船舶CAD／CFD一体化设计过程集成技术研究＊

冯佰威 刘祖源 詹成胜 常海超

（武汉理工大学交通学院 武汉 430063）

0 引 言

随着计算机辅助设计技术（CAD）的广泛应用和船舶计算流体力学（computaional fluid dynamics，CFD）的迅速发展，船舶设计能力和水平都得到极大提高.但总的来看，在设计开发过程中充分利用CFD技术进行辅助分析、优化的手段和能力还不够，设计过程中经验还是占主导地位，CFD主要用来检验CAD的结果，而不是用来驱动产品设计，两者基本上处于“孤岛”状态，没有实现有机的集成，最终导致CAD的优势没有完全发挥出来.因此，利用集成优化平台，实现船舶CAD与CFD一体化设计，最终达到船型“设计－分析－再设计”任务的自动化，具有重要的现实意义.

1 基于CAD／CFD的船型一体化的设计思想

基于CAD／CFD船型优化方面，研究主要集中在意大利、日本、德国（见参考文献［1－6］）.总体上来看，这几个国家的船型水动力优化研究均按照设计分析集成化、一体化的主线发展，且已经实现了CAD／CFD的集成优化设计，达到了以性能驱动设计的目标.在船型参数化建模方面采用了CAD软件的二次开发（如扰动面方法）或新开发船舶参数化设计软件（如friendship）；在CFD计算方面部分学者采用商业软件（如shipflow，fluent等），也有部分学者采用自编软件；在集成方面大都采用了商业集成框架（如Modelcener或iSIGHT）.其研究的内容也不仅仅局限在单个性能，而是多个性能的综合优化，目前，多学科设计优化（MDO）正日益受到重视，并在实际工程中得到应用.

通过借鉴国外在此领域的技术发展，本文提出了基于CAD／CFD的船型一体化设计的框架，其思路如图1所示.

图1 船舶CAD／CFD一体化设计框架

由图1所示，其框架主要由三部分构成，分别是船舶CAD软件、网格生成工具及CFD数值求解工具、优化器.各部分的功能如下：（1）船舶CAD软件.根据设计变量的变化生成一系列的三维船型，同时可进行静水力计算，以判断约束条件是否满足；（2）网格生成及CFD数值求解器.将CAD中生成的船型导入网格生成工具中，自动划分网格，同时利用CFD软件进行目标函数的自动求解；（3）优化器.根据不同的优化问题，选择相应的优化算法，对设计空间进行有效探索.

若要实现基于CAD／CFD的船型一体化设计，除了必要的软件工具外，还有一些关键技术需要解决，主要有以下4个方面：（1）基于CAD的船型参数化表达及修改技术；（2）船舶CAD／CFD一体化设计的集成技术；（3）船舶CAD／CFD一体化设计近似求解技术；（4）船舶CAD／CFD一体化设计优化算法.本文主要重点阐述如何实现CAD／CFD的集成.

2 船舶CAD／CFD一体化设计的集成技术

2.1 数据集成

目前船舶领域各学科均有各自相对成熟的计算理论和仿真软件，但却较少考虑相互之间的集成，以致在进行船舶CAD／CFD一体化设计时，各学科之间的数据不能很好衔接.数据集成的目的是解决不同学科软件间的数据通信问题.主要包括以下两个方面的数据集成.

1）船舶CAD软件与集成框架iSIGHT的数据集成 该部分集成主要包括母型船的调和程序、船舶CAD软件的宏程序与iSIGHT之间的相互传递.母型船的调和模块在前文已经叙述，主要功能是产生一系列的光顺船型.而宏程序则是以文件的方式存在，通过CAD软件可以直接执行该宏程序，从而完成读取新船型数据并完成静水力计算及其他一系列的功能.通过利用iSIGHT的文件解析功能，可分别对母型船调和程序的输入文件及宏文件中的部分参数进行解析，实现参数的变量化，将参数转化为优化环境中的变量参数，使其可以动态调整；变量参数值调整后，iSIGHT自动更新输入文件及宏文件，从而实现iSIGHT到船舶CAD软件及母型船调和程序的数据传递（见图2）.

图2 船舶CAD与iSIGHT的数据集成

2）船舶CAD软件与CFD计算分析软件之间的数据集成 主要指船舶三维模型与网格划分软件Gambit之间的集成，实现几何模型传递，替代CFD中几何模型的重建工作，减少分析人员的工作量，保证数据的一致性.Gambit支持ACIS、Parasolid，IGES和STEP等数据标准.由于大多数船舶CAD软件可以产生IGES格式的船型数据，因此不需二次开发即可实现船舶三维模型与网格划分软件Gambit之间的数据集成.Gambit可直接读取IGES格式的几何模型，然后进行网格划分（见图3）.

