虛擬水池試驗系統(tǒng)中船體曲面和網格自動生成技術

倪 昱，金建海，蒲 海，田志峰

( 中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫214082)

0 引 言

水動力學是艦船總體技術的核心基礎，水動力性能評估是艦船設計階段必不可少的重要組成部分，傳統(tǒng)的主要研究手段是物理模型試驗。近年來，以CFD 技術為核心、計算機技術為依托的虛擬試驗技術已成為國際水動力學領域創(chuàng)新研究的熱點［1］。

目前，相關研究人員在對船型進行CFD 分析時，需要從CAD 圖的型值信息開始，經歷提取型值表、創(chuàng)建船體幾何、創(chuàng)建計算域、網格控制點設置、體網格劃分、MSH 文件生成、材料、屬性邊界條件設置、迭代求解及后處理結果顯示等幾個步驟［2］。當船型型值信息改變或需要對船型進行優(yōu)化時，研究人員需要針對整個流程重新操作，但絕大部分都是重復性工作，從而浪費過多的時間在手工操作上。

中國船舶科學研究中心開發(fā)了艦船綜合水動力虛擬水池試驗技術系統(tǒng)。該系統(tǒng)將傳統(tǒng)的CFD技術與計算機軟件技術相結合，形成了1 套開放、功能可擴展的虛擬水池試驗軟件平臺。為了減少傳統(tǒng)CFD 分析的重復性手工操作，讓研究人員將更多精力放在船型優(yōu)化和結果分析上，虛擬水池試驗技術系統(tǒng)實現(xiàn)了船型進行自動化建模和網格劃分，將固定的手工流程自動化，縮短了重復工作的時間。本文對該系統(tǒng)中船體復雜三維曲面及其全域全結構化網格的自動生成技術進行研究。

1 船體復雜三維曲面的自動生成

在進行艦船水動力分析的CFD 分析過程中，首先要有表示艦船外表面幾何模型的CAD 模型［3］，然后才能進行建立流體計算域、網格劃分等工作。船體CAD 模型的建立十分重要，也比較繁瑣，手工操作往往要花費工程人員大量的時間。專業(yè)人員建立船體CAD 建模的一般過程是:從各種型值文件中提取數據，利用已有的三維CAD 軟件(例如UG)進行手工建模。建模過程中主要是用到NURBS 曲線構造、曲面生成、曲面縫合、實體的布爾運算等操作。由于船體曲面是非常復雜的曲面，因此如何建立合理的船體三維曲面是一個需要專家知識的復雜過程。而在虛擬水池試驗系統(tǒng)中，我們對專家知識和經驗進行了封裝，對于拓撲結構類似的船體三維曲面實現(xiàn)了自動化建模，大大提高了工程人員建模的效率。

1.1 型值表文件

由于CAD 型值表的表達方式各有不同，因此虛擬水池試驗系統(tǒng)使用擴展標記語言XML 作為中間格式的標準型值表文件。XML 是一種簡單的數據存儲語言，使用一系列簡單的標記描述數據，在軟件系統(tǒng)中經常用來作為數據交換的中間格式。我們開發(fā)的程序可將AutoCAD、Tribon、NAPA 等其他常用型值表格式轉換為自定義XML 標準型值表文件。

根據船體型值數據所需相關參數，XML 文件歸納總結為DataGroup－版本控制、DataGroup－總體參數及DataGroup－船體型值表3 個模塊。

一個標準中間xml 文件代表1 艘船，記錄整條船的型值表信息、模型數據和分析設置參數，供各個CAD/CFD 軟件接口程序使用，整個文件分為以下4 個部分:

1)XML 版本信息

固定XML 格式，編碼格式是UTF－8。

2)轉換程序版本信息

第1 行以符號開頭的注釋行;第2 行為文件來源說明;第3 行為轉換程序版本信息以及文件創(chuàng)建時間。

3)總體參數

第1 行為總體參數項，包括船名、長度單位、船長、垂線間長等;第2 行為總體參數值。該模塊主要描述船體的總體信息。

4)船體型值表

船體信息又包括①水線/站線數據表:水線/站線數據表中的列表示對應高度的水線，每1 列代表1 條水線。②中縱剖線(輪廓線):第1 行代表不同高度的水線面，第2 行為相應高度水線面與首尾輪廓的交點，用“ ”分割。③縱剖線:第1 行為縱剖面位置，即縱剖線的y 值，每1 列代表1 條縱剖線。

