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一个在多种操作状况下船舶球鼻艏流体动力学优化设计方法

Yu lu,Xin chang,and An-kang Hu

中华人民共和国哈尔滨工业大学船舶工程学院；中集集团海洋工程设计和研究机构上海有限公司

摘要

这篇文章的主要目的是为了描述种在复杂的操作状况下船舶球鼻艏流体动力学优化设计方法。该提议的方法比起传统的只建立在合约中规定状况下的优化方式更加实用有效。来自各种方法的参数被一种F-spline曲线采用为了得到使用了形状设计参数修改后的船舶球鼻艏形状变化，诞生了一种建立在先进的遗传算法的优化系统。Rankine源面板法被用来做水动力评估，其中非线性自由面状况、船舶剪力和船舶下沉也被考虑到。该方法对大型集装箱船的正确性和效率会通过比较计算结果和实验数据来研究，这证明了该方法可以很好地参与自动化过程并且在实际船舶设计中推进水动力的表现。

介绍：

在燃料价格上涨和船舶能效设计指数对二氧化碳排放严格控制的持续上升的压力下,经济且环境友好型技术在船舶设计的广阔领域中正变得越来越重要。在造船产业中找到新的方法和技术来支持绿色船舶的建设是有压力的，既使制造费用和运营费用最小化，这个过程中还包括了船体形状优化、耗能设备及可再生能源的使用。水动力优化是一种有效且结实的设计方法，它在船体形状优化方面扮演了不可或缺的作用。设计者和船厂被要求根据吃水和船速说明来制造船舶，并且船舶能在静水情况（合同规定情况）下能够有更好的水动力表现，船体设计的优化是实现这个目标的重要部分。从绿色经济的前景来看，优化船型来为实际上在一定范围的吃水和速度内的复杂载况提供更好的表现是非常值得的，这同时实现了减少燃料消耗和更低的二氧化碳排放。事实上，在某些特定情况下，创新的做法可能会导致性能略有下降来妥协，但在实际状况下水动力性能的改善恰好可以弥补这些不足。研究现状为考虑多种工况下的大型集装箱船的球鼻艏形状的水动力优化提供了一种创新且有效的方法，形成了一种多维度、多层次、宽领域的船舶优化设计理念。几何建模，数值求解和优化方案使水动力优化设计完整实现。几何建模的应用在水动力船体优化领域具有重要的意义，可以使优化过程高效而实用(Harries, 1998, 2007; Lee, 2003; Maisonneuve et al., 2003; Nowacki amp; Kaklis, 1998; Peacute;rez,Suaacute;rez, Clemente, amp; Souto, 2007; Peacute;rez, Suaacute;rez-Suaacute;rez,amp; Fernaacute;ndez-Jambrina, 2006; Saha, Suzuki, amp; Kai, 2004;Tahara, Peri, Campana, amp; Stern, 2008)。 该过程主要包括四个方面:设计变量编号、船体几何形状的柔性变化、修改后的部分与原部分保持理想的平衡以及有效的几何约束实现。三种主流的软件包被用作船体的表达和修改上：参数化建模的FRIENDSHIP-Framework软件包、使用模板方法的船舶NAPA设计软件，以及用作形状变化功能的GMS/Fcet（Maisonneuve et al.,2003）。这些程序在参数化建模方面取得了显著进展，确保了自动化设计过程的有效性。

