船舶CAD-CFD接口開發(fā)與應(yīng)用研究

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(中國船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海 200011)

傳統(tǒng)的船型優(yōu)化方法通常借助船模水池試驗(yàn)進(jìn)行，但模型試驗(yàn)周期長，花費(fèi)高且尋找優(yōu)化方向困難。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和計(jì)算流體力學(xué)CFD技術(shù)的日趨完善，基于CFD數(shù)值模擬進(jìn)行線型優(yōu)化已發(fā)展得比較成熟[1-2]。而要實(shí)現(xiàn)船型的自動(dòng)優(yōu)化，CAD與CFD軟件間的數(shù)據(jù)傳遞就成為了其關(guān)鍵技術(shù)之一。在國內(nèi)，隨著CAD與CFD的不斷應(yīng)用，對(duì)接口方面也有了一定的積累，并開發(fā)了一系列的接口程序[3-4]。但不同軟件間模型的表達(dá)方式一般也不同，開發(fā)的接口往往只能適用于特定的軟件。本文主要對(duì)接口技術(shù)進(jìn)行研究，以常用格式的模型文件為基礎(chǔ)，針對(duì)一系列有著相似模型表達(dá)要求的CAD、CFD軟件開發(fā)相應(yīng)的接口程序，以實(shí)現(xiàn)船體型值數(shù)據(jù)的相互傳遞。見圖1。

1 模型文件與接口開發(fā)原理

表述船型的SHF模型文件的格式主要有以下規(guī)則：坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)位于艉垂線和零水線的交點(diǎn)處，x方向向船艏為正，z方向向上為正；模型文件是一個(gè)文本文件，船體的定義是分組進(jìn)行的，每一組以組名開始，默認(rèn)為：bulb、boss、main和aft，見圖2。各分組的每一行數(shù)據(jù)包含一個(gè)點(diǎn)的x、y和z坐標(biāo)值以及狀態(tài)標(biāo)識(shí)；各組內(nèi)的橫剖線次序必須從船艏至船艉，每一橫剖線上的各點(diǎn)必須從龍骨向上排列；橫剖線上的第一個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)標(biāo)識(shí)為1，其它點(diǎn)為0，每一組以狀態(tài)標(biāo)識(shí)9結(jié)束。SHF文件標(biāo)準(zhǔn)格式見圖3。

圖2 SHF型值文件分組示意

圖3 SHF型值文件標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式

中國船舶科學(xué)研究中心和日本NMRI分別自主開發(fā)的SHIPFW[5]和SPICA軟件以及耐波性軟件WASIM的計(jì)算主要基于切片理論，需要吃水以下各剖面上的型值數(shù)據(jù)作為計(jì)算模型；NAPA軟件在建模時(shí)也只需要船體各剖面上的型值數(shù)據(jù)。這類軟件模型文件的表達(dá)方式類似，剖面線和剖面線上型值點(diǎn)的選取與標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)坐標(biāo)，但其包含的剖面線和型值點(diǎn)數(shù)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(zhuǎn)換為上述軟件需要的幾何模型。

本文開發(fā)的接口程序，能夠?qū)HF文件中的型值數(shù)據(jù)重新擬合成船體曲線，通過對(duì)船體曲線進(jìn)行插值，從而得到新的模型文件。對(duì)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(tǒng)的樣條函數(shù)，B樣條有著直觀性強(qiáng)、保凸性好、局部性佳、適應(yīng)性廣泛等優(yōu)點(diǎn)[6]。經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)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(shí)，也對(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證。

B樣條曲線的方程為[7-8]

(1)

式中：di——控制頂點(diǎn)，di(i=0,1,…,n);

k——k次規(guī)范B樣條基函數(shù),Ni,k(u)(i=0,1,…,n)。

計(jì)算節(jié)點(diǎn)區(qū)間u∈[ui,ui+1]上一組k次B樣條基函數(shù)Ni-3,3(u),Ni-2,3(u),Ni-2,3(u)及Ni,3(u)

(2)

上式中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)區(qū)間是均勻的，且間隔為1，k=3時(shí)，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(fā)的接口程序具體目標(biāo)就是讀入SHF格式的模型文件，按照SHF文件的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，找出文件中構(gòu)造模型的各種船體曲線，對(duì)這些曲線重新進(jìn)行擬合、插值和排序，最后生成并輸出上述各軟件計(jì)算或建模所需要的接口文件。對(duì)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(guī)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(duì)SHF模型文件進(jìn)行讀取，其流程見圖5。并按照船體曲面的分組標(biāo)識(shí)與型值點(diǎn)的狀態(tài)標(biāo)識(shí)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，統(tǒng)計(jì)出每一分組中橫剖線的個(gè)數(shù)及每一條橫剖線上的型值點(diǎn)個(gè)數(shù)。

圖5 SHF模型文件讀取流程

然后對(duì)每條橫剖線上的型值點(diǎn)進(jìn)行判斷，將特征點(diǎn)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(jù)這些特征曲線的特點(diǎn)，不同分組內(nèi)橫剖線上特征點(diǎn)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(diǎn)選取

最后將上述各橫剖線、艏艉輪廓線，平邊線和平底線進(jìn)行擬合，構(gòu)建三次B樣條曲線，為下一步流程做準(zhǔn)備。

2)水線、站線的選取與插值。按照目標(biāo)模型文件要求，對(duì)船舶的站線和水線進(jìn)行選取。水線的選?。撼?jì)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(duì)站線進(jìn)行加密，有球鼻艏的另加3站，最終選取約30條站線。

