CAE在船舶性能研究領域的應用

2013-06-23 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者:朱德祥冷文浩李百齊何術龍

摘要:論述了計算機輔助工程(Computer Aided Engineering,簡稱CAE)技術的重要性及其在船舶性能領域應用的可行性。從原理、特點、功能、構成、應用效果及未來發展諸方面介紹了中國船舶科學研究中心在CAE技術領域自主創新的技術成果和在研項目,其中包括船型設計系統、水動力性能預報系統、數字水池試驗系統、數值水池仿真系統和船舶技術性能數據庫等五大系統。上述諸系統既相互獨立,又有機聯系,共同構成船舶性能研究的綜合系統。
關鍵詞:船舶、艦船工程; 船型設計; 水動力性能預報; 數字水池試驗; 數值水池仿真; 集成系統; 技術性能數據庫

1引言

作為我國傳統產業的船舶制造業,正在走出“夕陽產業”的困境。這一方面得益于國家宏觀產業政策的扶持,另一方面也得益于計算機輔助工程(CAE)技術的提高和應用。船舶CAE是將信息化技術與船舶制造相結合,實現船舶產品的設計、制造、維護和管理的信息化,以提高船舶工業研究開發水平和生產制造能力,加快船舶產品與設計技術的創新,加速船舶研制、生產和造船企業經營管理的現代化進程。提高船舶制造業的綜合能力和核心競爭力,是貫徹以信息化帶動工業化、實現造船工業現代化的主要途徑與戰略舉措。對船舶制造業來說,這一發展趨勢既是機遇,也是挑戰,更是我國成為世界造船大國及造船強國的必由之路。

船舶制造業的特點是資金投入大、設計建造周期長、涉及的專業門類多,是一須由多個企業和單位協同的綜合性行業。在目前的條件下,直接實現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節實現信息化處理,然后以點帶面、穩步推進,以期達到船舶制造全程信息化的目的。

在船舶制造過程中,船型設計和性能預報是船舶設計的主要工作之一,也是船舶設計中的關鍵技術,是船舶產品具有核心競爭力的集中體現。中國船舶科學研究中心在船型設計和性能預報的CAE領域做了大量卓有成效、自主創新的工作,本文將中國船舶科學研究中心擁有自主知識產權的部分研究成果或正在進行的CAE項目作概要介紹。

2船型設計系統HDS

船型設計系統HDS的全稱是Hull Design System。該系統能根據用戶需求進行初步型線設計,通過內嵌的CFD模塊對初步型線進行優化,并能對設計型線進行三維光順處理,最后通過接口程序將型線數據以各種文件格式輸出,直接供后續設計軟件使用。該系統最大的特點是人機交互性好,船型修改方便,型線光順的數據精度高,達到船舶施工設計的要求。

HDS系統是一個開放式的系統,由主尺度估算模塊、型線生成模塊、型線光順模塊、船型優化模塊、船型數據接口模塊和船型數據庫組成,如圖1所示。

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圖1HDS 系統的功能模塊和業務流程

中國船舶科學研究中心目前已完成HDS1.0版本的開發。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余艘已建造入級的先進船舶的主尺度、載重量和航速等參數,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船等分門別類回歸出各類船型的長度、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。用戶可先從船型數據庫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,然后通過母型變換法得到初步設計型線。用戶也可通過系列插值法得到初步設計型線。

型線生成模塊可用船型的參數變換法來修改船型,供優化設計模塊使用。參數變換法包括局部參數變換法和整船參數變換法。模塊提供球艏和艉框的局部參數變換法。整船參數化設計技術將在HDS后續版本中提供。

(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,數據結構完善、人機界面友好、插值功能多樣及光順精度高為其特點,達到了船體型線施工設計的要求。該模塊具有人工光順、半自動光順和全自動光順等功能,并可繪制三維渲染效果圖和AutoCAD工程圖。

(4) 船型優化模塊

船型優化模塊是應用CFD技術進行船型方案的優選。優化目標是興波阻力,CFD工具是勢流興波計算程序。系列船型方案由船型初步設計方案通過船型的參數變換法生成,且初步實現了勢流計算網格的自動劃分。

(5) 船型數據接口模塊

船型數據接口模塊提供了船體型線的各種輸出接口,可與各種設計軟件對接,如與商用CFD軟件ShipFlow3.0、Fluent6.0的輸入接口聯結,與船舶設計軟件NAPA、TRIBON、CADDS5的輸入接口聯結。

