黃金鋒，許 滸

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064

0 引 言

隨著三維設(shè)計技術(shù)及其工具軟件的發(fā)展，螺旋槳三維幾何模型已建立起來，并通過相應(yīng)的分析軟件對其進行了仿真評估。但螺旋槳三維設(shè)計CAD系統(tǒng)與仿真分析CAE軟件之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和信息集成問題還未得到有效解決，導(dǎo)致三維模型無法直接用于螺旋槳的工程分析。另外，螺旋槳設(shè)計的經(jīng)驗和知識都掌握在少數(shù)人手中，很難重復(fù)利用，易對企業(yè)造成很高的知識風(fēng)險。螺旋槳設(shè)計工具相互孤立，不成體系，異常復(fù)雜的數(shù)據(jù)流主要依賴人工勞動，設(shè)計并行度低，管理難度大，嚴(yán)重影響了設(shè)計質(zhì)量和效率，使得設(shè)計過程很難實現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計。因此，螺旋槳設(shè)計平臺的建立勢在必行。

國際上的研究機構(gòu)基于以前發(fā)展的各種方法建立了有效的螺旋槳設(shè)計系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代，美國泰勒水池就開展了螺旋槳優(yōu)化設(shè)計集成系統(tǒng)的研究。HydroComp.IN公司的HYDROCOMP系列軟件包括NavCAD，ProExpert和ProCAD三個模塊，分別用于解決船舶推進系統(tǒng)分析、螺旋槳設(shè)計和計算機輔助螺旋槳生產(chǎn)等領(lǐng)域的實際問題。美國AMI公司的VSAERO和USAERO軟件提供螺旋槳水動力分析，MARINTEK的AKPD/AKPA系統(tǒng)和MARI N的EXCALIBUR和PROCAL系統(tǒng)都是設(shè)計和分析螺旋槳的集成系統(tǒng)［1-2］。

國內(nèi)的科研院所和船廠利用ISIGHT和數(shù)據(jù)庫等方式建立了初步的螺旋槳集成設(shè)計系統(tǒng)［3-4］，但目前僅限于三維幾何模型的建立和水動力分析，沒有考慮結(jié)構(gòu)強度校核等方面，而且集成度不高，不能根據(jù)經(jīng)驗和知識進行設(shè)計，同時，流程的管控也不理想，沒有專門的數(shù)據(jù)管理模塊，致使數(shù)據(jù)無法向下游傳遞。螺旋槳設(shè)計平臺基于商業(yè)貨架軟件SYSWARE TDE/IDE，利用成熟的螺旋槳設(shè)計理論方法和集成應(yīng)用軟件，通過開發(fā)和集成進行螺旋槳設(shè)計分析的專業(yè)模塊，最終形成一個便于面向螺旋槳設(shè)計分析的專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。平臺主要利用模板技術(shù)構(gòu)建統(tǒng)一的關(guān)聯(lián)模型，自動保證各設(shè)計階段、各專業(yè)模型之間的緊密關(guān)聯(lián)，大量減少方案更改和模型協(xié)調(diào)的工作量，從而實現(xiàn)多學(xué)科關(guān)聯(lián)的設(shè)計與優(yōu)化。

1 模板技術(shù)

螺旋槳設(shè)計首先建立三維幾何模型，然后通過對幾何模型的轉(zhuǎn)換與處理生成螺旋槳的仿真分析模型，之后在仿真分析軟件中進行分析計算并對設(shè)計結(jié)果進行分析和評估。因此，三維設(shè)計模型為主模型，仿真分析模型是由主模型派生出來的關(guān)聯(lián)模型，主模型的修改將直接導(dǎo)致關(guān)聯(lián)模型的更改，主模型和關(guān)聯(lián)模型共同組成螺旋槳設(shè)計的統(tǒng)一關(guān)聯(lián)模型。關(guān)聯(lián)是指一系列模塊的串聯(lián)和并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，通過在各個模塊之間建立數(shù)據(jù)流和控制流，建立描述整個設(shè)計方案的統(tǒng)一關(guān)聯(lián)模型，從而使設(shè)計方案中的各種模型有機地耦合在一起，這樣，當(dāng)設(shè)計方案的任何局部發(fā)生變化時，就可以保證其他所有部分都能進行相應(yīng)的調(diào)整以匹配這種變化［5］。

為實現(xiàn)模型的統(tǒng)一關(guān)聯(lián)，主要措施是利用模板技術(shù)將工具、軟件、設(shè)計參數(shù)和經(jīng)驗等固化下來，并通過數(shù)據(jù)流和控制流實現(xiàn)流程的驅(qū)動和參數(shù)的關(guān)聯(lián)，以此來建立螺旋槳集成設(shè)計分析平臺。

