馮佰威 劉祖源 詹成勝 常海超

（武漢理工大學交通學院 武漢 430063）

0 引 言

隨著計算機輔助設計技術（CAD）的廣泛應用和船舶計算流體力學（computaional fluid dynamics，CFD）的迅速發(fā)展，船舶設計能力和水平都得到極大提高.但總的來看，在設計開發(fā)過程中充分利用CFD技術進行輔助分析、優(yōu)化的手段和能力還不夠，設計過程中經(jīng)驗還是占主導地位，CFD主要用來檢驗CAD的結果，而不是用來驅動產(chǎn)品設計，兩者基本上處于“孤島”狀態(tài)，沒有實現(xiàn)有機的集成，最終導致CAD的優(yōu)勢沒有完全發(fā)揮出來.因此，利用集成優(yōu)化平臺，實現(xiàn)船舶CAD與CFD一體化設計，最終達到船型“設計－分析－再設計”任務的自動化，具有重要的現(xiàn)實意義.

1 基于CAD／CFD的船型一體化的設計思想

基于CAD／CFD船型優(yōu)化方面，研究主要集中在意大利、日本、德國（見參考文獻［1－6］）.總體上來看，這幾個國家的船型水動力優(yōu)化研究均按照設計分析集成化、一體化的主線發(fā)展，且已經(jīng)實現(xiàn)了CAD／CFD的集成優(yōu)化設計，達到了以性能驅動設計的目標.在船型參數(shù)化建模方面采用了CAD軟件的二次開發(fā)（如擾動面方法）或新開發(fā)船舶參數(shù)化設計軟件（如friendship）；在CFD計算方面部分學者采用商業(yè)軟件（如shipflow，fluent等），也有部分學者采用自編軟件；在集成方面大都采用了商業(yè)集成框架（如Modelcener或iSIGHT）.其研究的內(nèi)容也不僅僅局限在單個性能，而是多個性能的綜合優(yōu)化，目前，多學科設計優(yōu)化（MDO）正日益受到重視，并在實際工程中得到應用.

通過借鑒國外在此領域的技術發(fā)展，本文提出了基于CAD／CFD的船型一體化設計的框架，其思路如圖1所示.

圖1 船舶CAD／CFD一體化設計框架

由圖1所示，其框架主要由三部分構成，分別是船舶CAD軟件、網(wǎng)格生成工具及CFD數(shù)值求解工具、優(yōu)化器.各部分的功能如下：（1）船舶CAD軟件.根據(jù)設計變量的變化生成一系列的三維船型，同時可進行靜水力計算，以判斷約束條件是否滿足；（2）網(wǎng)格生成及CFD數(shù)值求解器.將CAD中生成的船型導入網(wǎng)格生成工具中，自動劃分網(wǎng)格，同時利用CFD軟件進行目標函數(shù)的自動求解；（3）優(yōu)化器.根據(jù)不同的優(yōu)化問題，選擇相應的優(yōu)化算法，對設計空間進行有效探索.

若要實現(xiàn)基于CAD／CFD的船型一體化設計，除了必要的軟件工具外，還有一些關鍵技術需要解決，主要有以下4個方面：（1）基于CAD的船型參數(shù)化表達及修改技術；（2）船舶CAD／CFD一體化設計的集成技術；（3）船舶CAD／CFD一體化設計近似求解技術；（4）船舶CAD／CFD一體化設計優(yōu)化算法.本文主要重點闡述如何實現(xiàn)CAD／CFD的集成.

2 船舶CAD／CFD一體化設計的集成技術

2.1 數(shù)據(jù)集成

目前船舶領域各學科均有各自相對成熟的計算理論和仿真軟件，但卻較少考慮相互之間的集成，以致在進行船舶CAD／CFD一體化設計時，各學科之間的數(shù)據(jù)不能很好銜接.數(shù)據(jù)集成的目的是解決不同學科軟件間的數(shù)據(jù)通信問題.主要包括以下兩個方面的數(shù)據(jù)集成.

1）船舶CAD軟件與集成框架iSIGHT的數(shù)據(jù)集成 該部分集成主要包括母型船的調和程序、船舶CAD軟件的宏程序與iSIGHT之間的相互傳遞.母型船的調和模塊在前文已經(jīng)敘述，主要功能是產(chǎn)生一系列的光順船型.而宏程序則是以文件的方式存在，通過CAD軟件可以直接執(zhí)行該宏程序，從而完成讀取新船型數(shù)據(jù)并完成靜水力計算及其他一系列的功能.通過利用iSIGHT的文件解析功能，可分別對母型船調和程序的輸入文件及宏文件中的部分參數(shù)進行解析，實現(xiàn)參數(shù)的變量化，將參數(shù)轉化為優(yōu)化環(huán)境中的變量參數(shù)，使其可以動態(tài)調整；變量參數(shù)值調整后，iSIGHT自動更新輸入文件及宏文件，從而實現(xiàn)iSIGHT到船舶CAD軟件及母型船調和程序的數(shù)據(jù)傳遞（見圖2）.

圖2 船舶CAD與iSIGHT的數(shù)據(jù)集成

2）船舶CAD軟件與CFD計算分析軟件之間的數(shù)據(jù)集成 主要指船舶三維模型與網(wǎng)格劃分軟件Gambit之間的集成，實現(xiàn)幾何模型傳遞，替代CFD中幾何模型的重建工作，減少分析人員的工作量，保證數(shù)據(jù)的一致性.Gambit支持ACIS、Parasolid，IGES和STEP等數(shù)據(jù)標準.由于大多數(shù)船舶CAD軟件可以產(chǎn)生IGES格式的船型數(shù)據(jù)，因此不需二次開發(fā)即可實現(xiàn)船舶三維模型與網(wǎng)格劃分軟件Gambit之間的數(shù)據(jù)集成.Gambit可直接讀取IGES格式的幾何模型，然后進行網(wǎng)格劃分（見圖3）.

