江苏科技大学

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大型仪器设备申购论证报告
设备名称：船舶与海工优化设计软件CAESES 申购部门：海洋装备研究院
负责人：凌宏杰
日期：2018.05
船舶与海工优化设计软件购置论证报告
一、仪器设备名称及功能
船体优化设计是一门复杂的综合性技术，设计水平和能力对船舶综合航行性能、经济绩效和产品竞争力都具有重要影响，也是促进船舶海洋工业发展和实现创新设计需求中有待解决的关键技术问题。

一直以来，国内外常用的设计方法，通常是根据母型船型线、船模系列实验资料，按照某种规则对型线加以修改得到，之后制作船模，进行模型试验验证。

这种传统设计模式，强烈地依赖于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较为符合要求的设计方案，成本高、周期长，尽管如此，得到的方案也只是满足设计技术指标的可行方案而非最优化的设计方案。

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CFD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CFD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。

如何进一步发挥CFD在工程设计优化中的作用，促使工程设计从传统经验设计模式向知识化设计模式的转变，成为当前CFD技术应用研究的一个重点。

将最优化技术引入船舶设计领域，并与先进的CFD技术成功结合，发展形成的SBD技术使得船型知识化设计模式成为一种可能。

该技术是将CFD技术和最优化技术直接应用于新型船舶的设计，通过利用CFD对设定的优化目标（船舶水动力性能）进行述职计算，同时利用最优化技术和几何重构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船体外形。

CAESES是德国FRIENDSHIP SYSTEMS 公司开发的软件包核心产品之一，该公司由柏林工业大学Claus Abt 科学家和Stefan Harries 教授创建于2001 年，总部位于德国柏林波茨坦，2009 年加入GL company（德国劳氏船级社）。

是一款仿真驱动设计类产品的优化设计软件，囊括产品概念设计阶段的全部内容，输出模型可直接用于原型试验和最终设计。

CAESES软件具有参数化建
模、耦合仿真计算、优化评估等特色功能。

智能参数化建模，可大幅减少设计变量，快速生成几何模型。

优化功能模块提供的单目标、多目标等先进优化算法，可减少优化样本数，极大提高优化效率。

耦合连接仿真计算则实现了CAESES 与CAE求解器的无缝衔接，完美地将CAE仿真融入到产品概念设计中，连同后处理及多样性评估能力，使得CAESES具有仿真驱动产品设计的完美解决方案。

1.1CAESES 软件应用领域
CAESES广泛应用于航空、航天、船舶、车辆与轨道交通、环境、电子、海洋工程、电力和可再生能源、叶轮机械等多个领域。

1.1.1 海事
CAESES 在船舶行业应用广泛，可对大型运输船、航母、驱逐舰、潜艇等建立全参数化模型，对船舶机身任意部位进行优化设计，可作为集设计、仿真、优化于一体的船舶设计平台。

图1 海事设计案例
1.1.2 叶轮机械
CAESES 的turbo模块天然地适用于对叶轮机械的参数化建模，turbo 模块源于叶轮机械设计理念，特别符合叶轮机械从业人员的设计习惯，可快速建立叶片模型，针对特别复杂的叶轮机械模型也可建立全参数化模型，满足叶轮机械不同设计层次的需要。

“一劳永逸”的设计理念，为用户提高产品设计效率、保持市场竞争力提供保证。

1.1.3航空航天
CAESES的全参数化建模功能，特别适于对复杂曲面建立参数化模型，适用于飞机、直升机、航天飞机、导弹等飞行器的外形设计与优化，自带的turbo 模
块，可对发动机关键部件如压气机、涡轮叶片快速生成参数化模型，CAESES 的半参数化模型方法更广泛地适用于对现有模型进行改型设计，最大程度地满足客户对优化设计不同层次的需求。

1.1.4 汽车和交通运输
CAESES 可以填补传统CAD 和CAE 软件在汽车优化设计上的鸿沟，可对汽车整车外形、发动机、涡轮增压器等关键部件建立参数化模型，自动连接CAE 软件进行仿真计算，也可建立半参数化模型，对原有设计进行改进优化，适用于汽车的概念设计和改型设计阶段。

1.1.5能源
能源行业涉及众多领域，无论是火力发电、水力发电、核能发电，还是可再生能源如风力、潮汐能、太阳能和生物质能发电，CAESES 都有用武之地，广泛适用于对锅炉、换热器、汽轮机，水轮机、水平轴风力发电机、垂直轴风力发电机、潮汐能涡轮发电机、各种换热设备的优化设计和改进设计。

1.1.6其他
CAESES 广泛应用于国民经济各部门，应用案例众多，包括对摩托车排气管和挡风的改型设计、对海上平台的改进设计、对多通阀的优化设计、对电子产品冷却设备的优化设计、对散热器的改进设计、对翅片板的改进设计等等。

