船舶CAD CFD一体化设计过程集成技术研究
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972023年·第4期·总第205期基于CFD的直接进气系统在船舶上的研究与应用冯树才 曲东旭 陈彦臻 李 智(中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011)摘 要:…为进一步降低船舶能耗,该文以某大型散货船为研究对象,提出直接进气系统的设计方案。
基于计算流体力学(computational…fluid…dynamics,…CFD)数值模拟法,对设计的合理性进行分析,并对直接进气系统在实船上的应用进行探讨。
理论分析与实船验证结果表明:进气风道内流速与设计流速相符,直接进气系统总阻力远低于许用限制值,通过增压器的自吸能力可直接吸入舷外空气,系统设计合理;应用该系统后,主机、辅机油耗降低,机舱风机运行总能耗降低50%,初始投资回收周期短,可降低船舶运营成本。
关键词:直接进气系统;计算流体力学;数值模拟;实船应用;船舶运营成本中图分类号:U664.86………文献标志码:A………DOI :10.19423/ki.31-1561/u.2023.04.097Research and Application of Direct Air Intake System on ShipsBased on Computational Fluid DynamicsFENG Shucai QU Dongxu CHEN Yanzhen LI Zhi(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)Abstract: A design scheme of the direct air intake system of a large bulk carrier is proposed in order to reduce the energy consumption of the ship. The rationality of the design is analyzed by numerical simulation based on the computational fluid dynamics (CFD). And the application of the direct air intake system on the ship is also discussed. Theoretical analysis and ship trial show that the flow velocity in the intake duct is consistent with the designed flow velocity, and the total resistance of the direct intake system is much lower than the allowable limit value. The outboard air can be directly inhaled through the self-absorption capacity of the turbocharger, and the system design is reasonable. By applying this system, the fuel consumption of the main engine and auxiliary engine is reduced, the total energy consumption of the fan in the engine room is reduced by 50%, and the initial investment recovery cycle is short with reduced cost of ship operation.Keywords:…direct air intake system; computational fluid dynamics(CFD); numerical simulation; real ship application; ship operating costs收稿日期:2023-05-08;修回日期:2023-06-15作者简介:冯树才(1981-),男,本科,高级工程师。
