基于數字孿生技術的船體結構設計研究

陸 萍

(江蘇航運職業技術學院，江蘇 南通 226010)

0 引 言

船體結構設計是一個復雜的過程，需要綜合機械、電子、控制、信息等多種學科，在國家大力推進船舶智能化的今天，關于船舶航行情況的預測、監控與維護等方面越來越重要[1]，因此對船體結構設計也提出了更高的要求，然而使用傳統設計方法和理念進行船體結構設計，生產出來的艦船在多系統、多維度協調任務作業中性能較差，因此如何提高船體結構設計水平和效率是重點問題。

近年來數字孿生技術在工業制造領域得到了廣泛應用[2]，通過構建船舶的數字孿生體能夠模擬船舶的航行狀態，從而對艦船進行各種研究和評估。楊元龍等[3]根據四維思想，構建了艦船全生命周期的五階體系模型，并通過物聯網、大數據、人工智能、云計算等技術組成了數字孿生架構模型，實現了艦船蒸汽動力系統的數字化設計。周少偉等[4]在艦船動力系統設計當中，采用數字孿生技術，融合虛擬與現實，構建了艦船動力系統數字孿生應用體系，實現了艦船動力系統的虛擬化數字化設計與應用。但是上述2 種方法在船體設計方面還存在結構設計不合理、效率低、多任務協調性差、準確性驗證不足、輔助決策功能不成熟等一系列問題。

隨著數字孿生技術不斷地完善和發展，科學界對于數字化三維建模等各個方面都進行了深入的研究和應用，這些新技術也被廣泛應用于船體結構設計領域。本文研究了基于數字孿生技術的船體結構設計方法，使用三維建模技術構建船體結構的數字孿生體，實現船舶的虛擬呈現和航行模擬，最終達到迭代優化船體結構設計的目的。

1 基于數字孿生技術的船體結構設計

1.1 數字孿生技術

數字孿生技術是一個比較抽象的概念，沒有固定的結構和模式，它可以通過數字化的方式復制或者模擬現實中的裝備設施，并在虛擬空間當中進行測試，其概念模型如圖1 所示。數字孿生是一個綜合各方面尺度和概率的仿真程序，它集成了多物理量和多學科，結合各種傳感器、物理模型和歷史數據等，將實際物體映射到虛擬空間當中，從而完整地模擬實際物體的全生命周期[5]。

1.2 基于數字孿生的船體結構設計方案

船體結構設計是根據研制要求，通過一步步的設計，分析和論證，最終確定設計方案的一系列過程[6]。傳統設計方法已經不能滿足艦船智能化的需求，新的船體結構設計采用數字孿生技術，在初始設計和整體論證階段，直接構建一個整船數字模型，對全船的各個結構和設備進行全方面的模擬。在高擬真的虛擬現實情況下，研究人員可以利用數字化模型，測試船體結構性能高低，從而不斷地進行改進和優化，使總體設計更加完美。進行樣機聯調時，設計人員將數字化船體進行更新迭代，使之與真實的物理系統趨于統一，精確反映船體的實際情況。同時在驅動方式上使用高擬真度仿真驗證，基于數字孿生的船體結構設計流程如圖2 所示。

圖2 船體結構設計流程圖Fig. 2 Hull structure design flow chart

1.3 構建船體數字孿生模型

1.3.1 船體數字孿生模型設計架構

船舶生命周期的每一個階段都可以使用船體結構的數字孿生模型，本文對船體的結構設計部分進行研究，其數字孿生模型總體架構如圖3 所示。可知，本文設計的船體數字孿生模型主要包括：一是整個船體的虛擬呈現，二是船舶的模擬航行。根據船舶的物理材質和形狀信息等對船體進行三維建模，同時模擬船舶四周的航行環境，即可將船舶進行虛擬呈現。船舶的模擬航行主要是采集各種仿真航行數據，進行多源數據融合、目標識別、態勢重構、航行預測等，通過船體水動力學模型，實現模擬航行輔助的功能。

圖3 船體數字孿生模型總體架構Fig. 3 Overall architecture of ship digital twin model

1.3.2 虛擬船舶呈現

1)構建船體三維模型。在構建設計船體三維模型時，需要對船體的各個結構和裝備進行精細化建模，主要部分有船身主體、甲板建筑、駕駛艙、底艙設施，還包括各種傳感器等設備。在船體三維模型構建過程中注意參考已有的同類型實船設計和試航資料等，根據設計船體的外表與內在物理特征、材料屬性等方面進行建模，從而提高模型的逼真度[7]。

2)海洋環境模擬。為了重現真實的海洋信息，本文采用數值求解海洋環境矢量場，從而使設計船體的數字孿生模型當中的海洋環境與現實更加統一。在海洋仿真當中，NOAA 第三代波浪數值模型Wave-WatchⅢ(WW3)是應用最廣泛的數學模型，仿真效果很好，再現真實海域環境的矢量場：

式中：Z為波作用密度譜；σ為相對頻率；為二維哈密頓算子；L為流速； bg為波群速度；α和β分別為波向和波速；y為方向 α的一個坐標；c為與y垂直的坐標；Y為波普的源項，包括線性輸入項Ya、風輸入項Yn、非線性波浪互作用項Ym、耗散項Yl以及海底摩擦項Yk。

