一种新的曲面修改方法在船型优化中的应用
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５ ４卷 第 １ 期（ 总第 ２ ０ ４期 ）
２ ０ １ ３年 ３ 月
中
国
造
船
ｖ０ Ｉ ． ５ ４ Ｎｏ ． １（ Ｓ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｎｏ ． ２ ０ ４）
Ｍａ Ｌ ２ ０１ ３
Ｓ Ｈ Ｉ Ｐ Ｂ ＵＩ Ｌ Ｄ Ｉ Ｎ Ｇ ＯＦ Ｃ Ｈ Ｉ ＮＡ
文章编 号：１ ０ ０ ０ ． ４ ８ ８ ２（ ２ ０ １ ３ ）０ １ ． ０ ０ ３ ０ — １ ０
文所提 出的组合 函数修 改船体 曲面 的方法是 可行 的，具有一定的工程应用价值 。
关 键 词 ：变换函数；融合函数；组合函数；船型优化；阻力性能 中 图分类 号 ：Ｕ ６ ６ １ ． ３ １ ’ 文献 标识 码 ：Ａ
０ 引 言
船体型线设计是船舶总体设计中的一个核心环节，型线设计的优劣对船舶综合航行性能具有重要 影响。目前 ，国内外常用的船型设计方法 ，通常是根据母型船型线、船模系列试验资料 ，按照某种规 则对型线加 以修改而得到 ，之后制作船模，进行模型试验验证。这种设计方法强烈地依赖于造船工程 师的设计经验和型线数据库，而且这种经验设计和估算校核的工作要经过多次反复才能得到 比较符合 要求的设计方案，成本高，设计周期长 ，尽管如此，做出的设计方案也只是满足设计技术指标的可行
学者都将数值模拟技术和优化算法结合，成功实现了船体型线 的仿真优化设计， 获得 了水动力性能较佳
的船 体外 形 。 ．
本文提 出了一种新的船体 曲面修 改方法，并与先进 的Ｃ Ｆ Ｄ 技术及优化算法成功结合 ，可直接应 用于新型船舶的设计。通过利用Ｃ Ｆ Ｄ 对设定的优化 目标 （ 船舶阻力性能 ）进行数值计算 ，同时利用 最优化技术和船体 曲面修 改技术对船型设计空间进行探索 ，最终获得给定约束条件下 的性能最优的
种新的组合函数修 改船体 曲面的方法，该方法充分利用 了融合函数及全局变换函数两类船体曲面修 改方法
的优点，实现 了 船体曲面的大范围变形， 并保证了船体 曲面的光顺性。 将该方法与Ｃ Ｆ Ｄ 技术及优化算法成功 结合，直接应用于１ ３ ０ ０ Ｔ Ｅ Ｕ 集装箱船的型线优化设计 ，最终获得给定约束条件 下的优 化型线。结果表 明，论
一
种新 的 曲面修 改方法在船型优 化 中的应用
冯佰威 ，刘祖 源 ，詹 成胜 ，常海超
（ １ ． 武汉 理工大学 高性能船舶技术教 育部 重点实验 室 ，武汉 ４ ３ ０ ０ ６ ３ ；
２ ．武汉理 工大学交通 学院，武汉 ４ ３ ０ ０ ６ ３ ）
摘
一
要
为实现基 于Ｃ Ｆ Ｄ的船体 型线 自动优 化，船体型线 的参 数化建模 及修 改起着 ห้องสมุดไป่ตู้关重要 的作用 。论 文提 出了
方 案而 非 最优 设计 方 案 。随 着计 算 机技 术 的 飞速 发展 和 计算 数 学理 论 的不 断 完善 ，计 算 流 体力 学Ｃ Ｆ Ｄ
得到了蓬勃发展 ，评估能力显著增强，已逐步迈 向实用化 ，并全面融入设计进程 。但 目 前大多还局限
于对给 定 船型 的流 体动 力特 性进 行 计算 和 预报 （ 正 问题 ） ， 只是 部 分替代 和 减少模 型 试验 ， 而 没 有将 Ｃ Ｆ Ｄ
５ ４卷
第 １期
（ 总第 ２ ０ ４期 ）
冯 佰威 ，等 ：一 种 新的 曲面 修改 方法 在船 型优 化中 的应用
３ １
１ 船型 曲面 的参数化修改技术
