基于SBD技术的船舶水动力结构云平台架构研究

近年来,最优化技术不断发展,该技术已经逐渐应用于船舶设计领域,同时,结合先进的CFD技术,发展形成SBD技术。该技术为船舶水动力结构的设计和优化开创了新的局面,已经成为船舶设计领域的研究重点。本文以SBD技术为基础,重点研究了最优化技术和云计算海量数据处理技术,提出了改进的PSO优化算法。     

船体表面变形重构及其CFD数值计算网格自适应方法

将船体几何建模重构技术与CFD技术及最优化理论相融合形成的SBD(Simulation Based Design)船型设计方法,使得船型设计从传统经验设计向以数值评估数理寻优为特征的知识化设计新模式转变,为船型设计创新打开了新的局面。本文针对该设计模式中船体几何重构和高精度CFD数值计算网格自适应关键技术进行研究,给出了船体几何整体/局部重构方法及其流程,同时详细阐述了船体表面网格自动变形与体网格自适应方法及其实现过程,突破了高精度CFD方法在船型自动优化流程中应用的瓶颈,为开展SBD船型设计打下了坚实的基础。     

船型简统选优与船舶运力优化

"九五"期间,广东省内河船舶建造发展很快,船型向好的方面发展,但仍存在船型较杂,技术、经济、安全性能较低,运输适应性不高、浪费资源等现象.如何通过科学的方法进行研究,提出技术、经济性能优良的示范船型,优化运力结构,以促进船舶科技的进步,提高内河运输经济效益和社会效益,是当前急需研究解决的问题.因此,对"九五"期间的船型在总结的基础上进行简统选优工作被列入广东省交通厅的重点科研课题.     

CROWN118船型新船出厂航行安全保障研究

以扬州大扬船厂的CROWN118船舶为例,在对该船型新船出厂的航行条件进行研究的基础上,对规划和建设该船型船舶出厂的航道条件提出建议,对该船型船舶出厂航行安全提出保障措施.     

基于CFD的Series60船艏型线自动优化

在基于仿真的设计(SBD)方法的指导思想下,提出了基于CFD的船型自动优化方法以实现船型自动优化。该方法主要由径向基函数插值技术实现船体曲面自动变形的变形模块和水动力计算模块组成,水动力计算由CFD-SHIPFLOW软件实现。以Series60船舶的兴波阻力最小为优化目标,利用该方法实现了其船艏型线的自动优化。优化结果表明:对于Series60船型,在满足工程约束的条件下,基于CFD的船体曲面自动优化方法可以获得阻力降低的新船型。     

重庆—上海江海直达船船型优化

为提升重庆—上海过闸型江海直达船的航行性能和经济性,以满足通过三峡船闸船舶吃水要求的江海直达船型为研究对象,以排水体积和浮心纵向位置为约束条件,采用理论设计与数值计算相结合的方法优化船型。采用Rhinoceros软件进行船体建模,采用CAESES（FRIENDSHIP-Framework）软件进行半参数化模型优化,采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）技术进行阻力预报。通过2轮优化对比,优化船型在10 kn、13 kn和16 kn航速下的总阻力相比原始船型分别减小10.76%、8.18%和1.86%。研究表明：垂直艏+下凸艉组合的减阻效果要优于尖直艏+平直艉组合,且航速越低,减阻效果越明显;采用多航速验证方法能有效避免固定航速船型优化的局限性。研究结果可供江海直达船的船型设计和建造参考。 关键词：型线优化;总阻力;多航速;江海直达船;SBD技术     

船舶技术性能数据库系统

优秀船型及其性能资料是船舶设计和新船型开发的主要技术支撑之一。在研究国内外优秀船型及其性能资料的基础上，采用最新的数据库技术、软件开发技术，建成了船舶技术性能数据库系统，该数据库系统储存了当代国内外优秀船型及其性能资料，并在船舶设计中发挥了一定的作用。详细地介绍了船舶技术性能数据库系统的功能、构成及软硬件关键技术。     

基于动态水域网格计算的船舶领域研究

为了满足现代船舶的发展需求,结合船舶自动识别系统(AIS)数据量巨大,包含了丰富的船舶信息等优点.本文利用SQL2012对AIS数据进行处理,建立包含船舶静态信息和动态信息的数据库;借助C#程序语言,构建以中心船舶为原点的网格坐标系,并以船舶间相对距离方位计算周围船舶在网格中的相对位置坐标;对同长度和类型的船舶进行网格叠加计算,并以船舶频数的方式进行统计,采用数据处理软件Matlab以最小二乘法的方式对统计结果进行处理;对研究水域的主要船型不同尺度的船舶领域进行对比和统计分析,并对不同船型船舶领域略作讨论,总结得出开阔水域船舶领域的特点.     