1.2 曲面建模

船體曲面的自動化建模，仍然是建立在專家經驗的基礎上進行的。因此，首先是理解手工建模的流程，通過手工建模流程用程序實現(xiàn)自動化。其中手工過程經過梳理之后，主要包括以下幾個過程:

第1 步，導入船體型值表;

第2 步，通過型值表中的水線，站線，縱拋線，平底線等方向上的樣條曲線，及對曲線細節(jié)進行調整;

第3 步，通過網格曲面、N 邊曲面等方式利用水線、站線、輪廓線信息分段構造船體曲面。

通常在船首和船尾處的幾何形狀比較復雜，普通的曲面創(chuàng)建不能滿足這種復雜形狀的要求，因此需要進行細化，再將細化的曲面縫合成1 個曲面。

根據手工流程，利用UG 設計出對應的船型自動化建模過程，設計原型如圖1所示。

圖1 船體復雜三維曲面自動建模流程Fig.1 Process of complex 3D surface modeling automaticly

1)型值點重組

在船體的型線數據中，一般會包括水線、站線、平底線、輪廓線、縱剖線、尾封線數據。在構造其中任一條型線時，要把型線上的所有點都取到，以便更好地描述型線。比如某條水線上的點，應該是水線與站線、水線與縱剖線、水線與輪廓線等交點的集合。其他型線也要進行同樣的操作。

圖2 型值點重組Fig.2 Points reconstruction

2)型值點排序

在用型值點構造船體樣條型線時，型值點必須單調給出。比如水線，型值點就應該按X 遞增或遞減順序排列。故需對重組后的型值點排序。排序過程中還要根據實際情況刪除冗余的點。比如圖3 的水線在尾部有多個X 值相等的點，此時就要根據Y值最大原則選取合適的點。

圖3 型值點排序Fig.3 Points order

3)型值點分組去平

船體曲面形狀復雜，它包含了規(guī)則曲面和不規(guī)則曲面，為表達方便，一般將規(guī)則曲面和不規(guī)則曲面區(qū)分開，劃分成多個區(qū)域，在每個區(qū)域表達的基礎上拼接成完整的船體曲面。

圖4 型值點分組去平Fig.4 Points group

依據圖4 的7 個曲面片，需要對型值點進行分組，將直線的部分分離出來。

4)首尾站線分割

由于船首和船尾處的型值信息會導致站線穿過輪廓線，因此需要去掉此類多余的站線點。

圖5 首尾站線分割Fig.5 Division station line of head and tail

5)在所有型線中樣條曲線與直線相交的地方，必須保證樣條曲線與直線相切。

圖6 樣條曲線與直線相切Fig.6 Spline is tangent to line

6)曲面模型建立

7 個曲面中只有前體曲面與后體曲面是復雜曲面，其他為規(guī)則平面或曲面，利用其邊界線，通過放樣或N 邊區(qū)面方法即可生成所需曲面。前體曲面與后體曲面比較復雜。

圖7 曲面模型建立Fig.7 Generate surface model

UG 自動化建模最終結果如圖8所示。

圖8 自動化建模最終結果Fig.8 Final result of modeling automatic

2 船體復雜三維曲面全域全結構化網格自動生成

船體復雜三維曲面全域全結構化網格自動生成技術一直是CFD 分析技術的難點和重點，同樣也是本虛擬試驗建設過程的重點和難點［4］。在虛擬水池試驗技術系統(tǒng)中，借助于Gambit 的二次開發(fā)功能，實現(xiàn)船體三維曲面全域結構化網格的自動生成。

Gambit 中自動化計算域創(chuàng)建流程如下:

1)導入igs 模型曲面文件到Gambit 中，并利用自帶函數通過模型的拓撲結構關系，重新定義船型曲面各個幾何的編號，然后根據各個分段位置和船長倍數設置計算域分段的位置。

