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(中國船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海 200011)

傳統(tǒng)的船型優(yōu)化方法通常借助船模水池試驗進(jìn)行，但模型試驗周期長，花費高且尋找優(yōu)化方向困難。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和計算流體力學(xué)CFD技術(shù)的日趨完善，基于CFD數(shù)值模擬進(jìn)行線型優(yōu)化已發(fā)展得比較成熟[1-2]。而要實現(xiàn)船型的自動優(yōu)化，CAD與CFD軟件間的數(shù)據(jù)傳遞就成為了其關(guān)鍵技術(shù)之一。在國內(nèi)，隨著CAD與CFD的不斷應(yīng)用，對接口方面也有了一定的積累，并開發(fā)了一系列的接口程序[3-4]。但不同軟件間模型的表達(dá)方式一般也不同，開發(fā)的接口往往只能適用于特定的軟件。本文主要對接口技術(shù)進(jìn)行研究，以常用格式的模型文件為基礎(chǔ)，針對一系列有著相似模型表達(dá)要求的CAD、CFD軟件開發(fā)相應(yīng)的接口程序，以實現(xiàn)船體型值數(shù)據(jù)的相互傳遞。見圖1。

1 模型文件與接口開發(fā)原理

表述船型的SHF模型文件的格式主要有以下規(guī)則：坐標(biāo)系統(tǒng)的原點位于艉垂線和零水線的交點處，x方向向船艏為正，z方向向上為正；模型文件是一個文本文件，船體的定義是分組進(jìn)行的，每一組以組名開始，默認(rèn)為：bulb、boss、main和aft，見圖2。各分組的每一行數(shù)據(jù)包含一個點的x、y和z坐標(biāo)值以及狀態(tài)標(biāo)識；各組內(nèi)的橫剖線次序必須從船艏至船艉，每一橫剖線上的各點必須從龍骨向上排列；橫剖線上的第一個點的狀態(tài)標(biāo)識為1，其它點為0，每一組以狀態(tài)標(biāo)識9結(jié)束。SHF文件標(biāo)準(zhǔn)格式見圖3。

圖2 SHF型值文件分組示意

圖3 SHF型值文件標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式

中國船舶科學(xué)研究中心和日本NMRI分別自主開發(fā)的SHIPFW[5]和SPICA軟件以及耐波性軟件WASIM的計算主要基于切片理論，需要吃水以下各剖面上的型值數(shù)據(jù)作為計算模型；NAPA軟件在建模時也只需要船體各剖面上的型值數(shù)據(jù)。這類軟件模型文件的表達(dá)方式類似，剖面線和剖面線上型值點的選取與標(biāo)準(zhǔn)型值表中站線和水線的選取也較為一致。SHF格式的模型文件雖然能夠精確地描述船體曲面各剖面線上的型值點坐標(biāo)，但其包含的剖面線和型值點數(shù)量過多且分布散亂。通過手工查找的方式無法快速精確地將SHF文件轉(zhuǎn)換為上述軟件需要的幾何模型。

本文開發(fā)的接口程序，能夠?qū)HF文件中的型值數(shù)據(jù)重新擬合成船體曲線，通過對船體曲線進(jìn)行插值，從而得到新的模型文件。對于船體曲線的擬合插值，本文選用三次B樣條曲線。相比于傳統(tǒng)的樣條函數(shù)，B樣條有著直觀性強、保凸性好、局部性佳、適應(yīng)性廣泛等優(yōu)點[6]。經(jīng)驗表明，對于船體曲線的擬合，B樣條曲線也更為適用，本文在編寫程序時，也對此進(jìn)行了驗證。

B樣條曲線的方程為[7-8]

(1)

式中：di——控制頂點，di(i=0,1,…,n);

k——k次規(guī)范B樣條基函數(shù),Ni,k(u)(i=0,1,…,n)。

計算節(jié)點區(qū)間u∈[ui,ui+1]上一組k次B樣條基函數(shù)Ni-3,3(u),Ni-2,3(u),Ni-2,3(u)及Ni,3(u)

(2)

