倪其軍，李勝忠，阮文權(quán) ，侯小軍，楊 磊

（1.江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082）

0 引 言

隨著全球海洋開發(fā)事業(yè)的發(fā)展，海洋資源勘探、考察等工作對(duì)科考船的功能要求和技術(shù)要求越來越高。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)全球有40多個(gè)國(guó)家或地區(qū)擁有自己的海洋科學(xué)考察船，數(shù)量超過500艘，而且一些發(fā)達(dá)國(guó)家的海洋考察船及海洋勘探技術(shù)非常先進(jìn)。科考船也在向綜合性、現(xiàn)代化和大型化方向發(fā)展。為了迅速提升我國(guó)深?？瓶寄芰?，并為4 500 m載人潛水器提供搭載平臺(tái)，在原工程作業(yè)船“海洋石油299”的基礎(chǔ)上，開展“探索一號(hào)”科考船重大改造設(shè)計(jì)，提高船舶技術(shù)性能和安全可靠性，使其具備支持4 500 m載人潛水器、深?？茖W(xué)考察、深海裝備試驗(yàn)的能力。本文主要介紹“探索一號(hào)”科考船的船型設(shè)計(jì)過程及其所采用的當(dāng)前先進(jìn)的基于仿真設(shè)計(jì)（Simulation Based Design，SBD）的船型設(shè)計(jì)技術(shù)。

SBD技術(shù)是隨著CFD技術(shù)、CAD技術(shù)以及最優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，而出現(xiàn)的一種新的以目標(biāo)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的構(gòu)型設(shè)計(jì)模式。它將CFD技術(shù)系統(tǒng)地融入優(yōu)化過程，并結(jié)合最優(yōu)化理論與幾何重構(gòu)/變形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的直接尋優(yōu)。其基本原理與優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖1和圖2所示。

圖1 SBD船型設(shè)計(jì)原理Fig.1 SBD-based hullform design optimization environment

圖2 典型自動(dòng)設(shè)計(jì)流程Fig.2 Typical automated design process

國(guó)外在以減阻為目標(biāo)的SBD船型優(yōu)化設(shè)計(jì)方面開展了大量的研究工作，特別是對(duì)船體幾何重構(gòu)技術(shù)、多目標(biāo)全局優(yōu)化技術(shù)、近似技術(shù)、綜合集成技術(shù)（并行計(jì)算）等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，也取得了諸多成果。INSEAN水池的Campana和Peri等[1]以DTMB5415船模作為優(yōu)化對(duì)象，對(duì)多目標(biāo)全局優(yōu)化算法和近似技術(shù)（變逼真度模型）以及船體幾何重構(gòu)方法（分別采用Bezier Patch和基于CAD的幾何重構(gòu)方法）進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究。對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的模型試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的總阻力比初始設(shè)計(jì)方案減小5.23%。為了推進(jìn)SBD技術(shù)能夠面向?qū)嶋H的工程應(yīng)用，Peri和Campana等[2]以解決高精度CFD數(shù)值計(jì)算帶來的響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)和計(jì)算費(fèi)用問題為目標(biāo)，對(duì)簡(jiǎn)約策略—近似技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)和研究。Yang等[3]基于NURBS船體幾何變形方法開展了船舶球艏水動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)。

國(guó)內(nèi)近幾年在該領(lǐng)域的研究也取得很大的進(jìn)步，許多關(guān)鍵技術(shù)問題也已取得突破。中國(guó)船舶科學(xué)研究中心開展了眾多以減阻為目標(biāo)的船型優(yōu)化設(shè)計(jì)研究工作：針對(duì)6 600DWT、44 600DWT等多型散貨船開展了線型優(yōu)化設(shè)計(jì)，減阻效果及推進(jìn)效率提升十分顯著[4-6]；以某艦船作為設(shè)計(jì)對(duì)象，開展了經(jīng)濟(jì)速度與設(shè)計(jì)航速下的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明最優(yōu)方案與原方案在兩個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的模型總阻力分別減小了5.5%和5.1%，且減阻效果得到了模型試驗(yàn)驗(yàn)證[7-9]。