集装箱船型线多速度点的数值优化陈红梅;冯毅;于海;王金宝【摘要】为获得更优化的EEDI指数,集装箱船需要基于营运范围内的型线优化,以实现油耗降低。
文章以某集装箱船为研究对象,利用数值优化集成系统,采用最优化技术、曲面自由变形技术(FFD)和计算流体力学技术(CFD),对船体首部型线进行优化。
数值计算表明:所得到的优化型线高速段功率略有增加、低速段功率显著降低。
%The hull form of a container ship is optimized during its operation to attain optimal EEDI index, resulting in the reduction of oil consumption. The bow of a container ship is optimized based on the numerical optimization integration system, which incorporates the optimization technique, the free-form deformation (FFD) technique, and the computational lfuid dynamics (CFD) technique. The numerical results show that the power of the optimized hull line increases slightly at high speed, but decrease remarkably at low speed.【期刊名称】《船舶》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】5页(P8-12)【关键词】数值优化集成系统;最优化技术;自由变形技术;计算流体力学技术【作者】陈红梅;冯毅;于海;王金宝【作者单位】中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011;中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011;中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011;中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011【正文语种】中文【中图分类】U661.31+2降低船舶的设计航速,将导致所需推进功率的相应降低[1]。
利用CAD进行船舶模型设计船舶是人类创造的巨大水上交通工具,它在贸易、军事和旅游等领域发挥着重要作用。
为了确保船舶的设计和建造符合各项技术标准和安全要求,利用计算机辅助设计(CAD)进行船舶模型设计成为现代工程师的重要工作。
本文将介绍如何利用CAD进行船舶模型设计的基本步骤和技巧。
1. 船舶模型设计的基本步骤船舶的模型设计通常包括以下几个步骤:确定设计目标、收集船舶数据、绘制船舶草图、建立三维模型、进行性能评估和优化。
在确定设计目标时,设计师需要明确船舶的类型、用途和性能要求,例如船舶的载重量、速度和航行范围等。
这些目标将指导设计师在后续的工作中进行数据收集和模型设计。
数据收集是船舶模型设计的重要一步。
设计师需要收集有关船舶尺寸、重量、浮力、稳定性、推进系统和航行性能等方面的数据。
这些数据可以通过文献调研、实地观察和现有船舶的技术手册等途径获取。
绘制船舶草图是将船舶模型设计转化为可视化的过程。
设计师可以利用CAD软件中的绘图工具,按照收集到的数据和设计目标,绘制船舶的外部轮廓和内部构造的草图。
在绘制草图的过程中,设计师可以根据需要添加和调整细节,以使船舶的外观和功能更完善。
建立三维模型是进行船舶模型设计的关键步骤。
设计师可以利用CAD软件中的三维建模工具,根据船舶的草图和设计要求,创建船体表面、船舱结构和船舶设备的三维模型。
在建立三维模型的过程中,设计师需要遵循船舶设计的几何原理和工程要求,确保船舶的结构稳定和性能良好。
进行性能评估和优化是船舶模型设计的最后一步。
设计师可以利用CAD软件中的分析工具,对船舶的稳性、推进性能和水动力特性等进行仿真和评估。
