CAE在船舶性能研究領(lǐng)域的應(yīng)用

2013-06-23 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

作者:朱德祥冷文浩李百齊何術(shù)龍

摘要:論述了計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering,簡(jiǎn)稱(chēng)CAE)技術(shù)的重要性及其在船舶性能領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。從原理、特點(diǎn)、功能、構(gòu)成、應(yīng)用效果及未來(lái)發(fā)展諸方面介紹了中國(guó)船舶科學(xué)研究中心在CAE技術(shù)領(lǐng)域自主創(chuàng)新的技術(shù)成果和在研項(xiàng)目,其中包括船型設(shè)計(jì)系統(tǒng)、水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)系統(tǒng)、數(shù)字水池試驗(yàn)系統(tǒng)、數(shù)值水池仿真系統(tǒng)和船舶技術(shù)性能數(shù)據(jù)庫(kù)等五大系統(tǒng)。上述諸系統(tǒng)既相互獨(dú)立,又有機(jī)聯(lián)系,共同構(gòu)成船舶性能研究的綜合系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞:船舶、艦船工程; 船型設(shè)計(jì); 水動(dòng)力性能預(yù)報(bào); 數(shù)字水池試驗(yàn); 數(shù)值水池仿真; 集成系統(tǒng); 技術(shù)性能數(shù)據(jù)庫(kù)

1引言

作為我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的船舶制造業(yè),正在走出“夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)”的困境。這一方面得益于國(guó)家宏觀產(chǎn)業(yè)政策的扶持,另一方面也得益于計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)的提高和應(yīng)用。船舶CAE是將信息化技術(shù)與船舶制造相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)船舶產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)和管理的信息化,以提高船舶工業(yè)研究開(kāi)發(fā)水平和生產(chǎn)制造能力,加快船舶產(chǎn)品與設(shè)計(jì)技術(shù)的創(chuàng)新,加速船舶研制、生產(chǎn)和造船企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理的現(xiàn)代化進(jìn)程。提高船舶制造業(yè)的綜合能力和核心競(jìng)爭(zhēng)力,是貫徹以信息化帶動(dòng)工業(yè)化、實(shí)現(xiàn)造船工業(yè)現(xiàn)代化的主要途徑與戰(zhàn)略舉措。對(duì)船舶制造業(yè)來(lái)說(shuō),這一發(fā)展趨勢(shì)既是機(jī)遇,也是挑戰(zhàn),更是我國(guó)成為世界造船大國(guó)及造船強(qiáng)國(guó)的必由之路。

船舶制造業(yè)的特點(diǎn)是資金投入大、設(shè)計(jì)建造周期長(zhǎng)、涉及的專(zhuān)業(yè)門(mén)類(lèi)多,是一須由多個(gè)企業(yè)和單位協(xié)同的綜合性行業(yè)。在目前的條件下,直接實(shí)現(xiàn)船舶制造的全程信息化有一定難度,可以先就其中的某一環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)信息化處理,然后以點(diǎn)帶面、穩(wěn)步推進(jìn),以期達(dá)到船舶制造全程信息化的目的。

在船舶制造過(guò)程中,船型設(shè)計(jì)和性能預(yù)報(bào)是船舶設(shè)計(jì)的主要工作之一,也是船舶設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù),是船舶產(chǎn)品具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的集中體現(xiàn)。中國(guó)船舶科學(xué)研究中心在船型設(shè)計(jì)和性能預(yù)報(bào)的CAE領(lǐng)域做了大量卓有成效、自主創(chuàng)新的工作,本文將中國(guó)船舶科學(xué)研究中心擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的部分研究成果或正在進(jìn)行的CAE項(xiàng)目作概要介紹。

2船型設(shè)計(jì)系統(tǒng)HDS

船型設(shè)計(jì)系統(tǒng)HDS的全稱(chēng)是Hull Design System。該系統(tǒng)能根據(jù)用戶需求進(jìn)行初步型線設(shè)計(jì),通過(guò)內(nèi)嵌的CFD模塊對(duì)初步型線進(jìn)行優(yōu)化,并能對(duì)設(shè)計(jì)型線進(jìn)行三維光順處理,最后通過(guò)接口程序?qū)⑿途€數(shù)據(jù)以各種文件格式輸出,直接供后續(xù)設(shè)計(jì)軟件使用。該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是人機(jī)交互性好,船型修改方便,型線光順的數(shù)據(jù)精度高,達(dá)到船舶施工設(shè)計(jì)的要求。