为 实现基 于Ｃ Ｆ Ｄ的船 型水 动力 性 能优化 ，船体 曲面 的参 数化 表达 及修 改技 术起 着至 关重 要 的作用 。 该技 术 要满足 以下 四个 方面 的要 求 ：（ １ ）为 有 效节 约优 化所 需要 的时 间 ，要 求 设计参 数 的数 量要 少 ， 即 能通过 很 少 的设计 参数 实现 船 体 曲面 的参 数化 修 改 ；（ ２ ）船 体 曲面 的修改 范 围要 大 ，即能通 过 某种 曲面 修 改技 术可 实现 船体 曲面较 大程 度 的变化 ；（ ３ ）当进行 船体 局 部 曲面优 化 时 ，该局 部 曲面应 该 能 够与 船 舶本 体 的其他 部分 光 顺连 接 ；（ ４ ）优 化后 的船 体 曲面 应保 证 三维 光顺 ，并可应 用 于生产 制 造 。 同 时要求 不 同的几 何 约束 条件 （ 如 布置 方面 的约 束等 ） 能够在 优化 过程 中得 以顺 利 实现 。 在 作 者 的前 期研究 中 ，采用 了两 种不 同的船体 曲面修 改方 法 。一 种 是船体 曲面 的融 合方 法【 ６ Ｊ ，该 方法 的优 点 是可 实现 船 体 曲面 的局部 修 改 。缺 点是 该方 法 要求 建立 大量 的船 型 库 ，建库 工作 量较 大 ，
船体 外 形 。
收稿 日期 ：２ ０ １ ２ — ０ ５ ． １ １ ；修 改稿 收稿 日期 ：２ ０ １ ３ ． ０ ２ ． ２ １ 基金 项 目：国家 自然科 学基 金重 点 项 目 （ ５ １ ０ ３ ９ ０ ０ ６ ） ；国 家 自然 科 学基 金项 目 （ ５ １ ２ ７ ９ １ ４ ７ ） ；国家 自然科 学 基金 项 目 （ ５ １ １ ７ ９ １ ４ ３ ） ；高等 学校 博士 学科 点专 项科 研 基金 （ ２ ０ １ ０ ０ １ ４ ３ １ １ ０ ０ １ ０ ）
技术系统地融入优化设计过程 （ 逆 问题 ） ，并使之能达到启发设计师创新思想的 目的。最近几届国际船
ｌ ｆ ｌ ｆ Ｉ Ｔ Ｔ Ｃ 会 议 都将 基于 仿真 的设计 （ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｂａ ｓ ｅ ｄ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ， Ｓ ＢＤ）列 为数 值模 拟 技术 研究 的前 沿 热 点课 题 。意大 利 罗马水 池 的Ｄａ ｎ ｉ ｅ ｌ ｅ Ｐ ｅ ｒ ｉ ［ 卜 引 ， 德 国柏林 理 工大 学 的Ｓ ｔ ｅ ｆ ａ ｎ Ｈａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｓ 【 ４ 】 、乔 治梅 森 大学 的杨 驰 【 ５ Ｊ 等
２ ０ １ ３年 ３ 月
中
国
造
船
ｖ０ Ｉ ． ５ ４ Ｎｏ ． １（ Ｓ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｎｏ ． ２ ０ ４）
Ｍａ Ｌ ２ ０１ ３
Ｓ Ｈ Ｉ Ｐ Ｂ ＵＩ Ｌ Ｄ Ｉ Ｎ Ｇ ＯＦ Ｃ Ｈ Ｉ ＮＡ
文章编 号：１ ０ ０ ０ ． ４ ８ ８ ２（ ２ ０ １ ３ ）０ １ ． ０ ０ ３ ０ — １ ０
文所提 出的组合 函数修 改船体 曲面 的方法是 可行 的，具有一定的工程应用价值 。
关 键 词 ：变换函数；融合函数；组合函数；船型优化；阻力性能 中 图分类 号 ：Ｕ ６ ６ １ ． ３ １ ’ 文献 标识 码 ：Ａ
０ 引 言
船体型线设计是船舶总体设计中的一个核心环节，型线设计的优劣对船舶综合航行性能具有重要 影响。目前 ，国内外常用的船型设计方法 ，通常是根据母型船型线、船模系列试验资料 ，按照某种规 则对型线加 以修改而得到 ，之后制作船模，进行模型试验验证。这种设计方法强烈地依赖于造船工程 师的设计经验和型线数据库，而且这种经验设计和估算校核的工作要经过多次反复才能得到 比较符合 要求的设计方案，成本高，设计周期长 ，尽管如此，做出的设计方案也只是满足设计技术指标的可行
学者都将数值模拟技术和优化算法结合，成功实现了船体型线 的仿真优化设计， 获得 了水动力性能较佳
的船 体外 形 。 ．
本文提 出了一种新的船体 曲面修 改方法，并与先进 的Ｃ Ｆ Ｄ 技术及优化算法成功结合 ，可直接应 用于新型船舶的设计。通过利用Ｃ Ｆ Ｄ 对设定的优化 目标 （ 船舶阻力性能 ）进行数值计算 ，同时利用 最优化技术和船体 曲面修 改技术对船型设计空间进行探索 ，最终获得给定约束条件下 的性能最优的
种新的组合函数修 改船体 曲面的方法，该方法充分利用 了融合函数及全局变换函数两类船体曲面修 改方法
