基于模板技术构建船舶螺旋桨设计平台

黄金锋，许 浒

中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

0 引 言

随着三维设计技术及其工具软件的发展，螺旋桨三维几何模型已建立起来，并通过相应的分析软件对其进行了仿真评估。但螺旋桨三维设计CAD系统与仿真分析CAE软件之间的数据转换和信息集成问题还未得到有效解决，导致三维模型无法直接用于螺旋桨的工程分析。另外，螺旋桨设计的经验和知识都掌握在少数人手中，很难重复利用，易对企业造成很高的知识风险。螺旋桨设计工具相互孤立，不成体系，异常复杂的数据流主要依赖人工劳动，设计并行度低，管理难度大，严重影响了设计质量和效率，使得设计过程很难实现关联设计和优化设计。因此，螺旋桨设计平台的建立势在必行。

国际上的研究机构基于以前发展的各种方法建立了有效的螺旋桨设计系统。20世纪90年代，美国泰勒水池就开展了螺旋桨优化设计集成系统的研究。HydroComp.IN公司的HYDROCOMP系列软件包括NavCAD，ProExpert和ProCAD三个模块，分别用于解决船舶推进系统分析、螺旋桨设计和计算机辅助螺旋桨生产等领域的实际问题。美国AMI公司的VSAERO和USAERO软件提供螺旋桨水动力分析，MARINTEK的AKPD/AKPA系统和MARI N的EXCALIBUR和PROCAL系统都是设计和分析螺旋桨的集成系统［1-2］。

国内的科研院所和船厂利用ISIGHT和数据库等方式建立了初步的螺旋桨集成设计系统［3-4］，但目前仅限于三维几何模型的建立和水动力分析，没有考虑结构强度校核等方面，而且集成度不高，不能根据经验和知识进行设计，同时，流程的管控也不理想，没有专门的数据管理模块，致使数据无法向下游传递。螺旋桨设计平台基于商业货架软件SYSWARE TDE/IDE，利用成熟的螺旋桨设计理论方法和集成应用软件，通过开发和集成进行螺旋桨设计分析的专业模块，最终形成一个便于面向螺旋桨设计分析的专业应用系统。平台主要利用模板技术构建统一的关联模型，自动保证各设计阶段、各专业模型之间的紧密关联，大量减少方案更改和模型协调的工作量，从而实现多学科关联的设计与优化。

1 模板技术

螺旋桨设计首先建立三维几何模型，然后通过对几何模型的转换与处理生成螺旋桨的仿真分析模型，之后在仿真分析软件中进行分析计算并对设计结果进行分析和评估。因此，三维设计模型为主模型，仿真分析模型是由主模型派生出来的关联模型，主模型的修改将直接导致关联模型的更改，主模型和关联模型共同组成螺旋桨设计的统一关联模型。关联是指一系列模块的串联和并联网络，通过在各个模块之间建立数据流和控制流，建立描述整个设计方案的统一关联模型，从而使设计方案中的各种模型有机地耦合在一起，这样，当设计方案的任何局部发生变化时，就可以保证其他所有部分都能进行相应的调整以匹配这种变化［5］。

为实现模型的统一关联，主要措施是利用模板技术将工具、软件、设计参数和经验等固化下来，并通过数据流和控制流实现流程的驱动和参数的关联，以此来建立螺旋桨集成设计分析平台。

任何设计、分析的过程都包含一些规则和方法，这些规则和方法实质上就是软件工具使用的知识和经验。尽管软件工具操作的对象可能各不相同，但这些规则和方法是不变的，本文提出的思想就是归纳和总结这些规则，将其封装为模板，然后通过模板进行产品的设计和分析工作。

模板是提取设计过程中可重复的设计、建模、分析操作过程并进行封装，从而形成的模块化组件。CAD，CAE等软件的传统应用模式都是管理结果而不是过程。由于结果是静态的，要获得和改变结果必须由人工重复操作，因而导致方案建模、更改、重新评估的工作量较大，很大程度上影响了设计、分析、优化的循环效率。模板的内部不仅仅是规则，同时还包括所有初始数据、中间数据和最终数据，因此，可以将模板视为描述设计对象的一种新方法。与传统上用最终结果描述设计对象的方法不同，这种新方法不仅包含设计对象的状态（也即最终结果），还包括设计对象的产生过程。

模板这一思想首先改变了软件的使用模式，将设计人员操作软件的一对一模式转变为通过模板去操作软件，这不仅降低了设计人员的工作量和工作难度，而且还大大提高了方案设计的自动化程度。其次，模板还改变了设计人员的工作方式，将传统上一个人同时掌握规则（学习和掌握软件）和应用规则（用软件进行设计、分析工作）的工作方式转变为开发模板（掌握和封装规则）和应用模板（应用规则完成设计、分析工作）由不同的人完成，这不仅降低了对设计人员的要求，而且使知识和经验还可以积累、共享和重复使用，有效降低了企业的知识风险。此外，螺旋桨的设计模型以及各软件数据接口也可通过模板进行开发和封装。模板的思想本质是一种方法模块化的思想。

