基于参数化建模的船体型线优化设计

赵志坚 张 琪 张利军 陈 鸽

(中远海运重工有限公司技术研发中心 大连 116600)

基于参数化建模的船体型线优化设计

赵志坚 张 琪 张利军 陈 鸽

(中远海运重工有限公司技术研发中心 大连 116600)

应用CAESES软件和SHIPFLOW软件建立优化设计平台，对某6 800 m2牲畜船的船首进行全参数化建模，通过改变控制船体曲面的设计变量，并结合Sobol和NSGA-Ⅱ两种算法，对设计吃水和压载吃水两种工况下总的兴波阻力最佳船型方案进行搜索.通过CFD方法将优化后型线方案与母型船的总阻力性能做比较.结果表明，优化后船体兴波在两种工况下均得到改善，且总阻力也得到了明显降低，验证了基于参数化建模的船体型线优化设计方法的有效性和工程实用性.

参数化建模；牲畜船；型线优化；兴波阻力；计算流体力学

0 引 言

随着绿色经济与可持续发展理念日益深入人心，航运所造成的环境污染问题已经成为了国际社会关注的焦点.船舶的节能、环保正得到越来越多的重视.而船体型线方案的好坏将影响船舶整个生命周期的性能表现，因此船体型线的设计显得尤为重要[1-2].

参数化建模技术的兴起，为船体型线设计方案的变换提供了极大的便利.在基于参数化的型线优化研究方面，Aug等[3]利用自由变形和势流计算方法对某海洋工程辅助船进行了型线优化;Wang[4]结合NURBS方法和基于Neumann-Michell理论的CFD计算对型线进行了优化设计.国内在参数化建模方面及基于参数化模型的型线优化方面的研究起步较晚，但近年也有不少学者在该领域的研究上取得丰富的成果，徐俊路等[5]以VB为开发工具对CATIA进行二次开发并实现了球首的快速参数化建模；张萍等[6]对如何实现船型的参数化曲线，曲面表达进行了研究，并通过确定纵向NURBS特征曲线来实现NURBS船体曲面的建立；冯佰威等[7-8]通过对iSIGHT软件的二次开发建立了基于iSIGHT的船舶CAD/CFD一体化设计集成框架，并通过该平台对某集装箱船进行了优化；邓贤辉等[9]基于iSIGHT优化设计平台，提出一种基于CFD理论的最小阻力船型自动优化方法，集成了船型变换及自动生成技术，并对某双尾集装箱船进行了优化;邱云明等[10]使用FRIENDSHIP进行船体完全参数化建模，并使用该软件中的Feature编程功能编程实现Shipflow型值数据的提取和兴波阻力计算，最后利用该软件的优化框架，完成了1 300 TEU集装箱船的兴波阻力优化，结果表明，优化后的兴波阻力下降15.7%.

1 船体参数化建模

参数化建模技术是指选取决定船舶航行性能的特征参数、特征线，并根据特征参数、特征线生成光顺的船体线型[11].CAESES软件实现参数化建模的基本思想是首先构建控制主要几何特征的参数化曲线和相关特征曲线，如设计水线、平边线、甲板线、甲板外飘角曲线等.首先自定义剖面的曲线特征(feature)和曲线生成器(curve engine)，然后由这些特征曲线和剖面生成器生成光顺的横剖线，最后由曲面对象生成器(meta surface)利用蒙面法生成光顺的曲面.使用CAESES软件进行船体参数化建模的一般步骤见图1.图2中给出了对球鼻首以及船中以前船体表面进行参数化建模通常所需的特征曲线.

图1 船体参数化建模的一般步骤

图2 特征曲线

2 优化工具及对象

采用CAESES(也称FRIENDSHIP)与SHIPFLOW两款软件搭建优化平台，并结合参数化建模和兴波阻力的势流计算方法以最小兴波阻力系数为目标，开展型线优化的研究.CAESES软件适用于船体的全参数化建模，且通过CAESES内置的优化算法，可以快速的创建任意个数的变化方案，并通过SHIPFLOW执行势流计算并根据势流计算结果对船型的兴波进行优化.最后借助CFD方法对优化后的船型方案进行验证.