根据评估结果,设计师可以对船舶的结构和布局进行优化,提高船舶的性能和安全性。
2. 利用CAD进行船舶模型设计的技巧在利用CAD进行船舶模型设计时,设计师可以采用以下几个技巧提高效率和准确性。
首先,合理利用CAD软件中的工具和插件。
CAD软件通常提供了丰富的工具和插件,用于绘图、建模、分析和渲染等方面的功能。
CAD在船舶设计中的应用在船舶设计中,计算机辅助设计(CAD)技术的应用越来越广泛。
CAD技术利用计算机软件和硬件来辅助进行船舶设计,提高了设计的效率和精度。
本文将就CAD在船舶设计中的应用进行探讨。
一、CAD技术概述计算机辅助设计(CAD)是一种以计算机技术为基础的设计方法,通过使用计算机软件和硬件,辅助工程师完成设计、分析、绘图和制造等工作。
CAD技术可以大大提高设计的效率,减少错误和重复工作,提高设计质量。
二、CAD在船舶设计中的应用1. 线框图设计:CAD软件可以绘制船舶的线框图,显示船舶的外形和结构。
工程师可以根据需求进行设计和修改,并进行三维模型的建立。
CAD软件的线框图设计功能方便了船舶设计师的工作。
2. 结构设计:在船舶结构设计中,CAD技术可以帮助工程师绘制船体的各个部分,并进行优化。
CAD软件拥有强大的建模和分析功能,能够模拟各种载荷情况下的结构响应,并进行强度和稳定性分析。
这样可以帮助设计师优化船舶结构,确保船体的强度和稳定性。
3. 船板展开:CAD软件可以将船舶的三维模型展开成平面,方便制作船板。
工程师可以根据展开平面图制作具体尺寸的船板,并进行切割、拼接和连接等操作。
CAD软件的船板展开功能大大提高了船舶制造的效率。
4. 电气系统设计:在船舶的电气系统设计中,CAD技术可以辅助工程师进行电气布线和元件安装的设计。
CAD软件可以根据设计要求生成电气系统的布线图和接线图,并进行电气负载和功耗的计算。
这样可以确保船舶的电气系统设计合理且安全可靠。
5. 造型设计:CAD技术可以帮助设计师进行船舶的造型设计。
通过CAD软件的建模功能,设计师可以根据船舶外形的要求进行造型设计,并进行外部造型的修改和调整。
CAD软件的造型设计功能可以帮助设计师实现船舶的美观和流线型设计。
三、CAD在船舶设计中的优势1. 提高设计精度:CAD技术可以实现高精度的设计和分析。
通过CAD软件的建模和分析功能,可以准确预测船舶结构在不同载荷下的响应,优化设计参数,提高设计精度。
CFD在船舶建模中的应用研究CFD(计算流体力学)是一种基于数值计算的方法,用于模拟流体的运动和相互作用。
在船舶建模领域,CFD已成为一种重要的工具,被广泛应用于设计优化、性能评估和安全分析等方面。
一般来说,CFD在船舶建模中的应用主要涉及以下几个方面:1.流体流动模拟:在船舶的设计过程中,了解船舶在不同速度和水深条件下的流体流动情况非常重要。
利用CFD模拟,可以预测船舶在各种航行条件下的阻力、波浪产生情况和船体流线等。
这些模拟结果可以帮助设计师优化船体形状、改进尾流和减小阻力,提高船舶的性能表现。
2.船舶结构应力分析:船舶结构的应力分析非常关键,它可以评估船舶在正常或极端工作条件下的结构强度和可靠性。
CFD可以模拟船舶受到水流、波浪和风力等因素的作用,预测船体和各个部件的力学响应,包括弯曲、扭转、拉伸和剪切等。
这些模拟结果可以帮助设计师改进船体结构,使其更加坚固和安全。
3.船舶操纵和操纵性评估:在船舶设计中,操纵性是一个重要的考虑因素。
CFD可以模拟船舶在不同操纵条件下的响应和行为,包括转向性能、顺行性能和侧向力等。
基于这些模拟结果,设计师可以调整舵角、尾流导流板和船体形状等,以改善船舶的操纵性和响应性。
4.船舶水动力性能评估:在船舶建模中,CFD可以用来评估船舶的水动力性能,包括速度、推进效率和船头抬升情况等。
通过模拟不同船体形状和推进方案的性能表现,可以比较不同设计方案的优劣,为船舶性能的改进提供指导。
5.环境保护和排放控制:随着对环境保护要求的提高,船舶排放控制成为一个重要的问题。
CFD可以模拟船舶排放物在大气和水中的传播情况,预测其浓度分布和影响范围。
这些模拟结果可以帮助设计师优化船舶排放措施,减少对环境的影响。
综上所述,CFD在船舶建模中的应用研究可以提供有关船舶流体流动、结构应力、操纵性能、水动力性能和环境影响等方面的重要信息。
这些信息可以帮助设计师改进船舶设计,提高其性能和安全性。
