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基于SBD技术的船舶水动力构型优化设计研究

李胜忠  
【摘要】: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(Simulation Based Design)技术为船型优化设计和构型创新打开了崭新的局面,在国际船舶研究设计领域引起了广泛关注,并已成为当前国际船舶设计领域研究的前沿重点。本文对国内外研究成果进行了归纳评述,并对SBD技术的概念、内涵进行了深入地剖析,重点突破了船体几何建模与重构、全局最优化技术、综合集成等关键技术,结合高精度CFD数值预报方法(RANS),建立了以精细数值评估为特征的船型优化设计框架,推动了船型逆向设计模式的发展,并以快速性能最优为主要目标开展了实用船型的优化设计。 首先,重点研究了粒子群全局优化算法,并对其初始化方法和权重系数进行了改进,为船型优化设计问题的求解提供了一种有效、快捷的科学方法。在此基础上,以系列模型试验数据库作为支撑,结合势流切片理论及经验公式,采用Lackenby变换几何重构方法,建立了可靠性高、响应快速、基于改进粒子群全局优化算法的舰船综合航行性能多目标全局优化设计模块。并针对舰船快速性、耐波性、操纵性三项性能,开展了舰船构型多目标全局优化设计,获得了三项性能在不同权重条件下的Pareto最优解集,充分验证了改进的粒子群全局优化算法的能力。 其次,重点突破了复杂船体几何建模与重构技术,建立了Bezier Patch局部几何重构方法和FFD(Free-Form Deformation)整体几何重构方法,探讨了海量数值计算的简约策略,解决了复杂网格自动重生成问题,实现了高精度评估器在船型优化设计自动化流程中的应用,突破综合集成技术,构建了具有自主知识产权的基于精细CFD技术的船型优化设计框架,为后续开展船型优化设计提供了软件平台。 再次,以典型的DTMB5415作为研究对象,设计航速下的总阻力作为优化目标,采用建立的优化设计框架对其球艏构型进行了优化设计。结果表明最优设计方案的总阻力收益十分显著,验证了本文建立的船型优化设计框架的有效性。针对中高速船型对阻力性能的影响与航速密切相关的特点,采用试验设计和响应面模型的简约策略,开展了DTMB5415球艏构型多个航速下的优化设计。结果表明最优设计方案在设计航速总阻力均减小6%左右,在整个航速范围内,总阻力最大收益达到6.73%,充分展示了基于SBD技术的船型优化设计的优越性。 最后,针对具有挑战性的低速肥大型船,选择两艘性能优异的散货船船型作为研究对象,采用SBD技术以总阻力和桨盘面流场品质作为目标函数分别对其进行了优化设计。6600DWT散货船艉部构型优化设计结果表明:在满足工程约束条件的情况下,最优设计方案总阻力的收益十分显著。44600DWT散货船整体构型优化设计结果表明:最优方案在整个傅氏数范围内的减阻效果均十分明显(在5%左右),再计及尾部流场质量改善带来的推进效率的收益,可以预计,综合节能效果将会进一步扩大。两艘散货船优化设计的成功实践,证实了“以精细数值评估优化为特征的船型设计模式”用于难度极大的低速肥大型船体优化设计同样具有明显的优势,该设计模式将为船舶构型创新及绿色节能船型研发提供先进的研究手段和有力的技术支撑。


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