的定義，包括循環和條件等控制流程；數據流定義主要用于制定各環節的輸入輸出數據以及設計變量，該功能主要通過iSIGHT文件解析器和變量設計器實現.

3）優化結果的自動評判分析 在計算分析流程集成的基礎上，需要集成綜合評判流程，才能最終實現系統集成.優化結果評判包括指定優化評判目標與策略和執行結果評判.優化評判目標與策略主要指在iSIGHT環境下，通過多層次任務定制，指定設計目標權重選取目標參數優化范圍、選取合適的優化算法等.優化結果評判執行是船型水動力分析結束后，根據所選定的優化算法對目標參數進行評判，以及根據評判結果對設計變量進行自動調整.通過對船型CAD／CFD的數據集成和過程集成進行分析，可以得出如圖4所示的船舶CAD／CFD一體化優化設計流程圖.

圖4 船舶CAD／CFD一體化優化設計流程圖

3 船舶CAD／CFD集成實例

3.1 集成軟件環境

操作系統：WINDOWS XP SP2.

船型參數化建模：CAD軟件二次開發.

計算網格劃分：Gambit：2.1.

阻力計算分析：Fluent 6.1.

集成優化框架：iSIGHT 8.0.

XWindow模擬軟件：Exceed 8.0.

3.2 船舶CAD／CFD集成

1）軟件集成 利用iSIGHT提供的集成功能，自動實現船舶三維建模軟件、CFD計算分析軟件之間的數據銜接，在優化過程中對仿真軟件自動進行調用.在集成中主要以仿真代碼（Simcode）的形式調用命令行參數.

2）數據集成 將優化過程中所涉及到的各項數據，以設計變量的形式進行參數化控制，主要通過iSIGHT的文件解析和變量管理功能實現.

3）優化定制 設置優化策略，包括指定設計變量的變化范圍和優化目標、選擇優化算法、試驗設計、質量控制方法和近似方法等.根據設計優化的目標，比較iSIGHT提供的算法庫［7］，采用符合實際需求的高效優化算法，尋找最優的、最可靠的和最穩健的設計方案.

完成CAD／CFD的集成后，即可根據制定的優化策略對水動力問題進行優化迭代計算，顯然，CAD／CFD集成優化能夠大大提高設計效率.

4 結 束 語

實現船舶CAD／CFD一體化優化設計，其重要的關鍵技術之一便是實現兩者的數據集成及過程集成.本文通過對船舶CAD／CFD一體化設計的關鍵技術進行研究，建立了基于iSIGHT的船舶CAD／CFD一體化設計的集成框架，運用數據集成和過程集成技術，實現了船舶CAD與CFD的集成，極大的提高了設計效率.本文所取得的成果是進行船型優化的基礎，對后續的基于CFD的船型多性能協同優化研究工作是不可或缺的.

［1］Neu W L，Hughes O.A prototype tool for multidisciplinary design optimization of ships［C］／／Ninth congress of the International Maritime Association of the Mediterranean，Naples，Italy，2000.

［2］Campana F，Peri D.Shape optimization in ship hydrodynamics using computational fluid dynamics［J］.Comput.Methods Appl.Mech.Engrg，2006，196：634－651.

［3］Peri D，Rossetti M.Multidisciplinary design optimization of a naval surface combatant［J］.J.Ship Res，2003，41（1）：1－12.

［4］Peri D，Campana E F.High－fidelity models and multiobjective global optimization algorithms in simulation based design［J］.J.Ship Res，2005，49（3）：159－175.

［5］Yusuke Tahara ，Satoshi Tohyama，CFD－based multi－objective Optimization method for ship design［J］.Int.J.Numer.Meth.Fluids 2006，52：499－527.

［6］Yusuke Tahara，Stern F.Comuputational fluid dynamics－based optimization of a surface combatant［J］.Journal of Ship Rearch，2004，28（4）：273－287.

［7］馮佰威，劉祖源.基于iSIGHT的船舶多學科綜合優化集成平臺的建立［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2009，33（5）：897－899.