任何設(shè)計、分析的過程都包含一些規(guī)則和方法，這些規(guī)則和方法實質(zhì)上就是軟件工具使用的知識和經(jīng)驗。盡管軟件工具操作的對象可能各不相同，但這些規(guī)則和方法是不變的，本文提出的思想就是歸納和總結(jié)這些規(guī)則，將其封裝為模板，然后通過模板進行產(chǎn)品的設(shè)計和分析工作。

模板是提取設(shè)計過程中可重復(fù)的設(shè)計、建模、分析操作過程并進行封裝，從而形成的模塊化組件。CAD，CAE等軟件的傳統(tǒng)應(yīng)用模式都是管理結(jié)果而不是過程。由于結(jié)果是靜態(tài)的，要獲得和改變結(jié)果必須由人工重復(fù)操作，因而導(dǎo)致方案建模、更改、重新評估的工作量較大，很大程度上影響了設(shè)計、分析、優(yōu)化的循環(huán)效率。模板的內(nèi)部不僅僅是規(guī)則，同時還包括所有初始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和最終數(shù)據(jù)，因此，可以將模板視為描述設(shè)計對象的一種新方法。與傳統(tǒng)上用最終結(jié)果描述設(shè)計對象的方法不同，這種新方法不僅包含設(shè)計對象的狀態(tài)（也即最終結(jié)果），還包括設(shè)計對象的產(chǎn)生過程。

模板這一思想首先改變了軟件的使用模式，將設(shè)計人員操作軟件的一對一模式轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^模板去操作軟件，這不僅降低了設(shè)計人員的工作量和工作難度，而且還大大提高了方案設(shè)計的自動化程度。其次，模板還改變了設(shè)計人員的工作方式，將傳統(tǒng)上一個人同時掌握規(guī)則（學(xué)習(xí)和掌握軟件）和應(yīng)用規(guī)則（用軟件進行設(shè)計、分析工作）的工作方式轉(zhuǎn)變?yōu)殚_發(fā)模板（掌握和封裝規(guī)則）和應(yīng)用模板（應(yīng)用規(guī)則完成設(shè)計、分析工作）由不同的人完成，這不僅降低了對設(shè)計人員的要求，而且使知識和經(jīng)驗還可以積累、共享和重復(fù)使用，有效降低了企業(yè)的知識風(fēng)險。此外，螺旋槳的設(shè)計模型以及各軟件數(shù)據(jù)接口也可通過模板進行開發(fā)和封裝。模板的思想本質(zhì)是一種方法模塊化的思想。

根據(jù)其內(nèi)部封裝的軟件和規(guī)則，模板可以完成設(shè)計、建模、分析、仿真等各種不同的工作，并描述產(chǎn)品的各種基本組成元素，通過模板，即可以搭積木的方式建立整個產(chǎn)品的設(shè)計方案。為保證設(shè)計方案的關(guān)聯(lián)性，系統(tǒng)通過在各個模板之間建立數(shù)據(jù)流和控制流來建立描述整個設(shè)計方案的統(tǒng)一關(guān)聯(lián)模型。以圖1的外形設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和有限元分析為例，它們分別由外形模板、結(jié)構(gòu)模板、有限元模板驅(qū)動CATIA和PATRAN生成。由于結(jié)構(gòu)模板生成結(jié)構(gòu)模型時需要輸入外形模板產(chǎn)生的外形曲面，因而外形曲面這一數(shù)據(jù)流就實現(xiàn)了外形與結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。同樣，由于有限元模板生成有限元模型時需要輸入結(jié)構(gòu)模板產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)模型，因而結(jié)構(gòu)模型這一數(shù)據(jù)流就實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與有限元分析的關(guān)聯(lián)。這樣，當(dāng)外形模板參數(shù)改變時，結(jié)構(gòu)模型和有限元模型就會自動更新，與新的外形曲面相匹配；當(dāng)結(jié)構(gòu)模板參數(shù)改變時，有限元模型也會進行相應(yīng)的自動更新，以與新的結(jié)構(gòu)模型相匹配［6］。因此，統(tǒng)一關(guān)聯(lián)模型實質(zhì)上就是用數(shù)據(jù)流和控制流連接的模板集合，包括所有的設(shè)計模型、分析模型、分析結(jié)果以及設(shè)計分析報告。

