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船舶/港口设备/海洋工程 |
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CAE在船舶性能研究领域的应用 |
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作者：朱德祥 冷文浩 李百齐 何术龙 |
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摘要：论述了计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，简称CAE)技术的重要性及其在船舶性能领域应用的可行性。从原理、特点、功能、构成、应用效果及未来发展诸方面介绍了中国船舶科学研究中心在CAE技术领域自主创新的技术成果和在研项目，其中包括船型设计系统、水动力性能预报系统、数字水池试验系统、数值水池仿真系统和船舶技术性能数据库等五大系统。上述诸系统既相互独立，又有机联系，共同构成船舶性能研究的综合系统。
关键词：船舶、舰船工程; 船型设计; 水动力性能预报; 数字水池试验; 数值水池仿真; 集成系统; 技术性能数据库
1引言
作为我国传统产业的船舶制造业，正在走出“夕阳产业”的困境。这一方面得益于国家宏观产业政策的扶持，另一方面也得益于计算机辅助工程(CAE)技术的提高和应用。船舶CAE是将信息化技术与船舶制造相结合，实现船舶产品的设计、制造、维护和管理的信息化，以提高船舶工业研究开发水平和生产制造能力，加快船舶产品与设计技术的创新，加速船舶研制、生产和造船企业经营管理的现代化进程。提高船舶制造业的综合能力和核心竞争力，是贯彻以信息化带动工业化、实现造船工业现代化的主要途径与战略举措。对船舶制造业来说，这一发展趋势既是机遇，也是挑战，更是我国成为世界造船大国及造船强国的必由之路。
船舶制造业的特点是资金投入大、设计建造周期长、涉及的专业门类多，是一须由多个企业和单位协同的综合性行业。在目前的条件下，直接实现船舶制造的全程信息化有一定难度，可以先就其中的某一环节实现信息化处理，然后以点带面、稳步推进，以期达到船舶制造全程信息化的目的。
在船舶制造过程中，船型设计和性能预报是船舶设计的主要工作之一，也是船舶设计中的关键技术，是船舶产品具有核心竞争力的集中体现。中国船舶科学研究中心在船型设计和性能预报的CAE领域做了大量卓有成效、自主创新的工作，本文将中国船舶科学研究中心拥有自主知识产权的部分研究成果或正在进行的CAE项目作概要介绍。
2船型设计系统HDS
船型设计系统HDS的全称是Hull Design System。该系统能根据用户需求进行初步型线设计，通过内嵌的CFD模块对初步型线进行优化，并能对设计型线进行三维光顺处理，最后通过接口程序将型线数据以各种文件格式输出，直接供后续设计软件使用。该系统最大的特点是人机交互性好，船型修改方便，型线光顺的数据精度高，达到船舶施工设计的要求。
HDS系统是一个开放式的系统，由主尺度估算模块、型线生成模块、型线光顺模块、船型优化模块、船型数据接口模块和船型数据库组成，如图1所示。
图1HDS 系统的功能模块和业务流程
中国船舶科学研究中心目前已完成HDS1.0版本的开发。HDS1.0包括下述模块：
(1) 船舶主尺度估算模块
船舶主尺度估算模块收集了两万余艘已建造入级的先进船舶的主尺度、载重量和航速等参数，并以载重量和航速为自变量，按油船、散货船、集装箱船、LPG船、LNG船等分门别类回归出各类船型的长度、型宽、型深、吃水等主尺度的估算公式。
(2) 型线生成模块
型线生成模块根据船舶主尺度估算模块得到的主尺度或用户输入的主尺度生成船体型线方案。用户可先从船型数据库中选择一相近船型作为母型，也可由用户直接输入一型线作为母型，然后通过母型变换法得到初步设计型线。用户也可通过系列插值法得到初步设计型线。
型线生成模块可用船型的参数变换法来修改船型，供优化设计模块使用。参数变换法包括局部参数变换法和整船参数变换法。模块提供球艏和艉框的局部参数变换法。整船参数化设计技术将在HDS后续版本中提供。
(3) 型线光顺模块