根据其内部封装的软件和规则，模板可以完成设计、建模、分析、仿真等各种不同的工作，并描述产品的各种基本组成元素，通过模板，即可以搭积木的方式建立整个产品的设计方案。为保证设计方案的关联性，系统通过在各个模板之间建立数据流和控制流来建立描述整个设计方案的统一关联模型。以图1的外形设计、结构设计和有限元分析为例，它们分别由外形模板、结构模板、有限元模板驱动CATIA和PATRAN生成。由于结构模板生成结构模型时需要输入外形模板产生的外形曲面，因而外形曲面这一数据流就实现了外形与结构的关联。同样，由于有限元模板生成有限元模型时需要输入结构模板产生的结构模型，因而结构模型这一数据流就实现了结构与有限元分析的关联。这样，当外形模板参数改变时，结构模型和有限元模型就会自动更新，与新的外形曲面相匹配；当结构模板参数改变时，有限元模型也会进行相应的自动更新，以与新的结构模型相匹配［6］。因此，统一关联模型实质上就是用数据流和控制流连接的模板集合，包括所有的设计模型、分析模型、分析结果以及设计分析报告。

图1 统一关联模型实现示例Fig.1 Example of unified connected model

2 关键技术

2.1 工具软件的集成

船舶螺旋桨涉及的专业面广、软件工具众多，这些软件具有多专业、交互分布、异构性等特点，因此，如何将这些体系结构各异的软件工具集成在一起，实现软件工具间的信息传递与功能上的互操作是实现多专业协同控制与协同仿真的关键。设计和分析手段以自有程序和商业软件为主，下面将介绍工具软件集成的方法。

性能计算和结构分析手段以自有程序为主，通过对已有程序进行封装，使自有程序的输入和输出数据与其上、下游数据建立关联关系。商业软件一般为CAD，Patran/Nastran及ICEM CFD/CFX等，商业软件的集成方式与自有程序相似，但需要更多地考虑商业软件的数据开放性，一般情况下，成熟的商业软件都会提供多层次的二次开发接口。基于公共对象请求代理体系结构（CORBA）技术封装所有计算程序，并向外提供标准的CORBA接口，一种典型的应用程序集成的方式示例如图2和图3所示。

图2 基于CORBA的计算访问代理Fig.2 Compute access broker based on CORBA

图3 应用程序集成技术路线Fig.3 The technical approach of application program integration

2.2 参数化驱动网格自动划分和水动力计算

由于网格质量的优劣对CFD分析结果有显著影响，将针对具有高度空间扭曲特性的螺旋桨几何模型，采用六面体与四面体相结合的网格划分形式对螺旋桨几何模型进行网格划分。

采用主流的网格划分工具Gambit，将其集成在Sysware框架下，针对螺旋桨网格划分经验，将网格划分过程界面参数化，参数控制界面如图4（a）所示。为得到合适的混合网格模型，将螺旋桨外部流场分割为流体内域和流体外域两部分，并可根据螺旋桨尺度调整变化两部分区域的几何参数。由于流场内域存在螺旋桨外轮廓曲面，在采用六面体网格进行网格划分时，网格节点难以准确捕捉复杂曲面的几何特征，相比之下采用四面体网格更为合理。在内域，结合Gambit的尺寸函数功能合理布置四面体网格；在流场外域部分，由于几何较为规则，故布置了六面体网格，避免了全部采用四面体网格时单元数量巨大的问题。

在Sysware框架下，将有限体积法的求解工具软件FLUENT集成，通过VBS脚本程序驱动FLUENT JOU文件及求解参数，进行螺旋桨的水动力性能自动求解计算，如图4（c）所示。

2.3 水动力表面节点载荷自动转换为有限元表面节点载荷

图4 参数控制程序界面Fig.4 Parameter control program interface

使用专业网格划分工具进行桨叶的有限元网格划分，能够得到整片桨叶网格信息文件*.cdb，但如果采用用CFD方法计算得到的桨叶表面载荷数据作为强度校核的外部载荷来源，则一般需要将CFD载荷数据插值到桨叶表面节点上。在进行载荷插值前，首先需要提取出桨叶表面节点信息，然后将螺旋桨水动力载荷加载到螺旋桨的有限元网格模型指定区域，为后续桨叶强度校核计算工作做准备。为此，本文开发了螺旋桨桨叶信息提取程序，并集成于Sysware环境下，能够有效提取螺旋桨桨叶表面节点信息。