(6) 船型數據庫

船型數據庫為型線生成模塊提供母型船型線數據,并為船型優化模塊提供母型船性能數據。

HDS系統以船型設計為主線,操作簡單,界面友好,為用戶提供了一個方便實用的船型設計和開發工具。

3水動力性能預報系統HPS

水動力性能預報系統HPS的全稱是Hydroperformance Prediction System。該系統能對大方形系數低速船(如大型、超大型油輪,散貨船等)和中等方形系數中高速船(如大中型集裝箱船等)的航行性能進行預報、評估和優化計算,可根據快速性、耐波性和操縱性綜合要求設計出滿足用戶初步設計要求的船型及螺旋槳等的細節。具有功能全、精度高、適用范圍寬、運算速度快、技術先進等特點,是國內第一個船舶水動力性能集成設計系統。

HPS系統是一個開放式的系統,由應用模塊、管理模塊和數據庫組成。HPS系統的應用模塊包括主尺度估算模塊、快速性估算模塊(含螺旋槳設計)、操縱性估算模塊、耐波性估算模塊、綜合水動力性能優化模塊等。管理模塊包括系統管理、數據管理、圖象支持及用戶界面管理等子系統。數據庫包括性能數據庫和工作數據庫,性能數據庫存有船型幾何及水動力性能等試驗數據,在系統運行時可隨時取用所需的各種數據; 工作數據庫主要保存系統運行時產生的數據,供用戶查閱和報表打印。圖2為HPS系統功能模塊和業務流程框圖。

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圖2HPS 系統的功能模塊和業務流程

HPS 系統包含的內容如下:

(1) 概念設計模塊

概念設計模塊是HPS系統的入口之一,其功能是根據業主提出的技術經濟要求,結合總體布置情況,提供下一步航行性能優化設計的起點(可以有三個初步方案),給出滿足要求的船型的“宏觀框架”。

(2) 船型生成模塊

船型生成模塊根據概念設計模塊得出的船型宏觀框架和主參數生成相應的船體型線方案,有兩種生成方法:系列內插法和母型變換法。

(3) 綜合航行性能預報模塊

本模塊是該集成系統最主要的計算模塊,包含靜水力性能計算、阻力計算、自航因子計算、螺旋槳設計和推進性能計算、耐波性計算和操縱性計算等6 個子模塊。

(4) 水動力性能評估與綜合優化模塊

以性能數據庫內的優秀船型為基礎,建立船舶性能的專家系統,應用人工智能或其他方法對設計船型的綜合航行性能進行評估與優化。

(5) 性能數據庫

性能數據庫內子樣的數量和質量是數據庫最重要的內涵,是數據庫發揮其重要作用的根本所在。數據庫收集了約300 艘近代船型的幾何數據和相應的船模試驗數據,包括中國船舶科學研究中心開發的兩個模型系列,即大方形系數低速船模型系列和中等方形系數中高速船模型系列。大方形系數低速船模型系列由15 條船模和9 只槳模組成,所進行的阻力試驗和自航試驗數據形成了大方形系數低速船型的數字化圖譜。中等方形系數中高速船模型系列由9 條船模和19 只槳模組成,所進行的阻力試驗和自航試驗數據形成了中等方形系數中高速船的數字化圖譜。

HPS 系統的商業化版本是船舶水動力性能集成設計系統(Ship Hydrodynamics Integrated Design System ,簡稱SHIDS)。SHIDS系統以開發先后為序分別推出了SHIDS1.0、SHIDS2.0和SHIDS3.0三個版本。HDS系統也將納入到SHIDS系統中。

SHIDS系統已為10家單位的一百余艘船做過技術咨詢,被8家工廠和設計院所使用。實踐表明,該集成系統操作簡便、計算快捷、計算結果達到工程實用精度。SHIDS系統已被引入“一網兩庫”網絡平臺,成為廣州市“先進制造技術服務平臺”的一個應用服務SHIDSweb。

4數字水池試驗系統

數字水池試驗系統是將現有試驗系統改造成基于網絡和數據庫的試驗流程,實現基于網絡的客戶要求提交、試驗模型加工、測試儀器校驗、信號采集處理、數據信息入庫直至試驗檢測報告提交的全過程、全方位的數字化。

數字水池試驗系統包括客戶交流數字化、模型加工數字化、試驗過程數字化和試驗管理數字化,并集中體現在數據流和信息流的網絡化上。整個試驗過程均在網絡環境下完成,并且實現與數據庫的有機結合。