基于船舶标准化工程的公共技术平台建设研究

始于20世纪70年代的我国内河船型标准化工程,随着经济社会的发展和外部环境的不断变化以及南水北调工程和节能减排国策的实施,紧迫性与日俱增,这就需要整合一个地区水上行政管理和船舶科研人才、设施及技术资料,实行各方面资源的集成优化,共同组建具有地方内河标准化船型工程领域资源共享功能和公共技术服务功能的综合性船舶工程公共技术服务平台,并对其构架提出了设想。     

92 TEU 长江三角洲内河集装箱船研究开发

本船型开发设计是配合交通部"运河及长江三角洲集装箱标准船型"的开发项目,结合江南水网的远景规划,借鉴国外内河优秀船型的先进设计经验,进行新船型的研究开发设计.本文首先进行船型方案的论证,提出开发92 TEU内河集装箱船经济上是有利的,技术上是可行的,接着对92 TEU内河集装箱船进行研究、开发设计,最后把该船型与目前在航船舶进行经济比较,证明该船的开发是成功的.     

Single- and multiobjective design optimization of a fast multihull ship: numerical and experimental results

Numerical optimization of the initial design of a fast catamaran (high-speed sealift research model B, HSSL-B) has been carried out through a simulation-based design (SBD) framework, based on an advanced free-surface unsteady Reynolds-averaged Navier–Stokes (URANS) solver and a potential flow solver, and global optimization (GO) algorithms. The potential flow computational fluid dynamics (CFD) SBD was used to guide the more expensive URANS CFD SBD. The fluid-dynamic analysis of the flow past the catamaran proved that the use of the URANS solver was fundamental in dealing with the multihull interference problem. In the case investigated, the separation distance was small and the viscous flow quite distorted by the proximity of the hulls, so that only viscous solvers could correctly capture the flow details. Sinkage and trim effects, due to the high speed range and again to the small separation distance investigated, are also relevant. The initial HSSL-B geometry and three optimization problems, including single- and multiobjective optimization problems, proposed by designers from Bath Iron Works, were successfully optimized/solved, and finally an experimental campaign was carried out to validate the optimal design. A new verification and validation methodology for assessing uncertainties and errors in simulation-based optimization was used based on the trends, i.e., the differences between the numerically predicted improvement of the objective function and the actual improvement measured in a dedicated experimental campaign, including consideration of numerical and experimental uncertainties. Finally, the success of the optimization processes was confirmed by the experimental measurements, and trends for total resistance, sinkage, and trim between the original and optimal designs were numerically and experimentally verified and validated.     

船舶CAD/CFD集成优化接口开发及应用研究

为实现船舶CAD/CFD的船型自动优化,数据集成是其关键技术之一.文章重点研究船型与阻力性能计算程序(Shipflow)之间的接口技术,开发了读取IGES文件的接口模块程序,实现了船型与阻力计算程序之间的数据自动提取.最后以实例进行了验证,初步实现了基于CAD/CFD的船型自动优化.该研究不仅仅开发了阻力性能的接口程序,也为船型与其主要性能计算模块之间的接口开发提供了技术途径.     

地效翼气动力特性的数值预报

本文采用CFD技术,对存在地面效应时二维机翼在粘性流场中的空气动力特性进行了研究.结果表明:与模型试验数据相比,基于RANS方程的CFD方法能够准确预报机翼的气动升力和力矩.同时,除相对飞高外,翼剖面的厚度和拱度对地效翼的气动力特性也有重要影响.进而,作者对应用CFD分析或辅助地效翼气动力风洞试验进行了探讨.认为采用固定地板模拟地面效应与采用活动地板的模型风洞试验结果之间有很大差别,而风洞的壁面效应相比较而言可以忽略.     

基于多目标遗传算法的潜器外形优化设计

计算流体力学软件应用于潜水器外形优化设计时,精度虽高,但效率低下。因此研究了试验设计和响应面模型技术,提出了一个潜水器外形优化设计的策略。其基本思想是:首先应用Gambit软件的日志文件建立起水动力分析模型,然后根据设计要求选取设计变量,用试验设计的方法在设计变量空间里选取样本点并进行阻力性能计算,得到各样本点的响应,并建立阻力、包络体积的二阶多项式模型响应面模型。潜水器设计时需要考虑能源与设备布置要求,因此将阻力与体积作为艇型优化的两个目标,研究了多目标遗传算法,并给出了Pareto最优解集。结果表明,文中采用近似模型的艇型优化过程,不但效率得到提高,精度也能得到保证,而且由CFD结果建立的阻力估算公式可以为后续设计带来很高的参考价值。     