图3 船舶CAD与CFD分析软件的数据集成

2.2 过程集成

船舶CAD／CFD一体化设计是一个反复叠代的过程，尽量避免对优化过程的人工干预，可以加快优化速度，提高优化效率.通常，优化设计流程是根据事先制定好的优化方案自动进行优化计算和评判，因此在船型水动力优化设计时需要将水动力计算分析和优化评判等过程进行集成.主要需要考虑以下几个过程的集成.

1）CFD计算边界及分析要求设定 通过执行所记录的Gambit网格划分和Fluent计算的运行脚本，可以重现原始Gambit网格划分和Fluent计算分析操作.在优化计算过程中，通过调整设计变量以修改Gambit和Fluent的运行脚本文件，即可实现对CFD分析边界的自动设定.

2）优化策略定制 针对不同的优化对象需要制定不同的优化策略.优化策略主要包括试验设计方案、设计变量的灵敏度分析、近似模型算法以及定义优化流程的设计流、控制流和数据流.优化流程中的设计流定义主要是指分析优化设计的逻辑顺序和提取各子系统的运行参数等；控制流定义主要指优化过程中控制流程的定义，包括循环和条件等控制流程；数据流定义主要用于制定各环节的输入输出数据以及设计变量，该功能主要通过iSIGHT文件解析器和变量设计器实现.

3）优化结果的自动评判分析 在计算分析流程集成的基础上，需要集成综合评判流程，才能最终实现系统集成.优化结果评判包括指定优化评判目标与策略和执行结果评判.优化评判目标与策略主要指在iSIGHT环境下，通过多层次任务定制，指定设计目标权重选取目标参数优化范围、选取合适的优化算法等.优化结果评判执行是船型水动力分析结束后，根据所选定的优化算法对目标参数进行评判，以及根据评判结果对设计变量进行自动调整.通过对船型CAD／CFD的数据集成和过程集成进行分析，可以得出如图4所示的船舶CAD／CFD一体化优化设计流程图.

图4 船舶CAD／CFD一体化优化设计流程图

3 船舶CAD／CFD集成实例

3.1 集成软件环境

操作系统：WINDOWS XP SP2.

船型参数化建模：CAD软件二次开发.

计算网格划分：Gambit：2.1.

阻力计算分析：Fluent 6.1.

集成优化框架：iSIGHT 8.0.

XWindow模拟软件：Exceed 8.0.

3.2 船舶CAD／CFD集成

1）软件集成 利用iSIGHT提供的集成功能，自动实现船舶三维建模软件、CFD计算分析软件之间的数据衔接，在优化过程中对仿真软件自动进行调用.在集成中主要以仿真代码（Simcode）的形式调用命令行参数.

2）数据集成 将优化过程中所涉及到的各项数据，以设计变量的形式进行参数化控制，主要通过iSIGHT的文件解析和变量管理功能实现.

3）优化定制 设置优化策略，包括指定设计变量的变化范围和优化目标、选择优化算法、试验设计、质量控制方法和近似方法等.根据设计优化的目标，比较iSIGHT提供的算法库［7］，采用符合实际需求的高效优化算法，寻找最优的、最可靠的和最稳健的设计方案.

完成CAD／CFD的集成后，即可根据制定的优化策略对水动力问题进行优化迭代计算，显然，CAD／CFD集成优化能够大大提高设计效率.

4 结 束 语

实现船舶CAD／CFD一体化优化设计，其重要的关键技术之一便是实现两者的数据集成及过程集成.本文通过对船舶CAD／CFD一体化设计的关键技术进行研究，建立了基于iSIGHT的船舶CAD／CFD一体化设计的集成框架，运用数据集成和过程集成技术，实现了船舶CAD与CFD的集成，极大的提高了设计效率.本文所取得的成果是进行船型优化的基础，对后续的基于CFD的船型多性能协同优化研究工作是不可或缺的.

［1］Neu W L，Hughes O.A prototype tool for multidisciplinary design optimization of ships［C］／／Ninth congress of the International Maritime Association of the Mediterranean，Naples，Italy，2000.

［2］Campana F，Peri D.Shape optimization in ship hydrodynamics using computational fluid dynamics［J］.Comput.Methods Appl.Mech.Engrg，2006，196：634－651.

［3］Peri D，Rossetti M.Multidisciplinary design optimization of a naval surface combatant［J］.J.Ship Res，2003，41（1）：1－12.

［4］Peri D，Campana E F.High－fidelity models and multiobjective global optimization algorithms in simulation based design［J］.J.Ship Res，2005，49（3）：159－175.

［5］Yusuke Tahara ，Satoshi Tohyama，CFD－based multi－objective Optimization method for ship design［J］.Int.J.Numer.Meth.Fluids 2006，52：499－527.

［6］Yusuke Tahara，Stern F.Comuputational fluid dynamics－based optimization of a surface combatant［J］.Journal of Ship Rearch，2004，28（4）：273－287.

［7］冯佰威，刘祖源.基于iSIGHT的船舶多学科综合优化集成平台的建立［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2009，33（5）：897－899.