型线光顺模块具有船体型线的三维线框模型光顺功能，数据结构完善、人机界面友好、插值功能多样及光顺精度高为其特点，达到了船体型线施工设计的要求。该模块具有人工光顺、半自动光顺和全自动光顺等功能，并可绘制三维渲染效果图和AutoCAD工程图。
(4) 船型优化模块
船型优化模块是应用CFD技术进行船型方案的优选。优化目标是兴波阻力，CFD工具是势流兴波计算程序。系列船型方案由船型初步设计方案通过船型的参数变换法生成，且初步实现了势流计算网格的自动划分。
(5) 船型数据接口模块
船型数据接口模块提供了船体型线的各种输出接口，可与各种设计软件对接，如与商用CFD软件ShipFlow3.0、Fluent6.0的输入接口联结，与船舶设计软件NAPA、TRIBON、CADDS5的输入接口联结。
(6) 船型数据库
船型数据库为型线生成模块提供母型船型线数据，并为船型优化模块提供母型船性能数据。
HDS系统以船型设计为主线，操作简单，界面友好，为用户提供了一个方便实用的船型设计和开发工具。
3水动力性能预报系统HPS
水动力性能预报系统HPS的全称是Hydroperformance Prediction System。该系统能对大方形系数低速船(如大型、超大型油轮，散货船等)和中等方形系数中高速船(如大中型集装箱船等)的航行性能进行预报、评估和优化计算，可根据快速性、耐波性和操纵性综合要求设计出满足用户初步设计要求的船型及螺旋桨等的细节。具有功能全、精度高、适用范围宽、运算速度快、技术先进等特点，是国内第一个船舶水动力性能集成设计系统。
HPS系统是一个开放式的系统，由应用模块、管理模块和数据库组成。HPS系统的应用模块包括主尺度估算模块、快速性估算模块(含螺旋桨设计)、操纵性估算模块、耐波性估算模块、综合水动力性能优化模块等。管理模块包括系统管理、数据管理、图象支持及用户界面管理等子系统。数据库包括性能数据库和工作数据库，性能数据库存有船型几何及水动力性能等试验数据，在系统运行时可随时取用所需的各种数据; 工作数据库主要保存系统运行时产生的数据，供用户查阅和报表打印。图2为HPS系统功能模块和业务流程框图。
图2HPS 系统的功能模块和业务流程
HPS 系统包含的内容如下：
(1) 概念设计模块
概念设计模块是HPS系统的入口之一，其功能是根据业主提出的技术经济要求，结合总体布置情况，提供下一步航行性能优化设计的起点(可以有三个初步方案)，给出满足要求的船型的“宏观框架”。
(2) 船型生成模块
船型生成模块根据概念设计模块得出的船型宏观框架和主参数生成相应的船体型线方案，有两种生成方法：系列内插法和母型变换法。
(3) 综合航行性能预报模块
本模块是该集成系统最主要的计算模块，包含静水力性能计算、阻力计算、自航因子计算、螺旋桨设计和推进性能计算、耐波性计算和操纵性计算等6 个子模块。
(4) 水动力性能评估与综合优化模块
以性能数据库内的优秀船型为基础，建立船舶性能的专家系统，应用人工智能或其他方法对设计船型的综合航行性能进行评估与优化。
(5) 性能数据库
性能数据库内子样的数量和质量是数据库最重要的内涵，是数据库发挥其重要作用的根本所在。数据库收集了约300 艘近代船型的几何数据和相应的船模试验数据，包括中国船舶科学研究中心开发的两个模型系列，即大方形系数低速船模型系列和中等方形系数中高速船模型系列。大方形系数低速船模型系列由15 条船模和9 只桨模组成，所进行的阻力试验和自航试验数据形成了大方形系数低速船型的数字化图谱。中等方形系数中高速船模型系列由9 条船模和19 只桨模组成，所进行的阻力试验和自航试验数据形成了中等方形系数中高速船的数字化图谱。
HPS 系统的商业化版本是船舶水动力性能集成设计系统(Ship Hydrodynamics Integrated Design System ，简称SHIDS)。SHIDS系统以开发先后为序分别推出了SHIDS1.0、SHIDS2.0和SHIDS3.0三个版本。HDS系统也将纳入到SHIDS系统中。
SHIDS系统已为10家单位的一百余艘船做过技术咨询，被8家工厂和设计院所使用。实践表明，该集成系统操作简便、计算快捷、计算结果达到工程实用精度。SHIDS系统已被引入“一网两库”网络平台，成为上海市“先进制造技术服务平台”的一个应用服务SHIDSweb。
4数字水池试验系统