船舶工程技术系统设计建模和仿真技术船舶工程技术系统设计建模和仿真技术是现代船舶设计与建造领域中的一项重要技术。
通过采用计算机辅助设计和仿真技术,可以有效提高船舶建造过程中的效率和质量,同时减少成本和资源投入。
本文将对船舶工程技术系统设计建模和仿真技术进行详细探讨,并介绍其在船舶建造领域中的应用。
一、技术原理和方法在船舶工程技术系统设计建模和仿真技术中,主要涉及到以下几个方面:1.1 船舶系统建模船舶系统建模是指将船舶系统的各个组成部分进行抽象化,通过数学模型的方式进行描述和分析。
这些组成部分包括船体结构、动力系统、工艺装备等。
通过建立准确的数学模型,可以对船舶系统的性能进行评估和优化。
1.2 仿真技术仿真技术是指利用计算机进行虚拟实验,模拟船舶在不同工况下的运行情况,并通过仿真结果进行评估和优化设计。
通过仿真技术,可以减少试验的时间和成本,提高设计的可靠性和精度。
二、应用案例以下是几个船舶工程技术系统设计建模和仿真技术在船舶建造领域中的应用案例:2.1 船体结构设计利用船舶工程技术系统设计建模和仿真技术,可以对船体结构进行设计和优化。
通过建立船体结构的数学模型,并结合材料力学和结构强度分析,可以评估船体结构的强度、刚度和稳定性,并进行结构优化,从而提高船舶的安全性和航行性能。
2.2 船舶动力系统设计船舶动力系统是船舶的核心部分,对船舶的推进性能和能效具有重要影响。
通过船舶工程技术系统设计建模和仿真技术,可以对船舶动力系统的工艺流程进行建模和仿真,从而评估动力系统的性能和工况下的能效,为船舶动力系统设计提供理论依据和参考。
2.3 装备安装和布置优化在船舶建造过程中,装备安装和布置是一个复杂而关键的环节。
通过船舶工程技术系统设计建模和仿真技术,可以对装备的安装位置、布局和连接方式进行优化设计。
通过仿真结果的分析和评估,可以选择最佳的装备方案,提高装备的可靠性和船舶的整体性能。
三、技术挑战和展望船舶工程技术系统设计建模和仿真技术在船舶建造领域中的应用已经取得了显著的成果。
CAD技术在船舶工程设计中的应用CAD(Computer-Aided Design,计算机辅助设计)是一种广泛应用于各个领域的设计工具,包括船舶工程设计。
CAD技术的应用使得船舶工程设计更加高效、精确,大大提升了设计师的工作效率和设计质量。
本文将重点介绍CAD技术在船舶工程设计中的应用。
首先,CAD技术在船舶设计中的一个重要应用是船体的三维建模。
传统的船舶设计需要手工绘制设计图纸,而CAD技术可以将船体的各个部分进行三维建模,通过简单的鼠标操作就可以实现船体的旋转、缩放和移动等操作。
这样设计师可以更加直观地了解整个船体的结构和外观,从而更好地进行设计优化和改进。
其次,CAD技术在船舶设计中的另一个重要应用是系统集成和碰撞检测。
船舶是一个复杂的系统,需要集成各种设备和系统,如动力系统、电气系统、通信系统等。
利用CAD技术,设计师可以将各个系统的模型进行集成,并进行碰撞检测。
通过在CAD软件中进行系统集成和碰撞检测,设计师可以提前发现并解决各个系统之间的冲突和问题,避免在实际制造和装配过程中出现错误和故障。
另外,CAD技术还可以应用于船舶结构设计和强度分析。
船舶的结构设计是一个复杂的过程,需要考虑到船舶在各种外部环境下的受力情况,并满足一定的强度要求。
CAD技术可以将船体的结构进行建模,并进行强度分析。
设计师可以通过在CAD软件中进行各种受力分析,来优化船体的结构,提高船舶的强度和安全性。
此外,CAD技术还可以应用于船舶的机械设计和运动仿真。
船舶的机械系统包括发动机、传动装置等,这些机械系统的设计对于船舶的运行和性能至关重要。
利用CAD技术,设计师可以对船舶的机械系统进行建模和仿真,通过在CAD软件中进行各种运动分析和性能优化,来达到船舶的设计要求。
最后,CAD技术在船舶制造和装配过程中也起到了重要的作用。
船舶的制造和装配过程需要大量的图纸和工程数据,这些数据需要进行整理、管理和共享。
利用CAD技术,设计师可以将船舶的图纸和工程数据进行统一管理,实现各个部门之间的协作和信息共享。
多技术集成智能船舶系统构建体会发表时间:2018-03-19T15:22:19.880Z 来源:《防护工程》2017年第31期作者:肖远[导读] 文中针对船舶系统构建过程中所涉及到的集成技术展开了深入地研究与分析。