HDS系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放式的系統(tǒng),由主尺度估算模塊、型線生成模塊、型線光順模塊、船型優(yōu)化模塊、船型數(shù)據(jù)接口模塊和船型數(shù)據(jù)庫(kù)組成,如圖1所示。

newmaker.com
圖1HDS 系統(tǒng)的功能模塊和業(yè)務(wù)流程

中國(guó)船舶科學(xué)研究中心目前已完成HDS1.0版本的開(kāi)發(fā)。HDS1.0包括下述模塊:

(1) 船舶主尺度估算模塊

船舶主尺度估算模塊收集了兩萬(wàn)余艘已建造入級(jí)的先進(jìn)船舶的主尺度、載重量和航速等參數(shù),并以載重量和航速為自變量,按油船、散貨船、集裝箱船、LPG船、LNG船等分門(mén)別類(lèi)回歸出各類(lèi)船型的長(zhǎng)度、型寬、型深、吃水等主尺度的估算公式。

(2) 型線生成模塊

型線生成模塊根據(jù)船舶主尺度估算模塊得到的主尺度或用戶輸入的主尺度生成船體型線方案。用戶可先從船型數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇一相近船型作為母型,也可由用戶直接輸入一型線作為母型,然后通過(guò)母型變換法得到初步設(shè)計(jì)型線。用戶也可通過(guò)系列插值法得到初步設(shè)計(jì)型線。

型線生成模塊可用船型的參數(shù)變換法來(lái)修改船型,供優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊使用。參數(shù)變換法包括局部參數(shù)變換法和整船參數(shù)變換法。模塊提供球艏和艉框的局部參數(shù)變換法。整船參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)將在HDS后續(xù)版本中提供。

(3) 型線光順模塊

型線光順模塊具有船體型線的三維線框模型光順功能,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完善、人機(jī)界面友好、插值功能多樣及光順精度高為其特點(diǎn),達(dá)到了船體型線施工設(shè)計(jì)的要求。該模塊具有人工光順、半自動(dòng)光順和全自動(dòng)光順等功能,并可繪制三維渲染效果圖和AutoCAD工程圖。

(4) 船型優(yōu)化模塊

船型優(yōu)化模塊是應(yīng)用CFD技術(shù)進(jìn)行船型方案的優(yōu)選。優(yōu)化目標(biāo)是興波阻力,CFD工具是勢(shì)流興波計(jì)算程序。系列船型方案由船型初步設(shè)計(jì)方案通過(guò)船型的參數(shù)變換法生成,且初步實(shí)現(xiàn)了勢(shì)流計(jì)算網(wǎng)格的自動(dòng)劃分。

(5) 船型數(shù)據(jù)接口模塊

船型數(shù)據(jù)接口模塊提供了船體型線的各種輸出接口,可與各種設(shè)計(jì)軟件對(duì)接,如與商用CFD軟件ShipFlow3.0、Fluent6.0的輸入接口聯(lián)結(jié),與船舶設(shè)計(jì)軟件NAPA、TRIBON、CADDS5的輸入接口聯(lián)結(jié)。

(6) 船型數(shù)據(jù)庫(kù)

船型數(shù)據(jù)庫(kù)為型線生成模塊提供母型船型線數(shù)據(jù),并為船型優(yōu)化模塊提供母型船性能數(shù)據(jù)。

HDS系統(tǒng)以船型設(shè)計(jì)為主線,操作簡(jiǎn)單,界面友好,為用戶提供了一個(gè)方便實(shí)用的船型設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工具。

3水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)系統(tǒng)HPS

水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)系統(tǒng)HPS的全稱(chēng)是Hydroperformance Prediction System。該系統(tǒng)能對(duì)大方形系數(shù)低速船(如大型、超大型油輪,散貨船等)和中等方形系數(shù)中高速船(如大中型集裝箱船等)的航行性能進(jìn)行預(yù)報(bào)、評(píng)估和優(yōu)化計(jì)算,可根據(jù)快速性、耐波性和操縱性綜合要求設(shè)計(jì)出滿足用戶初步設(shè)計(jì)要求的船型及螺旋槳等的細(xì)節(jié)。具有功能全、精度高、適用范圍寬、運(yùn)算速度快、技術(shù)先進(jìn)等特點(diǎn),是國(guó)內(nèi)第一個(gè)船舶水動(dòng)力性能集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