圖1 統(tǒng)一關(guān)聯(lián)模型實現(xiàn)示例Fig.1 Example of unified connected model

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 工具軟件的集成

船舶螺旋槳涉及的專業(yè)面廣、軟件工具眾多，這些軟件具有多專業(yè)、交互分布、異構(gòu)性等特點，因此，如何將這些體系結(jié)構(gòu)各異的軟件工具集成在一起，實現(xiàn)軟件工具間的信息傳遞與功能上的互操作是實現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同控制與協(xié)同仿真的關(guān)鍵。設(shè)計和分析手段以自有程序和商業(yè)軟件為主，下面將介紹工具軟件集成的方法。

性能計算和結(jié)構(gòu)分析手段以自有程序為主，通過對已有程序進行封裝，使自有程序的輸入和輸出數(shù)據(jù)與其上、下游數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。商業(yè)軟件一般為CAD，Patran/Nastran及ICEM CFD/CFX等，商業(yè)軟件的集成方式與自有程序相似，但需要更多地考慮商業(yè)軟件的數(shù)據(jù)開放性，一般情況下，成熟的商業(yè)軟件都會提供多層次的二次開發(fā)接口?；诠矊ο笳埱蟠眢w系結(jié)構(gòu)（CORBA）技術(shù)封裝所有計算程序，并向外提供標(biāo)準(zhǔn)的CORBA接口，一種典型的應(yīng)用程序集成的方式示例如圖2和圖3所示。

圖2 基于CORBA的計算訪問代理Fig.2 Compute access broker based on CORBA

圖3 應(yīng)用程序集成技術(shù)路線Fig.3 The technical approach of application program integration

2.2 參數(shù)化驅(qū)動網(wǎng)格自動劃分和水動力計算

由于網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣對CFD分析結(jié)果有顯著影響，將針對具有高度空間扭曲特性的螺旋槳幾何模型，采用六面體與四面體相結(jié)合的網(wǎng)格劃分形式對螺旋槳幾何模型進行網(wǎng)格劃分。

采用主流的網(wǎng)格劃分工具Gambit，將其集成在Sysware框架下，針對螺旋槳網(wǎng)格劃分經(jīng)驗，將網(wǎng)格劃分過程界面參數(shù)化，參數(shù)控制界面如圖4（a）所示。為得到合適的混合網(wǎng)格模型，將螺旋槳外部流場分割為流體內(nèi)域和流體外域兩部分，并可根據(jù)螺旋槳尺度調(diào)整變化兩部分區(qū)域的幾何參數(shù)。由于流場內(nèi)域存在螺旋槳外輪廓曲面，在采用六面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格節(jié)點難以準(zhǔn)確捕捉復(fù)雜曲面的幾何特征，相比之下采用四面體網(wǎng)格更為合理。在內(nèi)域，結(jié)合Gambit的尺寸函數(shù)功能合理布置四面體網(wǎng)格；在流場外域部分，由于幾何較為規(guī)則，故布置了六面體網(wǎng)格，避免了全部采用四面體網(wǎng)格時單元數(shù)量巨大的問題。

在Sysware框架下，將有限體積法的求解工具軟件FLUENT集成，通過VBS腳本程序驅(qū)動FLUENT JOU文件及求解參數(shù)，進行螺旋槳的水動力性能自動求解計算，如圖4（c）所示。

2.3 水動力表面節(jié)點載荷自動轉(zhuǎn)換為有限元表面節(jié)點載荷

圖4 參數(shù)控制程序界面Fig.4 Parameter control program interface

使用專業(yè)網(wǎng)格劃分工具進行槳葉的有限元網(wǎng)格劃分，能夠得到整片槳葉網(wǎng)格信息文件*.cdb，但如果采用用CFD方法計算得到的槳葉表面載荷數(shù)據(jù)作為強度校核的外部載荷來源，則一般需要將CFD載荷數(shù)據(jù)插值到槳葉表面節(jié)點上。在進行載荷插值前，首先需要提取出槳葉表面節(jié)點信息，然后將螺旋槳水動力載荷加載到螺旋槳的有限元網(wǎng)格模型指定區(qū)域，為后續(xù)槳葉強度校核計算工作做準(zhǔn)備。為此，本文開發(fā)了螺旋槳槳葉信息提取程序，并集成于Sysware環(huán)境下，能夠有效提取螺旋槳槳葉表面節(jié)點信息。

2.4 流程管控及數(shù)據(jù)接口（PDM）

為了實現(xiàn)艦船設(shè)計過程中三維設(shè)計流程和仿真分析流程的集成管理，采用基于標(biāo)準(zhǔn)的Sysware技術(shù)，具體內(nèi)容本文不詳述。數(shù)據(jù)接口主要是與PDM的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，是在原有PDM系統(tǒng)的物理數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上進行擴充和二次開發(fā)，使之可以管理結(jié)果數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)。過程數(shù)據(jù)管理模塊是對數(shù)據(jù)基于產(chǎn)生過程的邏輯描述，同時作為原有PDM對結(jié)果數(shù)據(jù)基于裝配關(guān)系的邏輯描述的一種有效補充。過程數(shù)據(jù)由本系統(tǒng)進行流程控制，結(jié)果數(shù)據(jù)仍由原PDM系統(tǒng)進行流程控制。

