基于计算流体动力学的最小阻力船型自动优化

基于计算流体动力学(CFD)理论,利用i SIGHT优化设计平台构建一种船型自动优化方法。该方法集成船型变换及自动生成技术、CFD技术及优化算法。优化过程中,编制船型参数化融合模块实现船型变换与SHIPFLOW软件输入数据间的自动连接;采用遗传算法与二次序列规划法相结合的组合优化方法实现从全局探索再到局部空间寻优的整个流程。以某双艉集装箱船为例,优化后船体兴波阻力明显下降,总阻力也得到显著的改善,获得了设计航速下总阻力最小的船艏与船艉线型组合,表明了该方法的可行性与有效性。研究显示,所提出的方法可以获得阻力性能优良的船体型线供设计者参考,具有较强的工程适用性,在基于CFD的船型自动优化方面具有广阔的应用前景。     

基于CFD的船舶球首型线自动优化

在满足排水量及航速要求情况下设计出性能优良的船体型线,降低船体阻力、节能降耗是造船界一直所追求的目标。船舶球首的大小、位置和形状对船体兴波影响非常大,因此文章通过船型参数化融合方法,生成一系列球首型线,并以兴波阻力最小为目标,采用遗传算法实现球首型线的自动优化。将上述方法应用于某集装箱船球首型线的自动优化,并进行船舶静水阻力实验,实验表明优化船型在设计航速附近总阻力降低明显,说明文中采用的基于CFD船型自动优化方法是可行的。     

基于线性兴波阻力理论的三体船中体船型优化

提出将线性兴波阻力帐篷函数法推广应用于三体船的方法。推导出确定侧体构型下的三体船线性兴波阻力帐篷函数法表达式及其中体船型优化的二次规划法计算模型。按该方法对数学三体船和工程应用三体船算例进行兴波阻力计算,将计算结果与模型试验结果进行对比验证,结果表明该方法计算三体船兴波阻力具有足够的精度。采用基于此兴波阻力表达式的中体船型优化二次规划法计算模型,对上述工程应用三体船中体船型进行了兴波阻力减阻优化计算,结果表明中体船型优化获得的兴波阻力减阻效果约达10%。     

五体船兴波阻力线性理论计算与CFD数值模拟

五体船是继当代三体船之后提出的又一种多体新船型,该新船型付诸实用前必须对其兴波特性和侧体布局减阻设计进行研究。根据五体船各片体的科钦函数线性叠加和坐标变换原理,提出了基于片体科钦函数展开的分项算法和基于片体科钦函数叠加的整体算法求解多体船兴波阻力,得出了单体船、三体船、五体船通用的线性兴波阻力公式。应用CFD通用软件进一步分析五体船阻力及片体兴波干扰特性,提出了基于CFD模拟的自由面波形观测的五体船片体布局优化,对各种侧体布局下的五体船兴波特性直观地定性判定。根据综合兴波阻力线性理论计算和粘性流体动力CFD求解所得五体船阻力结果及其特性,提出具有工程实用意义的五体船优化构型方案。研究表明,势流线性理论计算和CFD求解五体船阻力的方法和所得五体船优化构型方案具有广阔的应用前景。     

基于CFD的KCS船舶艏部型线优化研究

为实现基于CFD船体型线优化设计,开发了船体型线优化平台,并以KCS船为初始船型,对其艏部型线进行了优化。首先,重点介绍了径向基函数插值的基本原理及其在船体曲面变形中的应用;其次,将该方法与CFD软件及优化算法结合,开发了基于CFD的船体型线优化平台;最后,将该平台应用于KCS船的艏部型线优化设计,获得给定约束条件下阻力性能最优的船体外形。研究结果表明:基于径向基函数船体曲面修改方法是可行的,建立的船型优化平台具有一定的工程应用价值。     

