船舶CAD-CFD接口開發與應用研究

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(中國船舶科學研究中心上海分部，上海 200011)

傳統的船型優化方法通常借助船模水池試驗進行，但模型試驗周期長，花費高且尋找優化方向困難。隨著計算機技術的快速發展和計算流體力學CFD技術的日趨完善，基于CFD數值模擬進行線型優化已發展得比較成熟[1-2]。而要實現船型的自動優化，CAD與CFD軟件間的數據傳遞就成為了其關鍵技術之一。在國內，隨著CAD與CFD的不斷應用，對接口方面也有了一定的積累，并開發了一系列的接口程序[3-4]。但不同軟件間模型的表達方式一般也不同，開發的接口往往只能適用于特定的軟件。本文主要對接口技術進行研究，以常用格式的模型文件為基礎，針對一系列有著相似模型表達要求的CAD、CFD軟件開發相應的接口程序，以實現船體型值數據的相互傳遞。見圖1。

1 模型文件與接口開發原理

表述船型的SHF模型文件的格式主要有以下規則：坐標系統的原點位于艉垂線和零水線的交點處，x方向向船艏為正，z方向向上為正；模型文件是一個文本文件，船體的定義是分組進行的，每一組以組名開始，默認為：bulb、boss、main和aft，見圖2。各分組的每一行數據包含一個點的x、y和z坐標值以及狀態標識；各組內的橫剖線次序必須從船艏至船艉，每一橫剖線上的各點必須從龍骨向上排列；橫剖線上的第一個點的狀態標識為1，其它點為0，每一組以狀態標識9結束。SHF文件標準格式見圖3。

圖2 SHF型值文件分組示意

圖3 SHF型值文件標準數據格式

中國船舶科學研究中心和日本NMRI分別自主開發的SHIPFW[5]和SPICA軟件以及耐波性軟件WASIM的計算主要基于切片理論，需要吃水以下各剖面上的型值數據作為計算模型；NAPA軟件在建模時也只需要船體各剖面上的型值數據。這類軟件模型文件的表達方式類似，剖面線和剖面線上型值點的選取與標準型值表中站線和水線的選取也較為一致。SHF格式的模型文件雖然能夠精確地描述船體曲面各剖面線上的型值點坐標，但其包含的剖面線和型值點數量過多且分布散亂。通過手工查找的方式無法快速精確地將SHF文件轉換為上述軟件需要的幾何模型。

本文開發的接口程序，能夠將SHF文件中的型值數據重新擬合成船體曲線，通過對船體曲線進行插值，從而得到新的模型文件。對于船體曲線的擬合插值，本文選用三次B樣條曲線。相比于傳統的樣條函數，B樣條有著直觀性強、保凸性好、局部性佳、適應性廣泛等優點[6]。經驗表明，對于船體曲線的擬合，B樣條曲線也更為適用，本文在編寫程序時，也對此進行了驗證。

B樣條曲線的方程為[7-8]

(1)

式中：di——控制頂點，di(i=0,1,…,n);

k——k次規范B樣條基函數,Ni,k(u)(i=0,1,…,n)。

計算節點區間u∈[ui,ui+1]上一組k次B樣條基函數Ni-3,3(u),Ni-2,3(u),Ni-2,3(u)及Ni,3(u)

(2)

上式中，當節點區間是均勻的，且間隔為1，k=3時，則得到三次均勻B樣條曲線，其矩陣表示為

0≤t≤1,i=0,1,…,n-3

(3)

2 接口程序工作流程

本文開發的接口程序具體目標就是讀入SHF格式的模型文件，按照SHF文件的標準數據格式，找出文件中構造模型的各種船體曲線，對這些曲線重新進行擬合、插值和排序，最后生成并輸出上述各軟件計算或建模所需要的接口文件。對SHF格式型值文件處理的流程見圖4。

圖4 接口程序工作流程

以常規單槳船為例，接口具體工作流程如下。

1)模型文件的讀取與曲線擬合。首先對SHF模型文件進行讀取，其流程見圖5。并按照船體曲面的分組標識與型值點的狀態標識將數據進行分類，統計出每一分組中橫剖線的個數及每一條橫剖線上的型值點個數。

圖5 SHF模型文件讀取流程

然后對每條橫剖線上的型值點進行判斷，將特征點提取出來組成新的特征曲線，比如艏艉輪廓線、平邊線和平底線。根據這些特征曲線的特點，不同分組內橫剖線上特征點的選取方式也不相同，具體的選取方法見表1。

表1 不同橫剖線分組的特征點選取

最后將上述各橫剖線、艏艉輪廓線，平邊線和平底線進行擬合，構建三次B樣條曲線，為下一步流程做準備。

2)水線、站線的選取與插值。按照目標模型文件要求，對船舶的站線和水線進行選取。水線的選取：除計算吃水外，3 m以下每0.5 m選取一條水線，3 m以上每1 m選取一條水線。站線的選取：一般取20站，即將垂線間長20等分，然后在船艏和船艉對站線進行加密，有球鼻艏的另加3站，最終選取約30條站線。

