CAE在船舶性能研究领域的应用

CAE在船舶性能研究领域的应用

作者：朱德祥冷文浩李百齐何术龙

摘要：论述了计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，简称CAE)技术的重要性及其在船舶性能领域应用的可行性。从原理、特点、功能、构成、应用效果及未来发展诸方面介绍了中国船舶科学研究中心在CAE技术领域自主创新的技术成果和在研项目，其中包括船型设计系统、水动力性能预报系统、数字水池试验系统、数值水池仿真系统和船舶技术性能数据库等五大系统。上述诸系统既相互独立，又有机联系，共同构成船舶性能研究的综合系统。

关键词：船舶、舰船工程; 船型设计; 水动力性能预报; 数字水池试验; 数值水池仿真; 集成系统; 技术性能数据库

1引言

作为我国传统产业的船舶制造业，正在走出“夕阳产业”的困境。这一方面得益于国家宏观产业政策的扶持，另一方面也得益于计算机辅助工程(CAE)技术的提高和应用。船舶CAE是将信息化技术与船舶制造相结合，实现船舶产品的设计、制造、维护和管理的信息化，以提高船舶工业研究开发水平和生产制造能力，加快船舶产品与设计技术的创新，加速船舶研制、生产和造船企业经营管理的现代化进程。提高船舶制造业的综合能力和核心竞争力，是贯彻以信息化带动工业化、实现造船工业现代化的主要途径与战略举措。对船舶制造业来说，这一发展趋势既是机遇，也是挑战，更是我国成为世界造船大国及造船强国的必由之路。

船舶制造业的特点是资金投入大、设计建造周期长、涉及的专业门类多，是一须由多个企业和单位协同的综合性行业。在目前的条件下，直接实现船舶制造的全程信息化有一定难度，可以先就其中的某一环节实现信息化处理，然后以点带面、稳步推进，以期达到船舶制造全程信息化的目的。

在船舶制造过程中，船型设计和性能预报是船舶设计的主要工作之一，也是船舶设计中的关键技术，是船舶产品具有核心竞争力的集中体现。中国船舶科学研究中心在船型设计和性能预报的CAE领域做了大量卓有成效、自主创新的工作，本文将中国船舶科学研究中心拥有自主知识产权的部分研究成果或正在进行的CAE项目作概要介绍。

2船型设计系统HDS

船型设计系统HDS的全称是Hull Design System。该系统能根据用户需求进行初步型线设计，通过内嵌的CFD模块对初步型线进行优化，并能对设计型线进行三维光顺处理，最后通过接口程序将型线数据以各种文件格式输出，直接供后续设计软件使用。该系统最大的特点是人机交互性好，船型修改方便，型线光顺的数据精度高，达到船舶施工设计的要求。

HDS系统是一个开放式的系统，由主尺度估算模块、型线生成模块、型线光顺模块、船型优化模块、船型数据接口模块和船型数据库组成，如图1所示。

图1HDS 系统的功能模块和业务流程

中国船舶科学研究中心目前已完成HDS1.0版本的开发。HDS1.0包括下述模块：

(1) 船舶主尺度估算模块

船舶主尺度估算模块收集了两万余艘已建造入级的先进船舶的主尺度、载重量和航速等参数，并以载重量和航速为自变量，按油船、散货船、集装箱船、LPG船、LNG船等分门别类回归出各类船型的长度、型宽、型深、吃水等主尺度的估算公式。

(2) 型线生成模块

型线生成模块根据船舶主尺度估算模块得到的主尺度或用户输入的主尺度生成船体型线方案。用户可先从船型数据库中选择一相近船型作为母型，也可由用户直接输入一型线作为母型，然后通过母型变换法得到初步设计型线。用户也可通过系列插值法得到初步设计型线。

型线生成模块可用船型的参数变换法来修改船型，供优化设计模块使用。参数变换法包括局部参数变换法和整船参数变换法。模块提供球艏和艉框的局部参数变换法。整船参数化设计技术将在HDS后续版本中提供。

(3) 型线光顺模块

型线光顺模块具有船体型线的三维线框模型光顺功能，数据结构完善、人机界面友好、插值功能多样及光顺精度高为其特点，达到了船体型线施工设计的要求。该模块具有人工光顺、半自动光顺和全自动光顺等功能，并可绘制三维渲染效果图和Auto CAD工程图。

(4) 船型优化模块

船型优化模块是应用CFD技术进行船型方案的优选。优化目标是兴波阻力，CFD工具是势流兴波计算程序。系列船型方案由船型初步设计方案通过船型的参数变换法生成，且初步实现了势流计算网格的自动划分。

(5) 船型数据接口模块

船型数据接口模块提供了船体型线的各种输出接口，可与各种设计软件对接，如与商用CFD 软件ShipFlow3.0、Fluent6.0的输入接口联结，与船舶设计软件NAPA、TRIBON、CADDS5的输入接口联结。

(6) 船型数据库

船型数据库为型线生成模块提供母型船型线数据，并为船型优化模块提供母型船性能数据。

HDS系统以船型设计为主线，操作简单，界面友好，为用户提供了一个方便实用的船型设计和开发工具。

3水动力性能预报系统HPS

水动力性能预报系统HPS的全称是Hydroperformance Prediction System。该系统能对大方形系数低速船(如大型、超大型油轮，散货船等)和中等方形系数中高速船(如大中型集装箱

船等)的航行性能进行预报、评估和优化计算，可根据快速性、耐波性和操纵性综合要求设计出满足用户初步设计要求的船型及螺旋桨等的细节。具有功能全、精度高、适用范围宽、运算速度快、技术先进等特点，是国内第一个船舶水动力性能集成设计系统。

HPS系统是一个开放式的系统，由应用模块、管理模块和数据库组成。HPS系统的应用模块包括主尺度估算模块、快速性估算模块(含螺旋桨设计)、操纵性估算模块、耐波性估算模块、综合水动力性能优化模块等。管理模块包括系统管理、数据管理、图象支持及用户界面管理等子系统。数据库包括性能数据库和工作数据库，性能数据库存有船型几何及水动力性能等试验数据，在系统运行时可随时取用所需的各种数据; 工作数据库主要保存系统运行时产生的数据，供用户查阅和报表打印。图2为HPS系统功能模块和业务流程框图。

图2HPS 系统的功能模块和业务流程

HPS 系统包含的内容如下：

(1) 概念设计模块

概念设计模块是HPS系统的入口之一，其功能是根据业主提出的技术经济要求，结合总体布置情况，提供下一步航行性能优化设计的起点(可以有三个初步方案)，给出满足要求的船