基于参数化CAD模型的船型阻力／耐波性一体化设计

邱辽原 谢 伟 姜治芳 冯佰威 刘祖源

1中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

2武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063

基于参数化CAD模型的船型阻力／耐波性一体化设计

邱辽原1谢 伟1姜治芳1冯佰威2刘祖源2

1中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

2武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063

在舰船概念设计阶段，往往需要快速生成阻力和耐波性能兼优的船型。采用基于母型船的船型融合生成方法，实现了参数化船型自动生成。在此基础上，采用iSight优化平台，将参数化船型生成技术与阻力、耐波性计算模型集成，运用多学科设计优化技术实现了船型阻力／耐波性性能一体化设计。优化方法采用多目标遗传算法以获取Pareto前沿。以一艘46 000 DWT油船的型线优化为算例对这个过程进行了具体说明，试验结果表明总阻力降低了3%，验证了这种方法的可行性。

船舶；参数化船型；阻力；耐波性；多学科设计优化

1 引言

随着船舶航行环境的日益复杂，耐波性能已成为船型设计的一个重要性能指标。由于耐波性能与船型密切相关，因此船型设计不仅要考虑船舶的阻力性能，同时也要考虑耐波性能。船舶阻力／耐波性的一体化设计成了一个重要的研究问题。

从优化设计角度来看，船型阻力／耐波性一体化设计是一个多学科设计优化问题。例如，意大利罗马水池教授Peri D，利用多学科设计优化方法，完成了阻力、耐波性两学科三目标的优化问题［1－4］；日本大阪大学的Yusuke Tahara［5］教授利用自主开发集成框架，完成了阻力和推进的多学科多目标优化。

从实际应用角度来看，由于目前CAD软件在船舶设计各个阶段中获得了广泛的应用，将CAD软件融入到多学科设计优化框架中是必然的趋势［6-7］。因此，在阻力／耐波性一体化设计中应该集成CAD软件，从而可带来以下优势：

1）CAD软件提供了丰富的三维造型功能，能准确地生成船体外形，可为阻力和耐波性能分析提供精确的外形模型；

2）在以往的阻力、耐波性设计中，阻力学科和耐波性学科通常各自建立一个船体外形模型。而参数化CAD建模可以为阻力学科和耐波性学科提供统一的外形模型，避免了不同学科重复的外形建模，并消除了不同模型之间的差异；

3）在船型设计中，有关船型的排水量和浮心纵向位置等船型参数非常重要，CAD软件可以直接精确计算出各类静力学要素；

4）阻力／耐波性多学科设计优化结果本身就是一个三维CAD模型，可被下游设计阶段（详细设计阶段）直接利用，无需再根据优化结果重新建立外形CAD模型。

因此，将CAD软件与阻力／耐波性多学科设计优化结合起来具有实际应用价值。本文针对CAD软件与船型阻力／耐波性多学科设计优化集成的问题，采用CAD二次开发技术，提出了基于参数化CAD模型的阻力／耐波性一体化设计流程，以46 000 DWT油船阻力／耐波性一体化设计为算例，详细阐述流程的实现过程。

2 基于参数化CAD的阻力 ／耐波性一体化设计流程

基于参数化CAD模型的船型阻力／耐波性一体化设计流程如图1所示。

简述如下：

1）设计参数即为控制船型变化的优化变量；

2）船型参数化融合模块读入设计参数，通过母型船的融合，生成新的船型；

3）自动提取阻力计算及耐波性能计算所需的数据文件，同时计算排水量及浮心的纵向位置；

4）阻力计算软件及耐波性计算软件分别读取相应数据文件，分别计算阻力及耐波性指标；

5）选择合适的优化算法，进行船型阻力及耐波性能综合优化。

自动评判获得的船体形状是否为阻力及耐波性能最优的船型，如果不满足要求，则再自动更改设计参数，重复上述步骤的2）～5），直至找到阻力及耐波性能综合兼优的船型。

上述整个流程可借助多学科设计优化集成软件 iSight来实现［8-9］。

3 应用算例

以一艘46 000 DWT油船的型线优化为算例，阐述图1流程的具体实现过程。其阻力／耐波性一体化设计问题是：在满足一定的约束条件下，优化船型，改善阻力和耐波性能。

该船主尺度排水量48 800 t，设计水线长176.2 m，船宽 32.4 m，吃水 10.5 m，型深 17.9 m，方形系数 0.794，浮心纵向相对位置 0.467。