中国船舶工业系统工程研究院北京 100094摘要:文中针对船舶系统构建过程中所涉及到的集成技术展开了深入地研究与分析,阐述了计算机集成技术、智能集成技术与信息集成技术。
与此同时,将计算机集成技术作为研究重点,针对多技术集成的船舶智能信息管理系统进行了分析,希望有所帮助。
关键词:多技术集成;智能船舶系统;构建近年来,现代船舶系统的信息化与智能化程度显著提高。
在文中,针对多技术集成的智能船舶系统构建方式展开了深入地研究与探讨。
一般情况下,智能船舶系统的构建所依赖的关键技术主要有计算机集成技术、信息集成技术与智能集成技术等等。
由此可见,针对多技术集成智能船舶系统的构建展开进一步探究具有一定的现实意义。
一、集成技术概述(一)计算机集成技术对于智能船舶系统而言,应当借助计算机集成技术,对通用计算机网络予以有效地构建。
这一网络主要的功能就是采集不同种类的数据信息,因而也是船舶系统当中最关键的组成部分。
如果计算机网络出现了故障,船舶系统必然会整体瘫痪而无法正常运行。
现阶段,分布式控制系统与现场总线控制系统就是最常见且最为现代化的船舶网络系统。
通过对分布式控制系统的灵活应用,可以实现任务向各处理器的有效分散,尽量降低微机高度集中所带来的危险,使得系统本身实时处理的能力得以提高[1]。
而现场总线控制系统与分布式控制系统不同,不仅具有集中管理以及分散控制特征,同样在网络联通方面更具开放性,而且可以保证可靠地传输信号,具有较强的互操作性能。
如果船舶系统的需求相对较高,可以将FCS技术应用于其中。
(二)信息集成技术对于船舶系统而言,所需处理数据量巨大,所以应当借助信息集成技术来完成数据的高效处理与安全维护。
其中,所谓的信息集成技术具体指的就是系统软件集成技术,而数据库技术是其核心所在。
海洋工程船舶综合信息集成管理系统的数据库设计与优化随着海洋工程的快速发展,对于船舶综合信息集成管理系统的需求也越来越迫切。
海洋工程船舶综合信息集成管理系统是指利用现代信息技术手段,将船舶运营、维护、巡检等相关数据集成在一起,实现对船舶全生命周期进行管理和分析的系统。
数据库是海洋工程船舶综合信息集成管理系统的核心组成部分,其设计与优化对整个系统的性能和稳定性有着重要的影响。
本文将介绍海洋工程船舶综合信息集成管理系统数据库的设计原则、数据模型以及优化方法。
一、数据库设计原则1. 合理建立数据模型:根据船舶综合信息集成管理系统的业务需求,合理划分数据模型。
可以将船舶信息、设备信息、维修记录、人员管理等功能模块进行划分,并建立相应的表结构。
2. 规范命名规则:使用规范的命名规则来命名数据库中的表和字段,可以提高数据库的可读性和维护性。
例如,可以使用驼峰命名法或下划线命名法来命名表和字段。
3. 设计合适的数据类型:根据数据的特性,选择合适的数据类型来存储数据,避免浪费存储空间。
同时,也要考虑数据的索引和查询效率,选择合适的数据类型可以提高数据库的性能。
4. 建立适当的数据关系:根据不同数据表之间的关系,建立适当的数据关系,如一对一、一对多、多对多等。
可以使用外键来建立数据表之间的关系,通过外键可以实现数据的关联查询。
5. 设计良好的索引策略:在数据库中建立适当的索引可以提高查询效率和数据的访问速度。
根据查询的频率和业务需求,选择合适的字段来建立索引,并定期进行索引的优化和维护。
二、数据模型设计基于海洋工程船舶综合信息集成管理系统的需求,可以设计以下几个主要的数据模型。
1. 船舶信息模型:包括船舶编号、船名、船舶类型、船舶所有权、船舶位置、船舶状态等字段。
其中,船舶编号作为主键,用于唯一标识一艘船舶。
2. 设备信息模型:包括设备编号、设备名称、设备型号、设备类型、设备状态等字段。
其中,设备编号作为主键,用于唯一标识一个设备。
大连理工大学科技成果——船舶总体设计CAD软件系统一、产品和技术简介“船舶总体设计CAD软件系统”,它是融合现代造船技术、应用数学技术和计算机技术于一体的,面向多种类型船舶的报价设计、合同设计和部分详细设计的、基于微机和MSWindows98/NT平台的、有充分自主版权的、符合中国国情的专业实用集成CAD软件系统。
软件由BSRA/Todd60系列船型库、船体型线变换光顺设计和绘图子系统、Holtrop’92阻力预报子系统、MAU/B系列螺旋桨设计和绘图子系统、性能计算子系统、总布置设计绘图子系统、基本结构设计绘图子系统、舾装设计绘图子系统、电气设计绘图子系统和动力装置设计绘图子系统等组成。
