倪 昱，金建海，蒲 海，田志峰

( 中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫214082)

0 引 言

水動力學(xué)是艦船總體技術(shù)的核心基礎(chǔ)，水動力性能評估是艦船設(shè)計階段必不可少的重要組成部分，傳統(tǒng)的主要研究手段是物理模型試驗。近年來，以CFD 技術(shù)為核心、計算機(jī)技術(shù)為依托的虛擬試驗技術(shù)已成為國際水動力學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)新研究的熱點(diǎn)［1］。

目前，相關(guān)研究人員在對船型進(jìn)行CFD 分析時，需要從CAD 圖的型值信息開始，經(jīng)歷提取型值表、創(chuàng)建船體幾何、創(chuàng)建計算域、網(wǎng)格控制點(diǎn)設(shè)置、體網(wǎng)格劃分、MSH 文件生成、材料、屬性邊界條件設(shè)置、迭代求解及后處理結(jié)果顯示等幾個步驟［2］。當(dāng)船型型值信息改變或需要對船型進(jìn)行優(yōu)化時，研究人員需要針對整個流程重新操作，但絕大部分都是重復(fù)性工作，從而浪費(fèi)過多的時間在手工操作上。

中國船舶科學(xué)研究中心開發(fā)了艦船綜合水動力虛擬水池試驗技術(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將傳統(tǒng)的CFD技術(shù)與計算機(jī)軟件技術(shù)相結(jié)合，形成了1 套開放、功能可擴(kuò)展的虛擬水池試驗軟件平臺。為了減少傳統(tǒng)CFD 分析的重復(fù)性手工操作，讓研究人員將更多精力放在船型優(yōu)化和結(jié)果分析上，虛擬水池試驗技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了船型進(jìn)行自動化建模和網(wǎng)格劃分，將固定的手工流程自動化，縮短了重復(fù)工作的時間。本文對該系統(tǒng)中船體復(fù)雜三維曲面及其全域全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的自動生成技術(shù)進(jìn)行研究。

1 船體復(fù)雜三維曲面的自動生成

在進(jìn)行艦船水動力分析的CFD 分析過程中，首先要有表示艦船外表面幾何模型的CAD 模型［3］，然后才能進(jìn)行建立流體計算域、網(wǎng)格劃分等工作。船體CAD 模型的建立十分重要，也比較繁瑣，手工操作往往要花費(fèi)工程人員大量的時間。專業(yè)人員建立船體CAD 建模的一般過程是:從各種型值文件中提取數(shù)據(jù)，利用已有的三維CAD 軟件(例如UG)進(jìn)行手工建模。建模過程中主要是用到NURBS 曲線構(gòu)造、曲面生成、曲面縫合、實(shí)體的布爾運(yùn)算等操作。由于船體曲面是非常復(fù)雜的曲面，因此如何建立合理的船體三維曲面是一個需要專家知識的復(fù)雜過程。而在虛擬水池試驗系統(tǒng)中，我們對專家知識和經(jīng)驗進(jìn)行了封裝，對于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似的船體三維曲面實(shí)現(xiàn)了自動化建模，大大提高了工程人員建模的效率。

1.1 型值表文件

由于CAD 型值表的表達(dá)方式各有不同，因此虛擬水池試驗系統(tǒng)使用擴(kuò)展標(biāo)記語言XML 作為中間格式的標(biāo)準(zhǔn)型值表文件。XML 是一種簡單的數(shù)據(jù)存儲語言，使用一系列簡單的標(biāo)記描述數(shù)據(jù)，在軟件系統(tǒng)中經(jīng)常用來作為數(shù)據(jù)交換的中間格式。我們開發(fā)的程序可將AutoCAD、Tribon、NAPA 等其他常用型值表格式轉(zhuǎn)換為自定義XML 標(biāo)準(zhǔn)型值表文件。

根據(jù)船體型值數(shù)據(jù)所需相關(guān)參數(shù)，XML 文件歸納總結(jié)為DataGroup－版本控制、DataGroup－總體參數(shù)及DataGroup－船體型值表3 個模塊。