数字水池试验系统是将现有试验系统改造成基于网络和数据库的试验流程，实现基于网络的客户要求提交、试验模型加工、测试仪器校验、信号采集处理、数据信息入库直至试验检测报告提交的全过程、全方位的数字化。
数字水池试验系统包括客户交流数字化、模型加工数字化、试验过程数字化和试验管理数字化，并集中体现在数据流和信息流的网络化上。整个试验过程均在网络环境下完成，并且实现与数据库的有机结合。
中国船舶科学研究中心自2004年开始数字水池试验系统的建设，目前已取得较大进展。图3为该系统的框图。
图3数字水池试验系统框架
现以其深水拖曳水池为例说明数字化实验室包含的功能模块：
(1) 试验水池基本参数。
(2) 试验项目。
(3) 客户咨询。用户提出试验要求，包括船舶类型、船舶主尺度、试验目的、希望进行的试验项目、模型速度、试验时间等。系统可提供在线报价及试验安排。
(4) 网上直播。模型、测试仪器、典型试验过程等。
(5) 电子报告的网上提交。
(6) 实验室数据库子系统。
数字化实验室部分实现了模型试验过程的数字化，包括试验仪器的配置、试验参数的设置以及试验数据的发送等。通过对数据采集系统的更新、测控软件的升级和接口开发，部分实现了试验过程远程网络化监控和中心数据库试验数据的实时更新。能方便、实时地分别将各实验室的试验数据通过网络存入相应的实验室数据库子系统。中央数据库系统与各数据库子系统连接成星型网络。子系统保存研究实验数据，经加工整理再向中央数据库转储，建立相应的存储备份机制。科技人员通过网络只需在浏览器输入地址即可访问该数据库系统，可实现对试验数据的批量录入、修改、删除、查询、图形及图像显示、打印等功能，动态管理各类试验数据。
数字模型加工中心包括数字模型加工设备(三自由度数控船模加工车床、五轴五联动数控桨模加工机床)、模型检测设备(无接触式三坐标激光测量) 和数控加工及成型仿真软件，通过网络形成一套船模、桨模数字化加工系统，实现了模型加工的数字化。
数字水池试验管理系统部分实现了委托方网上提交试验任务、通过网络讨论与确定试验内容、了解试验执行过程、“观看”试验和检查数据、接收检测报告和试验报告等功能。未来数字化实验室将实现从设备资源管理、项目管理、试验过程管理、文件管理到试验控制、参数测量、在线监控、数据处理、数据融合与入库、试验报告编制等的标准化、程序化以及全实时、全数字化和网络化。
5数值水池仿真系统
近几年来，计算机软件和硬件技术、力学科学和计算数学的发展使得船舶设计全程电子化成为可能。通过建立船舶综合航行性能的计算机仿真系统，即数值水池仿真系统，可以为船舶综合航行性能的设计、预报和优化提供一个更快捷、更经济、更为全面的方法和工具，使得在船舶设计的每一步都可以进行流场的模拟和性能的预报，以验证优化设计的正确性，并可部分替代模型试验，拓展了物理模型试验的内容，提供物理模型试验难以模拟的关键信息。
数值水池是以CFD 技术为核心、以船舶性能数据库和基准数据库为基础、以软件工程技术(软件集成和应用技术、网络技术、程序库技术、数据库技术、数值水池的运行和管理技术) 为依托、与物理水池互为补充的综合性船舶总体性能仿真系统，图4 为数值水池仿真系统的框图。
图4数值水池仿真系统的基本框架
数值水池将成为船舶设计及性能研究
中和物理模型试验并驾齐驱的两大工具之一，船舶设计者甚至可在一台微机上完成所有的船舶设计过程。国外先进的船模试验池在进行模型试验前都要对该模型进行数值计算。因此，开发并拥有先进适用的数值水池，对我国船舶设计水平的提高和船舶工业的发展，实现世界造船大国及造船强国的目标，是非常重要和极为迫切的。
中国船舶科学研究中心在数值水池仿真系统研究方面取得了不少具有自主知识产权的成果，并已应用于实船性能的分析、预报及优化设计中。建立了基于势流理论的线性兴波阻力计算程序及波浪性能预报程序，并成功用于某方艉舰船的优化设计。建立了基于势流升力线、升力面及粘流的螺旋桨性能计算程序，并在民用大侧斜桨的优化设计和性能预报上应用。在粘流CFD 方面，通过对贴体坐标、交错网格、湍流模型等方面的系统研究，发展了一套较成熟的计算潜艇及重叠模流场的软件，可求解全三维RANS方程，并成功用于潜艇、水面船及其附体的优化设计和性能预报;螺旋桨采用力场模拟方法，对船2桨干扰进行了研究。在大型结构力学有限元软件的应用方面，开发了基于直接设计法的船舶结构设计软件，并成功应用于多型水面船的外载荷设计。