2.4 流程管控及数据接口（PDM）

为了实现舰船设计过程中三维设计流程和仿真分析流程的集成管理，采用基于标准的Sysware技术，具体内容本文不详述。数据接口主要是与PDM的数据关联，是在原有PDM系统的物理数据库基础上进行扩充和二次开发，使之可以管理结果数据和过程数据。过程数据管理模块是对数据基于产生过程的逻辑描述，同时作为原有PDM对结果数据基于装配关系的逻辑描述的一种有效补充。过程数据由本系统进行流程控制，结果数据仍由原PDM系统进行流程控制。

3 体系结构

船舶总体设计平台为开放式平台，主要用于集成CAD，CAE，CAO和CAX等各类软件，对软件应用知识和经验进行封装，并在一个统一的环境中进行CAD设计、建模、分析、优化、数据管理和协同管理。由于其功能特征，因而特别适用于以三维设计为基础，需要大量使用CAD和CAE技术，设计过程涉及较多学科专业，并且设计过程非常复杂的船舶总体设计。系统的体系结构如图5所示［7］。

图5 系统的体系结构Fig.5 The system architecture

4 系统组成与功能

4.1 单元模板开发环境

单元模板的开发环境是集成于CAD环境的设计、分析模型或应用软件的封装系统。单元模板开发环境对各类设计、分析模型或应用软件进行集成和封装，定制直接面向具体任务的应用界面，并在后台驱动设计、分析、进行仿真软件的建模、求解和后处理。

单元模板主要包括设计模板、数据库模板、转换模板和公式模板等。单元模板主要由参数表、输入输出表、用户界面和操作等基本要素组成，联合起来实现产品设计、建模、分析、仿真等工作中基本任务要素的封装。单元模板的基本要素包括：

1）参数表：模板数据的来源，是所有操作的数据核心。参数表包括各种类型的参数（整数、实数、字符串、文件、整数数组、实数数组、字符数组），用户需要从参数表界面中录入参数。

2）输入输出表：模板封装的数据接口，是模板执行时数据流传递的主要载体。输入表是复杂对象的数据来源，它负责接收上游模板的数据引用；输出表是复杂对象执行后的输出结果，它负责将模板执行的结果发布出去，供下游模板定义数据引用。

3）用户界面：已封装的模板数据与外界交互的接口。用户可以在模板封装时设计用户界面，将模板的参数信息及相关辅助说明展现在用户界面上，使模板在IDE环境中可以从用户界面上修改相关参数值，从而达到实现模板某种操作的效果。

4）操作：用于实现模板数据的加工处理，可以由多个公式操作、文件解析、数据库操作、命令执行、CAD操作和报表生成等类型的操作单元组成，支持顺序执行和分支执行两种模式。

4.2 组合模板环境

组合模板环境（也称集成设计环境，IDE）集成于CAD环境中，是基于单元模板的多模板统一关联的多学科设计、多学科建模、多学科分析、多学科优化的一体化环境。组合模板环境通过调用设计、建模、分析模板以及基础数据库，可以快速建立与设计、分析相关联的统一关联模型，通过调用MDO软件，可对方案进行多学科优化。

单元模板可以通过数据流和控制流来构成复杂的组合模板、工作包和工作组包等组合模板。数据流定义主要用于定义模板实例之间的数据传递关系，如图6（a）所示。如图6（b）所示，用户可以自定义模板之间的数据传递关系。

控制流表征的是模板实例之间执行的先后顺序，如图6（c）所示。用户可以定义控制流连接线，还可以查看执行的次序关系。控制流可定义起点（S图标）、终点（E图标）、并行、判断分支及循环等执行逻辑。

图6 组合模板环境Fig.6 Assembled template environment

4.3 集成管理系统

集成管理系统是集项目管理与流程管理于一体的综合管理系统，具体包括过程/项目定义、过程驱动，以及过程监控/项目分析等功能。集成管理系统可大幅提高工作流运转的效率和过程规范性，在此本文不予赘述。

4.4 模板库系统与工程管理系统

模板库系统是管理模板的系统平台，通过模板管理系统，可以上传模板、管理模板、检索模板并下载模板。工程管理系统用于管理设计过程的统一关联模型（包含相关数据）和工具软件。通过工程管理系统，可以访问统一关联模型，同时，工程管理系统按统一关联模型的结构关系，以版本的方式管理所有过程数据和最终结果。此外，与PDM数据的集成也是数据管理的重要内容，与PDM中的产品结构管理、文档管理以及用户管理产生数据交互关系，并通过标准服务访问PDM中的数据。

5 初步应用

本文将以DTRC4119螺旋桨为例测试平台系统的合理性、可用性和可靠性，建立桨型生成、性能计算和结构分析模板库，并生成设计流程管理系统［8-9］。其中，集成的工具和开发的模板库如表1、表2所示，系统主界面和主流程如图7和图8所示。

