基于径向基插值的曲面变形方法在船型多目标优化中的应用

在船体型线优化中,精确有效的船体曲面表达和变形技术在优化中起着重要的作用,文中研究基于径向基插值的曲面变形方法在船型多目标优化中的应用,采用基于径向基插值技术的船体曲面变形方法,以DTMB5415船型为研究对象,结合计算流体力学计算工具和多目标粒子群算法,以兴波阻力最小为优化目标,完成了不同弗劳德数(Fr)下的船舶阻力性能优化.在优化结果中选择3条典型船型进行分析:Fr为0.41时方案1较优,兴波阻力减小了18.83%;Fr为0.22时方案3较优,兴波阻力减小了49.66%;Fr为0.28时方案2为折中方案,兴波阻力减小了30.23%.优化结果表明,基于径向基插值技术的船体曲面变形方法可有效产生光顺的船体型线.     

改进线性兴波阻力帐篷函数法及实船型线优化

针对线性兴波阻力帐篷函数法阻力计算及相应的船型优化方法不能反映实际船体对称面形状这一局限,提出一种定义在实际船体对称面上的船体曲面近似函数,将该船体曲面近似函数代入线性兴波阻力表达式,用该表达式与原帐篷函数法计算同一船型的兴波阻力系数,对比结果表明在多数速度区间内比后者更加接近试验结果.由此表达式建立以船体型值为变量的最小兴波阻力二次规划数学模型,此模型适用于任意给定的由曲线、折线围成的非矩形船体对称面区域,尤其适用于舰船前体及其球鼻首的优化.基于二次规划优化模型对仿DDG51船型进行一系列型线优化设计,在理论上获得了20%以上的兴波阻力减阻效果.     

基于自由变形技术的海上风电安装船减阻优化

通过提高海上风电安装船的快速性，可大大缩短海上风电项目的投入周期.如何在装载量不变甚至增大的情况下减小其航行阻力，是亟待解决的一个重点问题.基于自由变形(FFD)技术及计算流体力学(CFD)方法，对目标船型艉部型线进行优化，通过建立设计变量与总阻力的BP神经网络(BPNN)模型，清晰地展现出变量的相关关系，得出了阻力性能优良的船体艉部形状及型线设计方案.通过CFD方法对优化船型进行数值仿真，验证了优化流程的正确性及优化结果的可靠性，为风电安装船的全船型线优化提供了经验与技术支持.     

基于CFD的高速船船体型线的自动优化

和传统的采用母型船改造方法不同,通过构建基于船舶计算流体力学(CFD)的船型阻力性能优化流程,采用基于母型库的船型曲面修改融合模块,建立了多目标的优化数学模型,并利用多学科设计优化集成软件iSIGHT的过程集成及优化策略定制功能,完成了上述各模块的集成及优化问题的表述.对某高速船船体型线的阻力性能进行了自动优化,结果表明:优化后船型的兴波阻力明显下降,线型更为实用,船艏部位的波形更为简单,为CFD应用到船型自动优化提供了可行依据.     

基于横向函数法的船体型线设计方法

船体型线设计是船舶设计过程中的重要环节.在对各种现有的基于数学船型表达的型线设计方法进行优缺点比较的基础上,提出了基于横向函数法的船体型线设计方法,即先用数学函数表达纵剖线,然后沿宽度方向将变化的纵剖线的参数表达为横向的函数关系,并举例对该方法的实用性及局限性进行了分析.经研究认为可以使用横向函数法解决型线设计中的某些特殊问题,如不对称船型和破损船型,将其与现有方法配合使用可以更好地进行型线设计.     

变量化船舶型线表达与设计方法

基于变量化设计理论,提出船体型线的变量化设计模型,用于船舶型线的表达与设计.描述了使用该模型进行船体型线设计的计算机辅助设计(CAD)方法,其主要包括船体型线数据的管理、数学模型的定义,以及三维空间模型的建立和修改.用数学模型定义了型线设计各元素的位置信息和元素之间的拓扑关系,按照数学模型构建和修改三维空间模型,完成船体型线的设计.在船体型线的设计过程中,基于变量化设计模型对设计进行修改,能够实现型线设计方案的快速重构,避免重复设计,有效地提高了型线设计的质量和效率.通过使用船舶型线的变量化设计方法进行型线设计的实例,证明了该方法的实用性和先进性.     

