船舶CAD-CFD接口开发与应用研究

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(中国船舶科学研究中心上海分部，上海 200011)

传统的船型优化方法通常借助船模水池试验进行，但模型试验周期长，花费高且寻找优化方向困难。随着计算机技术的快速发展和计算流体力学CFD技术的日趋完善，基于CFD数值模拟进行线型优化已发展得比较成熟[1-2]。而要实现船型的自动优化，CAD与CFD软件间的数据传递就成为了其关键技术之一。在国内，随着CAD与CFD的不断应用，对接口方面也有了一定的积累，并开发了一系列的接口程序[3-4]。但不同软件间模型的表达方式一般也不同，开发的接口往往只能适用于特定的软件。本文主要对接口技术进行研究，以常用格式的模型文件为基础，针对一系列有着相似模型表达要求的CAD、CFD软件开发相应的接口程序，以实现船体型值数据的相互传递。见图1。

1 模型文件与接口开发原理

表述船型的SHF模型文件的格式主要有以下规则：坐标系统的原点位于艉垂线和零水线的交点处，x方向向船艏为正，z方向向上为正；模型文件是一个文本文件，船体的定义是分组进行的，每一组以组名开始，默认为：bulb、boss、main和aft，见图2。各分组的每一行数据包含一个点的x、y和z坐标值以及状态标识；各组内的横剖线次序必须从船艏至船艉，每一横剖线上的各点必须从龙骨向上排列；横剖线上的第一个点的状态标识为1，其它点为0，每一组以状态标识9结束。SHF文件标准格式见图3。

图2 SHF型值文件分组示意

图3 SHF型值文件标准数据格式

中国船舶科学研究中心和日本NMRI分别自主开发的SHIPFW[5]和SPICA软件以及耐波性软件WASIM的计算主要基于切片理论，需要吃水以下各剖面上的型值数据作为计算模型；NAPA软件在建模时也只需要船体各剖面上的型值数据。这类软件模型文件的表达方式类似，剖面线和剖面线上型值点的选取与标准型值表中站线和水线的选取也较为一致。SHF格式的模型文件虽然能够精确地描述船体曲面各剖面线上的型值点坐标，但其包含的剖面线和型值点数量过多且分布散乱。通过手工查找的方式无法快速精确地将SHF文件转换为上述软件需要的几何模型。

本文开发的接口程序，能够将SHF文件中的型值数据重新拟合成船体曲线，通过对船体曲线进行插值，从而得到新的模型文件。对于船体曲线的拟合插值，本文选用三次B样条曲线。相比于传统的样条函数，B样条有着直观性强、保凸性好、局部性佳、适应性广泛等优点[6]。经验表明，对于船体曲线的拟合，B样条曲线也更为适用，本文在编写程序时，也对此进行了验证。

B样条曲线的方程为[7-8]

(1)

式中：di——控制顶点，di(i=0,1,…,n);

k——k次规范B样条基函数,Ni,k(u)(i=0,1,…,n)。

计算节点区间u∈[ui,ui+1]上一组k次B样条基函数Ni-3,3(u),Ni-2,3(u),Ni-2,3(u)及Ni,3(u)

(2)

上式中，当节点区间是均匀的，且间隔为1，k=3时，则得到三次均匀B样条曲线，其矩阵表示为

0≤t≤1,i=0,1,…,n-3

(3)

2 接口程序工作流程

本文开发的接口程序具体目标就是读入SHF格式的模型文件，按照SHF文件的标准数据格式，找出文件中构造模型的各种船体曲线，对这些曲线重新进行拟合、插值和排序，最后生成并输出上述各软件计算或建模所需要的接口文件。对SHF格式型值文件处理的流程见图4。

图4 接口程序工作流程

以常规单桨船为例，接口具体工作流程如下。

1)模型文件的读取与曲线拟合。首先对SHF模型文件进行读取，其流程见图5。并按照船体曲面的分组标识与型值点的状态标识将数据进行分类，统计出每一分组中横剖线的个数及每一条横剖线上的型值点个数。

图5 SHF模型文件读取流程

然后对每条横剖线上的型值点进行判断，将特征点提取出来组成新的特征曲线，比如艏艉轮廓线、平边线和平底线。根据这些特征曲线的特点，不同分组内横剖线上特征点的选取方式也不相同，具体的选取方法见表1。

表1 不同横剖线分组的特征点选取

最后将上述各横剖线、艏艉轮廓线，平边线和平底线进行拟合，构建三次B样条曲线，为下一步流程做准备。

2)水线、站线的选取与插值。按照目标模型文件要求，对船舶的站线和水线进行选取。水线的选取：除计算吃水外，3 m以下每0.5 m选取一条水线，3 m以上每1 m选取一条水线。站线的选取：一般取20站，即将垂线间长20等分，然后在船艏和船艉对站线进行加密，有球鼻艏的另加3站，最终选取约30条站线。