CAESES 完成了从参数化模型到仿真分析、再到结果优化的仿真驱动设计流程，实现了数据在上述流程中的循环流动，是典型的仿真驱动设计类平台软件；
CAESES 通过脚本文件控制外部求解器，可连接所有具有批处理功能的仿真工具，可以作为不同学科的产品设计工具，最大程度上满足产品设计需求。

1.2CAESES软件功能特点
1.2.1 产品设计平台
CAESES 完成了从参数化模型到仿真分析、再到结果优化的仿真驱动设计流程，实现了数据在上述流程中的循环流动，是典型的仿真驱动设计类平台软件；
CAESES 通过脚本文件控制外部求解器，可连接所有具有批处理功能的仿真工具，可以作为不同学科的产品设计工具，最大程度上满足产品设计需求。

图 2 CAESES 产品设计流程
1.2.2 APP 功能
CAESES 可以将同类产品设计流程制作成APP，通过设置不同的产品参数，实现产品的自动优化设计，快速获得新的最优产品；满足对同类产品的多样化设计要求，真正做到一劳永逸，极大提高设计效率。

图3 CAESES 的APP 展示
1.2.3强大的全参数化建模功能
拥有丰富的曲线及曲面库，可进行全参数化或部分参数化建模，最大程度满足设计需要；独特的曲面造型技术能够有效地减少构建复杂曲面所需的参数，极大地减少设计变量数，降低优化变种数，大大提高优化效率；生成的模型可优化自动度极高，通过添加约束，使自动生成的几何都能够满足设定的标准，因而
经过优化得到的最优模型天然满足工程实际要求；在几何拓扑改变时也能保证模型的精确性和完整性，保证优化过程批量计算的顺畅进行。

图4 全参数化建模实例
1.2.4无缝耦合CAE 求解器
CAESES 自带的软件耦合器，能够将网格生成器、CAE 求解器以及其他一些分析工具快速、直接地耦合在一起，并且能够根据分析结果直接反馈调整几何模型，减少中间环节，从而保证数据在模型—求解器—优化闭合回路中的通畅流动；CAESES 具有多学科优化功能。

通过批处理文件控制外部工具，几乎可连接任意具有脚本功能的外部处理器。

通过连接我们采购的NUMECA软件公司的FINE/Marine水动力学流体仿真软件，可以极为方便的进行船型优化设计。

图5 CAESES 连接FINE/Marine 软件界面
1.2.5可进行大型数据分析的后处理模块
CAESES 的后处理模块可以加载CAE 结果文件，可以快速浏览不同设计变
种的计算结果；CAESES 可以自动生成一系列的数据列表，能够对各变量对目标函数的影响进行敏感度分析，自动生成包括蛛网图、Pareto frontier 图在内的文件报告。

图6 CAESES 后处理显示
1.2.6 丰富的优化算法
CAESES 拥有多种不同的优化算法，来控制设计变量的变化，从而生成不同的新的设计变种，包括DoE（例如Sobol 算法）及单目标/多目标优化算法（例如梯度下降法、遗传算法NSGA-II、模拟退火MOSA 算法等）；这些优化算法都能够设定等式及不等式约束，确保生产的设计变种满足要求。

CAESES 集成了国际上优化领域最权威的高级算法，使其在优化算法方面达到了世界第一的水平。

1.2.7 强大的二次开发功能
CAESES的feature模块提供了强大的二次开发编程环境，具有调试和纠错功能，便于编程；快速生成feature 功能，可对已创建模型直接生成feature 代码，简化了编程的复杂性；通过feature 编程，可对具有同类特征的模型或同类特征建立模板，通过输入参数创建不同模板对象，极大地提高模型生成效率，适用于具有多个共同特性的模型建模；高级二次开发功能可实现界面上没有的其他功
能，如输入、输出、模型识别等，实现特殊目的的应用操作。

CAESES 提供完善的批处理功能，通过编写fsc 文件，后台自动运行批处理命令；批处理功能丰富，可以实现几乎所有的CAESES 功能；批处理与二次开发功能相结合，可以实现更加丰富、个性化的功能应用。

图7 CAESES 的feature 编程界面
综上所述：CAESES是仿真驱动设计类工业产品设计软件；其集全参数化建模、半参数化建模及优化算法于一体；能够耦合大多数外部求解器，自动化控制程度高，可作为多学科优化工具；软件具备强大的二次开发功能，“一劳永逸”创建模型，并可自定义APP，满足同类产品多样化设计需求；软件界面友好、使用方便、后处理能力强。

二、仪器购置的重要性
国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)中，多次提到海洋装备的重要性:重点研究开发大型高技术船舶、大型远洋渔业船舶以及海洋科考船等新型运载工具；重点研究大型海洋工程技术与装备；加强资源勘探开发装备的创新。

