基于参数化建模的优化设计方法

陈 康，魏菲菲，程宣恺，陆琛亮

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 引 言

通过对“基于CFD的船舶快速性能优化技术和设计准则研究”相关科研课题研究及技术攻关[1,2]。迄今为止，上船院在船体线型设计领域已经形成了相应的船型优化和设计准则，并且，基于 CFD应用技术在船舶线型设计方面形成了快速响应能力。目前，正在探索一种新型的结合CAD参数化建模技术和CFD数值计算技术的线型设计方法：该方法利用参数控制船体线型特征，并结合 CFD技术对不同参数形成的线型方案进行数值计算，经过分析比较确定最佳的船型方案。本文以一型5000TEU集装箱船的线型研发为例介绍该方法的运用。该船型的水池试验结果显示其具有优秀的快速性能，表明该方法能够成为船体线型研发的有效手段，具有实际运用和推广意义。

1 参数化建模原理

与以往线型设计方法不同，参数化建模技术在建立船体曲面阶段即引入多个能够控制船型特征的参数。建模技术集成在CAD软件Friendship-Framework中，主要利用其MetaSurface可控的功能来生成参数化船体曲面。在建模过程中母型船的基本特征曲线，如横剖面面积曲线、设计水线、平边线、平底线等可作为建立目标船曲面的初始输入。初始的船体曲面形状由所有参数的初始值确定，通过调整控制横剖面面积曲线的参数使得目标船的排水量基本满足要求，而改变设计水线进水角、平行舯体起止位置、舭部半径等任一参数值即得到新的船型方案。采用参数化建模方法形成的船体线型受到参数的控制，使得船体线型的优化设计工作转变为寻求某一组最佳参数组合的优化问题。该方法可以通过参数控制船型系数和船体曲面的局部特征，与之对应的则是庞大的参数变化空间。在参数变化空间内以船体优秀的快速性能相关指标为目标函数优选（或优化）一组最佳参数组合，即完成了船型的优化。

2 优选方案的确定

在目标船型的参数化模型建成后，即可开展基于CFD技术的优化（优选）技术。考虑到CFD数值模拟中存在误差，该误差对基于各优化算法的收敛过程有多大影响还无法确定。因此，在采用参数化建模技术进行线型设计时采取优选的方法，即给定各个参数的取值范围及取值方法（给定或由随机数确定），在所有方案计算结束后通过比较分析各个方案的数值结果来选定最佳的线型方案。

3 参数化建模技术运用实例

3.1 5000TEU集装箱船船型特点

将该参数化建模方法首次运用于一型5000TEU集装箱船线型的设计。该船的主要参数如表1所示，设计航速对应的Fr数约0.225。

表1 主要船型参数

3.2 参数化模型的建立

上船院用于船型设计和优化的软件是专注于船型优化及其他性能开发的软件平台。参数化建模主要通过该软件中MetaSurface的参数化功能实现。

在确定了船型的主尺度及各主要船型参数后，即可开展详细的船体线型设计工作，考虑到该船的兴波阻力所占比例较大，以及艉部线型主要影响到船体的黏性阻力成分及推进效率，该目标船的参数化建模仅限于船体艏部，从而可以在较短的时间内通过势流计算来获得艏部线型的优化方案，艉部则主要基于若干个方案的计算比较和经验设计来确定。

基于母型得到的横剖面面积曲线、设计水线、平边线、平底线等特征曲线是建立参数化 Metasurface曲面的初始输入。为了实现参数化建模，可考虑用引入参数定义的相应曲线分别逼近基于母型得到的特征曲线。如图1所示为该船母型艏部的横剖面面积曲线（SAC）与参数化SAC。图2所示为该船母型艏部的设计水线DWL及参数化设计水线DWL。这两条特征曲线分别由两部分参数化曲线连接而成。其他特征曲线均可按此方法逐一建立并用于参数化船体曲面的构建。

图1 参数SAC与母型SAC比较

图2 参数设计水线与母型设计水线比较

各特征曲线定义完成后即可在此基础上以 Metasurface的形式建立船体曲面。图 3所示为一块Metasurface形式的船体曲面，该曲面形状可通过各相关参数来控制。

3.3 CFD数值计算及优化

参数化艏部船体曲面建立之后，与根据经验设计得到的船体艉部相结合成为完整的船型初始方案，即可开展CFD数值模拟及优化。CFD数值计算采用瑞典Flowtech International AB开发的SHIPFLOW[3]求解器。该求解器集成在Framework软件中，可直接调用。上船院在2008年引进了该软件，此后，运用该软件进行了大量船型的数值计算和性能分析，积累了宝贵的使用经验。

针对该 5000TEU集装箱船型优化计算，共选取 12个控制参数用于控制船体曲面，变化方案设定为300个，并选用一种模拟随机序列的确定性算法形成不同的船型方案。该算法在给定的参数空间中取样，但是比随机序列具有更高的收敛性。

从不同变化方案的势流计算结果，得到的船体静水力数据、兴波阻力系数等可作为优秀方案选取的参考。初始方案和最佳方案的波型比较如图4所示，通过对比可以看出，优选方案的波型相对于初始方案有了较大改善，即船体阻力性能得到了提高。

图3 MetaSurface定义

图4 初始方案和最佳方案波型比较（上为优化方案）

3.4 最佳方案的确定

该船艏部的线型方案通过参数化建模结合CFD数值计算优化确定。考虑到艏部线型主要对该集装箱船的兴波阻力性能有较大影响，因而在艏部优化过程中以兴波阻力性能的改善为优化目标。通过对比原型及各个变化方案的兴波阻力系数及静水力参数，选取出艏部优化的最佳方案；艉部线型则主要基于经验设计，基于母型变换得到的艉部方案经过几轮手工修改及数值计算后得以确定。该船型初始方案与优化方案特征站线的比较如图5所示，可以看出5000TEU集装箱船的艉部线型保留了母型的特征，而优化后的艏部则明显区别于母型。

图5 初始方案与优化方案部分特征站线比较

4 试验验证[3]

经过相关专业的校核后，确定的线型提交给欧洲HSVA水池用于船模加工和准备静水试验。设计状态下船模试验中的波型与数值模拟的波型对比如图 6所示。与水池数据库中的相似船型相比，该5000TEU集装箱船的功率曲线处于12条所选相似船型的下限，如图7所示，表明该船快速性能属于最优级别。

图6 试验波型与计算波型对比

图7 HSVA数据库相似船型性能比较

5 结 语

本文以一型5000TEU集装箱船线型研发为例详细阐述了参数化建模技术的运用，并通过船模试验证实线型具有优秀的快速性能。该船线型的成功研发表明参数化建模技术与 CFD技术的结合运用有助于研发出满足市场需求的优秀集装箱船船型。该方法将被逐渐运用于其他类型船舶的艏、艉部线型设计，以实现更多优秀线型的成功研发。

[1] 上海船舶研究设计院. 基于CFD的船舶快速性能优化技术和设计准则研究[R]. 2009.

[2] 陈 康，周志勇，魏菲菲. 基于CFD技术的散货船线型优化研究[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.