虚拟水池试验系统中船体曲面和网格自动生成技术

倪 昱，金建海，蒲 海，田志峰

( 中国船舶科学研究中心，江苏 无锡214082)

0 引 言

水动力学是舰船总体技术的核心基础，水动力性能评估是舰船设计阶段必不可少的重要组成部分，传统的主要研究手段是物理模型试验。近年来，以CFD 技术为核心、计算机技术为依托的虚拟试验技术已成为国际水动力学领域创新研究的热点［1］。

目前，相关研究人员在对船型进行CFD 分析时，需要从CAD 图的型值信息开始，经历提取型值表、创建船体几何、创建计算域、网格控制点设置、体网格划分、MSH 文件生成、材料、属性边界条件设置、迭代求解及后处理结果显示等几个步骤［2］。当船型型值信息改变或需要对船型进行优化时，研究人员需要针对整个流程重新操作，但绝大部分都是重复性工作，从而浪费过多的时间在手工操作上。

中国船舶科学研究中心开发了舰船综合水动力虚拟水池试验技术系统。该系统将传统的CFD技术与计算机软件技术相结合，形成了1 套开放、功能可扩展的虚拟水池试验软件平台。为了减少传统CFD 分析的重复性手工操作，让研究人员将更多精力放在船型优化和结果分析上，虚拟水池试验技术系统实现了船型进行自动化建模和网格划分，将固定的手工流程自动化，缩短了重复工作的时间。本文对该系统中船体复杂三维曲面及其全域全结构化网格的自动生成技术进行研究。

1 船体复杂三维曲面的自动生成

在进行舰船水动力分析的CFD 分析过程中，首先要有表示舰船外表面几何模型的CAD 模型［3］，然后才能进行建立流体计算域、网格划分等工作。船体CAD 模型的建立十分重要，也比较繁琐，手工操作往往要花费工程人员大量的时间。专业人员建立船体CAD 建模的一般过程是:从各种型值文件中提取数据，利用已有的三维CAD 软件(例如UG)进行手工建模。建模过程中主要是用到NURBS 曲线构造、曲面生成、曲面缝合、实体的布尔运算等操作。由于船体曲面是非常复杂的曲面，因此如何建立合理的船体三维曲面是一个需要专家知识的复杂过程。而在虚拟水池试验系统中，我们对专家知识和经验进行了封装，对于拓扑结构类似的船体三维曲面实现了自动化建模，大大提高了工程人员建模的效率。

1.1 型值表文件

由于CAD 型值表的表达方式各有不同，因此虚拟水池试验系统使用扩展标记语言XML 作为中间格式的标准型值表文件。XML 是一种简单的数据存储语言，使用一系列简单的标记描述数据，在软件系统中经常用来作为数据交换的中间格式。我们开发的程序可将AutoCAD、Tribon、NAPA 等其他常用型值表格式转换为自定义XML 标准型值表文件。

根据船体型值数据所需相关参数，XML 文件归纳总结为DataGroup－版本控制、DataGroup－总体参数及DataGroup－船体型值表3 个模块。

一个标准中间xml 文件代表1 艘船，记录整条船的型值表信息、模型数据和分析设置参数，供各个CAD/CFD 软件接口程序使用，整个文件分为以下4 个部分:

1)XML 版本信息

固定XML 格式，编码格式是UTF－8。

2)转换程序版本信息

第1 行以符号开头的注释行;第2 行为文件来源说明;第3 行为转换程序版本信息以及文件创建时间。

3)总体参数

第1 行为总体参数项，包括船名、长度单位、船长、垂线间长等;第2 行为总体参数值。该模块主要描述船体的总体信息。

4)船体型值表

船体信息又包括①水线/站线数据表:水线/站线数据表中的列表示对应高度的水线，每1 列代表1 条水线。②中纵剖线(轮廓线):第1 行代表不同高度的水线面，第2 行为相应高度水线面与首尾轮廓的交点，用“ ”分割。③纵剖线:第1 行为纵剖面位置，即纵剖线的y 值，每1 列代表1 条纵剖线。

1.2 曲面建模

船体曲面的自动化建模，仍然是建立在专家经验的基础上进行的。因此，首先是理解手工建模的流程，通过手工建模流程用程序实现自动化。其中手工过程经过梳理之后，主要包括以下几个过程:

第1 步，导入船体型值表;

第2 步，通过型值表中的水线，站线，纵抛线，平底线等方向上的样条曲线，及对曲线细节进行调整;