3.1 船型的参数化融合生成方法

以型线生成CAD软件Fastship为二次开发平台，基于NURBS的船型描述基础上，开发了船型融合自动生成方法。该方法是以现有的多条母型船为基础，通过融合系数（权重因子）的调节，产生一系列光顺的船型。而这一融合的过程则是直接修改母型船的NURBS控制顶点，再由融合生成的控制顶点产生船体曲面的网格，进而生成船体曲面。在融合过程中一定要保证融合系数（权重因子）的总和为1。其融合过程如下：

从上面的融合过程可以看到，因融合系数的和为1，因此无论怎样调节Ci的值，融合后生成的船型则总是在正好容纳所有母型船的最小空间内，如图2所示。

另外，如果在优化过程中主尺度也作为变量，那么还须要将原主尺度下的融合生成的控制顶点坐标按照比例缩放到当前的主尺度下的顶点坐标。现以船长X方向的缩放为例，得到新船控制顶点X坐标的过程可表示为：

式中，Xnew表示新船的控制顶点X坐标；Xblending表示融合船的控制顶点X坐标；Lbasisship表示母型船的船长；Lvariable表示通过优化器得到的船长。船宽Y方向和型深Z方向的缩放与此类似。

3.2 阻力及耐波性能计算

3.2.1 阻力计算

船舶总阻力Rt用粘压阻力Rνp、摩擦阻力Rf和兴波阻力Rw三者之和来表达，即Rt＝Rνp＋Rf＋Rw。

1）摩擦阻力Rf及粘压阻力Rνp

采用 Holtrop 方法估算，即 Rf＋Rνp＝Rf（1＋k）。

式中摩擦阻力系数采用1957年ITTC公式计算，形状因子k采用下式估算：

c2（B ／LR）0.92497（0.95－Cp）－0.521448（1－Cp＋0.022 5 lcb）0.6906｝式中，Cp为棱形系数；lcb为浮心纵向坐标占船长的百分数；c1与尾部形状有关；c2与吃水船长比T／L有关；LR为去流段长度；LR可用下式估算：

2）粗糙度补贴ΔCf

根据1975年第14届国际船模试验池会议公式计算粗糙度补贴系数计算：式中，ks为粗糙度表观高度，本软件取150×10－6m。

3）兴波阻力Rw

采用Shipflow软件计算，即Rw＝CwρV2S。

Cw的计算通过Shipflow软件，采用边界元法、线性自由面边界条件以及船体表面用高阶NURBS表达，源的分布为NURBS表达的高阶源分布。Shipflow软件计算兴波阻力所需要的船型曲面上的数据均从图2所示的CAD模型中直接获得。

3.2.2 耐波性能计算

船舶在波浪上的运动计算程序是建立在线性理论基础上，并假设流体为均匀、不可压缩和无粘性的理想流体。在此基础上建立船舶线性运动微分方程：

式中，Mij，mij，Nij和 Cij分别为船舶质量惯性力系数、附连质量系数、阻尼系数和线性恢复力系数。

方程中的水动力系数采用经典的切片理论求解，进而求解运动微分方程得到船舶在波浪上的运动频率响应函数。耐波性计算所需要的船型各剖面的数据均从图2所示的CAD模型中获取。图3为耐波性计算的程序流程。

3.3 优化问题的数学表达

船型阻力及耐波性能一体化设计问题可用下面的方式来表达。

目标

1）设计航速20 kn时的单位排水量总阻力最小，即Min；

2）固定海况下的垂荡峰值最小，即min（max-heave），其中maxheave＝，ξmax为垂荡峰值，h为波高；

3）固定海况下的纵摇峰值最小，即min（maxpitch），其中maxpitch＝，φmax为纵摇峰值，k为波数。

变量

船长L、船宽 B、吃水 T、型深 D、融合系数 Ci。约束条件：

1）浮力平衡约束；

2）稳性约束；

3） ∑Ci＝1 ，且0≤Ci≤1。

本文利用iSight的过程集成及优化策略定制功能，完成了上述各模块的集成及优化问题的表述。其部分界面见图4。

3.4 优化结果及分析

上述的优化问题是一个多目标优化问题。对于这类问题的求解，通常不存在绝对的最优解，实为Pareto解集。求解多目标优化问题的实质就是确定Pareto解集［10］。本文采用Shinya提出的多目标遗传算法求解该优化问题。优化算法中的参数设置为：初始种群 20，代数 10，交叉概率为 1.0，变异概率为0.01。优化后得到该问题的Pareto解集，该解集中共有44个优化方案，见图5及表1。