圖3 船舶CAD與CFD分析軟件的數(shù)據(jù)集成

2.2 過程集成

船舶CAD／CFD一體化設計是一個反復疊代的過程，盡量避免對優(yōu)化過程的人工干預，可以加快優(yōu)化速度，提高優(yōu)化效率.通常，優(yōu)化設計流程是根據(jù)事先制定好的優(yōu)化方案自動進行優(yōu)化計算和評判，因此在船型水動力優(yōu)化設計時需要將水動力計算分析和優(yōu)化評判等過程進行集成.主要需要考慮以下幾個過程的集成.

1）CFD計算邊界及分析要求設定 通過執(zhí)行所記錄的Gambit網(wǎng)格劃分和Fluent計算的運行腳本，可以重現(xiàn)原始Gambit網(wǎng)格劃分和Fluent計算分析操作.在優(yōu)化計算過程中，通過調整設計變量以修改Gambit和Fluent的運行腳本文件，即可實現(xiàn)對CFD分析邊界的自動設定.

2）優(yōu)化策略定制 針對不同的優(yōu)化對象需要制定不同的優(yōu)化策略.優(yōu)化策略主要包括試驗設計方案、設計變量的靈敏度分析、近似模型算法以及定義優(yōu)化流程的設計流、控制流和數(shù)據(jù)流.優(yōu)化流程中的設計流定義主要是指分析優(yōu)化設計的邏輯順序和提取各子系統(tǒng)的運行參數(shù)等；控制流定義主要指優(yōu)化過程中控制流程的定義，包括循環(huán)和條件等控制流程；數(shù)據(jù)流定義主要用于制定各環(huán)節(jié)的輸入輸出數(shù)據(jù)以及設計變量，該功能主要通過iSIGHT文件解析器和變量設計器實現(xiàn).

3）優(yōu)化結果的自動評判分析 在計算分析流程集成的基礎上，需要集成綜合評判流程，才能最終實現(xiàn)系統(tǒng)集成.優(yōu)化結果評判包括指定優(yōu)化評判目標與策略和執(zhí)行結果評判.優(yōu)化評判目標與策略主要指在iSIGHT環(huán)境下，通過多層次任務定制，指定設計目標權重選取目標參數(shù)優(yōu)化范圍、選取合適的優(yōu)化算法等.優(yōu)化結果評判執(zhí)行是船型水動力分析結束后，根據(jù)所選定的優(yōu)化算法對目標參數(shù)進行評判，以及根據(jù)評判結果對設計變量進行自動調整.通過對船型CAD／CFD的數(shù)據(jù)集成和過程集成進行分析，可以得出如圖4所示的船舶CAD／CFD一體化優(yōu)化設計流程圖.

圖4 船舶CAD／CFD一體化優(yōu)化設計流程圖

3 船舶CAD／CFD集成實例

3.1 集成軟件環(huán)境

操作系統(tǒng)：WINDOWS XP SP2.

船型參數(shù)化建模：CAD軟件二次開發(fā).

計算網(wǎng)格劃分：Gambit：2.1.

阻力計算分析：Fluent 6.1.

集成優(yōu)化框架：iSIGHT 8.0.

XWindow模擬軟件：Exceed 8.0.

3.2 船舶CAD／CFD集成

1）軟件集成 利用iSIGHT提供的集成功能，自動實現(xiàn)船舶三維建模軟件、CFD計算分析軟件之間的數(shù)據(jù)銜接，在優(yōu)化過程中對仿真軟件自動進行調用.在集成中主要以仿真代碼（Simcode）的形式調用命令行參數(shù).

2）數(shù)據(jù)集成 將優(yōu)化過程中所涉及到的各項數(shù)據(jù)，以設計變量的形式進行參數(shù)化控制，主要通過iSIGHT的文件解析和變量管理功能實現(xiàn).

3）優(yōu)化定制 設置優(yōu)化策略，包括指定設計變量的變化范圍和優(yōu)化目標、選擇優(yōu)化算法、試驗設計、質量控制方法和近似方法等.根據(jù)設計優(yōu)化的目標，比較iSIGHT提供的算法庫［7］，采用符合實際需求的高效優(yōu)化算法，尋找最優(yōu)的、最可靠的和最穩(wěn)健的設計方案.

完成CAD／CFD的集成后，即可根據(jù)制定的優(yōu)化策略對水動力問題進行優(yōu)化迭代計算，顯然，CAD／CFD集成優(yōu)化能夠大大提高設計效率.

4 結 束 語

實現(xiàn)船舶CAD／CFD一體化優(yōu)化設計，其重要的關鍵技術之一便是實現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)集成及過程集成.本文通過對船舶CAD／CFD一體化設計的關鍵技術進行研究，建立了基于iSIGHT的船舶CAD／CFD一體化設計的集成框架，運用數(shù)據(jù)集成和過程集成技術，實現(xiàn)了船舶CAD與CFD的集成，極大的提高了設計效率.本文所取得的成果是進行船型優(yōu)化的基礎，對后續(xù)的基于CFD的船型多性能協(xié)同優(yōu)化研究工作是不可或缺的.

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［7］馮佰威，劉祖源.基于iSIGHT的船舶多學科綜合優(yōu)化集成平臺的建立［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2009，33（5）：897－899.