船体线型最优化设计方法

f 0 ( x , z ) 的基础上乘以一个修改函数 w ( x , z ) 来表
示[13 ] ,即
y ( x , z ) = f 0 ( x , z ) ·w ( x , z )
(5)
船形变换方法如图 2 所示 ,基本加权函数如图 3
所示.
图 2 船形变换方法
图 3 基本加权函数
B i ( x ) = Ci sin (π2 ξ)
对应的 3 次样条插值函数 w ( x , z ) 来获得 ,共 12 个
设计变量 ( A i , B i , Ci , i = 1 ～ 4) . w ( x , z ) 要求与
母型船的二阶导数光顺连接 ,即
w ( x , z)
=
1
,
5 5
w x
=
0
,
52 5
w x2
= 0,x
=
x0
w ( x , z)
= 1 ,55wz
=
0
,
52 5
w z2
= 0,z
=
z0
1. 3 约束条件
本文选取如下 2 个基本约束条件 : ① 所有型值
均为非负值 ,即船体表面坐标值 y ( i , j) ≥0 ; ② 排
水体积约束 : V ≥ V 0 ;其中 , V 、V 0 分别为改良船型
和母型船的排水体积.
1. 4 算例
od ; non2linear programming (NL P)
0 引 言
新船型开发和船体线型优化设计是船舶工业永
恒的主题[1 - 2] ,当前 ,中国正处在由造船大国向造船 强国的战略转型期 ,加快新船型开发和船型优化技 术 ,对促进船舶工业的战略转型具有重要的指导意 义[3 - 5] . 受全球金融危机的影响 ,船舶行业也承受着 严峻的挑战[6] ,迫切要求提升船舶与海洋工程的研 发水平 ,开发具有自主产权的船型优化和设计程序 , 从而推动船舶工业进一步的发展[7] . 近年来 ,应用 CFD 技术进行船舶与海洋工程结构物数值模拟和水 动力性能预报的优越性和应用前景日益显现 ,但距 离工程要求的实用化和反应的快速化仍然还有较大 差距. 基于兴波阻力的船型优化设计在计算流体力 学理论和最优化理论非常成熟情况下 ,借助计算机 运算速度的迅速提高 ,可以达到快速 、准确生成最优 船型的目的[8 - 9] . 本文基于该思想来探讨快速生成 阻力性能优良的船体线型最优化设计方法 ,开发自 主知识产权的船体线型最优化设计程序. 分别对某 水面舰船前半体的不同区域进行优化设计 ,并分析 优化后改良船型的降阻效果和船型特点 ,找出其中 的变化规律 ,为船舶设计及航运部门提供优化船体 形状的理论基础和技术支持.
2 结 论
本文以势流兴波阻力 Rankine 源法为基础 ,以 总阻力为目标函数 ,采用兴波阻力和黏性阻力之和 来表达. 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 ,建立非线性规划法数学模型 ,选
2 6 大 连 海 事 大 学 学 报 第 36 卷
第 36 卷 第 2 期 2010 年 5 月
大连海事大学学报 Journal of Dal ian Maritime University
Vol. 36 No. 2 May , 2010
文章编号 :100627736 (2010) 0220023204
船体线型最优化设计方法 Ξ
张宝吉1 ,马 坤2
优化范围的扩大 ,改良船型的降阻程度逐渐增大 ,线 型的变化趋势也越来越明显 ,特别是改良船型 C 和 改良船型 D 的线型变化 ,在艏部出现了一个小的球 艏. 比较改良船型和母型船的波形等高线可以看出 , 改良船型的波形更加清晰 ,出现了明显的开尔文波 系 ,而且船首波的夹角逐渐变窄. 在设计 Fn 的一定 区域内 ,改良船型的兴波阻力明显降低. 从船侧波行 图上可以看出 ,改良船型的艏波和艉波明显降低.
以某高速水面舰船为例 , 分别对其艏部的不同
区域进行优化设计 ,如图 2 所示. 阻力性能的优化计
算结果如表 1 所示. 改良船型与母型船的线型比较
如图 4 所示 ,改良船型与母型船的波形等高线比较
如图 5 所示 ,兴波阻力系数比较如图 6 所示 ,船侧波
形图比较如图 7 所示.
表 1 基于非线性规划法的优化计算结果
取船体前半体的不同区域分别进行优化设计. 改良 船型 A 、B 、C、D 的兴波阻力分别降低了 11. 4 %、 23. 8 %、32. 5 %、43. 7 % ,总阻力分别降低了 4. 3 %、 10. 4 %、18. 8 %、27. 2 % ,降阻效果均很明显. 但从实 用性看 ,改良船型 C 和改良船型 D 未必实用 ,其线 型的剧烈变化可能会影响该船型的其他性能 ;而改 良船型 A 和改良船型 B 相对来说比较实用 ,线型和 母型相比虽然变化不大 ,但降阻效果也很明显. 参考文献 ( References) :
船尾肥大度 ; lcb 为浮心纵向位置.