第3 步，通过网格曲面、N 边曲面等方式利用水线、站线、轮廓线信息分段构造船体曲面。

通常在船首和船尾处的几何形状比较复杂，普通的曲面创建不能满足这种复杂形状的要求，因此需要进行细化，再将细化的曲面缝合成1 个曲面。

根据手工流程，利用UG 设计出对应的船型自动化建模过程，设计原型如图1所示。

图1 船体复杂三维曲面自动建模流程Fig.1 Process of complex 3D surface modeling automaticly

1)型值点重组

在船体的型线数据中，一般会包括水线、站线、平底线、轮廓线、纵剖线、尾封线数据。在构造其中任一条型线时，要把型线上的所有点都取到，以便更好地描述型线。比如某条水线上的点，应该是水线与站线、水线与纵剖线、水线与轮廓线等交点的集合。其他型线也要进行同样的操作。

图2 型值点重组Fig.2 Points reconstruction

2)型值点排序

在用型值点构造船体样条型线时，型值点必须单调给出。比如水线，型值点就应该按X 递增或递减顺序排列。故需对重组后的型值点排序。排序过程中还要根据实际情况删除冗余的点。比如图3 的水线在尾部有多个X 值相等的点，此时就要根据Y值最大原则选取合适的点。

图3 型值点排序Fig.3 Points order

3)型值点分组去平

船体曲面形状复杂，它包含了规则曲面和不规则曲面，为表达方便，一般将规则曲面和不规则曲面区分开，划分成多个区域，在每个区域表达的基础上拼接成完整的船体曲面。

图4 型值点分组去平Fig.4 Points group

依据图4 的7 个曲面片，需要对型值点进行分组，将直线的部分分离出来。

4)首尾站线分割

由于船首和船尾处的型值信息会导致站线穿过轮廓线，因此需要去掉此类多余的站线点。

图5 首尾站线分割Fig.5 Division station line of head and tail

5)在所有型线中样条曲线与直线相交的地方，必须保证样条曲线与直线相切。

图6 样条曲线与直线相切Fig.6 Spline is tangent to line

6)曲面模型建立

7 个曲面中只有前体曲面与后体曲面是复杂曲面，其他为规则平面或曲面，利用其边界线，通过放样或N 边区面方法即可生成所需曲面。前体曲面与后体曲面比较复杂。

图7 曲面模型建立Fig.7 Generate surface model

UG 自动化建模最终结果如图8所示。

图8 自动化建模最终结果Fig.8 Final result of modeling automatic

2 船体复杂三维曲面全域全结构化网格自动生成

船体复杂三维曲面全域全结构化网格自动生成技术一直是CFD 分析技术的难点和重点，同样也是本虚拟试验建设过程的重点和难点［4］。在虚拟水池试验技术系统中，借助于Gambit 的二次开发功能，实现船体三维曲面全域结构化网格的自动生成。

Gambit 中自动化计算域创建流程如下:

1)导入igs 模型曲面文件到Gambit 中，并利用自带函数通过模型的拓扑结构关系，重新定义船型曲面各个几何的编号，然后根据各个分段位置和船长倍数设置计算域分段的位置。

2)通过同样的分段位置，创建包围船体部分的计算域。在创建计算域几何模型前对小曲面进行合并，并设置首部向前，尾部向后和外边界参数。

图9 计算域几何模型Fig.9 Geometric model of calculation field

3)网格划分。网格是CFD 模拟与分析的载体，网格的自动划分的好坏直接影响到CFD 数值解的计算精度。为使模拟的流场更加精确，采用了六面体/五面体的混合的结构化网格。绕流场主要使用O 型和C 型2 种网格。

网格的疏密使用边网格点进行控制，原则是近壁区的边网格点数量多，满足y+要求，远离壁面区域边网格点数量逐渐减少。划出的体网格在壁面处非常精细，首尾区域的网格进行加密，而外部区域稀疏，经验和结果证明这样的设置更能准确地模拟流场。在首部、中段、尾部的各个边上按照表1的方式进行布置网格点。周向上一般均匀布置;轴向大多需要设定疏密过渡的网格点;径向和尾部轴向的根部需要设定初始网格高度，满足y+要求，同时沿径向和轴向需要疏密过渡。

表1 网格点分布及要求Tab.1 Mesh distribution and reqirement

网格生成和质量控制。首部和尾流区是整个模型中最复杂也是最关键的区域。为生成质量更高的网格，这2 个区域需要先依据边上的边网格点在2 个映射的“源面”上生成面网格，再使用Cooper 的方式扫过整个体而创建体网格。其他区域由于模型相对简单，直接使用边上边网格点来创建规则的六面体结构网格。最终网格划分结果如图10所示。

3 结 语

本文在中国船舶科学研究中心开发的舰船综合水动力虚拟水池试验技术系统基础上，研究了船体复杂三维曲面及其全域全结构化网格的自动生成技术。通过这些技术，可以减轻舰船CFD 分析中的重复性工作，提高研究人员的工作效率。

图10 网格划分结果Fig.10 Result of meshing

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