作为领先的几何建模软件，FRIENDSHIP-Framework在离散船舶抵消数据控制方面提供了一个高度灵活性和便捷性，这可以有效应用于类似于多项式，立方曲线、Beacute;zier和B样条和F样条曲线的船体参数生成和转换(Harries, Valdenazzi, Abt, amp; Viviani, 2001)，这追踪到光顺优化的B样条和曲面。在选择优化系统中使用的设计变量时，可以选择任意三维自由控制点作为媒介来完成正在改变的船体部分形状的转换(Hinatsu, 2004; Valdenazzi, Harries, Viviani, amp; Abt, 2002)。在FRIENDSHIP-Framework操作环境下，这些控制点的变化可能会对船体形态产生实质性的变化(Lee, Kim, amp; Kang, 1995; Tahara, Wilson, Carrica, amp; Stern, 2006)，从而实现优化几何建模(Birk amp; Harries, 2003; Saha et al.,2004; Saha, Suzuki, amp; Kai, 2005)。这种方法受到广泛地使用(Campana, Peri, Tahara, amp; Stern, 2006; Chenamp; Huang, 2004; Harries amp; Abt, 1998; Harries, Abt, amp;Hochkirch, 2004; Kang amp; Lee, 2010; Mancuso, 2006; Sarioz, 2006; Peacute;rez amp; Clemente, 2011; Ping, Xiang, amp; Hao,2008)。这篇文章中，F样条曲线已经被选作船舶球鼻艏的参数表达方式。当计算船体形状基于流体力学的水动力优化时，精确有效的求解方法是非常重要的(CFD; Kim amp; Yang, 2010; Shereena, Vengadesan, Idichandy, amp; Bhattacharyya, 2013)。船舶总阻力定义为在这项研究中，水动力优化周期的目标函数。ITTC1957船舶模型相关公式估算的摩擦阻力和Rankine源面板法在非线性自由面边界状况下所估算的兴波阻力解决了各种的水动力计算。由于简单和减少计算资源资源的优点，基于Rankine源的势流面计算方法更好，尤其是在尖端优化评估过程中，既是没有考虑到粘性 (Abt, Harries, Heimann, amp; Winter, 2003; Loweamp; Steel, 2003)。用数值求解方法作为必要的优化步骤已经在各种研究中被证明了这是可靠并且高效的(Choi,Park, amp; Choi, 2015; Suzuki, Kai, amp; Kashiwabara, 2005;Yang, Fuxin, amp; Kim, 2015; Yang, Fuxin, amp; Noblesse, 2013;Zhang, 2012; Zhang, Kun, amp; Ji, 2009)。传统的优化技术——即最陡下降法、共轭梯度法和顺序二次规划法——已经在各种研究中得到了探索。(Peri, Rossetti, amp; Campana, 2001; Tahara, Stern, amp; Himeno, 2004; Valorani, Peri, amp; Campana, 2003). 随着现代软计算技术在各个领域的广泛实际应用(Wang, Chau, Xu, amp; Chen, 2015; Wu, Chau, amp; Li, 2009; J. Zhang amp; Chau, 2009; S. Zhang amp; Chau, 2009),其他类型的优化算法还在开发中(Cha amp; Wu, 2010; Taormina amp; Chau, 2015)。最流行和最强大的进化算法（EA）技术引起了广泛关注，主要涉及遗传算法（GAS）、进化策略（ESS）和进化规划（EP）。在这些优化技术中，气体和各种改进算法主要用于船体形状的分辨和修改问题(Dejhalla, Mrsa, amp; Vukovic, 2002; Grigoropoulos amp; Chalkias, 2010; Grigoropoulos, Chalkias, amp; Tikkos, 2004; Liang, Cheng, Li, amp; Xiang, 2011; Li, Si, Liang, amp; Sun, 2014; Yasukawa, 2000)。一个典型的改进型气体，非主导排序遗传算法II(NSGA-II; Deb, Agrawal, Pratap, amp; Meyarivan, 2000; Srinivas amp; Deb, 1994)，具有低计算要求和无参数共享方法，用于寻找更优的解决方案。NSGA-II应用于本研究，并用在考虑搜索多载荷条件的船舶总阻力最小值，这被指定为水动力优化的目标函数。

本文的结构如下。第2节介绍了用于船体球鼻船头形状修改和重建的方法，就是在friendshipframework软件环境下使用F样条参数曲线。第3节从势流理论的角度解释了基于朗肯源面板法的数值求解。第4节说明了NSGAII是一种优化策略。然后，将基于大型集装箱全船（原船体）的总阻力计算结果与上海船舶运输科学研究所(SSSRI)和荷兰海事研究所（Marin）合资企业所做的相关船模试验结果比较，以验证结果。随后，在第5节中演示并讨论了流体动力优化设计方法在考虑多种操作条件的原船体球形船首形式中的成功应用。