3 體系結(jié)構(gòu)

船舶總體設(shè)計平臺為開放式平臺，主要用于集成CAD，CAE，CAO和CAX等各類軟件，對軟件應(yīng)用知識和經(jīng)驗進行封裝，并在一個統(tǒng)一的環(huán)境中進行CAD設(shè)計、建模、分析、優(yōu)化、數(shù)據(jù)管理和協(xié)同管理。由于其功能特征，因而特別適用于以三維設(shè)計為基礎(chǔ)，需要大量使用CAD和CAE技術(shù)，設(shè)計過程涉及較多學(xué)科專業(yè)，并且設(shè)計過程非常復(fù)雜的船舶總體設(shè)計。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖5所示［7］。

圖5 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)Fig.5 The system architecture

4 系統(tǒng)組成與功能

4.1 單元模板開發(fā)環(huán)境

單元模板的開發(fā)環(huán)境是集成于CAD環(huán)境的設(shè)計、分析模型或應(yīng)用軟件的封裝系統(tǒng)。單元模板開發(fā)環(huán)境對各類設(shè)計、分析模型或應(yīng)用軟件進行集成和封裝，定制直接面向具體任務(wù)的應(yīng)用界面，并在后臺驅(qū)動設(shè)計、分析、進行仿真軟件的建模、求解和后處理。

單元模板主要包括設(shè)計模板、數(shù)據(jù)庫模板、轉(zhuǎn)換模板和公式模板等。單元模板主要由參數(shù)表、輸入輸出表、用戶界面和操作等基本要素組成，聯(lián)合起來實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、建模、分析、仿真等工作中基本任務(wù)要素的封裝。單元模板的基本要素包括：

1）參數(shù)表：模板數(shù)據(jù)的來源，是所有操作的數(shù)據(jù)核心。參數(shù)表包括各種類型的參數(shù)（整數(shù)、實數(shù)、字符串、文件、整數(shù)數(shù)組、實數(shù)數(shù)組、字符數(shù)組），用戶需要從參數(shù)表界面中錄入?yún)?shù)。

2）輸入輸出表：模板封裝的數(shù)據(jù)接口，是模板執(zhí)行時數(shù)據(jù)流傳遞的主要載體。輸入表是復(fù)雜對象的數(shù)據(jù)來源，它負(fù)責(zé)接收上游模板的數(shù)據(jù)引用；輸出表是復(fù)雜對象執(zhí)行后的輸出結(jié)果，它負(fù)責(zé)將模板執(zhí)行的結(jié)果發(fā)布出去，供下游模板定義數(shù)據(jù)引用。

3）用戶界面：已封裝的模板數(shù)據(jù)與外界交互的接口。用戶可以在模板封裝時設(shè)計用戶界面，將模板的參數(shù)信息及相關(guān)輔助說明展現(xiàn)在用戶界面上，使模板在IDE環(huán)境中可以從用戶界面上修改相關(guān)參數(shù)值，從而達(dá)到實現(xiàn)模板某種操作的效果。

4）操作：用于實現(xiàn)模板數(shù)據(jù)的加工處理，可以由多個公式操作、文件解析、數(shù)據(jù)庫操作、命令執(zhí)行、CAD操作和報表生成等類型的操作單元組成，支持順序執(zhí)行和分支執(zhí)行兩種模式。

4.2 組合模板環(huán)境

組合模板環(huán)境（也稱集成設(shè)計環(huán)境，IDE）集成于CAD環(huán)境中，是基于單元模板的多模板統(tǒng)一關(guān)聯(lián)的多學(xué)科設(shè)計、多學(xué)科建模、多學(xué)科分析、多學(xué)科優(yōu)化的一體化環(huán)境。組合模板環(huán)境通過調(diào)用設(shè)計、建模、分析模板以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，可以快速建立與設(shè)計、分析相關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一關(guān)聯(lián)模型，通過調(diào)用MDO軟件，可對方案進行多學(xué)科優(yōu)化。

單元模板可以通過數(shù)據(jù)流和控制流來構(gòu)成復(fù)雜的組合模板、工作包和工作組包等組合模板。數(shù)據(jù)流定義主要用于定義模板實例之間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系，如圖6（a）所示。如圖6（b）所示，用戶可以自定義模板之間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系。