它支持CCS/ABS/DNV/LR/BV/GL等船级社规范和IMO/SOLAS/MARPOL规则。
它具有友好的图形用户界面和集成的数据库管理,并提供以DXF数据格式与AutoCAD等第三方软件的接口。
它可以与基于Windows的其它应用软件进行动态连接与嵌入,提供计算、报表和图形为一体的文档输出。
二、应用范围造船厂、船舶设计开发研究单位等。
“船舶总体设计CAD软件系统”的研制得到了国家重点企业技术改造项目(CASIS三期工程)的资助,它的研究和开发作为CASIS三期工程的组成部分,从整体上来说,它代表中国国产造船软件的最高水平,功能上接近国外同类软件先进水平。
该软件系统已商品化。
三、规模与投资该软件已经在上海江南造船集团公司、无锡船厂、烟台救捞局、烟台北方造船厂、山东省水产研究所、乳山造船厂、马尾造船厂、大连造船厂、大连渔轮公司、北京渔船检验局等18个单位中使用,用于上百艘船舶设计,直接经济效益一千多万元。
中国有500余家中小型造船厂,其计算机应用相对落后,所以软件的推广前景乐观。
初探CADCAE一体化设计关注创意与设计本身,以技术集成,协同完成卓越的作品——CATIA Design总监Claude Bourbigot优美的建筑物是凝固的诗歌,奢华的游艇则是水面上跃动的精灵。
它以绰约的风姿成为海面上的靓丽风景,也以卓越的性能为艇主提供极致的体验。
如何做到造型与性能的完美结合?本期内容,带您初探CAD/CAE 一体化设计思路,感受VR技术进行的设计评审,以及3D体验平台的云协作模式,为您一解心头疑惑。
造型——3DSketch/IMACATIA的3DSketch和IMA工具犹如马良的神笔,为造型设计师提供了绝佳的设计助力。
从手绘到模型草图再到初步的3D曲面,设计师想要的,CATIA都有!性能——EKL、FEM和CFD来守护达康书记的GDP有热心观众守护,游艇的使用性能,也需要工程师来保证。
设计过程中,设计团队使用EKL完成了静水力性能校核,使用Abaqus进行了结构分析,使用流体软件进行了CFD性能分析。
评审——沉浸式VR技术,能触摸的美从3D EXPERIENCE Platform R2017x开始,VR对于任何用户已经是可以直接使用的了,设计人员可以在设计的任何阶段进入1:1的VR环境,进行3D数据感知。
协同——学科融合,技术集成,云端同步设计是一个螺旋式迭代演进的过程。
设计师和工程师彼此配合,将美和工程结合一体,互增所长、各取所需。
利用3D体验平台的云服务,跨越空间的限制进行合作;采用CAD/CAE一体化的设计思路,力争形式与功能的和谐统一。
当一位多情的设计师,遇上了另外一群耿直的理工男女,神奇的事情出现,这一游艇设计也应运而生。
前沿的设计理念被探寻,先进的技术手段被采用。
随性的美和严谨的工程,终于在这一设计流程中擦出了幸福的火花。
关于船舶的三维一体化设计研究发布时间:2022-09-20T02:48:59.594Z 来源:《科技新时代》2022年(2月)4期作者:张业威[导读] 2021年国家发布了“十四五”海洋经济发展规划,将进一步推动海洋高端张业威上海念扬船舶技术有限公司概论2021年国家发布了“十四五”海洋经济发展规划,将进一步推动海洋高端装备制造业的发展,而5G时代的到来以及工业设计软件和工业芯片的升级,船舶行业也将迎来数字化、信息化和智能化的新格局。
进入到工业4.0时代,传统船舶制造业和船舶设计模式都将被颠覆,船舶三维一体化设计、MBD(Model Based Definition基于模型的定义)技术等将被广泛应用,利用新一代信息技术赋能传统的船舶制造业,必将开启三维数字化造船的新时代。
根据目前行业现状以及今后的发展趋势,船舶三维一体化设计的应用、MBD的技术应用和船舶设计产业化将是近五年内重点的研究领域和发展方向设计模式传统的船舶设计分为初步设计、详细设计和生产设计三个阶段,需要用到三种不同的设计软件,各阶段很少协同工作导致设计周期长、质量难以保证。
近年的设计模式逐渐变为高度集成、协同、融合的趋势,因此,通过改进设计模式适应行业的发展趋势,来实现船舶的数字化智能制造。
模式改进维模型为定义开展设计,三个设计阶段均在同一工程环境下采用同一个三维设计软件,通过继承前道的数据极大的减少了后道的工作量,提高了设计效率和质量。
