基于參數化CAD模型的船型阻力／耐波性一體化設計

邱遼原 謝 偉 姜治芳 馮佰威 劉祖源

1中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

2武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063

基于參數化CAD模型的船型阻力／耐波性一體化設計

邱遼原1謝 偉1姜治芳1馮佰威2劉祖源2

1中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

2武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063

在艦船概念設計階段，往往需要快速生成阻力和耐波性能兼優的船型。采用基于母型船的船型融合生成方法，實現了參數化船型自動生成。在此基礎上，采用iSight優化平臺，將參數化船型生成技術與阻力、耐波性計算模型集成，運用多學科設計優化技術實現了船型阻力／耐波性性能一體化設計。優化方法采用多目標遺傳算法以獲取Pareto前沿。以一艘46 000 DWT油船的型線優化為算例對這個過程進行了具體說明，試驗結果表明總阻力降低了3%，驗證了這種方法的可行性。

船舶；參數化船型；阻力；耐波性；多學科設計優化

1 引言

隨著船舶航行環境的日益復雜，耐波性能已成為船型設計的一個重要性能指標。由于耐波性能與船型密切相關，因此船型設計不僅要考慮船舶的阻力性能，同時也要考慮耐波性能。船舶阻力／耐波性的一體化設計成了一個重要的研究問題。

從優化設計角度來看，船型阻力／耐波性一體化設計是一個多學科設計優化問題。例如，意大利羅馬水池教授Peri D，利用多學科設計優化方法，完成了阻力、耐波性兩學科三目標的優化問題［1－4］；日本大阪大學的Yusuke Tahara［5］教授利用自主開發集成框架，完成了阻力和推進的多學科多目標優化。

從實際應用角度來看，由于目前CAD軟件在船舶設計各個階段中獲得了廣泛的應用，將CAD軟件融入到多學科設計優化框架中是必然的趨勢［6-7］。因此，在阻力／耐波性一體化設計中應該集成CAD軟件，從而可帶來以下優勢：

1）CAD軟件提供了豐富的三維造型功能，能準確地生成船體外形，可為阻力和耐波性能分析提供精確的外形模型；

2）在以往的阻力、耐波性設計中，阻力學科和耐波性學科通常各自建立一個船體外形模型。而參數化CAD建模可以為阻力學科和耐波性學科提供統一的外形模型，避免了不同學科重復的外形建模，并消除了不同模型之間的差異；

3）在船型設計中，有關船型的排水量和浮心縱向位置等船型參數非常重要，CAD軟件可以直接精確計算出各類靜力學要素；

4）阻力／耐波性多學科設計優化結果本身就是一個三維CAD模型，可被下游設計階段（詳細設計階段）直接利用，無需再根據優化結果重新建立外形CAD模型。

因此，將CAD軟件與阻力／耐波性多學科設計優化結合起來具有實際應用價值。本文針對CAD軟件與船型阻力／耐波性多學科設計優化集成的問題，采用CAD二次開發技術，提出了基于參數化CAD模型的阻力／耐波性一體化設計流程，以46 000 DWT油船阻力／耐波性一體化設計為算例，詳細闡述流程的實現過程。

2 基于參數化CAD的阻力 ／耐波性一體化設計流程

基于參數化CAD模型的船型阻力／耐波性一體化設計流程如圖1所示。

簡述如下：

1）設計參數即為控制船型變化的優化變量；

2）船型參數化融合模塊讀入設計參數，通過母型船的融合，生成新的船型；

3）自動提取阻力計算及耐波性能計算所需的數據文件，同時計算排水量及浮心的縱向位置；

4）阻力計算軟件及耐波性計算軟件分別讀取相應數據文件，分別計算阻力及耐波性指標；

5）選擇合適的優化算法，進行船型阻力及耐波性能綜合優化。

自動評判獲得的船體形狀是否為阻力及耐波性能最優的船型，如果不滿足要求，則再自動更改設計參數，重復上述步驟的2）～5），直至找到阻力及耐波性能綜合兼優的船型。

上述整個流程可借助多學科設計優化集成軟件 iSight來實現［8-9］。

3 應用算例

以一艘46 000 DWT油船的型線優化為算例，闡述圖1流程的具體實現過程。其阻力／耐波性一體化設計問題是：在滿足一定的約束條件下，優化船型，改善阻力和耐波性能。

該船主尺度排水量48 800 t，設計水線長176.2 m，船寬 32.4 m，吃水 10.5 m，型深 17.9 m，方形系數 0.794，浮心縱向相對位置 0.467。