优化的对象为某6 800 m2牲畜船，参考的母船型(原始型线方案)三维模型.表1中列出了母型船的主要参数.通过给定的船型参数和三维模型，首先在CAESES软件中完成球鼻首和船中以前船体的参数化建模，用于型线优化过程中型线方案的参数化变换.

表1 船型的主要参数

3 优化策略

优化前需明确型线方案变换的约束条件，见表2.优化的目标则是以兴波阻力最小为目标，这里需要同时考虑设计工况和压载工况，两种工况的航速及在优化目标中所占的比重情况等信息见表3.

表2 优化约束条件

表3 考虑的工况

考虑到船中以前的首部线型对兴波阻力影响较大，同时为了节约优化的时间，本次优化、建模时仅对船中以前的首部进行了参数化建模，船中以后的型线保持不变，并选取横剖面面积曲线(SAC)和设计水线(DWL)特征曲线上的参数以及控制球鼻首形状的参数作为优化的设计变量，通过改变这些设计变量的数值来生成不同的船体型线方案，具体的设计变量名称见表4.

优化过程的核心是通过优化算法在指定的优化变量变化空间范围内对最优的变量值进行搜索.文中采用Sobol和NSGA-Ⅱ两种算法对优化变量进行搜索，其中Sobol算法是一种稳定的、覆盖率广的随机序列.应用Sobol算法便与对设计方案在整个变化空间中的表现有初步的判断；NSGA-Ⅱ即为第二代非支配排序遗传算法，它的搜索目标可以是单一目标或是多个目标的，这种算法对于一些互相冲突的目标需要最小化的任务十分有效，而且还可以考虑不等式约束.以设计工况和压载工况下的兴波阻力系数按1∶1的比例加权求和最小作为优化目标，首先通过Sobol算法开展初步随机搜索，缩小优化变量的变化范围，然后采用NSGA-Ⅱ算法进行目标性搜索，最终在满足各项约束条件的前提下锁定总的兴波阻力系数最小的型线方案.优化前后设计变量的变化见表4，优化前后约束参数的对比情况见表5.最终得到的优化后方案三维模型.图3则给出了优化前后首部线型的对比图.

表4 设计变量及优化前后的对比

图3 优化前后的首部线型对比

约束参数原始方案优化后方案垂线间长Lpp/m133不变型宽B/m21．6不变总长Loa/m140．75141．51排水量Δ/t1475014968浮心纵向位置Xb/m63．5863．95

4 CFD计算结果

为了分析型线优化方案的总阻力变化情况，应用STAR-CCM+软件进行基于CFD的静水阻力计算，按缩尺比为25的模型尺寸计算，靠近船体表面的第一层网格厚度按照Y+≈100划分，考虑船体左右的对称性，计算时按照半船来计算，网格总数约为150万，湍流模型选择SSTk-ω，阻力计算结果见表6.

表6 静水阻力计算结果

由表6可知，优化后方案在设计吃水工况下较原始方案减阻3.7%，在压载吃水工况下减阻7.6%，两种工况下减阻效果明显，这说明型线优化的搜索结果是成功的.优化前后两种工况下的摩擦阻力变化不大，而优化后方案的压阻力降低明显，说明前期基于势流的优化计算起到了改善兴波降低压阻力的效果.

图4为优化前后的自由表面兴波对比，由图4a)可知设计吃水工况下优化后的散波波形更早脱离了船体表面，且波形分布密度明显减少；图4b)压载工况下也表现出类似的趋势.图5为优化前后首部兴波对比.