控制流表征的是模板實例之間執(zhí)行的先后順序，如圖6（c）所示。用戶可以定義控制流連接線，還可以查看執(zhí)行的次序關(guān)系?？刂屏骺啥x起點（S圖標(biāo)）、終點（E圖標(biāo)）、并行、判斷分支及循環(huán)等執(zhí)行邏輯。

圖6 組合模板環(huán)境Fig.6 Assembled template environment

4.3 集成管理系統(tǒng)

集成管理系統(tǒng)是集項目管理與流程管理于一體的綜合管理系統(tǒng)，具體包括過程/項目定義、過程驅(qū)動，以及過程監(jiān)控/項目分析等功能。集成管理系統(tǒng)可大幅提高工作流運轉(zhuǎn)的效率和過程規(guī)范性，在此本文不予贅述。

4.4 模板庫系統(tǒng)與工程管理系統(tǒng)

模板庫系統(tǒng)是管理模板的系統(tǒng)平臺，通過模板管理系統(tǒng)，可以上傳模板、管理模板、檢索模板并下載模板。工程管理系統(tǒng)用于管理設(shè)計過程的統(tǒng)一關(guān)聯(lián)模型（包含相關(guān)數(shù)據(jù)）和工具軟件。通過工程管理系統(tǒng)，可以訪問統(tǒng)一關(guān)聯(lián)模型，同時，工程管理系統(tǒng)按統(tǒng)一關(guān)聯(lián)模型的結(jié)構(gòu)關(guān)系，以版本的方式管理所有過程數(shù)據(jù)和最終結(jié)果。此外，與PDM數(shù)據(jù)的集成也是數(shù)據(jù)管理的重要內(nèi)容，與PDM中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理、文檔管理以及用戶管理產(chǎn)生數(shù)據(jù)交互關(guān)系，并通過標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)訪問PDM中的數(shù)據(jù)。

5 初步應(yīng)用

本文將以DTRC4119螺旋槳為例測試平臺系統(tǒng)的合理性、可用性和可靠性，建立槳型生成、性能計算和結(jié)構(gòu)分析模板庫，并生成設(shè)計流程管理系統(tǒng)［8-9］。其中，集成的工具和開發(fā)的模板庫如表1、表2所示，系統(tǒng)主界面和主流程如圖7和圖8所示。

表1 集成工具列表Tab.1 Table of integrated tools

圖7 系統(tǒng)主界面Fig.7 Main interface of the system

表2 模板庫列表Tab.2 Table of template databases

圖8 系統(tǒng)主流程Fig.8 Main process of the system

以其中的水動力分析（圖9、圖10）為例進行闡述。通過理論方法建立型值表，然后通過CATIA進行三維幾何模型的建立、網(wǎng)格劃分、水動力分析和結(jié)果文件輸出等，以實現(xiàn)其設(shè)計分析功能。

圖9 幾何模型的建立Fig.9 Geometrical model creation

圖10 網(wǎng)格和水動力結(jié)果Fig.10 Grid and hydrodynamic results

6 結(jié) 語

通過運用模板技術(shù)創(chuàng)建螺旋槳設(shè)計平臺，改進了建模方式，提高了數(shù)據(jù)流處理的效率，實現(xiàn)了知識的管理和多學(xué)科關(guān)聯(lián)設(shè)計。螺旋槳設(shè)計平臺涉及理論設(shè)計方法、螺旋槳三維建模、CFD分析方法和有限元法的強度分析等多種設(shè)計分析手段。在理論設(shè)計方法中，可為升力線、升力面及面元法的核心計算程序提供簡易、直觀的前處理界面，保證了螺旋槳理論設(shè)計方法的準(zhǔn)確性、便捷性，使得螺旋槳專業(yè)工程人員能夠高效地研發(fā)出優(yōu)良的螺旋槳。在螺旋槳三維建模及CFD分析方法中，通過SYSWARE集成工具軟件CATIA，ICEM和FLUENT，可實現(xiàn)螺旋槳實體模型的快速構(gòu)建，創(chuàng)建出符合流體分析工程需要的優(yōu)良網(wǎng)格模型，求解出螺旋槳的敞水性能并得到槳葉所受到的水動力載荷分布。在使用有限元法的強度校核分析中，得到了高質(zhì)量槳葉有限元網(wǎng)格模型，開發(fā)出了螺旋槳槳葉表面節(jié)點信息提取程序以及槳葉水動力載荷插值有限元單元節(jié)點計算程序，突破了水動力載荷向有限元節(jié)點傳遞的信息壁壘。

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