3.1 船型的參數化融合生成方法

以型線生成CAD軟件Fastship為二次開發平臺，基于NURBS的船型描述基礎上，開發了船型融合自動生成方法。該方法是以現有的多條母型船為基礎，通過融合系數（權重因子）的調節，產生一系列光順的船型。而這一融合的過程則是直接修改母型船的NURBS控制頂點，再由融合生成的控制頂點產生船體曲面的網格，進而生成船體曲面。在融合過程中一定要保證融合系數（權重因子）的總和為1。其融合過程如下：

從上面的融合過程可以看到，因融合系數的和為1，因此無論怎樣調節Ci的值，融合后生成的船型則總是在正好容納所有母型船的最小空間內，如圖2所示。

另外，如果在優化過程中主尺度也作為變量，那么還須要將原主尺度下的融合生成的控制頂點坐標按照比例縮放到當前的主尺度下的頂點坐標。現以船長X方向的縮放為例，得到新船控制頂點X坐標的過程可表示為：

式中，Xnew表示新船的控制頂點X坐標；Xblending表示融合船的控制頂點X坐標；Lbasisship表示母型船的船長；Lvariable表示通過優化器得到的船長。船寬Y方向和型深Z方向的縮放與此類似。

3.2 阻力及耐波性能計算

3.2.1 阻力計算

船舶總阻力Rt用粘壓阻力Rνp、摩擦阻力Rf和興波阻力Rw三者之和來表達，即Rt＝Rνp＋Rf＋Rw。

1）摩擦阻力Rf及粘壓阻力Rνp

采用 Holtrop 方法估算，即 Rf＋Rνp＝Rf（1＋k）。

式中摩擦阻力系數采用1957年ITTC公式計算，形狀因子k采用下式估算：

c2（B ／LR）0.92497（0.95－Cp）－0.521448（1－Cp＋0.022 5 lcb）0.6906｝式中，Cp為棱形系數；lcb為浮心縱向坐標占船長的百分數；c1與尾部形狀有關；c2與吃水船長比T／L有關；LR為去流段長度；LR可用下式估算：

2）粗糙度補貼ΔCf

根據1975年第14屆國際船模試驗池會議公式計算粗糙度補貼系數計算：式中，ks為粗糙度表觀高度，本軟件取150×10－6m。

3）興波阻力Rw

采用Shipflow軟件計算，即Rw＝CwρV2S。

Cw的計算通過Shipflow軟件，采用邊界元法、線性自由面邊界條件以及船體表面用高階NURBS表達，源的分布為NURBS表達的高階源分布。Shipflow軟件計算興波阻力所需要的船型曲面上的數據均從圖2所示的CAD模型中直接獲得。

3.2.2 耐波性能計算

船舶在波浪上的運動計算程序是建立在線性理論基礎上，并假設流體為均勻、不可壓縮和無粘性的理想流體。在此基礎上建立船舶線性運動微分方程：

式中，Mij，mij，Nij和 Cij分別為船舶質量慣性力系數、附連質量系數、阻尼系數和線性恢復力系數。

方程中的水動力系數采用經典的切片理論求解，進而求解運動微分方程得到船舶在波浪上的運動頻率響應函數。耐波性計算所需要的船型各剖面的數據均從圖2所示的CAD模型中獲取。圖3為耐波性計算的程序流程。

3.3 優化問題的數學表達

船型阻力及耐波性能一體化設計問題可用下面的方式來表達。

目標

1）設計航速20 kn時的單位排水量總阻力最小，即Min；

2）固定海況下的垂蕩峰值最小，即min（max-heave），其中maxheave＝，ξmax為垂蕩峰值，h為波高；

3）固定海況下的縱搖峰值最小，即min（maxpitch），其中maxpitch＝，φmax為縱搖峰值，k為波數。

變量

船長L、船寬 B、吃水 T、型深 D、融合系數 Ci。約束條件：

1）浮力平衡約束；

2）穩性約束；

3） ∑Ci＝1 ，且0≤Ci≤1。

本文利用iSight的過程集成及優化策略定制功能，完成了上述各模塊的集成及優化問題的表述。其部分界面見圖4。

3.4 優化結果及分析

上述的優化問題是一個多目標優化問題。對于這類問題的求解，通常不存在絕對的最優解，實為Pareto解集。求解多目標優化問題的實質就是確定Pareto解集［10］。本文采用Shinya提出的多目標遺傳算法求解該優化問題。優化算法中的參數設置為：初始種群 20，代數 10，交叉概率為 1.0，變異概率為0.01。優化后得到該問題的Pareto解集，該解集中共有44個優化方案，見圖5及表1。