基于遗传算法的最小阻力船型优化设计

遗传算法是一种全局最优化算法,它能够克服传统优化方法的缺点和不足,从而获得全局最优解。因此,为了获得阻力性能更好的优良船型,将遗传算法进行适当改进并用于船型优化中,进行最小阻力船型优化设计,以非线性兴波阻力理论(Rankine源法)为基础,利用遗传算法并结合CAD技术进行船型优化设计。在优化过程中,把总阻力作为目标函数,设计变量取船型修改函数的参数,确保排水量为基本约束条件下,对船体前半体型线进行优化研究。选取某高速巡逻艇作为初始船型进行优化计算,获得的最优船型总阻力降低了13.1%,兴波阻力降低了21.7%,表明遗传算法用于船体线型优化设计是行之有效的。     

船体艏部水动力性能优化

提出一种以势流兴波阻力理论Rankine源方法为基础,结合SHIPFLOW软件为计算工具,利用CAD-CFD集成平台FRIENDSHIP-Framework软件进行变形优化,研究船舶的最小兴波阻力型线优化设计的方法,并考察了兴波优化得到的船型总阻力变化情况。在型线优化过程中,以兴波阻力系数为目标函数,排水量变化范围为约束条件,在Wigley船体前端增加一个利用Feature建模技术参数化生成的球艏并调整艏部型线使得船体表面光顺。选取球鼻艏形状的各项参数作为基本设计变量,利用DOE方法对船艏进行优化,获得了设计航速下兴波阻力较小的船型,验证了所提方法进行船艏型线优化的有效性。相应的考察变形及优化前后总阻力变化情况表明:在高傅汝德数情况下增加球艏所带来的粘性阻力的增加小于兴波阻力的减小量,总阻力得到了改善,优化后得到的球艏能在进一步减小兴波的同时减小总阻力。此外,还运用所提方法对3100TEU船型的船艏,利用Delta Shift方法进行变形,在设计航速下,将变形的参数作为设计变量,利用DOE方法进行优化设计。结果显示:在排水量限制范围内当球鼻艏向上向前伸展一定长度时可以降低兴波阻力。与此同时,由于优化前后船体湿表面积变化很小,粘性阻力的变化并不明显,兴波的减小则使得总阻力得到了改善。     

基于参数化建模的深拖母船阻力优化

为获得阻力性能优良的船型,以某深拖母船作为母型船,运用参数化建模技术在优化平台Friendship中建立参数化模型,以兴波阻力作为优化目标,先运用全局搜索Sobol算法进行初步优化,再运用局部搜索Tsearch算法进行二次优化,结果显示,优化船型的兴波阻力较母型船明显降低,优化效果良好。将优化结果与CFD软件STAR-CCM+的计算结果以及母型船模型试验结果对比表明,基于兴波阻力的船型优化对于总阻力有一定的降阻效果。     

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。     

基于RBF神经网络的渔船尾部型线两目标优化

为了开发节能、减排的渔船新船型以应对国际形势的挑战。本文提出了一种基于仿真设计的优化方法对一艘灯光渔船的艉部型线进行优化。采用三角变换法修改船型的几何形状,将优化拉丁方生成的样本方案用于RBF神经网络模型的构建,最后以总阻力性能和桨盘面伴流不均匀度为优化目标,采用NSGA2对该渔船船型进行两目标优化,优化结果表明本文提出的方法可以用于渔船新船型的开发。     

高速巡逻艇阻力预报及船型优化研究

为了快速、准确地获得高速船型的阻力性能,采用Michell积分法计算某高速巡逻艇的兴波阻力,并将计算结果同线性化的Rankine源法相比较,从而证实了该方法的有效性。同时以Michell积分法为基础,采用非线性规划法进行优化计算,在短时间内能获得性能优良的改良船型,由此可见,Michell积分法对于快速预报高速船型的阻力性能和船型优化是可靠的。     

基于数值模拟方法的深潜水作业支持船快速性综合优化

该文针对一型具有水下多种工程作业功能的 3000 m 深潜水作业支持船的大型复杂船型,基于数值模拟方法进行了快速性综合优化研究。通过数值模拟,对于船体首部形状、尾封板高度及小尾鳍角度等变化,分析了其改变的首、尾部线型对船体阻力及伴流的影响;根据分析计算结果综合优化了船体线型,预估在限定功率下的船舶航速,并在水池对最终优化后船型进行了模型试验。结果表明：试验结果与数值预估结果吻合,验证了数值计算的准确性以及大型复杂工程船型线型综合优化设计思路的正确性。     

