船型优化敏感度分析方法研究综述

在基于CFD的船型优化中,采用参数化方法对船体进行精确表达时,大量船型参数带来了计算成本和时间成本问题。而敏感度分析可通过分析各参数对船舶性能的敏感性,降低设计空间的维度,节约成本,并对后续的船型优化具有指导意义。但迄今为止,敏感度分析在船型优化中的应用相对较少,与其相关的研究仍不充分。在梳理现有成果的基础上,对敏感度分析方法及其在船舶及船型优化领域的国内外研究现状进行综述,提出尚需解决的问题,指出发展方向,旨在为敏感度分析在船型优化领域的进一步发展提供参考。     

基于近似模型的载重46 000 t油船阻力性能优化

以低速肥大型船的线型优化为研究对象,针对部分关键问题进行深入研究。将近似模型方法应用于船型优化工作,以使用有限数量的高精度CFD计算结果建立的近似模型来代替优化过程中复杂耗时的CFD数值计算,利用团队开发的船舶水动力性能多学科综合优化平台完成载重46 000t油船的线型优化,并进行验证。     

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。     

大排水量长度系数中高速船阻力计算方法

船型设计的关键技术之一是其水动力性能的预报,而静水阻力预报则是其水动力性能预报的重要内容。针对某大排水量长度系数中高速船,在运用传统的阻力近似估算方法、船舶计算流体动力学(CFD)技术进行计算模拟的基础上,进行船模试验,并将其总阻力和有效功率计算结果与船模试验结果进行比较分析,从而说明适合大排水量长度系数中高速船的阻力计算方法。     

渔船球鼻艏参数优化研究

优化球鼻艏形状可以改善船舶阻力性能.本文以阻力最小为目标,提出了一种渔船球艏优化方法.首先对渔船球鼻艏进行参数化建模,以球鼻艏的设计参数作为设计变量,利用敏感性分析方法结合CFD技术对设计变量进行灵敏度分析,甄别出对阻力性能变化最为敏感的若干设计变量;然后,使用穷举搜索法对样本空间进行采样,并通过CFD技术进行阻力预报;最后建立阻力系数与设计变量之间的替代模型,利用遗传算法优化渔船性能,获得阻力最优对应的球艏形状.研究表明,在设计工况,采用该方法优化后的船型较初始船型总阻力降低2.68％.     

渔船型线优化及水动力性能研究

基于fluent数值模拟和模型试验相结合的方法,对某一渔船进行型线优化,通过CFD仿真技术进行多方案船型优选,开展船模试验以验证仿真结果,以优选出来的船型为基础进行艉部和球鼻艏的改型,并再次通过模型试验量化改型的效果。型线优化后明显改善了阻力、推进水动力性能,取得了较好的结果。     

考虑粘性影响的单体复合船型的运动预报

给出一种考虑粘件影响的单体复合船型运动预报的数值方法.基于RANS方程和VOF方法的非定常粘性数值方法计算了带叶半潜体的单体复合船型首部横剖面作微幅振荡时的水动力系数.计算中采用RNG κ-ε湍流模型,用有限体积法对流体域进行离散,网格划分采用分块结构化网格,并结合动网格技术.采用RANS方法计算了复合船型组合附体的升力系数.采用计算所得的水动力修正系数,应用STF切片法和二维半理论预报某一单体复合船型在规则波中的纵向运动响应,结果反应出的复合船型的减摇效果与试验值符合较好.计算结果表明组合附体的粘性效应不可忽略,文中提供的方法可提高这类单体复合船型的运动预报精度.     

内倾干舷单体复合船型运动预报

本文所研究的船型是以某圆舭船型为母型,采用低内倾干舷和后倾穿浪首设计,应用减纵向运动组合附体技术生成的新型单体复合船型。本文对该新型单体复合船型开展运动预报研究,应用RANS方法计算船体水动力系数,研究该船型水动力特性。对该船型进行纵向运动性能预报,将预报结果与模型试验结果进行对比分析。结果表明,本文采用的预报方法能够反映出内倾干舷单体复合船型的水动力特征,预报精度达到工程精度要求。     

基于小生境遗传算法的单体船船型参数优化

针对船型参数优化中变量众多的特点,提出了一种基于小生境遗传算法和Holtrop总阻力计算公式的单体船船型参数优化方法.该方法中以总阻力作为目标函数,以主要船型参数为优化变量,在保持排水量不变的情况下优化主要船型参数,得出修长系数、水线面系数和宽吃水比均能收敛到相应的临界值,因此优化时可优先确定这些参数值.采用该方法对DTMB5415船的船型参数进行了优化,结果显示优化后的船型总阻力性能要明显优于原船型.该方法对于单体船船型参数优化具有较强的实用性.     

基于CFD的散货船船体型线自动优化

针对船体型线自动优化的问题,在基于仿真的设计(SBD)思想下,提出了基于计算流体动力学(CFD)的船型自动优化方法。该方法主要由船体曲面自动变形模块、水动力计算模块及优化模块组成。其中船体曲面自动变形模块主要由径向基插值技术实现,水动力计算模块则集成CFD-SHIPFLOW软件实现,优化模块则采用PSO算法实现。现以隐形球鼻艏散货船的兴波阻力最小为优化目标,利用本团队开发的船型优化平台实现了其船艏型线的自动优化。优化结果表明:对于隐形球鼻艏散货船,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。     

