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多种工况下船舶球鼻艏的水动力优化设计方法
摘要本文主要的目的是描述一种考虑到多工况的船舶球鼻艏水动力优化的创新方法。该方法比传统的优化过程更实用、更有效，而传统的优化过程仅基于合同规定的设计条件。采用参数化形式方法，采用F-样条曲线，使用修改的外形设计参数生成船舶球鼻艏的变体，从而形成基于改进的遗传算法的优化系统。Rankine源面板方法用于流体动力学评估，其中考虑了非线性自由表面条件以及船舶的纵倾和下沉。通过比较计算结果和实验数据，对大型集装箱船的拟议方法的有效性进行了研究，表明该方法可以很好地参与自动化过程，在实际船舶设计实践中提高流体动力学性能。 |
文章历史
2015年10月24日收到
2016年2月23日采纳
关键字
流体动力学优化;多种操作条件;球鼻艏;参数化方法;进化算法;兰金源面板方法;总阻力
1.简介
随着燃料成本上涨的压力越来越大，以及对二氧化碳排放严格的能效设计指数（EEDI）控制，经济和环保技术在广泛的船舶设计领域中变得越来越重要。造船业面临着寻找新方法和技术的压力，这些新方法和技术可满足创建绿色船舶的要求，同时将制造和运营成本降至最低，该过程包括使用船体形式优化，节能设备和可再生能源。流体力学优化是一种有效且稳健的设计方法，在船体形式优化中起着不可或缺的作用。要求设计者和造船厂根据吃水深度和速度规格生产船只，这些船只在静水域条件（合同条件）下具有出色的流体力学性能，而优化船体设计是实现这一目标的重要组成部分。从绿色经济的角度来看，对船舶进行优化以使其在设定吃水深度和速度范围内的实际多种负载条件下具有出色的性能，同时降低燃油消耗和降低CO2排放，这也是非常值得的。在某些情况下，创新做法可能会导致在指定的设计条件下性能略有下降的折衷，而在实际使用条件下出现的改进的水动力性能则可以弥补这一不足。本研究为大型集装箱船的球鼻艏的水动力优化提出了一种创新而有效的方法，该方法考虑了多种运行条件，从而产生了多维，多层和广泛范围的船舶优化设计理念。几何建模，数值求
解器和优化策略构成了流体动力学优化设计的集成实现。
几何建模的应用在水动力船体优化领域非常重要，因为它可以使优化过程高效而实用（Harries，1998，2007；Lee，2003；Maisonneuve等，2003；Nowacki＆Kaklis，1998）。；Peacute;rez，Suaacute;rez，Clemente和Souto，2007；Peacute;rez，Suaacute;rez-Suaacute;rez和＆Fernaacute;ndez-Jambrina，2006；Saha，Suzuki和Kai，2004；Tahara，Peri，Campana和Stern，2008）。该过程主要包括四个方面：编号的设计变量，灵活的船体几何形状变化，在修改部分和不变的原始零件之间达到理想的平衡以及有效实施几何约束。三个主流软件包用于船体表示和修改：用于参数化建模的FRIENDSHIP-Framework软件包，使用模板方法的NAPA船舶设计软件以及用于形状转换功能的GMS/Facet（Maisonneuve等，2003）。这些程序在参数化建模方面取得了显着进步，并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包，FRIENDSHIP-Framework在离散的船舶偏移数据控制方面提供了高度的灵活性和便利性，可以有效地应用于带有多项式，三次方和贝塞尔（Beacute;zier）等参数表示的船体生成和转换，B样条曲线和F样条曲线（Harries，Valdenazzi，Abt和Viviani，2001）可追溯到公平性优化的B样条曲线和曲面。在选择将在优化系统中使用的设计变体时，可以选择三个维度上的任意自由控制点，并将其用作媒介，以完成对要更改的船体形状的转换（Hinatsu，2004；Valdenazzi，Harries，Viviani和Abt，2002）。在FRIENDSHIP-Framework的操作环境下，可以从这些控制点对船体形式进行实质性更改（Lee，Kim和Kang，1995年；Tahara，Wilson，Carrica和Stern，2006年），并实现了优化的几何建模。结果（Birk和Harries，2003年；Saha等人，2004年；Saha，Suzuki和Kai，2005年）这种方法已被广泛使用（Campana，Peri，Tahara和Stern，2006;Chen＆Huang，2004;Harries＆Abt，1998;Harries，Abt，＆Hochkirch，2004;Kang＆Lee，2010;Mancuso，2006;Sarioz，2006；Peacute;rez和Clemente，2011；Ping，Xiang＆Hao，2008）。在本文中，已选择F样条曲线作为船舶球鼻艏转换的参数表示。