改进Sobol’方法在船型优化模型中的应用

针对船型优化中采用更多的优化变量有可能带来"维度灾难"的问题,通过灵敏度分析确定不重要的变量并降维来缓解该问题。介绍以往提出的改进Sobol’方法,利用该方法对某集装箱船兴波阻力优化模型进行灵敏度分析并降维。为减少分析的计算量,对该船型优化模型构建Kriging模型。对优化模型降维前后的优化过程、最优解及其波形和型线进行对比。结果表明:降维后优化模型收敛更快,最优解兴波阻力系数仅增大0.15%,采用改进Sobol’方法进行降维,能在保证最优解质量的同时,提高优化效率。     

Hydrodynamic optimization of ship hull forms in shallow water

A computational method for improving hull form in shallow water with respect to wave resistance is presented. The method involves coupling ideas from two distinct research fields: numerical ship hydrodynamics and nonlinear programming techniques. The wave resistance is estimated by means of Morinos panel method, which is extended to free surface flow and considers the influence of finite depth on the wave resistance of ships. This is linked to the optimization procedure of the sequential quadratic programming (SQP) technique, and an optimum hull form can be obtained through a series of iterations giving some design constraints. Sinkage is an important factor in shallow water, and this method considers sinkage as a hydrodynamic design constraint. The optimization procedure developed is demonstrated by selecting a Wigley (C _B = 0.444) hull and the Series 60 (C _B = 0.60) hull, and new hull forms are obtained at Froude number 0.316. The Froude number specified corresponds to a lower than critical speed since most of the ships operating in shallow water move below their critical speed. The numerical results of the optimization procedure indicate that the optimized hull forms yields a reduction in wave resistance.     

超大型集装箱船能效设计指数优化研究

采用船型优化方法就超大型集装箱船10 000TEU的能效设计指数(EEDI)进行优化.文中以降低对主机功率的需求、提高能效设计水平为目标,优化该超大型集装箱船的阻力性能.优化时利用平移法和径向基函数方法进行船体曲面重构,并分别采用基于Rankine源非线性势流理论和边界层动量积分计算兴波阻力和摩擦阻力,最后同时使用遗传算法(NSGA-Ⅱ)和序列二次规划算法(NLPQL)在设计空间中探索满足约束条件的阻力最优船型.结果表明,通过该优化方法获得的最优船型,其能效设计指数优化程度明显,能够满足现阶段IMO对新造集装箱船计及折减系数后的强制要求.     

航行工况下自升式风车安装船强度直接计算研究

自升自航式风车安装船为海洋工程专业特种船舶,在风机运输,安装中有很高的实际利用价值。采用直接计算法,对航行工况下自升自航式风电安装船的总强度进行评估。建立了船体和桩腿的有限元建模,基于三维势流理论对波浪垂直弯矩进行长期预报,得到风车安装船在典型装载工况下的设计波参数,将船舶在设计波中的重力、静水压力、水动压力、惯性力等施加到模型上进行直接强度分析,对航行工况下船体和桩腿的强度进行了校核。本文的计算方法及结果可为自升自航式风车安装船的整体强度评估、船体结构优化提供有效依据,并且对同类工程船的设计开发具有指导意义。     

基于CFD的三体船侧体布局优化

三体船构型复杂,侧体布局对其阻力性能有很大的影响。基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)理论,利用SHIPMDO-WUT软件平台构建一种侧体布局自动优化方法。以某高速三体船为例,进行侧体布局的优化,结果表明:在4个不同弗劳德数下,优化船较母型船的兴波阻力均有所下降,总阻力也相应减小。得出在4个不同弗劳德数下总阻力最小的侧体布局方案,表明该方法的可行性与有效性。研究内容可为三体船减阻优化设计提供参考依据。     

三体船侧体布局及型线优化设计研究

采用分层次优化,首先以总阻力最小为优化目标对某三体船侧体横向和纵向的相对位置进行了优化研究,得到阻力性能最优的三体船侧体布局方案;然后基于侧体最优布局,进行型线优化,最终完成三体船的侧体布局和型线的序列优化。结果表明,所采用的三体船侧体布局及型线优化方法具有可行性,可为三体船船型设计提供参考依据。