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