集装箱船线型优化研究

为了充实船型数据库及满足将来可能的市场需求,结合传统经验设计方法和CFD技术同步进行了集装箱船的线型研发。通过两个方案的船模试验结果的比较,得出一些有意义的结论,对将来的线型设计工作具有一定的启迪意义。     

SBD技术在"探索一号"科考船线型设计中的应用

文章介绍了"探索一号"科考船船体改型设计及基于数值仿真方法(Simulation Based Design,SBD)的艏部线型优化设计。首先,依据总体设计要求,对原船艏部进行了加长并开展了线型设计,采用基于RANS的数值评估方法对改型前后船舶阻力进行计算分析。在此基础上,采用SBD技术开展了艏部线型优化设计,以设计航速时的总阻力作为目标函数,FFD方法实现船体几何自动重构,利用粒子群优化算法对线型优化设计问题进行求解,设计结果表明:在满足工程约束条件下,最优方案总阻力收益十分显著,航速12kns时模型总阻力减小了7.7%,剩余阻力系数减小了26.6%。     

基于CFD技术的6000DWT渔业运输船设计研究

舟山万达船舶设计有限公司最近在设计一艘6 000 DWT渔业运输船时,采用了CFD技术辅助设计。首先对母型船的球鼻艏进行了型线优化,得到阻力最小船型。然后对得到的优化船型进行了一系列的水动力性能数值计算,包括阻力预报、螺旋桨敞水计算和自航因子预报。对数值结果和试验进行了对比,结果显示吻合较好。     

Computational fluid dynamics-based multiobjective optimization of a surface combatant using a global optimization method

The main objective of this article is to describe the development of two advanced multiobjective optimization methods based on derivative-free techniques and complex computational fluid dynamics (CFD) analysis. Alternatives for the geometry and mesh manipulation techniques are also described. Emphasis is on advanced strategies for the use of computer resource-intensive CFD solvers in the optimization process: indeed, two up-to-date free surface-fitting Reynolds-averaged Navier-Stokes equation solvers are used as analysis tools for the evaluation of the objective function and functional constraints. The two optimization methods are realized and demonstrated on a real design problem: the optimization of the entire hull form of a surface combatant, the David Taylor Model Basin—Model 5415. Realistic functional and geometrical constraints for preventing unfeasible results and to get a final meaningful design are enforced and discussed. Finally, a recently proposed verification and validation methodology is applied to assess uncertainties and errors in simulation-based optimization, based on the differences between the numerically predicted improvement of the objective function and the actual improvement measured in a dedicated experimental campaign. The optimized model demonstrates improved characteristics beyond the numerical and experimental uncertainty, confirming the validity of the simulation-based design frameworks.     

Assessment of uncertainty in the CFD simulation of the wave-induced loads on a vertical cylinder

The paper addresses different uncertainty analysis methods commonly used for uncertainty quantification in Computational Fluid Dynamics (CFD) studies and compares a constant Courant–Friedrichs–Lewy (CFL) number based approach for uncertainty estimation to the ITTC recommended grid and time-independent procedures. Four different uncertainty estimation procedures are presented and discussed. To compare their performance and better understand CFD related uncertainty quantification in wave load simulations on offshore structures, the methods are applied to a case study of the wave loads on a fixed vertical cylinder. The numerical or CFD wave tank is generated using the open-source CFD toolkit OpenFOAM. Uncertainty is assessed for the case study using four different uncertainty estimation procedures for verification and later, validation is attempted by comparing the CFD results with experiments. The study concludes that a constant CFL number based uncertainty study provides more stable results and is better suited for uncertainty estimation in CFD than the ITTC recommended individual grid and time step uncertainty study.     

船舶CFD模拟不确定度分析与评估新方法研究

比拟测量不确定度,视CFD模拟结果为随机变量,阐述了CFD模拟不确定度的定义、来源、分类和表示形式.基于正交试验设计和方差分析方法,提出了CFD不确定度分析中验证的内涵及实施流程;基于统计推断理论,提出了CFD不确定度评估中确认的标准及判断程序.应用Fluent软件及文中所建方法,针对阻力系数和伴流分数进行CFD模拟不确定度分析评估的实例计算,给出了对模拟结果有重要影响的计算因子和交互作用以及各类不确定度分量的大小,并指出就目前采用的CFD模拟技术而言,尽管其结果的分散性或不确定度数倍于物理试验,但其近似性或可信度已可接受.