粘弹性流体作用下的船舶水动力特性研究

为了提高船舶、潜艇的航运性能,降低高速行进过程中的海水阻力,国内外对船舶的水动力特性研究和船型设计投入了大量的精力。粘弹性流体是一种介于粘性流体和弹性固体之间的流体,具有粘性和弹性2种特征,研究粘弹性流体下的船舶水动力特性可以模拟船舶在极端海洋气象条件下的水动力特性,对改善船型设计、提高船舶水动力性能有重要的作用。本文利用计算流体力学CFD技术和数值模拟软件Fluent,完成了船舶在粘弹性流体作用下的水动力仿真,并结合CFD计算软件Open FOAM对船舶在粘弹性流体的动力学特性进行分析,并完成基于Fluent的船舶水动力仿真。     

船型小样本结合近似模型的阻力性能优化

为实现在小样本数量下构造出应用于船型优化的高精度近似模型,提出一种基于敏感度分析的拉丁超立方的船型样本点选取方法。以Wigley船型构建兴波阻力的响应面模型为例,同以往的拉丁超立方、正交试验设计生成的船型小样本所构建的模型进行预报精度的对比。结果表明,该方法选取的船型小样本均布代表性较好,训练的近似模型精确度较高;相比单纯采用CFD技术直接进行优化,采用该方法构建的近似模型可进一步提升船型的优化效率和质量。     

复杂形状船体剖面水动力系数计算方法研究

基于势流理论的源汇分布法适合计算双体船,小水线面船等特殊形状的剖面,对常规船型的计算精度满足工程精度要求,但对粘性效应较明显的非常规船型计算精度较差。文章借助计及粘性效应的CFD软件Fluent,模拟物体在水池中作受迫振荡,采用RANS方法计算复杂形状船体剖面的简谐振荡力,对该力的拟合分解可以得到水动力系数。通过对首部形状较复杂的船型纵向运动预报结果比较表明采用RANS方法计算剖面水动力系数由于考虑了粘性效应,对阻尼系数计算更符合实际物理特征。因此对粘性影响较大的复杂船型文中提出的方法优于常规势流算法。     

基于CFD方法求取供应船位置水动力导数回归公式

以动力定位船为研究对象,通过船型变换生成供应船的系列船型。基于CFD数值模拟约束模平面运动机构（PMM）试验中的斜拖试验,得到系列船型在不同漂角时所受的横向力和转艏力矩,经最小二乘法拟合求得各船型的位置水动力导数。在此基础上,通过多元回归,得到位置水动力导数关于船型参数的回归公式,以为设计阶段动力定位船位置水动力导数的确定提供简便的方法。     

近似技术在船型阻力性能优化中的应用研究

船体型线优化过程中,通常要利用高精度的CFD软件对船舶的相关性能进行数值求解。这将耗费大量的时间,导致船型优化效率降低。为有效提高船型优化的效率,提出将近似技术应用于船型自动优化中,以代替CFD数值求解。探讨了样本点选取、样本集形成及近似模型实现途径等问题。以一艘1300TEU集装箱船的线型优化为例,构建船体兴波阻力的Kriging近似模型,并将其应用于球鼻首的优化中。计算结果表明,基于Kriging模型的船型优化是一种实用而且有效的方法。     

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。     

基于CFD的翼型水动力性能多目标优化设计

随着计算机技术的飞速发展,如何进一步发挥CFD在船舶工程优化设计中的作用,成为当前CFD应用研究的一个重点.文章通过集成CFD工具、优化算法和几何重构技术构建了基于CFD的构型水动力性能优化设计平台.以翼型作为优化对象,阻升比和尾流均匀度作为目标函数,采用Bezier曲线方法实现翼型几何表达与重构,利用DOE和NSGAⅡ算法对NACA0024翼型进行了多目标全局优化设计,获得了均匀分布的Pareto最优解集.结果表明该平台可以用于翼型水动力性能多目标优化设计.此外,文中的工作为进一步开展基于CFD的船型水动力优化设计打下了坚实的基础.     

基于船型修改融合方法的参数化建模技术

在船型NURBS表达的基础上,提出两种基于CAD/CFD船型优化流程的不同参数化建模方法:一种是直接以NURBS的控制顶点坐标为变量,实现船型的参数变换;另一种是以母型为基础开发船型参数化融合模块,实现船型的参数变换.利用ISIGHT软件,采用这两种参数化建模方法优化某集装箱船球鼻艏部分.结果表明:船型修改融合方法是具有工程实用价值的参数化建模方法.     

基于CFD的无压载水船型浅水中岸壁效应数值模拟

基于贯通流系统设计无压载水船型,在保证无压载水化的基础上,分析其操纵性相关的水动力特性,以系列60船型改造后的新船型作为研究对象,基于CFD方法,选用混合网格和SST k-ω湍流模型对船舶浅水航行的岸壁效应问题进行数值模拟,利用粘性流对叠模求解。为验证网格划分和数值方法的合理性,对系列60船型进行数值模拟,将计算结果与他人计算结果进行比较,基本吻合。对新船型进行数值模拟,计算出其在浅水中不同岸壁距离以及不同航速下的阻力、横向力和转艏力矩,与系列60船型的计算结果进行比较,分析结果表明,新船型弱化了浅水中的岸壁效应,优化了水动力性能。     

考虑粘性和航态影响的单体复合船型运动预报

理论与试验研究表明,单体复合船型可以大幅提升舰船耐波性但对其静水阻力影响不大.如何准确预报该船型的运动性能一直是人们关心的问题.文中采用STF法预报深V船型与深V单体复合船型的纵向运动,研究表明,由于传统切片法基于势流理论,无法反映出复合船型组合附体的粘性效应,因此预报结果与试验结果有很大偏差.文中提出采用考虑枯性的CFD软件Fluent计算带有组合附体部分船体剖面的水动力系数,采用RANS方法计算组合附体的升力系数,同时考虑高速时船体航行姿态的影响进行修正.结果表明文中采用的预报方法可以有效提高单体复合船型运动预报精度.