近来，中国船舶科学研究中心用16节点的集群式微机系统，在商用软件应用于船舶性能预报与优化方面进行研发，并在通用软件的二次开发和应用方面取得了较大进展。在船舶流场的粘性自由面研究方面，发展了稳定可靠、有较高数值精度的带自由面流场模拟方法，并成功预报了WIGLEY船型、DTMB5415舰及某75000t大型散货船的流场及快速性能;在大雷诺数(达109量级，相当于实船值)下，对现代船型KVLCC2尾流场计算进行了探索性研究;采用多块结构化网格技术，对带全附体的某舰模型粘性流场进行了数值研究，突破了附体网格生成的关键技术，获得的伴流场的模拟结果和模型试验相当吻合。解决了计及复杂螺旋桨几何的计算网格产生技术，成功实现了螺旋桨和船体流场的整体数值计算。
将通用分析软件与船舶优化设计软件无缝连接是数值水池仿真系统的又一个重要组成部分。通用软件具有丰富的理论模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，为快速、可靠地解决船舶力学中的共性问题提供了一个工具，而自行研发的性能优化软件则可解决航行性能方面的特殊问题，两者结合可成为适于本领域研究的专用仿真系统。需要说明的是，CAE分析结果会因人、因时而异，必须减少这种差距才能使CAE分析更具实用性。
此外，还需提高几何建模、网格划分的自动化程度，使使用者能迅速可靠地完成产品设计和优化工作。中国船舶科学研究中心在这方面也取得了较大进展，在参数化建模、网格自动划分、求解器参数设置及计算结果的可视化处理方面都有成功开发的实例。
6船舶技术性能数据库
以上提到的四个CAE系统均涉及数据库系统，其中HDS、HPS和数值水池仿真系统都需要应用船型和性能数据库或基准数据库中的数据，而这些数据库中数据主要来源于数字水池试验系统的中心数据库。船舶技术性能数据库是船舶设计和新船型开发的依托，对船舶研究、设计和建造有重大意义。
中国船舶科学研究中心的船型和性能数据库储存有300余艘近代优秀船型及其推进器、舵与附件的几何参数、几何外形、由模型试验和实船试验获取的各种性能资料(包含快速性、操纵性、耐波性、伴流、脉动压力等)。其主要功能为：为船舶性能的优化设计、预报以及船型生成提供母型，作为评估的比较对象，为建立船舶性能的各种统计估算方法提供数据源。应用该数据库及以此为依托的优化设计软件系统，可以准确而迅速地对设计方案的综合航行性能进行预报和优化。数据库内储存的优秀船型数量愈多，这种预报和优化的准确性和水平就愈高，适用范围也就愈广。
该数据库是一个由7个子库构成的具有一体化、开放式结构和独立管理功能的主题数据库应用系统，可方便地实现对数据的录入、存储、更新和查询等功能的在线管理。图5为船型和性能数据库的框图。
图5船舶技术性能数据库的构成框图
该数据库有两种版本形式，一种是基于Access平台、装在一般微机上使用的单机版，另一种是基于Oracle平台、用于网上服务的网络版。
数据库既可独立地置于服务器上，通过网络为舰艇预研、型号研究、模型试验、数据挖掘、CFD和舰艇性能研究提供资源共享服务，又能嵌入各类舰艇CAD/CAE/CFD/CAM系统中，作为水动力设计支撑数据库，为船型优化设计提供决策的量化依据。一方面不断吸收各种优秀船型的物理试验数据，通过优化设计模块的智能学习功能，来持续地改进SHIDS系统的计算预报精度;另一方面，虚拟试验系统的软件库还能利用这些数据来生成新的船型数据，符合设计要求并在以后物理试验中证实是有效和优秀的数据，也可以进入数据库。这样，形成一个不断发展的、良性循环的虚拟试验系统。
自该数据库建成后，除直接为大量新船设计提供优秀参考母型船外，其Access版本的数据库作为主要模块纳入了SHIDS1.0、2.0、3.0中。Oracle版本的数据库作为主要模块纳入了SHIDSweb中，发挥基础平台的重要作用。今后数据库子样、版本还将持续扩充、升级，预计2009年子样总数可达600艘船型，2020年子样总数将超过2000艘船型。
参考文献：
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(10/22/2009) |
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