HPS系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放式的系統(tǒng),由應(yīng)用模塊、管理模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)組成。HPS系統(tǒng)的應(yīng)用模塊包括主尺度估算模塊、快速性估算模塊(含螺旋槳設(shè)計(jì))、操縱性估算模塊、耐波性估算模塊、綜合水動(dòng)力性能優(yōu)化模塊等。管理模塊包括系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、圖象支持及用戶界面管理等子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)包括性能數(shù)據(jù)庫(kù)和工作數(shù)據(jù)庫(kù),性能數(shù)據(jù)庫(kù)存有船型幾何及水動(dòng)力性能等試驗(yàn)數(shù)據(jù),在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可隨時(shí)取用所需的各種數(shù)據(jù); 工作數(shù)據(jù)庫(kù)主要保存系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù),供用戶查閱和報(bào)表打印。圖2為HPS系統(tǒng)功能模塊和業(yè)務(wù)流程框圖。

newmaker.com
圖2HPS 系統(tǒng)的功能模塊和業(yè)務(wù)流程

HPS 系統(tǒng)包含的內(nèi)容如下:

(1) 概念設(shè)計(jì)模塊

概念設(shè)計(jì)模塊是HPS系統(tǒng)的入口之一,其功能是根據(jù)業(yè)主提出的技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求,結(jié)合總體布置情況,提供下一步航行性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的起點(diǎn)(可以有三個(gè)初步方案),給出滿足要求的船型的“宏觀框架”。

(2) 船型生成模塊

船型生成模塊根據(jù)概念設(shè)計(jì)模塊得出的船型宏觀框架和主參數(shù)生成相應(yīng)的船體型線方案,有兩種生成方法:系列內(nèi)插法和母型變換法。

(3) 綜合航行性能預(yù)報(bào)模塊

本模塊是該集成系統(tǒng)最主要的計(jì)算模塊,包含靜水力性能計(jì)算、阻力計(jì)算、自航因子計(jì)算、螺旋槳設(shè)計(jì)和推進(jìn)性能計(jì)算、耐波性計(jì)算和操縱性計(jì)算等6 個(gè)子模塊。

(4) 水動(dòng)力性能評(píng)估與綜合優(yōu)化模塊

以性能數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的優(yōu)秀船型為基礎(chǔ),建立船舶性能的專(zhuān)家系統(tǒng),應(yīng)用人工智能或其他方法對(duì)設(shè)計(jì)船型的綜合航行性能進(jìn)行評(píng)估與優(yōu)化。

(5) 性能數(shù)據(jù)庫(kù)

性能數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)子樣的數(shù)量和質(zhì)量是數(shù)據(jù)庫(kù)最重要的內(nèi)涵,是數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)揮其重要作用的根本所在。數(shù)據(jù)庫(kù)收集了約300 艘近代船型的幾何數(shù)據(jù)和相應(yīng)的船模試驗(yàn)數(shù)據(jù),包括中國(guó)船舶科學(xué)研究中心開(kāi)發(fā)的兩個(gè)模型系列,即大方形系數(shù)低速船模型系列和中等方形系數(shù)中高速船模型系列。大方形系數(shù)低速船模型系列由15 條船模和9 只槳模組成,所進(jìn)行的阻力試驗(yàn)和自航試驗(yàn)數(shù)據(jù)形成了大方形系數(shù)低速船型的數(shù)字化圖譜。中等方形系數(shù)中高速船模型系列由9 條船模和19 只槳模組成,所進(jìn)行的阻力試驗(yàn)和自航試驗(yàn)數(shù)據(jù)形成了中等方形系數(shù)中高速船的數(shù)字化圖譜。

HPS 系統(tǒng)的商業(yè)化版本是船舶水動(dòng)力性能集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Ship Hydrodynamics Integrated Design System ,簡(jiǎn)稱(chēng)SHIDS)。SHIDS系統(tǒng)以開(kāi)發(fā)先后為序分別推出了SHIDS1.0、SHIDS2.0和SHIDS3.0三個(gè)版本。HDS系統(tǒng)也將納入到SHIDS系統(tǒng)中。