在基于计算流体动力学进行船体形式流体动力学优化时，使用准确有效的数值求解器非常重要（CFD；Kim＆Yang，2010；Shereena，Vengadesan，Idichandy和Bhattacharyya，2013）。由于在本研究中将船舶总阻力定义为水动力优化循环的目标函数，因此，通过国际拖曳水池会议（ITTC）1957年模型船相关公式和兴波阻力用Rankine源面板法在非线性自由表面边界条件下估算阻力。由于具有简单性和减少了计算资源的优点，因此基于Rankine源的势流面板方法是首选的，尤其是在复杂的优化评估过程中，尽管无需考虑粘度（Abt，Harries，Heimann和Winter，2003年；Lowe和Steel，2003年）。数值研究已将数值求解器用作必要的优化步骤，并进行了高效研究（Choi，Park，＆Choi，2015;Suzuki，Kai，＆Kashiwabara，2005;Yang，Fuxin，＆Kim，2015;Yang，Fuxin，＆Noblesse，2013；Zhang，2012；Zhang，Kun，＆Ji，2009）。
在各种研究中都探索了传统的优化技术，即最速下降，共轭梯度和顺序二次规划（Peri，Rossetti和Campana，2001；Tahara，Stern和Himeno，2004；Valorani，Peri和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，＆Chen，2015;Wu，Chau，＆Li，2009;J.Zhang＆Chau，2009;S.Zhang＆Chau，2009年），其他类型的优化算法也正在开发和改进中（Chau＆Wu，2010；Taormina＆Chau，2015）。最流行，最强大的进化算法（EA）技术引起了人们的密切关注，其中主要涉及遗传算法（GA），进化策略（ESs）和进化规划（EP）。在这些优化技术中，遗传算法和各种改进的算法主要用于解决船体形状修改问题（Dejhalla，Mrsa和Vukovic，2002年；Grigoropoulos和Chalkias，2010年；Grigoropoulos，Chalkias和Tikkos，2004年；Liang，Cheng，李，项，2011；李斯，梁，孙，2014；安川，2000）。改进的遗传算法的代表，即非支配的排序遗传算法II（NSGA-II；Deb，Agrawal，Pratap和Meyarivan，2000；Srinivas和Deb，1994），具有较低的计算要求和无参数的共享方法，可以找到更好的算法。解决方案的传播。在这项研究中使用了NSGA-II，并考虑了多种载荷条件（其被指定为水动力优化的目标函数），用于寻找船舶的最小总阻力。
本文的结构如下，第2节涉及在FRIENDSHIPFramework软件环境下使用F样条参数曲线修改和重建船壳球鼻艏的方法。从第3节中的势流理论的角度解释了基于Rankine源Spanel方法的数值求解器。第4节介绍了NSGAII作为优化策略的定义。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和船舶研究所（SSSRI）和海事研究所进行的相关船舶模型测试进行比较。荷兰（MARIN）合资企业参与验证结果。之后，第5节演示并讨论了水动力优化设计方法在原船体球鼻艏上的成功应用，并讨论了多种操作条件。最后，第6节就拟议方法提出了一些结论性意见。
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变换之间的关系，确保所创建的各种设计变量可行有效。曲线的完整构造需要一组给定的数据元素，因为不同的属性是为其数学定义输入的，这保证了过程的精度和灵活性。在FRIENDSHIP-Framework软件中，采用成形参数集作为约束（其中一些被选择作为设计变量）的公平优化的B-样条曲线用作球鼻艏变换的无约束函数。这称为F-样条参数曲线。
2.1.1F-样条参数曲线的定义
本专题介绍的部分内容以伯克和哈里斯（2003年）和哈里斯（1998年）为基础。F-样条曲线参数曲线的生成基于开放均匀的B样条曲线，该曲线通过约束的公平性得到改进。对于一般表达式，起始点被视为自由形式曲线矢量r（t）参数为t：
r(t)=(x(t),y(t),z(t)). (1)
为了满足m顺序的公平性标准，相应的方程Lm表示为
Lm,whereDm=dm/dtm(2)
一些可控的约束可以嵌入到公平过程中。
2.1.1.距离约束
对于n 1个给定的数据点Pi，在点与通过k加权的参数结点相关的r（t）之间采用欧几里得距离，并最终平方以限制最大正误差容忍度ε：
n
A. (3)
2.1.2终端约束
考虑到切向量Qi和曲率矢量Ki，曲线上第一个点的i=0，曲线上最后一个点的i=n，从而产生以下方程:
|
T1=D1r(ti)minus;Qi=0, |
(4) |
|
T2=D2r(ti)minus;Ki=0. |
(5) |
2.1.3面积限制
相对于曲线下的实际区域S，为给定区域S0指定值：
F=Sminus;S0=0 (6)
请注意，如有必要，也应考虑以平等或不平等形式出现的其他类型的约束。为了解决约束优化问题，上面的方程式可以被融合和重新表示为无约束函数：
IF,
whereA, (7)
其中lambda;,mu;i是拉格朗日乘数，d2是松弛变量。通过未知量的部分导数来获得最小条件，可以通过对最终非线性方程系统进行数值离散求解顶点和拉格朗程乘数。在FRIENDSHIP-Framework的操作环境下，定义了F-样条曲线的六个主要属性参数：点位置坐标（x，y，z），切线角度Qi，曲率Ki，区域S，质心（xC，yC，zC）和公平性E2。这样，偏度优化参数曲线的类型非常灵活，具有较高的形状质量，因此应用F-样条曲线作为中介，实现船体偏移的任意部分（如主船体、球鼻艏、船尾、凸台等）的相应
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