中國船舶科學研究中心自2004年開始數字水池試驗系統的建設,目前已取得較大進展。圖3為該系統的框圖。

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圖3數字水池試驗系統框架

現以其深水拖曳水池為例說明數字化實驗室包含的功能模塊:

(1) 試驗水池基本參數。
(2) 試驗項目。
(3) 客戶咨詢。用戶提出試驗要求,包括船舶類型、船舶主尺度、試驗目的、希望進行的試驗項目、模型速度、試驗時間等。系統可提供在線報價及試驗安排。
(4) 網上直播。模型、測試儀器、典型試驗過程等。
(5) 電子報告的網上提交。
(6) 實驗室數據庫子系統。

數字化實驗室部分實現了模型試驗過程的數字化,包括試驗儀器的配置、試驗參數的設置以及試驗數據的發送等。通過對數據采集系統的更新、測控軟件的升級和接口開發,部分實現了試驗過程遠程網絡化監控和中心數據庫試驗數據的實時更新。能方便、實時地分別將各實驗室的試驗數據通過網絡存入相應的實驗室數據庫子系統。中央數據庫系統與各數據庫子系統連接成星型網絡。子系統保存研究實驗數據,經加工整理再向中央數據庫轉儲,建立相應的存儲備份機制。科技人員通過網絡只需在瀏覽器輸入地址即可訪問該數據庫系統,可實現對試驗數據的批量錄入、修改、刪除、查詢、圖形及圖像顯示、打印等功能,動態管理各類試驗數據。

數字模型加工中心包括數字模型加工設備(三自由度數控船模加工車床、五軸五聯動數控槳模加工機床)、模型檢測設備(無接觸式三坐標激光測量) 和數控加工及成型仿真軟件,通過網絡形成一套船模、槳模數字化加工系統,實現了模型加工的數字化。

數字水池試驗管理系統部分實現了委托方網上提交試驗任務、通過網絡討論與確定試驗內容、了解試驗執行過程、“觀看”試驗和檢查數據、接收檢測報告和試驗報告等功能。未來數字化實驗室將實現從設備資源管理、項目管理、試驗過程管理、文件管理到試驗控制、參數測量、在線監控、數據處理、數據融合與入庫、試驗報告編制等的標準化、程序化以及全實時、全數字化和網絡化。

5數值水池仿真系統

近幾年來,計算機軟件和硬件技術、力學科學和計算數學的發展使得船舶設計全程電子化成為可能。通過建立船舶綜合航行性能的計算機仿真系統,即數值水池仿真系統,可以為船舶綜合航行性能的設計、預報和優化提供一個更快捷、更經濟、更為全面的方法和工具,使得在船舶設計的每一步都可以進行流場的模擬和性能的預報,以驗證優化設計的正確性,并可部分替代模型試驗,拓展了物理模型試驗的內容,提供物理模型試驗難以模擬的關鍵信息。

數值水池是以CFD 技術為核心、以船舶性能數據庫和基準數據庫為基礎、以軟件工程技術(軟件集成和應用技術、網絡技術、程序庫技術、數據庫技術、數值水池的運行和管理技術) 為依托、與物理水池互為補充的綜合性船舶總體性能仿真系統,圖4 為數值水池仿真系統的框圖。

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圖4數值水池仿真系統的基本框架

數值水池將成為船舶設計及性能研究

中和物理模型試驗并駕齊驅的兩大工具之一,船舶設計者甚至可在一臺微機上完成所有的船舶設計過程。國外先進的船模試驗池在進行模型試驗前都要對該模型進行數值計算。因此,開發并擁有先進適用的數值水池,對我國船舶設計水平的提高和船舶工業的發展,實現世界造船大國及造船強國的目標,是非常重要和極為迫切的。

中國船舶科學研究中心在數值水池仿真系統研究方面取得了不少具有自主知識產權的成果,并已應用于實船性能的分析、預報及優化設計中。建立了基于勢流理論的線性興波阻力計算程序及波浪性能預報程序,并成功用于某方艉艦船的優化設計。建立了基于勢流升力線、升力面及粘流的螺旋槳性能計算程序,并在民用大側斜槳的優化設計和性能預報上應用。在粘流CFD 方面,通過對貼體坐標、交錯網格、湍流模型等方面的系統研究,發展了一套較成熟的計算潛艇及重疊模流場的軟件,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化設計和性能預報;螺旋槳采用力場模擬方法,對船2槳干擾進行了研究。在大型結構力學有限元軟件的應用方面,開發了基于直接設計法的船舶結構設計軟件,并成功應用于多型水面船的外載荷設計。