本文首先介紹了探索一號(hào)科考船改型設(shè)計(jì)，采用基于RANS的數(shù)值評(píng)估方法對(duì)改型前后船舶阻力進(jìn)行計(jì)算分析。之后，簡(jiǎn)要地闡述了SBD船型設(shè)計(jì)方法，并以改型方案為對(duì)象，采用SBD技術(shù)對(duì)其艏部線型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析。

1 艏部改型設(shè)計(jì)與阻力預(yù)報(bào)分析

1.1 艏部改型方案

“探索一號(hào)”科考船是在原多功能工程作業(yè)船“海洋石油299”的基礎(chǔ)上改建而成，依據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，僅保留原船尾半段船體，艏部線型重新設(shè)計(jì)。艏部改型設(shè)計(jì)方案與原船相比，長(zhǎng)度增加了13.8 m，設(shè)計(jì)吃水由6.35 m變?yōu)?.50 m，排水體積增加了245.5 m3。改型前后船舶主尺度參數(shù)見表1。船體外形示意圖如圖3所示。

圖3 原船與改型設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.3 The side view of original and redesign case

表1 船舶主尺度Tab.1 Principal dimensions of ship

1.2 改型設(shè)計(jì)前后阻力數(shù)值計(jì)算與分析

本文采用高精度的RANS方法對(duì)原型和設(shè)計(jì)方案的船舶模型阻力進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)。湍流模型選用SST k-ω，自由面采用level-set方法處理。采用重疊網(wǎng)格技術(shù)，船體貼體網(wǎng)格與背景網(wǎng)格重疊，網(wǎng)格單元數(shù)量約為60萬（一半計(jì)算域），其中第一層網(wǎng)格間距根據(jù)y+確定（y+平均約為50）。計(jì)算域及船體表面網(wǎng)格如圖4和圖5所示。

圖4 計(jì)算域Fig.4 Computation region

圖5 原船與改型設(shè)計(jì)方案表面網(wǎng)格Fig.5 The hull surface mesh of original and redesign case

表2 原船與改型設(shè)計(jì)方案阻力計(jì)算結(jié)果及比較Tab.2 Comparison of resistance components between the original and the redesign case

計(jì)算模型的縮比為1：15，分別計(jì)算了對(duì)應(yīng)實(shí)船航速8 kns、10 kns、12 kns、14 kns和16 kns時(shí)的模型阻力。結(jié)果見表2，自由面興波見圖6～8。從表中可以看出：改型設(shè)計(jì)方案在對(duì)應(yīng)實(shí)船航速Vs=8～16 kns時(shí)，模型阻力減小了2%～5%左右，實(shí)船總阻力分別減小了1%～5%左右，其中12 kns時(shí)，實(shí)船總阻力減小了2.9%，改型設(shè)計(jì)方案的排水量較原船增加4.1%。從興波云圖可以看出，改型方案的興波波形與原船不同（船長(zhǎng)的變化引起的），波幅明顯小于原船。

圖6 原船與改型設(shè)計(jì)方案Vs=10.0 kns時(shí)的自由面波形云圖Fig.6 Comparison of wave contours between the original and the redesign case(Vs=10.0 kns)

圖8 原船與改型設(shè)計(jì)方案Vs=14.0 kns時(shí)的自由面波形云圖Fig.8 Comparison of wave contours between the original and the redesign case(Vs=14.0 kns)

2 基于SBD技術(shù)的艏部線型優(yōu)化設(shè)計(jì)

在改型設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，采用SBD船型設(shè)計(jì)方法以阻力最優(yōu)為目標(biāo)開展線型優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先對(duì)SBD船型設(shè)計(jì)方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，之后詳細(xì)地描述了艏部線型優(yōu)化設(shè)計(jì)過程及其結(jié)果分析。