单体高速船的推进功率计算

为单体高速船在初步设计、方案设计和技术设计阶段提供了基于船体主要参数，船体主尺度和船型系数，以及船体型线的推进功率的计算方法，从而为船舶设计及其型线优化提供了相关的数学模型，对一船型系列试验结果的考核计算表明，不同功率估算方法所计算值的平均值，具有工程预报精度，可用于船舶设计与线型优化。     

以伴流均匀度为目标的艉部线型优化

以某3 100箱集装箱船（3 100 TEU）为研究对象,进行了以提高伴流均匀度为目标的船艉优化方法研究.采用软件Friendship中的Framework模块对原型后体进行修改,采用FLUENT前处理GAMBIT软件生成网格.在统一网格形式下,基于FLUENT软件平台对三型船体绕流进行了数值模拟和静水力参数、阻力及伴流分析,并采用船形特征值x-i对船形进行了U、V度分析.结果表明：max(x-i)对应的站号越大（从船艉至船艏依次编号）,伴流均匀度越好;靠近艉部的x-i值偏低有利于提高伴流均匀度.将艉部横剖面形状朝极端U形方向改的阻力仅增大0.61%,则伴流峰、伴流梯度、伴流不均匀性征即有明显改善.     

实际流体中船体绕流流场的理论计算

对于无限水深非定常不可压缩粘性流体，计入非线性自由表面边界条件的船体绕流，根据薄边界层理论和Ｐｏｉｓｓｏｎ压力方程，应用有限差分数值方法，计算绕船体流场参数及其阻力。以ＳＳＰＡ７２０模型进行了考核；其结果表明同有关计算方法具有相同的精度量级，可作为低雷诺数下流场计算的数学模型和数值方法。     

基于可视化编程环境的船型参数化融合与降阻优化研究

高质量的船型优化要求船型样本数量尽可能多.寻求一种高效率、高质量的船体几何重构方法在船舶设计初期具有重要意义.将船型融合技术与参数化相结合,提出一种基于可视化编程环境的船体几何重构方法,实现计算机依据设计变量自动生成大量船型样本的目的.通过在可视化编程环境下对若干船型样本进行快速阻力预报,选出了阻力性能优于母型船的船型.并设计出一套基于遗传算法的型线光顺可视化程序,解决了融合过程中型线的光顺问题,加快了船舶设计初期船型优化的效率,验证了基于可视化编程环境的船型参数化融合方法应用于船型优化的可行性.     

基于混合优化算法的船体线型优化设计

为了克服单一优化算法的缺点和不足,将遗传算法(GA)和非线性规划法(NLP)有机结合组成混合优化算法来优化船体形状,开发船体线型优化设计程序.在优化过程中,以Rankine源法计算的兴波阻力为目标函数,以船型修改函数的参数为设计变量,在保证必要排水体积的条件下进行优化设计.Wigley数学船型算例的计算结果表明,在优化效果和耗费时间上,混合优化算法的计算结果更优.该算法可为船舶初步设计阶段船体线型的选择提供理论基础和技术支持. 关键词：
混合优化算法; 遗传算法; 非线性规划; 兴波阻力; Rankine源法 中图分类号： U 661.1
文献标志码： A     

减阻球首优化设计方法

阐述了球首的主要类型、几何特征及其减阻原理。提出了具有协调性和光顺性的首变换方法，并在Ｈｏｌｔｒｏｐ船体阻力预报的基础上，建立了船体阻力和推进效率的加权函数作为首优化设计的目标函数，在给定的球首几何特征和船形参数的约束下，计算并设计出最佳的球首，通过对实船的设计结果分析，证明了该方法的先进性和工程实用性。     

基于Rankine源法的船体线型优化设计

在船舶初步设计阶段,为了快速、准确地获得阻力性能优良的船型方案,将势流兴波阻力理论Rankine源法、黏性理论和最优化技术有机结合,开发了适用于实船的线型优化设计程序.在优化计算过程中,将降低兴波阻力作为主要目标,将排水量限制作为基本约束条件,将反映船型变化的船型修改函数参数作为设计变量,采用非线性规划法中的SUMT(sequential unconstrained minimization technique)内点法进行最优化计算.通过对某高速水面舰船前半体不同区域的优化计算,获得的改良船型降阻效果明显,由此验证了该程序用于船型优化的有效性和可行性.     