积极开发海洋开发平台等技术。

工业与信息化部在《海洋工程装备科研项目指南》
中指出：十二五期间，要加快海洋工程装备研发，力争具备海洋工程配套设备和关键系统的自主研制和设计制造能力。

国务院关于《加快培育和发展战略性新兴产业的决定》指出：海洋工程装备作为现阶段重点发展和培育的战略性新兴产业之一。

设置水动力性能优良的吊舱推进器，使其能满足航行器应急推进以及转向、停靠码头、动力定位的需要，对提高航行器新更能，减少国家生命和财产的损失有着重要的意义。

另外，如何设计工作效率更高，工作范围更广的航行器也是现今迫切需要解决的问题。

三、仪器购置的必要性
目前，国内船舶与海洋工程类相关高校及研究院所目前都已开展基于CFD 的船型及海洋装备的优化设计研究。

哈尔滨工程大学船舶工程学院、上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院、武汉理工大学航运学院等院校近3年内陆续引进CAESES软件，结合FINE/Marine软件开展船型及海洋装备等的耦合优化设计，现阶段已经能够成熟应用相关软件技术于项目研究，效果显著。

中国船舶重工集团公司第701研究所、中国船舶重工集团公司第702研究所、中国船舶重工集团公司第708研究所、中国船舶重工集团公司第719研究所、上海船舶设计研究院等研究院所也在5年前采购了CAESES软件用户船舶的参数化建模及船型优化设计，中远船务、江南船厂、中集集团、民船中心（CSDC）、沪东中华造船集团有限公司、新世纪船厂、熔盛船厂、渤海船厂也都在采用CAESES软件进行船型的参数化建模工作。

我校是一所具有鲜明船舶与海洋工程特色背景的高校。

江苏科技大学海洋装备研究院(简称"海装院")是江苏科技大学建设“国内一流造船大学”的重要战略举措，是进行海洋装备研究、设计和开发的专职科研机构，也是面向海洋装备产业进行科技成果培育和转化的公共技术服务平台。

船用吊舱推进器—节能附体的研究：吊舱推进器（又称POD推进器）集推进和操舵装置于一体，极大地增加了船舶设计、建造和使用的灵活性，使电力推进的优越性得到了更充分的体现，受到世界造船业广泛关注的新型推进装置。

吊舱推进器一般由永磁电机、导管、螺旋桨和控制器等组成，其结构特点是电机机座与导管一体化，导管采用悬臂方式与机座连接；转子与螺旋桨一体化。

从2000
年开始，美国海军的下一代战舰即开始采用电力推进系统，这个决定为船舶设计者提供了新的机遇，在商业领域，特别是邮船，多年前就采用了财力推进，并正享受其所带来的利益。

CFD及计算机技术发展以来，CFD技术成为了螺旋桨设计的重要手段之一。

发挥CFD计算结果信息量丰富的特点，对推进器进行相关的性能计算，并结合试验数据和传统图谱的设计方法，优化导管、螺旋桨及其水动力性能是现在主要的设计优化手段之一，但是导管及推进器的优化过程中需要进行几何重构、CFD结果的传输/提取以及目标函数的选取，大量的人力参与工作会带来时间成本的大量增加。

2018年江苏科技大学海洋装备研究院联合中国传动、高传电机开展国内最大功率4Mw级吊舱式电力推进器研制项目，该项目涉及螺旋桨水动力性能、节能附体的优化设计，目前学校尚未一款针对船舶水动力性能的专业优化设计软件，且可以与目前学校已购置的FINE/MARINE粘性流体软件进行无缝对接，实现全数字化建模与水动力优化设计软件。

CAESES软件具备该项功能，可以为该项目的顺利推进提供有力保障。

2017获得立项的预研领域基金课题“倒V/鳍状球鼻复合型船艏的减阻减摇机理研究”，基于DDG1000船艏为母型船，优化设计2~3型具有防飞溅特性的倒V/鳍状球鼻复合型船艏，需要一款专业的优化设计软件，从船舶减阻和减摇的方面入手，开展船舶型线优化，提高科研的效率和快速性。

其他方面：增强海洋装备研究院在水动力性能领域的综合能力，提高设计能力和水平，可以提高江苏科技大学海洋装备研究院水动力领域对外服务能力。

承接相关领域的科研任务。

四、预期效益
将CAESES软件应用于船用吊舱推进器、新型船艏的研究，将会极大的推进研究的进程。

1.实现几何的全参数化建模，为后期几何的修改提供极大的便利；
2. 实现几何的重构、流场数值模拟的全自动化，通过研究优化过程中的数据库样本，可以得到不同形状，转速等条件下的模型性能，极大的节省人力成本及试验成本；
3. 建立成熟的模型与对应的数值计算的关系数据库；
4. 进一步拓展研究领域和学位论文选题范围，提升创新能力，提高研究生
培养质量。

5. 利用该软件对船型进行整体优化设计。

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