表1 集成工具列表Tab.1 Table of integrated tools

图7 系统主界面Fig.7 Main interface of the system

表2 模板库列表Tab.2 Table of template databases

图8 系统主流程Fig.8 Main process of the system

以其中的水动力分析（图9、图10）为例进行阐述。通过理论方法建立型值表，然后通过CATIA进行三维几何模型的建立、网格划分、水动力分析和结果文件输出等，以实现其设计分析功能。

图9 几何模型的建立Fig.9 Geometrical model creation

图10 网格和水动力结果Fig.10 Grid and hydrodynamic results

6 结 语

通过运用模板技术创建螺旋桨设计平台，改进了建模方式，提高了数据流处理的效率，实现了知识的管理和多学科关联设计。螺旋桨设计平台涉及理论设计方法、螺旋桨三维建模、CFD分析方法和有限元法的强度分析等多种设计分析手段。在理论设计方法中，可为升力线、升力面及面元法的核心计算程序提供简易、直观的前处理界面，保证了螺旋桨理论设计方法的准确性、便捷性，使得螺旋桨专业工程人员能够高效地研发出优良的螺旋桨。在螺旋桨三维建模及CFD分析方法中，通过SYSWARE集成工具软件CATIA，ICEM和FLUENT，可实现螺旋桨实体模型的快速构建，创建出符合流体分析工程需要的优良网格模型，求解出螺旋桨的敞水性能并得到桨叶所受到的水动力载荷分布。在使用有限元法的强度校核分析中，得到了高质量桨叶有限元网格模型，开发出了螺旋桨桨叶表面节点信息提取程序以及桨叶水动力载荷插值有限元单元节点计算程序，突破了水动力载荷向有限元节点传递的信息壁垒。

［1］贺晓燕，刘小龙，辛公正，等.螺旋桨设计集成系统平台开发［C］.中国造船工程学会，第四届全国船舶与海洋工程学术会议论文集，江苏镇江，2009.HE Xiaoyan，LIU Xiaolong，XIN Gongzheng，et al.Workflow development of propeller design prediction integrated design system［C］//The 4th National Conference on Ship and Ocean Engineering.Jiangsu，2009.

［2］须文波.多学科设计优化技术螺旋桨过程集成船舶设计［D］.无锡：江南大学信息工程学院，2007.XU Wenbo.Multidisciplinary design optimization technology propeller process integration［D］.Wuxi：Jiang-nan University School of Information Technology，2007.

［3］程成，须文波，冷文浩.基于iSIGHT平台DOE方法的螺旋桨敞水性能优化设计［J］.计算机工程与设计，2007，28（6）：1455-1459.CHENG Cheng，XU Wenbo，LENG Wenhao.Design and optimization of open water performance of propeller based on iSIGHT platform DOE methods［J］.ComputerEngineering and Design，2007，28 （6） ：1455-1459.

［4］张萍，季越红，吴龙周，等.基于Client/Server模式的螺旋桨数据库系统的研究与设计［J］.船舶力学，2002，6（2）：70-74.ZHANG Ping，JI Yuehong，WU Longzhou，et al.Study and design of the propeller database system based on Client/Server pattern［J］.Journal of Ship Mechanics，2002，6（2）：70-74.

［5］黄金锋，何刚.舰艇数字样船技术及其平台体系结构研究［J］.船舶工程，2009，31（5）：40-43.HUANG Jinfeng，HE Gang.Technology of naval vessel digital ship and study on its platform architecture［J］.Ship Engineering，2009，31（5）：40-43.

［6］余明，陈阳平.基于模板的设计技术探讨［J］.直升机技术，2009（1）：46-49.YU Ming，CHEN Yangping.Research on methodology based on template in engineering［J］.Helicopter Technique，2009（1）：46-49.

［7］北京索为高科系统技术有限公司.SYSWARE平台——集成设计的利器［J］.航空制造技术，2010（3）：86-87.Beijing SYSWARE Technology Ltd.SYSWARE Platform——favorable tool for integrated design［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2010（3）：86-87.

［8］唐英，王志坚，杨凯.基于UG二次开发的船用螺旋桨参数化建模方法与实现［J］.船舶工程，2010，32（4）：52-55.TANG Ying，WANG Zhijian，YANG Kai.Parametrical modeling method and implementation of marine propeller based on UG software［J］.Ship Engineering，2010，32（4）：52-55.

［9］王玉华.大侧斜螺旋桨强度研究［J］.船舶力学，1998，2（2）：44-51.WANG Yuhua.Comparative studies on highly-skewed propeller strength［J］.Journal of Ship Mechanics，1998，2（2）：44-51.