然后进行插值，首先是垂向插值，将每一条拟合好的剖面线、艏艉轮廓线在垂直方向上对上述各水线高进行插值；然后将插值出的各横剖线上相同水线高的坐标点重新进行曲线拟合，得到各水线；然后进行纵向插值，即将水线、平底线和平边线在纵向方向上对上述站线位置进行插值。插值结束后即可得到各水线与各站线交点位置处的船体半宽值，见图6。

图6 水线与站线的选取与插值

3)型值文件的输出。按照标准的型值表文件、SHIPFW和SPICA软件的型值输入文件、NAPA软件的建模型值文件以及WASIM软件计算用建模型值文件的具体格式，或其它有着类似型值文件要求的CAD或CFD软件所需模型文件的具体格式，将上述插值出的各型值数据进行排列，输出最终的模型文件。

3 接口的验证与应用

3.1 模型拟合度验证

为了验证接口程序在转换模型文件时的精确度，选取一艘常规集装箱船和一艘双艉鳍散货船，对转换前后几何模型的拟合程度进行验证。采用接口程序对SHF模型文件进行转换，分别生成30条站线，每条站线上约有30个型值点。对转换前后的几何模型进行作图分析，见图7～9。

图7 典型横剖线对比

图8 集装箱船船艏典型水线对比

图9 双艉鳍船艉轴出口典型水线对比

图中曲线表示原SHF格式的几何模型，点表示转换后得到的几何模型。图7显示了集装箱船和双艉鳍船艉部典型横剖线经垂向插值得到的几何模型与原模型的拟合程度；图8和图9分别显示了集装箱船艏和双艉鳍散货船艉轴出口处的水线经纵向插值得到的几何模型与原模型的拟合程度。由图可知，转换前后的几何模型，在球艏、双艉鳍船艉轴出口等曲率变化比较大的区域，拟合程度都非常高，从而也证明了三次B样条曲线在拟合船体曲线方面上的适用性。

3.2 接口的应用实例

以KVLCC2船型为例，对接口程序的实用性进行验证。通过SHIPFLOW将KVLCC2的IGES模型转换为SHF模型文件。首先用接口程序对SHF文件进行转换，得到offset.csv等5个表述船型的型值文件，导入NAPA软件中即可得到图10所示的几何模型。通过静水力计算分析转换前后几何模型的拟合程度，计算结果见表2。

图10 KVLCC2的IGES模型与NAPA模型

表2 转换前后静水力数据对比

对比项IGES模型NAPA模型数据对比/%吃水D/m20.820.8排水体积▽/m3312 622312 712+0.029湿表面积S/m227 19427 170-0.088浮心纵向坐标LCB/m171.207171.211+0.002水线面系数Cw0.901 70.902 2+0.055方形系数Cb0.809 80.810 0+0.025

然后将SHF文件用接口程序进行转换，得到SHIP.IN和ship1-in.dat型值文件，文件所包含的船型剖面信息见图11。采用SHIPFW和SPICA软件的波浪增阻计算模块对其进行求解，图12即为KVLCC2船在蒲氏6级海况下以某一航速顶浪航行时的波浪增阻计算结果，其中横坐标为波长船长比λ/Lpp，纵坐标为无因次增阻系数Kraw。

图11 经转换得到的fw计算所需几何模型

图12 波浪增阻计算结果

最后将SHF模型进行转换得到ship.pln文件，导入WASIM软件，即可得到计算所需要的几何模型与网格信息，见图13a)。KVLCC2船在蒲氏6级海况下以某一航速航行时，不同浪向角下的纵摇频率响应计算结果见图13b)。

图13 WASIM计算几何模型与纵摇计算结果

将上述结果与通过手工准备输入文件计算得到的结果进行比较，其结果基本一致。即基于本文开发的接口程序进行船舶CAD软件与上述软件间的型值数据交换是可行的。通过开发的接口程序，即可将上述性能评估软件集成到某些CAE集成框架，如FRIENDSHIP软件中，从而实现船型的自动优化[9]。

4 结论

采用三次B样条函数拟合船体曲线，即使在曲率变化比较大时，也能够达到较高精度；开发的接口程序不仅适用于常规单桨船，还适用于双艉鳍船型SHF格式的转换；经接口程序转换得到的模型文件，能够直接应用于SHIPFW、SPICA、WASIM和NAPA软件，比之手工准备型值数据，效率得到了极大的提高，计算的精度也能得到保证。

通过本文开发的接口程序，能够实现SHF文件向标准型值表文件的转换。因此，除上述软件外，对于其它有着类似模型文件表达方式要求的软件，都可以基于本文的接口程序增加相应的输出模块，对型值数据进行再处理，得到软件需要的模型文件。本接口程序的开发不仅为船型与其它性能评估软件间的数据集成提供了一条技术途径，也为下一步实现基于CFD的船型多性能综合自动优化的研究打下了基础。

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