上式中，當(dāng)節(jié)點區(qū)間是均勻的，且間隔為1，k=3時，則得到三次均勻B樣條曲線，其矩陣表示為

0≤t≤1,i=0,1,…,n-3

(3)

2 接口程序工作流程

本文開發(fā)的接口程序具體目標(biāo)就是讀入SHF格式的模型文件，按照SHF文件的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，找出文件中構(gòu)造模型的各種船體曲線，對這些曲線重新進(jìn)行擬合、插值和排序，最后生成并輸出上述各軟件計算或建模所需要的接口文件。對SHF格式型值文件處理的流程見圖4。

圖4 接口程序工作流程

以常規(guī)單槳船為例，接口具體工作流程如下。

1)模型文件的讀取與曲線擬合。首先對SHF模型文件進(jìn)行讀取，其流程見圖5。并按照船體曲面的分組標(biāo)識與型值點的狀態(tài)標(biāo)識將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，統(tǒng)計出每一分組中橫剖線的個數(shù)及每一條橫剖線上的型值點個數(shù)。

圖5 SHF模型文件讀取流程

然后對每條橫剖線上的型值點進(jìn)行判斷，將特征點提取出來組成新的特征曲線，比如艏艉輪廓線、平邊線和平底線。根據(jù)這些特征曲線的特點，不同分組內(nèi)橫剖線上特征點的選取方式也不相同，具體的選取方法見表1。

表1 不同橫剖線分組的特征點選取

最后將上述各橫剖線、艏艉輪廓線，平邊線和平底線進(jìn)行擬合，構(gòu)建三次B樣條曲線，為下一步流程做準(zhǔn)備。

2)水線、站線的選取與插值。按照目標(biāo)模型文件要求，對船舶的站線和水線進(jìn)行選取。水線的選?。撼嬎愠运?，3 m以下每0.5 m選取一條水線，3 m以上每1 m選取一條水線。站線的選?。阂话闳?0站，即將垂線間長20等分，然后在船艏和船艉對站線進(jìn)行加密，有球鼻艏的另加3站，最終選取約30條站線。

然后進(jìn)行插值，首先是垂向插值，將每一條擬合好的剖面線、艏艉輪廓線在垂直方向上對上述各水線高進(jìn)行插值；然后將插值出的各橫剖線上相同水線高的坐標(biāo)點重新進(jìn)行曲線擬合，得到各水線；然后進(jìn)行縱向插值，即將水線、平底線和平邊線在縱向方向上對上述站線位置進(jìn)行插值。插值結(jié)束后即可得到各水線與各站線交點位置處的船體半寬值，見圖6。

圖6 水線與站線的選取與插值

3)型值文件的輸出。按照標(biāo)準(zhǔn)的型值表文件、SHIPFW和SPICA軟件的型值輸入文件、NAPA軟件的建模型值文件以及WASIM軟件計算用建模型值文件的具體格式，或其它有著類似型值文件要求的CAD或CFD軟件所需模型文件的具體格式，將上述插值出的各型值數(shù)據(jù)進(jìn)行排列，輸出最終的模型文件。

3 接口的驗證與應(yīng)用

3.1 模型擬合度驗證

為了驗證接口程序在轉(zhuǎn)換模型文件時的精確度，選取一艘常規(guī)集裝箱船和一艘雙艉鰭散貨船，對轉(zhuǎn)換前后幾何模型的擬合程度進(jìn)行驗證。采用接口程序?qū)HF模型文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，分別生成30條站線，每條站線上約有30個型值點。對轉(zhuǎn)換前后的幾何模型進(jìn)行作圖分析，見圖7～9。

圖7 典型橫剖線對比

圖8 集裝箱船船艏典型水線對比

圖9 雙艉鰭船艉軸出口典型水線對比

圖中曲線表示原SHF格式的幾何模型，點表示轉(zhuǎn)換后得到的幾何模型。圖7顯示了集裝箱船和雙艉鰭船艉部典型橫剖線經(jīng)垂向插值得到的幾何模型與原模型的擬合程度；圖8和圖9分別顯示了集裝箱船艏和雙艉鰭散貨船艉軸出口處的水線經(jīng)縱向插值得到的幾何模型與原模型的擬合程度。由圖可知，轉(zhuǎn)換前后的幾何模型，在球艏、雙艉鰭船艉軸出口等曲率變化比較大的區(qū)域，擬合程度都非常高，從而也證明了三次B樣條曲線在擬合船體曲線方面上的適用性。