表1 优化后获得的部分方案Tab.1 Some of solutions obtained by the optimization process

如果从表中选择优化方案13，那么耐波性能及阻力性能分别提高了 1.3%、1.9%及 12.3%。

为了验证该方法的可行性，对优化前的母型船和优化方案13开展了模型阻力试验。试验结果表明，在设计航速20 kn附近时，优化方案13总阻力较母型船降低约3%，表明该方法是可行的，可应用于舰船方案论证和设计阶段方案优选，具有一定的工程实用价值。

4 结束语

本文提出了一种采用基于母型船的船型融合生成方法，实现了船型参数化自动生成。在此基础上应用CAD二次开发技术，将CAD与阻力计算模型、耐波性计算模型和多学科设计优化算法集成起来，实现了船型阻力／耐波性一体化设计。以一艘46 000 DWT油船的型线优化为算例，详细阐述流程的具体实现过程，优化结果和模型试验验证了这种方法的可行性，表明该方法具有一定的实用价值。

在后续的研究中，将进一步扩展船型母型库，确定合适的航行性能优化目标，集成更多的船舶航行性能，实现船舶航行性能多学科设计优化。

［1］PERI D，ROSSETTI M，CAMPANA E F.Design optimization of ship hulls via CFD techniques ［J］.Journal of Ship Research，2001，45（2）：141－149.

［2］PERI D，CAMPANA E F.Multidisciplinary design optimzation of a naval combatant ［J］.Journal of Ship Research，2003，47（1）：1－12.

［3］PERI D，CAMPANA E F.High－fidelity models and multiobjective global optimization algorithms in simulationbased design ［J］.Journal of Ship Research，2005，49（3）：159－175.

［4］PERI D，CAMPANA E F，DATTOLA R.Multidisciplinary design optimization of a naval frigate ［C］//10th AIAA／ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization.Albany，NY，2004：487－517.

［5］TAHARA Y，TOHYAMA S.CFD－based multi－objective optimization method for ship design［J］.International Journal for Numerical Methods in Fluids， 2006，52：499－527.

［6］HARRIES S，ABT C.Formal hydrodynamic optimization of a fast monohull on the basis of parametric hull design［C］//5th International Conference on Fast Sea Transportation，Seattle，WA，1999：368－398.

［7］HARRIES S，VALDENAZZI F，ABT C.Investigation on optimization strategies for the hydrodynamic design of fast ferries ［C］//6th International Conference on Fast Sea Transportation.Southhampton，UK，2001：255－263.

［8］冯佰威，刘祖源.多学科设计优化技术在船舶设计中的应用［J］.中国造船，2009，50（4）：15－18.

［9］冯佰威，刘祖源.船舶CAD＆CFD集成优化接口开发及应用研究［J］.船舶工程，2009，31（增刊 1）：32－35.

［10］ ZALEK S F，PARSONS M G，BECK R F.Naval hull form multicriterion hydrodynamic optimization for the conceptual design phase ［J］.Journal of Ship Reseach，2009，53（4）：199－213.

Integrated Ship Resistence/Seakeeping Optimization Based on Parametric CAD Model

Qiu Liao－yuan1 Xie wei1 Jiang Zhi－fang1 Feng Bai－wei2 Liu Zu－yuan2
1 China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064，China
2 School of Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China

The hull forms of ship both with optimal resistance and seakeeping performances are required to create quickly in the conceptual design phase.Parametric ship hulls were achieved automatically with a blending method according to the baseline ship design.Based on that， the resistance and seakeeping performance integrated optimization was implemented with multidisciplinary design optimization method，combining parametric ship hull blending method and the resistance and seakeeping performance procedures through iSight optimization software.A multi－criterion， population－based evolutionary algorithm optimization process was used to provide a more thorough representation of the numerically approximated Pareto front.The resistance and seakeeping integrated optimization of 46 000 DWT oil tanker was presented as an example to illustrate the process.Model test results show that total resistance reduction is up to 3%.The feasibility of this integrated optimization method was also validated.

ship engineering； parametric CAD model； resistance； seakeeping； multidisciplinary design optimization

U662.3

A

1673－3185（2011）01－18－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.01.004

2010-07-15

国家自然科学基金资助项目（10772139）；国家863高技术研究发展计划（2006AA04Z124）；总装“十一五”水动力预研基金

邱辽原（1977－），男，博士。研究方向：舰船总体设计、船舶多学科综合优化技术。E-mail：Kiuly＠tom.com