SHIDS系統(tǒng)已為10家單位的一百余艘船做過(guò)技術(shù)咨詢,被8家工廠和設(shè)計(jì)院所使用。實(shí)踐表明,該集成系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、計(jì)算快捷、計(jì)算結(jié)果達(dá)到工程實(shí)用精度。SHIDS系統(tǒng)已被引入“一網(wǎng)兩庫(kù)”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),成為廣州市“先進(jìn)制造技術(shù)服務(wù)平臺(tái)”的一個(gè)應(yīng)用服務(wù)SHIDSweb。

4數(shù)字水池試驗(yàn)系統(tǒng)

數(shù)字水池試驗(yàn)系統(tǒng)是將現(xiàn)有試驗(yàn)系統(tǒng)改造成基于網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)的試驗(yàn)流程,實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的客戶要求提交、試驗(yàn)?zāi)Ｐ图庸?、測(cè)試儀器校驗(yàn)、信號(hào)采集處理、數(shù)據(jù)信息入庫(kù)直至試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告提交的全過(guò)程、全方位的數(shù)字化。

數(shù)字水池試驗(yàn)系統(tǒng)包括客戶交流數(shù)字化、模型加工數(shù)字化、試驗(yàn)過(guò)程數(shù)字化和試驗(yàn)管理數(shù)字化,并集中體現(xiàn)在數(shù)據(jù)流和信息流的網(wǎng)絡(luò)化上。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程均在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下完成,并且實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)的有機(jī)結(jié)合。

中國(guó)船舶科學(xué)研究中心自2004年開(kāi)始數(shù)字水池試驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè),目前已取得較大進(jìn)展。圖3為該系統(tǒng)的框圖。

newmaker.com
圖3數(shù)字水池試驗(yàn)系統(tǒng)框架

現(xiàn)以其深水拖曳水池為例說(shuō)明數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室包含的功能模塊:

(1) 試驗(yàn)水池基本參數(shù)。
(2) 試驗(yàn)項(xiàng)目。
(3) 客戶咨詢。用戶提出試驗(yàn)要求,包括船舶類(lèi)型、船舶主尺度、試驗(yàn)?zāi)康摹⑾ＭM(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目、模型速度、試驗(yàn)時(shí)間等。系統(tǒng)可提供在線報(bào)價(jià)及試驗(yàn)安排。
(4) 網(wǎng)上直播。模型、測(cè)試儀器、典型試驗(yàn)過(guò)程等。
(5) 電子報(bào)告的網(wǎng)上提交。
(6) 實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室部分實(shí)現(xiàn)了模型試驗(yàn)過(guò)程的數(shù)字化,包括試驗(yàn)儀器的配置、試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送等。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的更新、測(cè)控軟件的升級(jí)和接口開(kāi)發(fā),部分實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過(guò)程遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控和中心數(shù)據(jù)庫(kù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。能方便、實(shí)時(shí)地分別將各實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)存入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)。中央數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與各數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)連接成星型網(wǎng)絡(luò)。子系統(tǒng)保存研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),經(jīng)加工整理再向中央數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)儲(chǔ),建立相應(yīng)的存儲(chǔ)備份機(jī)制。科技人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)只需在瀏覽器輸入地址即可訪問(wèn)該數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的批量錄入、修改、刪除、查詢、圖形及圖像顯示、打印等功能,動(dòng)態(tài)管理各類(lèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

數(shù)字模型加工中心包括數(shù)字模型加工設(shè)備(三自由度數(shù)控船模加工車(chē)床、五軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控槳模加工機(jī)床)、模型檢測(cè)設(shè)備(無(wú)接觸式三坐標(biāo)激光測(cè)量) 和數(shù)控加工及成型仿真軟件,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)形成一套船模、槳模數(shù)字化加工系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了模型加工的數(shù)字化。

