基于CFD的46 000 t油船型线优化设计

郑强++冯佰威

摘要： 为适应国际海事组织船舶能效设计指数对绿色船舶的要求，以46 000 t油船为例，采用CAD软件FRIENDSHIP对船舶进行参数化建模，同时集成CFD软件Shipflow，搭建船型优化平台，实现参数化船型自动生成、性能计算及优化，获得阻力性能较好的船型。研究结果表明：所采用的46 000 t油船型线优化方法具有可行性，可为46 000 t油船型线设计提供参考。该研究方法可实现仿真驱动设计，对缩短设计周期具有重要意义。

关键词： 参数化建模； 油船型线； 优化； 总阻力

中图分类号： U441文献标志码： B

Optimization design of 46 000 t oil tanker line based on CFD

ZHENG Qianga， FENG Baiweib

（a.School of Transportation； b.Key Laboratory of High Performance Ship Technology

（Wuhan University of Technology）， Ministry of Education， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China）

Abstract： To meet the requirements of International Maritime Organization（IMO） energy efficiency design index for green ship， the parametric modeling of a 46 000 t oil tanker is carried out using CAD software FRIENDSHIP. The hull form optimization platform is built by integrating the CFD software Shipflow. The automatic generation of parametric hull form， the performance calculation and optimization are realized. The hull form with better resistance performance is obtained. The study results show that the line optimization method on the 46 000 t oil tanker is feasible. The simulationdriven design can be achieved using this research method. It is important for the time saving of the design cycle.

Key words： parametric modeling； oil tanker line； optimization； total resistance

收稿日期： 2017[KG*9〗07[KG*9〗20修回日期： 2017[KG*9〗09[KG*9〗08

基金項目： 国家自然科学基金重点国际（地区）合作研究项目（51720105011）；国家自然科学基金（51479150，51709213）；

自主创新基金（173102007）

作者简介： 郑强（1994—），男，福建宁德人，硕士研究生，研究方向为船舶多学科设计优化技术，（Email）451535308@qq.com

冯佰威（1974—），男，辽宁北镇人，副教授，博士，研究方向为船舶数字化和船舶多学科设计优化，（Email）275951659@qq.com0引言

传统的船舶型线设计受限于船型数据和船舶设计者的经验，设计过程复杂繁琐，资源和人力浪费严重，得到的方案仅能满足既定要求而非最优设计。在科技发达的今天，传统方法已经不适应船舶工业的发展，所以对船体型线的研究显得尤为重要。当前，计算机技术蓬勃发展，各行各业纷纷应用计算机技术简化工作，船舶工业也不例外。计算机辅助系统在船舶型线设计中的作用越来越重要，常用的计算工具，如CAD和CFD等，已经日渐成熟，越来越多的学者应用这些软件进行优化计算。但是，由于CAD和CFD之间缺少有效的集成，无法更好地发挥计算机的优势，使得CFD仍不能很好地应用于船舶设计开发。

本文围绕船体的水动力性能，利用参数化建模软件FRIENDSHIP构建船舶参数化模型，同时集成CFD计算程序Shipflow搭建船型优化平台，实现参数化船型生成、性能计算和船型优化。

1船型参数化设计

在参数化建模中，船体的曲面形状由船体特征参数控制，特征参数对船舶水动力性能影响很大。各类船舶有不同的特征参数和曲线，其中特征参数有船长、型宽、设计吃水、主甲板高、棱形系数、方形系数等，特征曲线有龙骨线、平边线、平底线、舭部升高线等。特征参数和特征曲线数据量要远远小于确定船体曲面的型值数据量。用特征参数、特征曲线表达船型，然后进行初步的性能估算，可以减少计算量，提高计算速度。[13]船型参数化设计方法分为4步：（1）确定特征参数；（2）设计纵向特征曲线；（3）生成横剖面曲线；（4）得到船体曲面。[45]

1.1特征参数

特征参数控制特征曲线的形状，进而影响船体曲面形状。特征参数可以分为2类：一类为全局参数，如船体的垂线间长度、船宽、型深、设计吃水、主甲板高度、棱形系数、方形系数等船体主要要素；另一类为局部参数，主要控制船体纵向和横向的特征曲线，如控制平边线、平底线、舭部升高线和球艏等的参数。[6]endprint

1.2特征曲线

参数特征曲线可以分为纵向特征曲线和横剖面曲线。纵向特征曲线，如横剖面面积曲线、设计水线、船体轮廓线、平边线、平底线等，都是生成船体曲面必要的曲线。设计纵向特征曲线时，可根据具体情况决定是设计全部纵向曲线还是仅设计部分纵向曲线。纵向曲線主要组成见表1。纵向特征曲线通过控制横剖面曲线上点的坐标，实现横剖面曲线的设计。横剖面曲线的创建一般用FRIENDSHIP中的Feature实现。