1.3.3 建立船舶水動力學模型

通過剛體六自由度運動方程構建船舶的水動力學模型，設計船體的六自由度運動變量為：

其中：χ為地理固定坐標系下的三維位置(r,e,s)和三軸朝向角(φ,θ,?)； δ為船舶附體坐標系下的三軸線速度(u,i,o)和角速度(p,q,w)。

由于固定坐標系和附體坐標系之間存在變量關系，因此二者的轉換關系為：

其中：K為變換矩陣。

時域統一模型理論和模塊化概念是構建船舶運動學模型的基礎，其表達式如下：

式中：f為作用力；D、F、G分別為船體、螺旋槳、船舵產生的作用力；H、J、K、V分別為風、海流、一階和二階波浪引起的環境干擾力；R為附加質量矩陣；W為阻尼系數矩陣；Q為脈沖響應函數矩陣；I為靜水恢復力矩陣；下標O為非線性黏性力；η為坐標系變量轉換系數。

構建船舶水動力學模型包括船舶操縱運動建模和波浪環境下的運動建模等，本文采用分離型建模思想構建船舶操縱水動力學模型，結合船舶型線圖數據進行建模。模型建好后需要對其精度進行驗證，不斷地修正模型參數，最終呈現高可靠的船舶水動力學模型。

2 仿真實驗

2.1 實驗對象

本文選用某科考船作為基于數字孿生技術的船體結構設計研究對象。該船總噸約3600 t，船長約85.2 m，型寬18.37 m，設計吃水6.5 m。定員50 人，經濟航速可達12 kn，最大航速可達15 kn，續航力12000 n mile。

2.2 船體數字孿生體構建實驗

實驗采用數字孿生技術以該科考船為母型船進行結構設計，根據科考船的原始設計資料和航行歷史信息，通過三維建模構建完整的科考船三維模型。

為了使船體三維建模的效果更加逼真，不僅是整個科考船的外部，船艙的內部，包括駕駛室、機艙內的各種設備也都要進行詳細的建模，使整個科考船的船體、甲板設備、船樓、機艙等三維環境更加逼真和動態的在場景中進行展示，在此基礎上研究人員能夠實現整個科考船的虛擬互動，與各種船舶設備進行交互操作，達到與真實船只相同的操作效果。

為了使科考船數字孿生體更加逼真，實驗在船體三維建模的基礎上繼續進行海洋環境模擬，根據構建的船舶水動力學模型，真實模擬科考船在海中航行的情況，并根據船體多傳感器數據融合得到的信息，對科考船的航行進行預測和輔助等操作。本文方法構建的船舶數字孿生體效果非常逼真，同時在海洋環境中的航行模擬效果也非常好，完全可以用來進行各種結構和設備的性能測試，從而不斷地改進船體結構設計，最終達到更好的優化效果。

2.3 船舶航行狀態模擬效果對比分析

為了進一步驗證本文方法構建的船舶數字孿生體在模擬航行方面的性能，實驗將科考船母型船的某段航行歷史進行重現，使用科考船數字孿生體進行一次模擬航行，分析二者的航行數據。實驗使用真實的海域數據庫將當時科考船航行的海洋環境進行復刻，保持相同的海域和時間段。同時根據當時采集的傳感器數據，根據離散螺旋槳轉速和舵角驅動科考船的物理模型，控制信號輸入時保證數字孿生體與真實船舶達到一致。為了驗證海洋環境模擬的效果，實驗另外設置了3 種不同的海洋環境，具體的模擬航行數據與真實數據的對比結果如圖4 所示。可知：1 號數據是科考船的真實航行數據，2 號數據是只考慮風向和風速影響的海洋環境下模擬航行的數據，3 號數據是只考慮海流和海浪影響的模擬航行數據，4 號數據是全面考慮風、海流和海浪等影響的海洋環境下模擬航行的數據。通過以上分析可得，1 號和2 號數據差距較大，說明只考慮風向的模擬航行數據與真實數據偏差較大；1 號和3 號數據差距小一些，說明在綜合考慮海流和海浪影響后，模擬航行的偏差更小；1 號和4 號數據差距最小，即模擬航行的預測軌跡與實際數據的相對誤差最小，說明全面考慮所有因素對于海洋環境的影響，數字孿生體能夠逼真的模擬真實的海洋環境，從而增加模擬航行的準確度，更加有利于船體結構設計的優化研究。

圖4 虛擬航行軌跡與真實數據對比Fig. 4 Comparison between virtual navigation trajectory and real data

為了進一步驗證數字孿生體在模擬航行中的航向誤差情況，實驗在全耦合環境下對船舶的艏向和舵角進行監測，并根據二者的角度獲取航向，同時與真實的航行數據進行對比，實驗結果如圖5 所示。可知，模擬航行的艏向與舵角變化與真實的航行數據基本相同，即航向保持一致。當模擬航行時間保持在2500 s以內時，航向誤差小于4°，不會產生太大的影響，隨著模擬航行時間加長，航向誤差也會有所增加，在2 500 s 以后模擬航行的航向誤差會達到8°左右。

圖5 模擬航行航向誤差Fig. 5 Predicted heading error

實驗說明，隨著科研船數組孿生體模擬航行時間的增加，產生的航向誤差也會變大，但是在實際應用過程中，30 min 左右的模擬航行完全可以滿足船體結構設計優化的需求。

3 結 語

本文研究基于數字孿生技術的船體結構設計方法，使用三維建模技術構建設計船舶的數字孿生體，達到優化船體結構設計的目的。實驗表明：本文方法構建的船舶數字孿生體效果非常逼真，船體內外結構和設備都與實際相符，同時航行模擬效果也非常好，預測航向很準確，相對誤差很小，根據模擬航行的測試結果可以優化設計布局，最終確定更好的船體結構設計方案。