3.2 接口的應(yīng)用實例

以KVLCC2船型為例，對接口程序的實用性進(jìn)行驗證。通過SHIPFLOW將KVLCC2的IGES模型轉(zhuǎn)換為SHF模型文件。首先用接口程序?qū)HF文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到offset.csv等5個表述船型的型值文件，導(dǎo)入NAPA軟件中即可得到圖10所示的幾何模型。通過靜水力計算分析轉(zhuǎn)換前后幾何模型的擬合程度，計算結(jié)果見表2。

圖10 KVLCC2的IGES模型與NAPA模型

表2 轉(zhuǎn)換前后靜水力數(shù)據(jù)對比

對比項IGES模型NAPA模型數(shù)據(jù)對比/%吃水D/m20.820.8排水體積▽/m3312 622312 712+0.029濕表面積S/m227 19427 170-0.088浮心縱向坐標(biāo)LCB/m171.207171.211+0.002水線面系數(shù)Cw0.901 70.902 2+0.055方形系數(shù)Cb0.809 80.810 0+0.025

然后將SHF文件用接口程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到SHIP.IN和ship1-in.dat型值文件，文件所包含的船型剖面信息見圖11。采用SHIPFW和SPICA軟件的波浪增阻計算模塊對其進(jìn)行求解，圖12即為KVLCC2船在蒲氏6級海況下以某一航速頂浪航行時的波浪增阻計算結(jié)果，其中橫坐標(biāo)為波長船長比λ/Lpp，縱坐標(biāo)為無因次增阻系數(shù)Kraw。

圖11 經(jīng)轉(zhuǎn)換得到的fw計算所需幾何模型

圖12 波浪增阻計算結(jié)果

最后將SHF模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到ship.pln文件，導(dǎo)入WASIM軟件，即可得到計算所需要的幾何模型與網(wǎng)格信息，見圖13a)。KVLCC2船在蒲氏6級海況下以某一航速航行時，不同浪向角下的縱搖頻率響應(yīng)計算結(jié)果見圖13b)。

圖13 WASIM計算幾何模型與縱搖計算結(jié)果

將上述結(jié)果與通過手工準(zhǔn)備輸入文件計算得到的結(jié)果進(jìn)行比較，其結(jié)果基本一致。即基于本文開發(fā)的接口程序進(jìn)行船舶CAD軟件與上述軟件間的型值數(shù)據(jù)交換是可行的。通過開發(fā)的接口程序，即可將上述性能評估軟件集成到某些CAE集成框架，如FRIENDSHIP軟件中，從而實現(xiàn)船型的自動優(yōu)化[9]。

4 結(jié)論

采用三次B樣條函數(shù)擬合船體曲線，即使在曲率變化比較大時，也能夠達(dá)到較高精度；開發(fā)的接口程序不僅適用于常規(guī)單槳船，還適用于雙艉鰭船型SHF格式的轉(zhuǎn)換；經(jīng)接口程序轉(zhuǎn)換得到的模型文件，能夠直接應(yīng)用于SHIPFW、SPICA、WASIM和NAPA軟件，比之手工準(zhǔn)備型值數(shù)據(jù)，效率得到了極大的提高，計算的精度也能得到保證。

通過本文開發(fā)的接口程序，能夠?qū)崿F(xiàn)SHF文件向標(biāo)準(zhǔn)型值表文件的轉(zhuǎn)換。因此，除上述軟件外，對于其它有著類似模型文件表達(dá)方式要求的軟件，都可以基于本文的接口程序增加相應(yīng)的輸出模塊，對型值數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，得到軟件需要的模型文件。本接口程序的開發(fā)不僅為船型與其它性能評估軟件間的數(shù)據(jù)集成提供了一條技術(shù)途徑，也為下一步實現(xiàn)基于CFD的船型多性能綜合自動優(yōu)化的研究打下了基礎(chǔ)。

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