基于參數(shù)化建模的優(yōu)化設(shè)計方法

陳 康，魏菲菲，程宣愷，陸琛亮

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

0 引 言

通過對“基于CFD的船舶快速性能優(yōu)化技術(shù)和設(shè)計準則研究”相關(guān)科研課題研究及技術(shù)攻關(guān)[1,2]。迄今為止，上船院在船體線型設(shè)計領(lǐng)域已經(jīng)形成了相應(yīng)的船型優(yōu)化和設(shè)計準則，并且，基于 CFD應(yīng)用技術(shù)在船舶線型設(shè)計方面形成了快速響應(yīng)能力。目前，正在探索一種新型的結(jié)合CAD參數(shù)化建模技術(shù)和CFD數(shù)值計算技術(shù)的線型設(shè)計方法：該方法利用參數(shù)控制船體線型特征，并結(jié)合 CFD技術(shù)對不同參數(shù)形成的線型方案進行數(shù)值計算，經(jīng)過分析比較確定最佳的船型方案。本文以一型5000TEU集裝箱船的線型研發(fā)為例介紹該方法的運用。該船型的水池試驗結(jié)果顯示其具有優(yōu)秀的快速性能，表明該方法能夠成為船體線型研發(fā)的有效手段，具有實際運用和推廣意義。

1 參數(shù)化建模原理

與以往線型設(shè)計方法不同，參數(shù)化建模技術(shù)在建立船體曲面階段即引入多個能夠控制船型特征的參數(shù)。建模技術(shù)集成在CAD軟件Friendship-Framework中，主要利用其MetaSurface可控的功能來生成參數(shù)化船體曲面。在建模過程中母型船的基本特征曲線，如橫剖面面積曲線、設(shè)計水線、平邊線、平底線等可作為建立目標船曲面的初始輸入。初始的船體曲面形狀由所有參數(shù)的初始值確定，通過調(diào)整控制橫剖面面積曲線的參數(shù)使得目標船的排水量基本滿足要求，而改變設(shè)計水線進水角、平行舯體起止位置、舭部半徑等任一參數(shù)值即得到新的船型方案。采用參數(shù)化建模方法形成的船體線型受到參數(shù)的控制，使得船體線型的優(yōu)化設(shè)計工作轉(zhuǎn)變?yōu)閷で竽骋唤M最佳參數(shù)組合的優(yōu)化問題。該方法可以通過參數(shù)控制船型系數(shù)和船體曲面的局部特征，與之對應(yīng)的則是龐大的參數(shù)變化空間。在參數(shù)變化空間內(nèi)以船體優(yōu)秀的快速性能相關(guān)指標為目標函數(shù)優(yōu)選（或優(yōu)化）一組最佳參數(shù)組合，即完成了船型的優(yōu)化。

2 優(yōu)選方案的確定

在目標船型的參數(shù)化模型建成后，即可開展基于CFD技術(shù)的優(yōu)化（優(yōu)選）技術(shù)。考慮到CFD數(shù)值模擬中存在誤差，該誤差對基于各優(yōu)化算法的收斂過程有多大影響還無法確定。因此，在采用參數(shù)化建模技術(shù)進行線型設(shè)計時采取優(yōu)選的方法，即給定各個參數(shù)的取值范圍及取值方法（給定或由隨機數(shù)確定），在所有方案計算結(jié)束后通過比較分析各個方案的數(shù)值結(jié)果來選定最佳的線型方案。

3 參數(shù)化建模技術(shù)運用實例

3.1 5000TEU集裝箱船船型特點

將該參數(shù)化建模方法首次運用于一型5000TEU集裝箱船線型的設(shè)計。該船的主要參數(shù)如表1所示，設(shè)計航速對應(yīng)的Fr數(shù)約0.225。

表1 主要船型參數(shù)

3.2 參數(shù)化模型的建立

上船院用于船型設(shè)計和優(yōu)化的軟件是專注于船型優(yōu)化及其他性能開發(fā)的軟件平臺。參數(shù)化建模主要通過該軟件中MetaSurface的參數(shù)化功能實現(xiàn)。

在確定了船型的主尺度及各主要船型參數(shù)后，即可開展詳細的船體線型設(shè)計工作，考慮到該船的興波阻力所占比例較大，以及艉部線型主要影響到船體的黏性阻力成分及推進效率，該目標船的參數(shù)化建模僅限于船體艏部，從而可以在較短的時間內(nèi)通過勢流計算來獲得艏部線型的優(yōu)化方案，艉部則主要基于若干個方案的計算比較和經(jīng)驗設(shè)計來確定。