1.3船体曲面的生成

FRIENDSHIP软件以形状参数为基础，整个建模过程细分为3个连续步骤：首先，根据所选的特征参数建立参数点，用软件中的各种线型设计和生成光顺的纵向特征曲线：然后，运用软件的相应模块生成一系列光顺的横剖面曲线；最后，利用蒙面法生成船体曲面。[710]船体曲面生成过程见图1。

2油船船体曲面全参数化建模

以某46 000 t油船为例进行船体曲面全参数化建模。由于后续黏流计算的需要，所建参数化模型按1∶27的比例进行缩小。

船体中部曲面的曲率变化较小，建模通常都从船体中部位置开始，然后依次向艏、艉延伸。46 000 t油船在船体中部位置设有一定长度的平行舯体，并且艏部带有球鼻，因此以平行舯体段作为起始段，再以平行舯体两端的横剖面向艏、艉进行延伸建模，主要将船体划分为平行舯体段，船体前部，船体后部3个部分。根据不同部分曲面的特点，对曲面进行进一步划分，见图2。

2.1主要特征曲线创建

根据船舶主体尺寸要素等数据建立船体的平边线、平底线、中剖面轮廓线、船的设计吃水、横剖面面积、设计水线、球艏等特征曲线。下面以球艏为例介绍特征曲线建立过程。

球艏建模相关的主要特征参数见表2。

2.2横剖面构造

在特征曲线的基础上用NURBS曲线表达光顺的横剖面曲线。由于船体横剖面曲线随船长变化，需要将其划分为几个部分单独建模，此处仅以船体中部曲面的创建为例详细阐述，其他部位方法类似。

船体中部曲面横剖线分为底部、舭部和舷侧3个部分，需要4个点控制横剖面曲线形状，见图4。

2.3曲面生成

将Feature导入到Curve Engine中，设定好特征参数和曲线的配置，选择横剖面曲线生成的坐标系统，再将该Curve Engine添加到曲面生成器Meta Surface中，输入曲面生成的起始和终止位置，就会在该范围内会生成无数的横剖面从而得到光顺的船体曲面，见图5。

3油船阻力性能优化

以参数化46 000 t油船为基础，选择船体的首、尾部型线为优化对象，建立相应的数学模型。采用Sobol算法和Tsearch算法对数学模型进行求解，完成46 000 t油船总阻力性能的数值优化。

3.1型值数据的自动提取

为实现FRIENDSHIP和Shipflow之间的集成，需要将参数化模型转化为Shipflow所能读取的格式，实现CFD计算和后续的船型自动优化。在研究过程中，定义Feature实现船体参数化曲面型值的自动提取。根据曲面特点将曲面型值分为4个部分：艉轴、主体、艉部、球艏。采用做横剖线的形式，对船体提取4部分型值，设置好Feature中的相关参数，即可得到全船型值，见图6。将该型值数据将输入到SHIPFLOW中完成总阻力的计算。

3.2计算网格

对该46 000 t油船在设计航速（弗劳德数Fr=0.183）时阻力和流场进行数值计算，兴波阻力采用势流面元法计算，在船体和自由表面进行网格划分，船体计算面元总数约为3 800个。自由液面大小取值：船前取0.5LPP（LPP为垂线间长度），船后取1.6LPP，船侧取0.6LPP，计算面元数约为3 500个，见图7。计算黏性阻力时采用RANS方法，自动划分网格，轴向×周向×径向网格划分为113×49×71，网格总数约为39万个。

3.3优化变量设定

选择船体的首、尾部型线为优化对象，在船体的首部选择10个参数、尾部选择9个参数，其相应的变化范围见表4。

3.4优化目标定义

重点对船体的首、尾部型线进行优化，以减小船舶的总阻力，因此将总阻力作为优化的目标函数。编写CFD计算所需的配置文件，型值数据按第3.1节所得到的型值。在FRIENDSHIP中集成Shipflow，设置好计算路径进行总阻力数值计算。

3.5约束条件定义

在保证46 000 t油船的阻力性能得到改善的同时，要保持初始船型的营运性能。为保证船型在优化前后的浮性和稳性不发生太大的变化，将排水量和浮心的纵向位置作为优化的约束条件，要求船体型线在约束条件范围内变化。选择约束变化范围为：（1）排水体积在母型船的基础上浮动范围小于1%；（2）浮心纵向位置在母型船的基础上浮动范围小于1%。