然后進(jìn)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(duì)上述各水線高進(jìn)行插值；然后將插值出的各橫剖線上相同水線高的坐標(biāo)點(diǎn)重新進(jìn)行曲線擬合，得到各水線；然后進(jìn)行縱向插值，即將水線、平底線和平邊線在縱向方向上對(duì)上述站線位置進(jìn)行插值。插值結(jié)束后即可得到各水線與各站線交點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(shù)據(jù)進(jìn)行排列，輸出最終的模型文件。

3 接口的驗(yàn)證與應(yīng)用

3.1 模型擬合度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證接口程序在轉(zhuǎn)換模型文件時(shí)的精確度，選取一艘常規(guī)集裝箱船和一艘雙艉鰭散貨船，對(duì)轉(zhuǎn)換前后幾何模型的擬合程度進(jìn)行驗(yàn)證。采用接口程序?qū)HF模型文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，分別生成30條站線，每條站線上約有30個(gè)型值點(diǎn)。對(duì)轉(zhuǎn)換前后的幾何模型進(jìn)行作圖分析，見圖7～9。

圖7 典型橫剖線對(duì)比

圖8 集裝箱船船艏典型水線對(duì)比

圖9 雙艉鰭船艉軸出口典型水線對(duì)比

圖中曲線表示原SHF格式的幾何模型，點(diǎn)表示轉(zhuǎn)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(jīng)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(jīng)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(zhuǎn)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(qū)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(yīng)用實(shí)例

以KVLCC2船型為例，對(duì)接口程序的實(shí)用性進(jìn)行驗(yàn)證。通過SHIPFLOW將KVLCC2的IGES模型轉(zhuǎn)換為SHF模型文件。首先用接口程序?qū)HF文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到offset.csv等5個(gè)表述船型的型值文件，導(dǎo)入NAPA軟件中即可得到圖10所示的幾何模型。通過靜水力計(jì)算分析轉(zhuǎn)換前后幾何模型的擬合程度，計(jì)算結(jié)果見表2。

圖10 KVLCC2的IGES模型與NAPA模型

表2 轉(zhuǎn)換前后靜水力數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)比項(xiàng)IGES模型NAPA模型數(shù)據(jù)對(duì)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(biāo)LCB/m171.207171.211+0.002水線面系數(shù)Cw0.901 70.902 2+0.055方形系數(shù)Cb0.809 80.810 0+0.025

然后將SHF文件用接口程序進(jìn)行轉(zhuǎn)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(jì)算模塊對(duì)其進(jìn)行求解，圖12即為KVLCC2船在蒲氏6級(jí)海況下以某一航速頂浪航行時(shí)的波浪增阻計(jì)算結(jié)果，其中橫坐標(biāo)為波長船長比λ/Lpp，縱坐標(biāo)為無因次增阻系數(shù)Kraw。

圖11 經(jīng)轉(zhuǎn)換得到的fw計(jì)算所需幾何模型

圖12 波浪增阻計(jì)算結(jié)果

最后將SHF模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到ship.pln文件，導(dǎo)入WASIM軟件，即可得到計(jì)算所需要的幾何模型與網(wǎng)格信息，見圖13a)。KVLCC2船在蒲氏6級(jí)海況下以某一航速航行時(shí)，不同浪向角下的縱搖頻率響應(yīng)計(jì)算結(jié)果見圖13b)。

圖13 WASIM計(jì)算幾何模型與縱搖計(jì)算結(jié)果

將上述結(jié)果與通過手工準(zhǔn)備輸入文件計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行比較，其結(jié)果基本一致。即基于本文開發(fā)的接口程序進(jìn)行船舶CAD軟件與上述軟件間的型值數(shù)據(jù)交換是可行的。通過開發(fā)的接口程序，即可將上述性能評(píng)估軟件集成到某些CAE集成框架，如FRIENDSHIP軟件中，從而實(shí)現(xiàn)船型的自動(dòng)優(yōu)化[9]。

4 結(jié)論

采用三次B樣條函數(shù)擬合船體曲線，即使在曲率變化比較大時(shí)，也能夠達(dá)到較高精度；開發(fā)的接口程序不僅適用于常規(guī)單槳船，還適用于雙艉鰭船型SHF格式的轉(zhuǎn)換；經(jīng)接口程序轉(zhuǎn)換得到的模型文件，能夠直接應(yīng)用于SHIPFW、SPICA、WASIM和NAPA軟件，比之手工準(zhǔn)備型值數(shù)據(jù)，效率得到了極大的提高，計(jì)算的精度也能得到保證。

通過本文開發(fā)的接口程序，能夠?qū)崿F(xiàn)SHF文件向標(biāo)準(zhǔn)型值表文件的轉(zhuǎn)換。因此，除上述軟件外，對(duì)于其它有著類似模型文件表達(dá)方式要求的軟件，都可以基于本文的接口程序增加相應(yīng)的輸出模塊，對(duì)型值數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，得到軟件需要的模型文件。本接口程序的開發(fā)不僅為船型與其它性能評(píng)估軟件間的數(shù)據(jù)集成提供了一條技術(shù)途徑，也為下一步實(shí)現(xiàn)基于CFD的船型多性能綜合自動(dòng)優(yōu)化的研究打下了基礎(chǔ)。

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