第6节就拟议方法提出了一些总结性意见。

2. 几何建模

几何建模的主要关注点是建立一组包含设计变量的参数曲线与船体形状转换之间的关系，确保创建的各种设计变量是可行和有效的。曲线的完整构造需要一组给定的数据元素，为其数学定义输入了不同的属性，保证了工艺的精确性和灵活性。在FRIENDSHI框架下，一组以的参数（其中一些被选作设计变量）作为约束的光顺优化B样条曲线被用作球鼻艏变换的无约束函数。这被称为F样条参数曲线。

2.1. F参数曲线的定义

这篇文稿的部分是基于Birk， Harries(2003)和Harries (1998)。F样条参数曲线的生成是基于一条开放的均匀B样条曲线，该曲线通过约束光顺得到改进。用于一般表达，起始点用作一条自由曲线的以t为变量的适量r(t):

r(t) = (x(t), y(t), z(t)) ⑴

为了满足为了满足mth阶公平准则，相应的方表示为

, ⑵

光顺过程中可以嵌入一些可控制的约束

2.1.1. 距离约束

对于n 1个给定点，欧几里得距离应用在和自变量节点相关的点和矢量r(t),并由加权，最后平方以限制最大正误差公差ε：

⑶

2.1.2. 终端约束

考虑切线矢量和曲率矢量，曲线上的第一点i＝0，曲线上的最后一点i＝n，结果如下：

方程：

， ⑷

. ⑸

2.1.3.面约束

对于曲线下的实际面积S,它的值指定为给定面积:

. ⑹

注意，如果需要，也应考虑其他形式的等式或不等式的约束. 为了求解约束优化问题，可以将上述方程整合并化作为无约束函数I：

⑺

其中 ，

其中，alpha;，mu;i，和omega;是拉格朗日乘子，d2是松弛变量。通过求未知量的偏导数求最小条件，对最终非线性方程组进行数值离散可以解决顶点和拉格朗日乘子问题. 在友好框架的操作环境下，定义了F样条曲线的六个主要性质参数: 点位置坐标（x,y,z），切线角，曲率，面积S，质心（）和光顺度。这样，光顺优化参数曲线的类型具有很大的灵活性和极高的形状质量，因此应用F样条曲线作为实现主船体、球鼻艏、船艉、船艏等任意部分船体实现相应平滑变换的媒介。

2..2.球鼻艏参数变换

通常将F样条曲线的位置或切线角作为输入形式参数（设计变量），以用于船型变换。在本研究中，我们使用移位法，将F样条曲线变化映射到球弓偏移转换，以完成参数化设计过程。球鼻艏可以产生5种类型的变化：球鼻艏长度的伸缩、球鼻艏尖端的垂直平移、球鼻艏丰满度的横向平移、球鼻艏在首垂线（FP）位置的截面平移以及船前段的相应平移转换。

以球艏纵向平移和竖向平移为例，在位移法中，为尖端纵向平移，为其F样条曲线上的尖端垂直平移，作为位移函数曲线。每个受影响的偏移坐标集（x坐标和z坐标）的平移定义为

(8)

(9)

其中和分别是与输入参数相关的F样条曲线函数的x坐标和z坐标，与映射球鼻艏偏移的位置一致，和分别是x坐标和z坐标的转换。有时，为了消除不合理的偏移和过大的变化，可以附加另一条F-样条曲线或多条曲线作为加权函数曲线，无论是纵向的还是垂直的平移。假定和是加权函数曲线的端部纵向变化和垂直变化，通常。在这里，受影响的偏移坐标（x和z坐标）与加权函数可以被重新表述为：

, (10)

(11)

其中和是与输入参数相关的加权函数曲线的加权平移x坐标和z坐标，对应于映射球头偏移的位置。值得注意的是，如果存在多个加权函数曲线，则方程（10）和（11）的第二项可以被改写

资料编号：[3726]