數(shù)字水池試驗(yàn)管理系統(tǒng)部分實(shí)現(xiàn)了委托方網(wǎng)上提交試驗(yàn)任務(wù)、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)討論與確定試驗(yàn)內(nèi)容、了解試驗(yàn)執(zhí)行過(guò)程、“觀看”試驗(yàn)和檢查數(shù)據(jù)、接收檢測(cè)報(bào)告和試驗(yàn)報(bào)告等功能。未來(lái)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室將實(shí)現(xiàn)從設(shè)備資源管理、項(xiàng)目管理、試驗(yàn)過(guò)程管理、文件管理到試驗(yàn)控制、參數(shù)測(cè)量、在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)融合與入庫(kù)、試驗(yàn)報(bào)告編制等的標(biāo)準(zhǔn)化、程序化以及全實(shí)時(shí)、全數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。

5數(shù)值水池仿真系統(tǒng)

近幾年來(lái),計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù)、力學(xué)科學(xué)和計(jì)算數(shù)學(xué)的發(fā)展使得船舶設(shè)計(jì)全程電子化成為可能。通過(guò)建立船舶綜合航行性能的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng),即數(shù)值水池仿真系統(tǒng),可以為船舶綜合航行性能的設(shè)計(jì)、預(yù)報(bào)和優(yōu)化提供一個(gè)更快捷、更經(jīng)濟(jì)、更為全面的方法和工具,使得在船舶設(shè)計(jì)的每一步都可以進(jìn)行流場(chǎng)的模擬和性能的預(yù)報(bào),以驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的正確性,并可部分替代模型試驗(yàn),拓展了物理模型試驗(yàn)的內(nèi)容,提供物理模型試驗(yàn)難以模擬的關(guān)鍵信息。

數(shù)值水池是以CFD 技術(shù)為核心、以船舶性能數(shù)據(jù)庫(kù)和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)、以軟件工程技術(shù)(軟件集成和應(yīng)用技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、程序庫(kù)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、數(shù)值水池的運(yùn)行和管理技術(shù)) 為依托、與物理水池互為補(bǔ)充的綜合性船舶總體性能仿真系統(tǒng),圖4 為數(shù)值水池仿真系統(tǒng)的框圖。

newmaker.com
圖4數(shù)值水池仿真系統(tǒng)的基本框架

數(shù)值水池將成為船舶設(shè)計(jì)及性能研究

中和物理模型試驗(yàn)并駕齊驅(qū)的兩大工具之一,船舶設(shè)計(jì)者甚至可在一臺(tái)微機(jī)上完成所有的船舶設(shè)計(jì)過(guò)程。國(guó)外先進(jìn)的船模試驗(yàn)池在進(jìn)行模型試驗(yàn)前都要對(duì)該模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。因此,開(kāi)發(fā)并擁有先進(jìn)適用的數(shù)值水池,對(duì)我國(guó)船舶設(shè)計(jì)水平的提高和船舶工業(yè)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)世界造船大國(guó)及造船強(qiáng)國(guó)的目標(biāo),是非常重要和極為迫切的。

中國(guó)船舶科學(xué)研究中心在數(shù)值水池仿真系統(tǒng)研究方面取得了不少具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成果,并已應(yīng)用于實(shí)船性能的分析、預(yù)報(bào)及優(yōu)化設(shè)計(jì)中。建立了基于勢(shì)流理論的線性興波阻力計(jì)算程序及波浪性能預(yù)報(bào)程序,并成功用于某方艉艦船的優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立了基于勢(shì)流升力線、升力面及粘流的螺旋槳性能計(jì)算程序,并在民用大側(cè)斜槳的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能預(yù)報(bào)上應(yīng)用。在粘流CFD 方面,通過(guò)對(duì)貼體坐標(biāo)、交錯(cuò)網(wǎng)格、湍流模型等方面的系統(tǒng)研究,發(fā)展了一套較成熟的計(jì)算潛艇及重疊模流場(chǎng)的軟件,可求解全三維RANS方程,并成功用于潛艇、水面船及其附體的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能預(yù)報(bào);螺旋槳采用力場(chǎng)模擬方法,對(duì)船2槳干擾進(jìn)行了研究。在大型結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元軟件的應(yīng)用方面,開(kāi)發(fā)了基于直接設(shè)計(jì)法的船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件,并成功應(yīng)用于多型水面船的外載荷設(shè)計(jì)。