2.1 船型SBD設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介

SBD船型設(shè)計(jì)方法是以先進(jìn)的CFD技術(shù)為依托，以超級(jí)計(jì)算機(jī)集群的高速計(jì)算能力為基礎(chǔ)，結(jié)合船體幾何重構(gòu)與變形技術(shù)，并將其融入基于現(xiàn)代優(yōu)化分析理論的設(shè)計(jì)流程，建立的一種嶄新的源于嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)理控制、基于知識(shí)化的船舶水動(dòng)力構(gòu)型設(shè)計(jì)模式。它是以船舶一項(xiàng)或多項(xiàng)水動(dòng)力性能最優(yōu)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，在給定的約束條件和構(gòu)型設(shè)計(jì)空間內(nèi)，通過CFD數(shù)值評(píng)估技術(shù)和現(xiàn)代最優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶水動(dòng)力構(gòu)型的優(yōu)化求解（逆問題求解），最終獲得給定條件下的水動(dòng)力性能最優(yōu)的船型。

該設(shè)計(jì)方法具有如下特點(diǎn)：設(shè)計(jì)過程是目標(biāo)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)依據(jù)是最優(yōu)化理論；設(shè)計(jì)手段是先進(jìn)CFD技術(shù)；設(shè)計(jì)質(zhì)量是滿足約束條件的最優(yōu)設(shè)計(jì)。主要關(guān)鍵技術(shù)包括以下三個(gè)方面。

2.1.1 最優(yōu)化技術(shù)

最優(yōu)化技術(shù)是區(qū)別于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、體現(xiàn)知識(shí)化船型設(shè)計(jì)的重要特征，是求解船型優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的科學(xué)方法和必要手段。最優(yōu)化技術(shù)在整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程中充當(dāng)“指路器”：即為優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的求解提供科學(xué)方法，科學(xué)地指導(dǎo)最優(yōu)解的搜索方向。其作用是快速、準(zhǔn)確地搜索到構(gòu)型設(shè)計(jì)空間中的全局最優(yōu)解。

2.1.2 船體幾何重構(gòu)技術(shù)

船體幾何重構(gòu)技術(shù)是聯(lián)系優(yōu)化算法（設(shè)計(jì)變量）與船舶性能分析評(píng)估（目標(biāo)函數(shù)）之間的橋梁和紐帶，同時(shí)也是船型優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，必需首先對(duì)船體幾何進(jìn)行參數(shù)化表達(dá)，利用盡可能少的參數(shù)實(shí)現(xiàn)船體幾何的重構(gòu)，并且要建立船體表達(dá)參數(shù)與優(yōu)化過程中設(shè)計(jì)變量之間的聯(lián)系。船體幾何重構(gòu)技術(shù)在整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程中充當(dāng)“鏈接器”：其作用是自動(dòng)生成盡可能多的設(shè)計(jì)方案；直接決定船型優(yōu)化問題的設(shè)計(jì)空間“大小”。

2.1.3 船舶水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)評(píng)估技術(shù)

船舶水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)評(píng)估技術(shù)是建立船型優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)，是連接船體幾何外形和優(yōu)化平臺(tái)的紐帶。水動(dòng)力性能的預(yù)報(bào)精度直接影響著優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的質(zhì)量。用于船型優(yōu)化設(shè)計(jì)的船舶水動(dòng)力性能評(píng)估方法應(yīng)該具備以下條件：預(yù)報(bào)精度盡可能高且穩(wěn)定；預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)船體幾何變化比較敏感，即具有較好的“分辨率”；計(jì)算響應(yīng)快捷、高效。然而，精度高、“分辨率”好與計(jì)算響應(yīng)快捷高效往往相互矛盾，這給水動(dòng)力性能評(píng)估方法帶來了非?？量痰囊?。本文采用基于RANS的CFD數(shù)值評(píng)估技術(shù)，已在多個(gè)船型設(shè)計(jì)中進(jìn)行了應(yīng)用[4，6，8-9]，能夠滿足上述要求。

2.2 艏部線型優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)及其評(píng)估方法

應(yīng)用SBD船型設(shè)計(jì)方法對(duì)設(shè)計(jì)方案艏部線型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以船模（縮比λ=1：15）在Fn=0.203（即實(shí)船航速Vs=12 kns）時(shí)的總阻力最小作為優(yōu)化目標(biāo)，即：