3.6优化算法设置

选择Sobol算法在全局范围内进行较优船型的探索，生成总计200组方案，从中选出总阻力最小的方案，并在此方案的基础上进行Tsearch算法优化，最大迭代次数设置为200次，最终得到阻力最小的方案。

4优化结果分析

经过130 h的优化，优化结果见表5。优化前后自由面波形轮廓图及舷侧纵向波切比较见图8，优化前后型线比较见图9。

优化后总阻力下降5.60%。将优化船与母型船的型线进行比较可以发现，排水体积的减少使得船体前部的横剖面形状由“U”形逐渐变为“V”形。“V”形横剖面形状会使得船体的湿表面积减小，因此会使得船体的摩擦阻力相应减小，同时由于“V”形横剖面形状使得船体的舭部漩涡减少，虽然“V”形剖面可能会使得船体的兴波阻力增大，但由于该46 000 t油船属于低速船，兴波阻力所占的比重较小，因此兴波阻力增大的幅度小于船体摩擦阻力增大的幅度。船体的尾部曲线略微收缩有向“V”形变化的趋势，船体的湿表面积减小从而使得摩擦阻力减小。endprint

5结束语

利用FRIENDSHIP和Shipflow成功实现46 000 t油船船型全参数化建模和总阻力自动优化，获得阻力性能较好的船型，这对实现仿真驱动设计、缩短设计周期具有重要意义。

参考文献：

[1]张萍. 船型参数化设计[D]. 无锡： 江南大学， 2009.

[2]张萍， 朱德祥， 何术龙. 参数化的船型设计方法[J]. 中国造船， 2008， 49（4）： 2635.DOI： 10.3969/j.issn.10004882.2008.04.004.

ZHANG P， ZHU D X， HE S L. Parametric design method of hull form[J]. Shipbuilding of China， 2008， 49（4）： 2635. DOI： 10.3969/j.issn.10004882.2008.04.004.

[3]黄金锋， 万松林. 基于设计特征的FRIENDSHIP船型参数化方法及实现[J]. 中国舰船研究， 2012， 7（2）： 7985. DOI： 10.3969/j.issn.16733185.2012.02.015.

HUANG J F， WAN S L. Parametric method of FRIENDSHIP hull form based on design feature[J]. Chinese Journal of Ship Research， 2012， 7（2）： 7985. DOI： 10.3969/j.issn.16733185.2012.02.015.

[4]蒋国伟， 常海超， 冯佰威. 基于FRIENDSHIP的船型优化方法研究[C]//2015年CAD/CAM学术交流会议论文集. 南京， 2015.

[5]沈通， 冯佰威， 刘祖源， 等. 基于径向基函数插值的船体曲面修改方法研究[J]. 中国造船， 2013， 54（4）： 4554. DOI： 10.3969/j.issn.10004882.2013.04.006.

SHEN T， FENG B W， LIU Z Y， et al. Research of hull form modification method based on interpolation of radial basis function[J]. Shipbuilding of China， 2013， 54（4）： 4554. DOI： 10.3969/j.issn.10004882.2013.04.006.

[6]胡春平. 基于FRIENDSHIP的船體型线优化技术研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2012.

[7]刘祖源， 冯佰威， 詹成胜. 船体型线多学科设计优化[M]. 北京： 国防工业出版社， 2010.

[8]冯佰威， 刘祖源， 詹成胜， 等. 基于船型修改融合方法的参数化建模技术[J]. 计算机辅助工程， 2010， 19（4）： 37. DOI： 10.3969/j.issn.10060871.2010.04.002.

FENG B W， LIU Z Y， ZHAN C S， et al. Parametrization modeling based on hull form morphing method[J]. Computer Aided Engineering， 2010， 19（4）： 37. DOI： 10.3969/j.issn.10060871.2010.04.002.

[9]YANG C， HUANG F X， KIM H. Hydrodynamic optimization of a triswach[J]. Journal of Hydrodynamics， 2014， 26（6）： 856864.

[10]冯佰威， 刘祖源， 常海超. 多学科设计优化技术在船舶初步设计中的应用[J]. 中国造船， 2009， 50（4）： 109116. DOI： 10.3969/j.issn.10004882.2009.04.015.

FENG B W， LIU Z Y， CHANG H C. Application of multidisciplinary design optimization techniques in ships preliminary design[J]. Shipbuilding of China， 2009， 50（4）： 109116. DOI： 10.3969/j.issn.10004882.2009.04.015.（编辑武晓英）第26卷 第6期2017年12月计 算 机 辅 助 工 程Computer Aided EngineeringVol.26 No.6Dec. 2017endprint