基于母型得到的橫剖面面積曲線、設(shè)計水線、平邊線、平底線等特征曲線是建立參數(shù)化 Metasurface曲面的初始輸入。為了實現(xiàn)參數(shù)化建模，可考慮用引入?yún)?shù)定義的相應(yīng)曲線分別逼近基于母型得到的特征曲線。如圖1所示為該船母型艏部的橫剖面面積曲線（SAC）與參數(shù)化SAC。圖2所示為該船母型艏部的設(shè)計水線DWL及參數(shù)化設(shè)計水線DWL。這兩條特征曲線分別由兩部分參數(shù)化曲線連接而成。其他特征曲線均可按此方法逐一建立并用于參數(shù)化船體曲面的構(gòu)建。

圖1 參數(shù)SAC與母型SAC比較

圖2 參數(shù)設(shè)計水線與母型設(shè)計水線比較

各特征曲線定義完成后即可在此基礎(chǔ)上以 Metasurface的形式建立船體曲面。圖 3所示為一塊Metasurface形式的船體曲面，該曲面形狀可通過各相關(guān)參數(shù)來控制。

3.3 CFD數(shù)值計算及優(yōu)化

參數(shù)化艏部船體曲面建立之后，與根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計得到的船體艉部相結(jié)合成為完整的船型初始方案，即可開展CFD數(shù)值模擬及優(yōu)化。CFD數(shù)值計算采用瑞典Flowtech International AB開發(fā)的SHIPFLOW[3]求解器。該求解器集成在Framework軟件中，可直接調(diào)用。上船院在2008年引進了該軟件，此后，運用該軟件進行了大量船型的數(shù)值計算和性能分析，積累了寶貴的使用經(jīng)驗。

針對該 5000TEU集裝箱船型優(yōu)化計算，共選取 12個控制參數(shù)用于控制船體曲面，變化方案設(shè)定為300個，并選用一種模擬隨機序列的確定性算法形成不同的船型方案。該算法在給定的參數(shù)空間中取樣，但是比隨機序列具有更高的收斂性。

從不同變化方案的勢流計算結(jié)果，得到的船體靜水力數(shù)據(jù)、興波阻力系數(shù)等可作為優(yōu)秀方案選取的參考。初始方案和最佳方案的波型比較如圖4所示，通過對比可以看出，優(yōu)選方案的波型相對于初始方案有了較大改善，即船體阻力性能得到了提高。

圖3 MetaSurface定義

圖4 初始方案和最佳方案波型比較（上為優(yōu)化方案）

3.4 最佳方案的確定

該船艏部的線型方案通過參數(shù)化建模結(jié)合CFD數(shù)值計算優(yōu)化確定?？紤]到艏部線型主要對該集裝箱船的興波阻力性能有較大影響，因而在艏部優(yōu)化過程中以興波阻力性能的改善為優(yōu)化目標。通過對比原型及各個變化方案的興波阻力系數(shù)及靜水力參數(shù)，選取出艏部優(yōu)化的最佳方案；艉部線型則主要基于經(jīng)驗設(shè)計，基于母型變換得到的艉部方案經(jīng)過幾輪手工修改及數(shù)值計算后得以確定。該船型初始方案與優(yōu)化方案特征站線的比較如圖5所示，可以看出5000TEU集裝箱船的艉部線型保留了母型的特征，而優(yōu)化后的艏部則明顯區(qū)別于母型。

圖5 初始方案與優(yōu)化方案部分特征站線比較

4 試驗驗證[3]

經(jīng)過相關(guān)專業(yè)的校核后，確定的線型提交給歐洲HSVA水池用于船模加工和準備靜水試驗。設(shè)計狀態(tài)下船模試驗中的波型與數(shù)值模擬的波型對比如圖 6所示。與水池數(shù)據(jù)庫中的相似船型相比，該5000TEU集裝箱船的功率曲線處于12條所選相似船型的下限，如圖7所示，表明該船快速性能屬于最優(yōu)級別。

圖6 試驗波型與計算波型對比

圖7 HSVA數(shù)據(jù)庫相似船型性能比較

5 結(jié) 語

本文以一型5000TEU集裝箱船線型研發(fā)為例詳細闡述了參數(shù)化建模技術(shù)的運用，并通過船模試驗證實線型具有優(yōu)秀的快速性能。該船線型的成功研發(fā)表明參數(shù)化建模技術(shù)與 CFD技術(shù)的結(jié)合運用有助于研發(fā)出滿足市場需求的優(yōu)秀集裝箱船船型。該方法將被逐漸運用于其他類型船舶的艏、艉部線型設(shè)計，以實現(xiàn)更多優(yōu)秀線型的成功研發(fā)。

[1] 上海船舶研究設(shè)計院. 基于CFD的船舶快速性能優(yōu)化技術(shù)和設(shè)計準則研究[R]. 2009.

[2] 陳 康，周志勇，魏菲菲. 基于CFD技術(shù)的散貨船線型優(yōu)化研究[J]. 上海造船，2011(1)：50-54.

[3] Flowtech International. Shipflow 4.5 User Manual[Z], Gothenburg, Sweden, Flowtech International AB, 2011.

[4] Calm water model tests for a 4 800 TEU container vessel[R]. The Hamburg Ship Model Basin. 2011.