表1 優化后獲得的部分方案Tab.1 Some of solutions obtained by the optimization process

如果從表中選擇優化方案13，那么耐波性能及阻力性能分別提高了 1.3%、1.9%及 12.3%。

為了驗證該方法的可行性，對優化前的母型船和優化方案13開展了模型阻力試驗。試驗結果表明，在設計航速20 kn附近時，優化方案13總阻力較母型船降低約3%，表明該方法是可行的，可應用于艦船方案論證和設計階段方案優選，具有一定的工程實用價值。

4 結束語

本文提出了一種采用基于母型船的船型融合生成方法，實現了船型參數化自動生成。在此基礎上應用CAD二次開發技術，將CAD與阻力計算模型、耐波性計算模型和多學科設計優化算法集成起來，實現了船型阻力／耐波性一體化設計。以一艘46 000 DWT油船的型線優化為算例，詳細闡述流程的具體實現過程，優化結果和模型試驗驗證了這種方法的可行性，表明該方法具有一定的實用價值。

在后續的研究中，將進一步擴展船型母型庫，確定合適的航行性能優化目標，集成更多的船舶航行性能，實現船舶航行性能多學科設計優化。

［1］PERI D，ROSSETTI M，CAMPANA E F.Design optimization of ship hulls via CFD techniques ［J］.Journal of Ship Research，2001，45（2）：141－149.

［2］PERI D，CAMPANA E F.Multidisciplinary design optimzation of a naval combatant ［J］.Journal of Ship Research，2003，47（1）：1－12.

［3］PERI D，CAMPANA E F.High－fidelity models and multiobjective global optimization algorithms in simulationbased design ［J］.Journal of Ship Research，2005，49（3）：159－175.

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［5］TAHARA Y，TOHYAMA S.CFD－based multi－objective optimization method for ship design［J］.International Journal for Numerical Methods in Fluids， 2006，52：499－527.

［6］HARRIES S，ABT C.Formal hydrodynamic optimization of a fast monohull on the basis of parametric hull design［C］//5th International Conference on Fast Sea Transportation，Seattle，WA，1999：368－398.

［7］HARRIES S，VALDENAZZI F，ABT C.Investigation on optimization strategies for the hydrodynamic design of fast ferries ［C］//6th International Conference on Fast Sea Transportation.Southhampton，UK，2001：255－263.

［8］馮佰威，劉祖源.多學科設計優化技術在船舶設計中的應用［J］.中國造船，2009，50（4）：15－18.

［9］馮佰威，劉祖源.船舶CAD＆CFD集成優化接口開發及應用研究［J］.船舶工程，2009，31（增刊 1）：32－35.

［10］ ZALEK S F，PARSONS M G，BECK R F.Naval hull form multicriterion hydrodynamic optimization for the conceptual design phase ［J］.Journal of Ship Reseach，2009，53（4）：199－213.

Integrated Ship Resistence/Seakeeping Optimization Based on Parametric CAD Model

Qiu Liao－yuan1 Xie wei1 Jiang Zhi－fang1 Feng Bai－wei2 Liu Zu－yuan2
1 China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064，China
2 School of Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China

The hull forms of ship both with optimal resistance and seakeeping performances are required to create quickly in the conceptual design phase.Parametric ship hulls were achieved automatically with a blending method according to the baseline ship design.Based on that， the resistance and seakeeping performance integrated optimization was implemented with multidisciplinary design optimization method，combining parametric ship hull blending method and the resistance and seakeeping performance procedures through iSight optimization software.A multi－criterion， population－based evolutionary algorithm optimization process was used to provide a more thorough representation of the numerically approximated Pareto front.The resistance and seakeeping integrated optimization of 46 000 DWT oil tanker was presented as an example to illustrate the process.Model test results show that total resistance reduction is up to 3%.The feasibility of this integrated optimization method was also validated.

ship engineering； parametric CAD model； resistance； seakeeping； multidisciplinary design optimization

U662.3

A

1673－3185（2011）01－18－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.01.004

2010-07-15

國家自然科學基金資助項目（10772139）；國家863高技術研究發展計劃（2006AA04Z124）；總裝“十一五”水動力預研基金

邱遼原（1977－），男，博士。研究方向：艦船總體設計、船舶多學科綜合優化技術。E-mail：Kiuly＠tom.com