船体三维厚边界层理论计算

将描述船体粘性绕流的完整的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程简化为部分抛物线模式，辅以Ｃｏｌｅｓ速度剖面和Ｈｅａｄ渗入方程，应用流线坐标系中的积分－差分算法，求解绕船体三维边界层的流动参数。对于船模ＳＳＰＡ ７２０的考核计算表明，自船首９０％的船长范围内，有关边界层参数的计算结果同相应测试值符合得令人满意。本文为船体粘压阻力与近尾流场计算提供了一个有效的数值方法。     

基于缩减控制顶点数和自适应遗传算法的船体水线NURBS拟合

通过船体水线几何特点分析,研究用尽可能少的NURBS控制顶点对水线进行拟合.利用已有的水线型值数据、平边线边界点信息、首尾圆弧切点及其切线方向,对首尾自由段分别设置平边线起止点控制顶点、切矢控制顶点以及形状控制顶点,并以其权因子和相关坐标分量为设计变量,设置合适的约束条件,计算已知水线上半宽型值与所拟合的曲线上相应的半宽型值之间的误差,以最小化其中的最大相对误差为目标函数,建立优化模型,采用自适应遗传算法求解该优化问题.利用NURBS的特性,构造组合曲线,用单一NURBS函数构造任意一条由圆弧曲线、自由曲线和直线构成的水线.实船船体线型逼近和设计算例表明,应用该方法对水线进行拟合是可行的,并能满足工程设计要求,同时还可以减少船体水线NURBS表达的数据量.     

船体线型最优化设计方法

为快速生成阻力性能优良船型,开发具有自主知识产权的船体线型优化设计程序,以总阻力为目标函数,以船型修改函数的参数为设计变量,在保证必要排水量条件下,建立基于非线性规划法的数学模型.选取某高速水面舰船为母型,分别对前半体的不同范围进行优化设计,获得改良船型的阻力性能和线型特点,并找出其中的变化规律,为新船型开发和船型优化提供理论基础和技术支持.     

船舶兴波阻力计算的Panel方法及流场的可视化实现

采用Ｐａｎｅｌ（面源）法，在微机上实现了船舶兴波阻力和可视化流场计算。在对一系列船舶进行数值计算后，将计算结果与采用Ｍｉｃｈｅｌｌ积分的兴波阻力计算结果以及实验测试结果进行比较，在中低Ｆｒ时，Ｐａｎｅｌ法比Ｍｉｃｈｅｌｌ积分法有更好的计算准确性和稳定性。     

船体三维边界层计算的初值确定

为了研究绕船舶后体粘性绕流计算方法，提供了一个实用、简单和准确预报船舶前体边界层的方法。该计算由简化的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程、三维传输补充方程、幂指数速度分布函数、表面摩擦律和一个积分数值计算方法组成．计算实例表明，沿船长自首部 ７０％的范围内，数值计算结果同高阶理论所给出的计算结果以及同Ｌａｒｓｓｏｎ给出的测试结果符合良好。     

喷水推进船模旋转叶轮流场的数值分析

为建立喷水推进船的自航试验模型,采用虚拟盘模型和重叠网格模型对装船后喷水推进器内的旋转叶轮进行数值计算,探讨了2种数值计算模型所得喷水推进船模船体的外流场及推进器流道内的轴向速度分布,并分析了喷水推进船模的流场特性.结果表明:2种模型的船体外流场计算结果基本一致,但两者的推进器内流场计算结果存在明显差别,且重叠网格模型的计算结果更接近真实叶轮状态;2种模型都能够模拟喷水推进船模内、外的流场特性,且对局部压力分布和船尾射流造成的兴波干扰效果的模拟结果均具有一致性.