CF0 = 0. 463 (lg Re) - 2. 6
(4)
其中 : Re 为雷诺数 , Re = vLΠν,ν为流体运动黏性
系数.
1. 2 设计变量
本文优化设计范围如图 1 所示 , 设计范围的水
线处 、船底 、船体的前后端部固定.
图 1 优化设计范围
改良船型的形状 y( x , z) 采用在初始船型
(1. 上海海事大学 海洋环境与工程学院 ,上海 201308 ; 2. 大连理工大学 船舶 CAD 工程中心 ,辽宁 大连 116024)
摘要 :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. 关键词 :船体 ;线型优化 ; Rankine 源法 ;非线性规划法 ( NL P) 中图分类号 :U661. 1 文献标志码 :A
航速 ; ρ为流体质量密度 ; S 为船体湿表面积 ;ΔCF
为粗糙度修正系数 ,ΔCF = 0. 2 ×10- 3 .
Ξ 收稿日期 :2010201209. 作者简介 :张宝吉 (1979 - ) ,辽宁瓦房店人 ,博士 ,讲师 , E2mail :zbj1979 @163. com.
2 4 大 连 海 事 大 学 学 报 第 36 卷
船型方案 改良船型 A 改良船型 B 改良船型 C 改良船型 D
优化范围 6 个剖面 8 个剖面 10 个剖面 12 个剖面
设计 Fn 0. 4125 0. 4125 0. 4125 0. 4125
FWΠFW0 0. 886 0. 762 0. 675 0. 563
F FΠF F0 1. 001 1. 003 1. 008 1. 010
(6)
其中 :
～
～
ξ = min
( x )3 Bi
,
(
1 1
-
x )3 Bi
～
,x =
x - Ai x max - A i
x max 为船尾最后端的纵向坐标 ; A i 为欲修改范围的
起点坐标 ; A i 、B i 、Ci 为设计变量. 如果 z 方向取 4 条
水线 ,即 B 1 ( x ) , …, B 4 ( x ) , z 方向采用与 z 坐标相
兴波阻力系数 CW 通过 Rankine 源[10- 11] 法来计
算. 形状影响系数[12 ]
k
=
( V 1Π3 ) L
·(0. 5 CB
+
2γ1. 3 )
CB
(3)
其中 :γ = ( bΠL ) Π[ 1. 3 (1 - CB ) - 0. 031 lcb ] ; V 为排
水体积 ; L 为船长 ; b 为船宽 ; CB 为方形系数 ;γ为
F TΠF T0 0. 957 0. 896 0. 812 0. 728
VΠV 0 1. 006 1. 013 1. 026 1. 052
SΠS 0 1. 013 1. 016 1. 024 1. 036
注 : FT0 为母型船总阻力 ; FT 为改良船型总阻力 ; FW0 为母型船兴波阻力 ; FW 为改良船型兴波阻力 ; FF0 为母型船摩擦阻力 ; FF 为改良船 型摩擦阻力.
Dalian Universit y of Technology , Dalian 116024 , China)
Abstract : To rapidly produce t he hull form wit h excellent resis2 tance performance , and develop t he program of ship lines opti2 mal design wit h independent intellectual property , taking t he total resistance as objective function , and t he parameters of hull form modification function as t he design variables , t he mat h2 ematical model based on t he non2liner programming ( NL P) met hod was established while ensuring t he appropriate displace2 ment. The high2speed surface ship was selected as initial hull form , and optimizing design was carried out for different areas of fore2body of t he hull form , t hereby t he resistance perfor2 mance and lines characteristics of t he improved hull form were obtained , and its changing rule was also found , which can pro2 vide t he t heory foundation and technical support for new hull de2 velopment and hull form optimization. Key words :hull form ; lines optimization ; Rankine source met h2
1 船型优化模型的建立
1. 1 目标函数 选取总阻力 FT 为目标函数 ,即
FT
=
1 2
ρv
2
S
CT
→min
(1)
CT = CW + (1 + k) CF0 + ΔCF
(2)
其中 : CT 为总阻力系数 ; CW 为兴波阻力系数 ; k 为
形状影响系数 ; CF0 为相当平板摩擦阻力系数 ; v 为
第 2 期 张宝吉 ,等 :船体线型最优化设计方法 25
图 4 改良船型与母型船横剖线的比较
图 6 水面舰船兴波阻力系数的比较
图 5 改良船型波形等高线与母型船 波形等高线的比较
从优化计算结果表 1 和图 4 ～ 7 可以看出 ,随着
ห้องสมุดไป่ตู้
图 7 水面舰船船侧波形图的比较
[ 1 ] ZHAN G Bao2ji , MA Kun , J I Zhuo2shang. The optimiza2
Optimization design method of hull l ines
ZHAN G Bao2ji1 , MA Kun2
(1. Ocean Envi ron mental and Engi neeri ng College , Shanghai Maritime University , Shanghai 201308 , China ; 2. S hi p CA D Engi neeri ng Center ,