近來,中國船舶科學研究中心用16節點的集群式微機系統,在商用軟件應用于船舶性能預報與優化方面進行研發,并在通用軟件的二次開發和應用方面取得了較大進展。在船舶流場的粘性自由面研究方面,發展了穩定可靠、有較高數值精度的帶自由面流場模擬方法,并成功預報了WIGLEY船型、DTMB5415艦及某75000t大型散貨船的流場及快速性能;在大雷諾數(達109量級,相當于實船值)下,對現代船型KVLCC2尾流場計算進行了探索性研究;采用多塊結構化網格技術,對帶全附體的某艦模型粘性流場進行了數值研究,突破了附體網格生成的關鍵技術,獲得的伴流場的模擬結果和模型試驗相當吻合。解決了計及復雜螺旋槳幾何的計算網格產生技術,成功實現了螺旋槳和船體流場的整體數值計算。

將通用分析軟件與船舶優化設計軟件無縫連接是數值水池仿真系統的又一個重要組成部分。通用軟件具有豐富的理論模型、先進的數值方法以及強大的前后處理功能,為快速、可靠地解決船舶力學中的共性問題提供了一個工具,而自行研發的性能優化軟件則可解決航行性能方面的特殊問題,兩者結合可成為適于本領域研究的專用仿真系統。需要說明的是,CAE分析結果會因人、因時而異,必須減少這種差距才能使CAE分析更具實用性。

此外,還需提高幾何建模、網格劃分的自動化程度,使使用者能迅速可靠地完成產品設計和優化工作。中國船舶科學研究中心在這方面也取得了較大進展,在參數化建模、網格自動劃分、求解器參數設置及計算結果的可視化處理方面都有成功開發的實例。

6船舶技術性能數據庫

以上提到的四個CAE系統均涉及數據庫系統,其中HDS、HPS和數值水池仿真系統都需要應用船型和性能數據庫或基準數據庫中的數據,而這些數據庫中數據主要來源于數字水池試驗系統的中心數據庫。船舶技術性能數據庫是船舶設計和新船型開發的依托,對船舶研究、設計和建造有重大意義。

中國船舶科學研究中心的船型和性能數據庫儲存有300余艘近代優秀船型及其推進器、舵與附件的幾何參數、幾何外形、由模型試驗和實船試驗獲取的各種性能資料(包含快速性、操縱性、耐波性、伴流、脈動壓力等)。其主要功能為:為船舶性能的優化設計、預報以及船型生成提供母型,作為評估的比較對象,為建立船舶性能的各種統計估算方法提供數據源。應用該數據庫及以此為依托的優化設計軟件系統,可以準確而迅速地對設計方案的綜合航行性能進行預報和優化。數據庫內儲存的優秀船型數量愈多,這種預報和優化的準確性和水平就愈高,適用范圍也就愈廣。

該數據庫是一個由7個子庫構成的具有一體化、開放式結構和獨立管理功能的主題數據庫應用系統,可方便地實現對數據的錄入、存儲、更新和查詢等功能的在線管理。圖5為船型和性能數據庫的框圖。

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圖5船舶技術性能數據庫的構成框圖

該數據庫有兩種版本形式,一種是基于Access平臺、裝在一般微機上使用的單機版,另一種是基于Oracle平臺、用于網上服務的網絡版。

數據庫既可獨立地置于服務器上,通過網絡為艦艇預研、型號研究、模型試驗、數據挖掘、CFD和艦艇性能研究提供資源共享服務,又能嵌入各類艦艇CAD/CAE/CFD/CAM系統中,作為水動力設計支撐數據庫,為船型優化設計提供決策的量化依據。一方面不斷吸收各種優秀船型的物理試驗數據,通過優化設計模塊的智能學習功能,來持續地改進SHIDS系統的計算預報精度;另一方面,虛擬試驗系統的軟件庫還能利用這些數據來生成新的船型數據,符合設計要求并在以后物理試驗中證實是有效和優秀的數據,也可以進入數據庫。這樣,形成一個不斷發展的、良性循環的虛擬試驗系統。

自該數據庫建成后,除直接為大量新船設計提供優秀參考母型船外,其Access版本的數據庫作為主要模塊納入了SHIDS1.0、2.0、3.0中。Oracle版本的數據庫作為主要模塊納入了SHIDSweb中,發揮基礎平臺的重要作用。今后數據庫子樣、版本還將持續擴充、升級,預計2009年子樣總數可達600艘船型,2020年子樣總數將超過2000艘船型。

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