一個標(biāo)準(zhǔn)中間xml 文件代表1 艘船，記錄整條船的型值表信息、模型數(shù)據(jù)和分析設(shè)置參數(shù)，供各個CAD/CFD 軟件接口程序使用，整個文件分為以下4 個部分:

1)XML 版本信息

固定XML 格式，編碼格式是UTF－8。

2)轉(zhuǎn)換程序版本信息

第1 行以符號開頭的注釋行;第2 行為文件來源說明;第3 行為轉(zhuǎn)換程序版本信息以及文件創(chuàng)建時間。

3)總體參數(shù)

第1 行為總體參數(shù)項，包括船名、長度單位、船長、垂線間長等;第2 行為總體參數(shù)值。該模塊主要描述船體的總體信息。

4)船體型值表

船體信息又包括①水線/站線數(shù)據(jù)表:水線/站線數(shù)據(jù)表中的列表示對應(yīng)高度的水線，每1 列代表1 條水線。②中縱剖線(輪廓線):第1 行代表不同高度的水線面，第2 行為相應(yīng)高度水線面與首尾輪廓的交點(diǎn)，用“ ”分割。③縱剖線:第1 行為縱剖面位置，即縱剖線的y 值，每1 列代表1 條縱剖線。

1.2 曲面建模

船體曲面的自動化建模，仍然是建立在專家經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。因此，首先是理解手工建模的流程，通過手工建模流程用程序?qū)崿F(xiàn)自動化。其中手工過程經(jīng)過梳理之后，主要包括以下幾個過程:

第1 步，導(dǎo)入船體型值表;

第2 步，通過型值表中的水線，站線，縱拋線，平底線等方向上的樣條曲線，及對曲線細(xì)節(jié)進(jìn)行調(diào)整;

第3 步，通過網(wǎng)格曲面、N 邊曲面等方式利用水線、站線、輪廓線信息分段構(gòu)造船體曲面。

通常在船首和船尾處的幾何形狀比較復(fù)雜，普通的曲面創(chuàng)建不能滿足這種復(fù)雜形狀的要求，因此需要進(jìn)行細(xì)化，再將細(xì)化的曲面縫合成1 個曲面。

根據(jù)手工流程，利用UG 設(shè)計出對應(yīng)的船型自動化建模過程，設(shè)計原型如圖1所示。

圖1 船體復(fù)雜三維曲面自動建模流程Fig.1 Process of complex 3D surface modeling automaticly

1)型值點(diǎn)重組

在船體的型線數(shù)據(jù)中，一般會包括水線、站線、平底線、輪廓線、縱剖線、尾封線數(shù)據(jù)。在構(gòu)造其中任一條型線時，要把型線上的所有點(diǎn)都取到，以便更好地描述型線。比如某條水線上的點(diǎn)，應(yīng)該是水線與站線、水線與縱剖線、水線與輪廓線等交點(diǎn)的集合。其他型線也要進(jìn)行同樣的操作。

圖2 型值點(diǎn)重組Fig.2 Points reconstruction

2)型值點(diǎn)排序

在用型值點(diǎn)構(gòu)造船體樣條型線時，型值點(diǎn)必須單調(diào)給出。比如水線，型值點(diǎn)就應(yīng)該按X 遞增或遞減順序排列。故需對重組后的型值點(diǎn)排序。排序過程中還要根據(jù)實(shí)際情況刪除冗余的點(diǎn)。比如圖3 的水線在尾部有多個X 值相等的點(diǎn)，此時就要根據(jù)Y值最大原則選取合適的點(diǎn)。

圖3 型值點(diǎn)排序Fig.3 Points order

3)型值點(diǎn)分組去平

船體曲面形狀復(fù)雜，它包含了規(guī)則曲面和不規(guī)則曲面，為表達(dá)方便，一般將規(guī)則曲面和不規(guī)則曲面區(qū)分開，劃分成多個區(qū)域，在每個區(qū)域表達(dá)的基礎(chǔ)上拼接成完整的船體曲面。