近來(lái),中國(guó)船舶科學(xué)研究中心用16節(jié)點(diǎn)的集群式微機(jī)系統(tǒng),在商用軟件應(yīng)用于船舶性能預(yù)報(bào)與優(yōu)化方面進(jìn)行研發(fā),并在通用軟件的二次開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面取得了較大進(jìn)展。在船舶流場(chǎng)的粘性自由面研究方面,發(fā)展了穩(wěn)定可靠、有較高數(shù)值精度的帶自由面流場(chǎng)模擬方法,并成功預(yù)報(bào)了WIGLEY船型、DTMB5415艦及某75000t大型散貨船的流場(chǎng)及快速性能;在大雷諾數(shù)(達(dá)109量級(jí),相當(dāng)于實(shí)船值)下,對(duì)現(xiàn)代船型KVLCC2尾流場(chǎng)計(jì)算進(jìn)行了探索性研究;采用多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù),對(duì)帶全附體的某艦?zāi)Ｐ驼承粤鲌?chǎng)進(jìn)行了數(shù)值研究,突破了附體網(wǎng)格生成的關(guān)鍵技術(shù),獲得的伴流場(chǎng)的模擬結(jié)果和模型試驗(yàn)相當(dāng)吻合。解決了計(jì)及復(fù)雜螺旋槳幾何的計(jì)算網(wǎng)格產(chǎn)生技術(shù),成功實(shí)現(xiàn)了螺旋槳和船體流場(chǎng)的整體數(shù)值計(jì)算。

將通用分析軟件與船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件無(wú)縫連接是數(shù)值水池仿真系統(tǒng)的又一個(gè)重要組成部分。通用軟件具有豐富的理論模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的前后處理功能,為快速、可靠地解決船舶力學(xué)中的共性問(wèn)題提供了一個(gè)工具,而自行研發(fā)的性能優(yōu)化軟件則可解決航行性能方面的特殊問(wèn)題,兩者結(jié)合可成為適于本領(lǐng)域研究的專(zhuān)用仿真系統(tǒng)。需要說(shuō)明的是,CAE分析結(jié)果會(huì)因人、因時(shí)而異,必須減少這種差距才能使CAE分析更具實(shí)用性。

此外,還需提高幾何建模、網(wǎng)格劃分的自動(dòng)化程度,使使用者能迅速可靠地完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作。中國(guó)船舶科學(xué)研究中心在這方面也取得了較大進(jìn)展,在參數(shù)化建模、網(wǎng)格自動(dòng)劃分、求解器參數(shù)設(shè)置及計(jì)算結(jié)果的可視化處理方面都有成功開(kāi)發(fā)的實(shí)例。

6船舶技術(shù)性能數(shù)據(jù)庫(kù)

以上提到的四個(gè)CAE系統(tǒng)均涉及數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),其中HDS、HPS和數(shù)值水池仿真系統(tǒng)都需要應(yīng)用船型和性能數(shù)據(jù)庫(kù)或基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù),而這些數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)主要來(lái)源于數(shù)字水池試驗(yàn)系統(tǒng)的中心數(shù)據(jù)庫(kù)。船舶技術(shù)性能數(shù)據(jù)庫(kù)是船舶設(shè)計(jì)和新船型開(kāi)發(fā)的依托,對(duì)船舶研究、設(shè)計(jì)和建造有重大意義。

中國(guó)船舶科學(xué)研究中心的船型和性能數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存有300余艘近代優(yōu)秀船型及其推進(jìn)器、舵與附件的幾何參數(shù)、幾何外形、由模型試驗(yàn)和實(shí)船試驗(yàn)獲取的各種性能資料(包含快速性、操縱性、耐波性、伴流、脈動(dòng)壓力等)。其主要功能為:為船舶性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)、預(yù)報(bào)以及船型生成提供母型,作為評(píng)估的比較對(duì)象,為建立船舶性能的各種統(tǒng)計(jì)估算方法提供數(shù)據(jù)源。應(yīng)用該數(shù)據(jù)庫(kù)及以此為依托的優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng),可以準(zhǔn)確而迅速地對(duì)設(shè)計(jì)方案的綜合航行性能進(jìn)行預(yù)報(bào)和優(yōu)化。數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)儲(chǔ)存的優(yōu)秀船型數(shù)量愈多,這種預(yù)報(bào)和優(yōu)化的準(zhǔn)確性和水平就愈高,適用范圍也就愈廣。