图4 优化前后自由表面波形对比

图5 优化前后首部兴波对比

图6 Y/Lpp=0纵向切面以及船身表面处的波高图

图6为纵向切面以及船身表面处的波高图.由图6可知，设计吃水下首兴波波峰的高度并没有下降，且Y/Lpp=0纵向切面上的波形幅值改善效果不明显；而压载吃水工况优化后方案在首波峰和首波谷的波幅较原始方案均有大幅降低，且纵向切面上的波高分布优化效果明显.由图4～6可知，两种工况下优化后的方案在兴波上均有改善，且压载工况下的兴波改善效果更加显著，这与前面分析得到的压载工况下总阻力下降百分比更高的结论相吻合.

5 结 论

1) 球首的形状在该船型优化过程中对首兴波的影响效果明显，适当增加球鼻首的长度对改善首兴波有利.此外，降低球鼻首前端点高度对压载吃水的兴波是有利的，但一定程度上增加了设计吃水的兴波阻力.

2) 自由表面开尔文波形的疏密程度，分布形式均对兴波阻力影响明显，通常通过改变水线的形状和横剖面面积曲线可以很好地改善波形的分布情况.

3) 基于CFD的阻力计算结果表明，本文所提出的型线优化思路在兼顾两种工况下的情况下均获得了明显的优化效果，可供设计者参考，且具有良好的工程适用性.

后续有待针对优化结果开展船模阻力试验，进一步证实型线优化结果的可靠性.

[1]刘继海,肖金超,魏三喜,等.绿色船舶的现状和发展趋势分析[J].船舶工程,2016(S2):33-37.

[2]陈红梅,蔡荣泉.势流计算在船舶型线优化改型中的适用性研究[J].船舶工程,2012(S2):9-11.

[3]ANG J, GOH C, LI Y. Hull form design optimization for improved efficiency and hydrodynamic performance of “ship-shaped” offshore vessels[C]. Proceedings of International Conference on Computer Application in Ship Building, Bremen, Enlighten,2015.

[4]WANG J. A NURBS-based computational tool for hydrodynamic optimization of ship hull forms[D]. Fairfax: George Mason University,2015.

[5]徐俊路,陈顺怀.基于CATIA二次开发的球首参数化设计[J].船海工程,2010(1):45-47.

[6]张萍,冷文浩,朱德祥,等.船型参数化建模[J].船舶力学,2009(1):47-54.

[7]冯佰威,刘祖源,詹成胜,等.船舶CAD/CFD一体化设计过程集成技术研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2010,34(4):649-651.

[8]冯佰威,刘祖源,聂剑宁,等.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.

[9]邓贤辉,方昭昭,赵丙乾.基于计算流体动力学的最小阻力船型自动优化[J].中国舰船研究,2015(3):19-25.

[10]邱云明,胡春平.基于参数化船型的阻力优化研究[J].船舶工程,2015(S1):47-51.

[11]胡春平.基于Friendship的船体型线优化技术研究[D].武汉：武汉理工大学,2012.

Lines Optimization Based on Parametric Modeling Approach of Hull Form

ZHAO Zhijian ZHANG Qi ZHANG Lijun CHEN Ge

(TechnologyR&DCenter,COSCOShippingHeavyIndustryCo.Ltd.,Dalian116600,China)

Both CAESES and SHIPFLOW are used to establish optimization design platform, and a geometric model of 6800 m2 livestock carrier’s bow is built by full parametric modeling approach of hull form. A series of design variables of hull surface are generated, and automatical optimization of bow lines is realized with the goal of minimizing resistance under the design draft and ballast draft using Sobol and NSGA-Ⅱ searching method. At last the optimization for the hull surface of 6 800 m2cattle ship is completed and the results calculated by CFD method indicate that the total resistance reduces significantly. It confirms that the hull form automatical optimization based on parametric modeling method is feasible.

parametric modeling; livestock carrier; lines optimization; wave resistance; CFD

2017-06-11

U661.31

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.019

赵志坚(1974—)： 男，硕士，高级工程师，主要研究领域为船舶与海洋工程设计