圖4 型值點(diǎn)分組去平Fig.4 Points group

依據(jù)圖4 的7 個曲面片，需要對型值點(diǎn)進(jìn)行分組，將直線的部分分離出來。

4)首尾站線分割

由于船首和船尾處的型值信息會導(dǎo)致站線穿過輪廓線，因此需要去掉此類多余的站線點(diǎn)。

圖5 首尾站線分割Fig.5 Division station line of head and tail

5)在所有型線中樣條曲線與直線相交的地方，必須保證樣條曲線與直線相切。

圖6 樣條曲線與直線相切Fig.6 Spline is tangent to line

6)曲面模型建立

7 個曲面中只有前體曲面與后體曲面是復(fù)雜曲面，其他為規(guī)則平面或曲面，利用其邊界線，通過放樣或N 邊區(qū)面方法即可生成所需曲面。前體曲面與后體曲面比較復(fù)雜。

圖7 曲面模型建立Fig.7 Generate surface model

UG 自動化建模最終結(jié)果如圖8所示。

圖8 自動化建模最終結(jié)果Fig.8 Final result of modeling automatic

2 船體復(fù)雜三維曲面全域全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格自動生成

船體復(fù)雜三維曲面全域全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格自動生成技術(shù)一直是CFD 分析技術(shù)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，同樣也是本虛擬試驗建設(shè)過程的重點(diǎn)和難點(diǎn)［4］。在虛擬水池試驗技術(shù)系統(tǒng)中，借助于Gambit 的二次開發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)船體三維曲面全域結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的自動生成。

Gambit 中自動化計算域創(chuàng)建流程如下:

1)導(dǎo)入igs 模型曲面文件到Gambit 中，并利用自帶函數(shù)通過模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系，重新定義船型曲面各個幾何的編號，然后根據(jù)各個分段位置和船長倍數(shù)設(shè)置計算域分段的位置。

2)通過同樣的分段位置，創(chuàng)建包圍船體部分的計算域。在創(chuàng)建計算域幾何模型前對小曲面進(jìn)行合并，并設(shè)置首部向前，尾部向后和外邊界參數(shù)。

圖9 計算域幾何模型Fig.9 Geometric model of calculation field

3)網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格是CFD 模擬與分析的載體，網(wǎng)格的自動劃分的好壞直接影響到CFD 數(shù)值解的計算精度。為使模擬的流場更加精確，采用了六面體/五面體的混合的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。繞流場主要使用O 型和C 型2 種網(wǎng)格。

網(wǎng)格的疏密使用邊網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行控制，原則是近壁區(qū)的邊網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量多，滿足y+要求，遠(yuǎn)離壁面區(qū)域邊網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量逐漸減少。劃出的體網(wǎng)格在壁面處非常精細(xì)，首尾區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密，而外部區(qū)域稀疏，經(jīng)驗和結(jié)果證明這樣的設(shè)置更能準(zhǔn)確地模擬流場。在首部、中段、尾部的各個邊上按照表1的方式進(jìn)行布置網(wǎng)格點(diǎn)。周向上一般均勻布置;軸向大多需要設(shè)定疏密過渡的網(wǎng)格點(diǎn);徑向和尾部軸向的根部需要設(shè)定初始網(wǎng)格高度，滿足y+要求，同時沿徑向和軸向需要疏密過渡。

表1 網(wǎng)格點(diǎn)分布及要求Tab.1 Mesh distribution and reqirement

網(wǎng)格生成和質(zhì)量控制。首部和尾流區(qū)是整個模型中最復(fù)雜也是最關(guān)鍵的區(qū)域。為生成質(zhì)量更高的網(wǎng)格，這2 個區(qū)域需要先依據(jù)邊上的邊網(wǎng)格點(diǎn)在2 個映射的“源面”上生成面網(wǎng)格，再使用Cooper 的方式掃過整個體而創(chuàng)建體網(wǎng)格。其他區(qū)域由于模型相對簡單，直接使用邊上邊網(wǎng)格點(diǎn)來創(chuàng)建規(guī)則的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。最終網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖10所示。

3 結(jié) 語

本文在中國船舶科學(xué)研究中心開發(fā)的艦船綜合水動力虛擬水池試驗技術(shù)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，研究了船體復(fù)雜三維曲面及其全域全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的自動生成技術(shù)。通過這些技術(shù)，可以減輕艦船CFD 分析中的重復(fù)性工作，提高研究人員的工作效率。

圖10 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.10 Result of meshing

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