該數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)由7個(gè)子庫(kù)構(gòu)成的具有一體化、開(kāi)放式結(jié)構(gòu)和獨(dú)立管理功能的主題數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng),可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的錄入、存儲(chǔ)、更新和查詢等功能的在線管理。圖5為船型和性能數(shù)據(jù)庫(kù)的框圖。

newmaker.com
圖5船舶技術(shù)性能數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)成框圖

該數(shù)據(jù)庫(kù)有兩種版本形式,一種是基于Access平臺(tái)、裝在一般微機(jī)上使用的單機(jī)版,另一種是基于Oracle平臺(tái)、用于網(wǎng)上服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)版。

數(shù)據(jù)庫(kù)既可獨(dú)立地置于服務(wù)器上,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)為艦艇預(yù)研、型號(hào)研究、模型試驗(yàn)、數(shù)據(jù)挖掘、CFD和艦艇性能研究提供資源共享服務(wù),又能嵌入各類(lèi)艦艇CAD/CAE/CFD/CAM系統(tǒng)中,作為水動(dòng)力設(shè)計(jì)支撐數(shù)據(jù)庫(kù),為船型優(yōu)化設(shè)計(jì)提供決策的量化依據(jù)。一方面不斷吸收各種優(yōu)秀船型的物理試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊的智能學(xué)習(xí)功能,來(lái)持續(xù)地改進(jìn)SHIDS系統(tǒng)的計(jì)算預(yù)報(bào)精度;另一方面,虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的軟件庫(kù)還能利用這些數(shù)據(jù)來(lái)生成新的船型數(shù)據(jù),符合設(shè)計(jì)要求并在以后物理試驗(yàn)中證實(shí)是有效和優(yōu)秀的數(shù)據(jù),也可以進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)。這樣,形成一個(gè)不斷發(fā)展的、良性循環(huán)的虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)。

自該數(shù)據(jù)庫(kù)建成后,除直接為大量新船設(shè)計(jì)提供優(yōu)秀參考母型船外,其Access版本的數(shù)據(jù)庫(kù)作為主要模塊納入了SHIDS1.0、2.0、3.0中。Oracle版本的數(shù)據(jù)庫(kù)作為主要模塊納入了SHIDSweb中,發(fā)揮基礎(chǔ)平臺(tái)的重要作用。今后數(shù)據(jù)庫(kù)子樣、版本還將持續(xù)擴(kuò)充、升級(jí),預(yù)計(jì)2009年子樣總數(shù)可達(dá)600艘船型,2020年子樣總數(shù)將超過(guò)2000艘船型。

參考文獻(xiàn):
[1]李百齊,沈泓萃.船舶水動(dòng)力性能集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)(SHIDS)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J]. 船舶力學(xué),2002,6 (1) :52261.
[2]劉曉東. 加裝尾板的高速水面艦的興波水動(dòng)力性能研究[D]. 無(wú)錫:中國(guó)船舶科學(xué)研究中心博士學(xué)位論文,2003.
[3]張志榮. 水面艦船綜合粘性流場(chǎng)的實(shí)用化CFD研究[D]. 無(wú)錫:中國(guó)船舶科學(xué)研究中心博士學(xué)位論文,2004.
[4]何術(shù)龍.多體船水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)與優(yōu)化的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究[D].中國(guó)船舶科學(xué)研究中心博士學(xué)位論文,2006.
[5]陳京普,朱德祥,劉曉東. 興波阻力數(shù)值預(yù)報(bào)方法研究及其在集裝箱船船型優(yōu)化中的應(yīng)用[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展,2006(1):1132121.
[6]何術(shù)龍,李百齊,程明道,朱德祥.三體船船型分析及興波干擾的模型試驗(yàn)研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展,2006(1) :1222129.
[7]李百齊,朱德祥,何術(shù)龍. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心關(guān)于船舶性能新技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)造船,2006,(3) :1213.
[8]葉永興,等. 螺旋槳CAD 軟件包研究技術(shù)總結(jié)報(bào)告[R]. 無(wú)錫:中國(guó)船舶科學(xué)研究中心科技報(bào)告,1998.
[9]朱德祥,李百齊,楊孝忠. 偶極子面元分布法及其在水翼組合體水動(dòng)力預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)造船,1993,(1) :1212.(end)