2)通過同樣的分段位置，創(chuàng)建包圍船體部分的計算域。在創(chuàng)建計算域幾何模型前對小曲面進行合并，并設置首部向前，尾部向后和外邊界參數。

圖9 計算域幾何模型Fig.9 Geometric model of calculation field

3)網格劃分。網格是CFD 模擬與分析的載體，網格的自動劃分的好壞直接影響到CFD 數值解的計算精度。為使模擬的流場更加精確，采用了六面體/五面體的混合的結構化網格。繞流場主要使用O 型和C 型2 種網格。

網格的疏密使用邊網格點進行控制，原則是近壁區(qū)的邊網格點數量多，滿足y+要求，遠離壁面區(qū)域邊網格點數量逐漸減少。劃出的體網格在壁面處非常精細，首尾區(qū)域的網格進行加密，而外部區(qū)域稀疏，經驗和結果證明這樣的設置更能準確地模擬流場。在首部、中段、尾部的各個邊上按照表1的方式進行布置網格點。周向上一般均勻布置;軸向大多需要設定疏密過渡的網格點;徑向和尾部軸向的根部需要設定初始網格高度，滿足y+要求，同時沿徑向和軸向需要疏密過渡。

表1 網格點分布及要求Tab.1 Mesh distribution and reqirement

網格生成和質量控制。首部和尾流區(qū)是整個模型中最復雜也是最關鍵的區(qū)域。為生成質量更高的網格，這2 個區(qū)域需要先依據邊上的邊網格點在2 個映射的“源面”上生成面網格，再使用Cooper 的方式掃過整個體而創(chuàng)建體網格。其他區(qū)域由于模型相對簡單，直接使用邊上邊網格點來創(chuàng)建規(guī)則的六面體結構網格。最終網格劃分結果如圖10所示。

3 結 語

本文在中國船舶科學研究中心開發(fā)的艦船綜合水動力虛擬水池試驗技術系統(tǒng)基礎上，研究了船體復雜三維曲面及其全域全結構化網格的自動生成技術。通過這些技術，可以減輕艦船CFD 分析中的重復性工作，提高研究人員的工作效率。

圖10 網格劃分結果Fig.10 Result of meshing

［1］吳廣明．CAE 在船舶結構設計中的應用及展望［J］．中國艦船研究，2007，2(6):30－34．

WU Guang-ming．The application and prospect of CAE in ship structure design［J］．Chinese Journal of Ship Research，2007，2(6):30－34．

［2］BEOM S J，JAE H J，YONG S S．Use of 3D compartment model for simplified full ship FE model．Part I:construction of FE model［J］．Journal of Marine Science and Technology．2008，13(2):154－163．

［3］黨松，莫蓉，常智勇，等．CAD/CAE 集成中的幾何模型轉換方法研究［J］．現(xiàn)代制造工程，2007(12):47－50．

DANG Song，MO Rong，CHANG Zhi-yong，et al．Research on geometric model transformation method in CAD /CAE integration［J］．Moden Manufacturing Enginnering，2007(12):47－50．

［4］戴愚志，余建星．一種船體及周圍自由面的網格自動生成方法［J］．船舶工程，2006，28(5):118－123．

DAI Yu-zhi，YU Jian-xing．A method of ship hull and free surface mesh generation［J］．Ship Enginnering，2006，28(5):118－123．

［5］邱遼原，周凌．回轉體三維繞流場數值計算［J］．中國造船，2006，47(4):1－6．

QIU Liao-yuan，ZHOU Ling．Body of revolution 3D flow field numerical calculation［J］．Ship Building of China，2006，47(4):1－6．

［6］張楠，沈泓萃，姚惠之．潛艇阻力與流場的數值模擬與驗證及艇型的數值優(yōu)化研究［J］．船舶力學，2005，9(1):1－13．

ZHANG Nan，SHEN Hong-cui，YAO Hui-zhi．Numerical simulation and verification on the resistance and flow field of the submarine and research on numerical optimization of the submarine［J］．Journal of Ship Mechanics，2005，9(1):1－13．