然后進行插值，首先是垂向插值，將每一條擬合好的剖面線、艏艉輪廓線在垂直方向上對上述各水線高進行插值；然后將插值出的各橫剖線上相同水線高的坐標點重新進行曲線擬合，得到各水線；然后進行縱向插值，即將水線、平底線和平邊線在縱向方向上對上述站線位置進行插值。插值結束后即可得到各水線與各站線交點位置處的船體半寬值，見圖6。

圖6 水線與站線的選取與插值

3)型值文件的輸出。按照標準的型值表文件、SHIPFW和SPICA軟件的型值輸入文件、NAPA軟件的建模型值文件以及WASIM軟件計算用建模型值文件的具體格式，或其它有著類似型值文件要求的CAD或CFD軟件所需模型文件的具體格式，將上述插值出的各型值數據進行排列，輸出最終的模型文件。

3 接口的驗證與應用

3.1 模型擬合度驗證

為了驗證接口程序在轉換模型文件時的精確度，選取一艘常規集裝箱船和一艘雙艉鰭散貨船，對轉換前后幾何模型的擬合程度進行驗證。采用接口程序對SHF模型文件進行轉換，分別生成30條站線，每條站線上約有30個型值點。對轉換前后的幾何模型進行作圖分析，見圖7～9。

圖7 典型橫剖線對比

圖8 集裝箱船船艏典型水線對比

圖9 雙艉鰭船艉軸出口典型水線對比

圖中曲線表示原SHF格式的幾何模型，點表示轉換后得到的幾何模型。圖7顯示了集裝箱船和雙艉鰭船艉部典型橫剖線經垂向插值得到的幾何模型與原模型的擬合程度；圖8和圖9分別顯示了集裝箱船艏和雙艉鰭散貨船艉軸出口處的水線經縱向插值得到的幾何模型與原模型的擬合程度。由圖可知，轉換前后的幾何模型，在球艏、雙艉鰭船艉軸出口等曲率變化比較大的區域，擬合程度都非常高，從而也證明了三次B樣條曲線在擬合船體曲線方面上的適用性。

3.2 接口的應用實例

以KVLCC2船型為例，對接口程序的實用性進行驗證。通過SHIPFLOW將KVLCC2的IGES模型轉換為SHF模型文件。首先用接口程序對SHF文件進行轉換，得到offset.csv等5個表述船型的型值文件，導入NAPA軟件中即可得到圖10所示的幾何模型。通過靜水力計算分析轉換前后幾何模型的擬合程度，計算結果見表2。

圖10 KVLCC2的IGES模型與NAPA模型

表2 轉換前后靜水力數據對比

對比項IGES模型NAPA模型數據對比/%吃水D/m20.820.8排水體積▽/m3312 622312 712+0.029濕表面積S/m227 19427 170-0.088浮心縱向坐標LCB/m171.207171.211+0.002水線面系數Cw0.901 70.902 2+0.055方形系數Cb0.809 80.810 0+0.025

然后將SHF文件用接口程序進行轉換，得到SHIP.IN和ship1-in.dat型值文件，文件所包含的船型剖面信息見圖11。采用SHIPFW和SPICA軟件的波浪增阻計算模塊對其進行求解，圖12即為KVLCC2船在蒲氏6級海況下以某一航速頂浪航行時的波浪增阻計算結果，其中橫坐標為波長船長比λ/Lpp，縱坐標為無因次增阻系數Kraw。

圖11 經轉換得到的fw計算所需幾何模型

圖12 波浪增阻計算結果

最后將SHF模型進行轉換得到ship.pln文件，導入WASIM軟件，即可得到計算所需要的幾何模型與網格信息，見圖13a)。KVLCC2船在蒲氏6級海況下以某一航速航行時，不同浪向角下的縱搖頻率響應計算結果見圖13b)。

圖13 WASIM計算幾何模型與縱搖計算結果

將上述結果與通過手工準備輸入文件計算得到的結果進行比較，其結果基本一致。即基于本文開發的接口程序進行船舶CAD軟件與上述軟件間的型值數據交換是可行的。通過開發的接口程序，即可將上述性能評估軟件集成到某些CAE集成框架，如FRIENDSHIP軟件中，從而實現船型的自動優化[9]。

4 結論

采用三次B樣條函數擬合船體曲線，即使在曲率變化比較大時，也能夠達到較高精度；開發的接口程序不僅適用于常規單槳船，還適用于雙艉鰭船型SHF格式的轉換；經接口程序轉換得到的模型文件，能夠直接應用于SHIPFW、SPICA、WASIM和NAPA軟件，比之手工準備型值數據，效率得到了極大的提高，計算的精度也能得到保證。

通過本文開發的接口程序，能夠實現SHF文件向標準型值表文件的轉換。因此，除上述軟件外，對于其它有著類似模型文件表達方式要求的軟件，都可以基于本文的接口程序增加相應的輸出模塊，對型值數據進行再處理，得到軟件需要的模型文件。本接口程序的開發不僅為船型與其它性能評估軟件間的數據集成提供了一條技術途徑，也為下一步實現基于CFD的船型多性能綜合自動優化的研究打下了基礎。

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