的优点，实现 了 船体曲面的大范围变形， 并保证了船体 曲面的光顺性。 将该方法与Ｃ Ｆ Ｄ 技术及优化算法成功 结合，直接应用于１ ３ ０ ０ Ｔ Ｅ Ｕ 集装箱船的型线优化设计 ，最终获得给定约束条件 下的优 化型线。结果表 明，论
一
种新 的 曲面修 改方法在船型优 化 中的应用
冯佰威 ，刘祖 源 ，詹 成胜 ，常海超
（ １ ． 武汉 理工大学 高性能船舶技术教 育部 重点实验 室 ，武汉 ４ ３ ０ ０ ６ ３ ；
２ ．武汉理 工大学交通 学院，武汉 ４ ３ ０ ０ ６ ３ ）
摘
一
要
为实现基 于Ｃ Ｆ Ｄ的船体 型线 自动优 化，船体型线 的参 数化建模 及修 改起着 ห้องสมุดไป่ตู้关重要 的作用 。论 文提 出了
方 案而 非 最优 设计 方 案 。随 着计 算 机技 术 的 飞速 发展 和 计算 数 学理 论 的不 断 完善 ，计 算 流 体力 学Ｃ Ｆ Ｄ
得到了蓬勃发展 ，评估能力显著增强，已逐步迈 向实用化 ，并全面融入设计进程 。但 目 前大多还局限
于对给 定 船型 的流 体动 力特 性进 行 计算 和 预报 （ 正 问题 ） ， 只是 部 分替代 和 减少模 型 试验 ， 而 没 有将 Ｃ Ｆ Ｄ
５ ４卷
第 １期
（ 总第 ２ ０ ４期 ）
冯 佰威 ，等 ：一 种 新的 曲面 修改 方法 在船 型优 化中 的应用
３ １
１ 船型 曲面 的参数化修改技术
为 实现基 于Ｃ Ｆ Ｄ的船 型水 动力 性 能优化 ，船体 曲面 的参 数化 表达 及修 改技 术起 着至 关重 要 的作用 。 该技 术 要满足 以下 四个 方面 的要 求 ：（ １ ）为 有 效节 约优 化所 需要 的时 间 ，要 求 设计参 数 的数 量要 少 ， 即 能通过 很 少 的设计 参数 实现 船 体 曲面 的参 数化 修 改 ；（ ２ ）船 体 曲面 的修改 范 围要 大 ，即能通 过 某种 曲面 修 改技 术可 实现 船体 曲面较 大程 度 的变化 ；（ ３ ）当进行 船体 局 部 曲面优 化 时 ，该局 部 曲面应 该 能 够与 船 舶本 体 的其他 部分 光 顺连 接 ；（ ４ ）优 化后 的船 体 曲面 应保 证 三维 光顺 ，并可应 用 于生产 制 造 。 同 时要求 不 同的几 何 约束 条件 （ 如 布置 方面 的约 束等 ） 能够在 优化 过程 中得 以顺 利 实现 。 在 作 者 的前 期研究 中 ，采用 了两 种不 同的船体 曲面修 改方 法 。一 种 是船体 曲面 的融 合方 法【 ６ Ｊ ，该 方法 的优 点 是可 实现 船 体 曲面 的局部 修 改 。缺 点是 该方 法 要求 建立 大量 的船 型 库 ，建库 工作 量较 大 ，
船体 外 形 。
收稿 日期 ：２ ０ １ ２ — ０ ５ ． １ １ ；修 改稿 收稿 日期 ：２ ０ １ ３ ． ０ ２ ． ２ １ 基金 项 目：国家 自然科 学基 金重 点 项 目 （ ５ １ ０ ３ ９ ０ ０ ６ ） ；国 家 自然 科 学基 金项 目 （ ５ １ ２ ７ ９ １ ４ ７ ） ；国家 自然科 学 基金 项 目 （ ５ １ １ ７ ９ １ ４ ３ ） ；高等 学校 博士 学科 点专 项科 研 基金 （ ２ ０ １ ０ ０ １ ４ ３ １ １ ０ ０ １ ０ ）
技术系统地融入优化设计过程 （ 逆 问题 ） ，并使之能达到启发设计师创新思想的 目的。最近几届国际船
ｌ ｆ ｌ ｆ Ｉ Ｔ Ｔ Ｃ 会 议 都将 基于 仿真 的设计 （ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｂａ ｓ ｅ ｄ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ， Ｓ ＢＤ）列 为数 值模 拟 技术 研究 的前 沿 热 点课 题 。意大 利 罗马水 池 的Ｄａ ｎ ｉ ｅ ｌ ｅ Ｐ ｅ ｒ ｉ ［ 卜 引 ， 德 国柏林 理 工大 学 的Ｓ ｔ ｅ ｆ ａ ｎ Ｈａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｓ 【 ４ 】 、乔 治梅 森 大学 的杨 驰 【 ５ Ｊ 等