優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中的阻力評(píng)估采用上節(jié)介紹的數(shù)值計(jì)算方法。

2.2.2 設(shè)計(jì)變量及約束條件

船體幾何重構(gòu)采用FFD方法，將船舯前部分裝入控制體中，共選擇十二組頂點(diǎn)，每組為一個(gè)設(shè)計(jì)變量共十二個(gè)設(shè)計(jì)變量，實(shí)現(xiàn)船體的自動(dòng)變形與重構(gòu)。排水量約束，船體濕表面積約束，船長(zhǎng)、寬、吃水等主尺度參數(shù)保持不變。

2.2.3 優(yōu)化算法

優(yōu)化算法的選擇對(duì)優(yōu)化問題的求解至關(guān)重要，合適的優(yōu)化算法不僅可以提高搜索效率，而且可以避免搜索陷入局部最優(yōu)解，提高獲得全局最優(yōu)解的可靠性。本文采用基于隨機(jī)搜索的粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization,PSO）對(duì)船體線型優(yōu)化設(shè)計(jì)問題進(jìn)行求解。該算法在船舶水動(dòng)力性能優(yōu)化設(shè)計(jì)中已得到廣泛的應(yīng)用，其基本原理及優(yōu)化過程見參考文獻(xiàn)[7]。

2.2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果及其分析

以船模（縮比1:15）在Fn=0.203時(shí)的總阻力最小作為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)其線型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。PSO算法的種群粒子數(shù)為36個(gè)，共迭代10次。船模阻力數(shù)值計(jì)算在并行計(jì)算機(jī)上進(jìn)行（共使用八個(gè)節(jié)點(diǎn)），完成整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)共用時(shí)約180個(gè)小時(shí)。優(yōu)化方案與設(shè)計(jì)方案模型阻力結(jié)果比較如表3和圖9所示，船體外形與線型比較如圖10所示。

從表3可知，優(yōu)化方案在航速12 kns時(shí)的模型總阻力減小了7.7%，剩余阻力系數(shù)減小了26.6%；排水量和濕表面面積略有減小，分別為0.37%和0.19%。表中還給出了其他航速時(shí)的阻力結(jié)果對(duì)比，可以看出在12 kns和14 kns附近總阻力的收益十分顯著。

圖9 最優(yōu)方案與改型設(shè)計(jì)方案模型總阻力比較Fig.9 Comparison of the total resistance between the optimized and the redesign case at different speeds

圖10 最優(yōu)方案與改型設(shè)計(jì)方案線型比較Fig.10 Comparison of bodyplan between the optimized and the redesign hullform

圖11 優(yōu)化方案與改型設(shè)計(jì)方案自由面興波波幅比較Fig.11 Comparison of wave contours between the optimized and the redesign case

表3 優(yōu)化方案和改型設(shè)計(jì)方案模型阻力數(shù)值計(jì)算結(jié)果比較（模型縮比1：15）Tab.3 Comparison of resistance components between the optimized and the redesign case(λ=1:15)

圖11給出了優(yōu)化方案和設(shè)計(jì)方案自由面興波波幅云圖比較，從圖中可以看出優(yōu)化方案的自由面興波波幅較設(shè)計(jì)方案明顯減小。

3 結(jié) 論

本文介紹了“探索一號(hào)”科考船船體改型設(shè)計(jì)，采用CFD數(shù)值方法對(duì)其阻力性能進(jìn)行了計(jì)算分析；之后，基于SBD數(shù)值仿真設(shè)計(jì)方法，以航速12 kns時(shí)的總阻力作為優(yōu)化目標(biāo)，采用PSO優(yōu)化算法對(duì)其線型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：在滿足工程約束條件下，最優(yōu)方案總阻力收益十分顯著，航速12kns時(shí)模型總阻力減小了7.7%，換算到實(shí)船總阻力減小了11.6%。SBD船型設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用為“探索一號(hào)”科考船快速性能提升提供了有力的技術(shù)支撐。

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