改进设计模式后,传统的设计阶段也将调整为初步设计、三维设计(原详细设计+生产设计建模)、工艺设计,而原详细设计阶段的二维图纸送审将采用三维模型送审。
由于有了设计模式的改进,MBD的技术开发应用也就顺理成章了。
通过制定MBD标准和规范,在工艺设计阶段应用基于模型定义的技术进行三维标注、工艺信息添加、生成三维图纸等用于数字化车间进行生产建造。
重点难点三维一体化设计软件具有多样性,目前使用的软件有Catia(达索)、A VEV A Marine(施耐德)、Smart3D(鹰图)、CADMATIC等,相互之间的数据不通用;船舶类型具有多样性,不同船型的规范法规、设计标准和建造工艺不同;一体化设计和基于模MBD的技术理念,对技术人员的要求较高,对船厂的各项设施要求非常高。
船舶CAD/CFD一体化设计过程集成技术研究冯佰威刘祖源常海超程细得聂剑宁摘要传统的船型设计中,CFD大多用来检验CAD的设计结果,而不是用来驱动产品设计。
两者基本上处于“孤岛”状态,没有实现有机的集成。
为使CFD更好的服务于船舶总体设计,实现船舶CAD/CFD的一体化优化设计,需要针对现有的计算软件和设计模式,利用集成优化平台进行流程集成及数据集成。
本文采用集成优化平台iSIGHT初步实现了船舶三维建模软件、CFD计算分析软件之间的数据集成和过程集成,从而为基于CFD的多性能协同优化研究打下了基础。
关键词:CAD CFD 一体化设计数据集成过程集成中图分类号:U661.4 文献标识码:AThe research of process integration of the integratedoptimization of the ship CAD / CFDFeng Baiwei Liu Zuyuan Zhan Chengsheng Chang Haichao Cheng Xide(Wuhan University of Technology Traffic school Hu Bei Wuhan 430063)AbstractIn traditional ship design, CFD is mostly used to test the design results of CAD, rather than be used to drive product design. Basically, they are in condition of "isolated island", did not achieve the organic integration. In order to make CFD serve the overall design of the ship better, to realize the integrated optimization of the ship CAD / CFD, we need to make use of the integrated platform to carry out the process integration and data integration, according to the existing software and design patterns. In this paper, data and process integration are preliminarily implemented between ship CAD software and CFD computational analysis software through ISIGHT, which lay the foundation for the research of the multi-performance collaborative optimization based on CFD.Key Words:CAD CFD integration design data integration process integrationCLC number:U661.4 Document code:A引言随着计算机辅助设计技术(Comuputer Aided Design---CAD)的广泛应用和船舶计算流体力学(Computaional Fluid Dynamics---CFD)的迅速发展,船舶设计能力和水平都得到极大提高。
从设计手段上看,船舶CAD技术已使船舶设计发生了深刻的变革,出现了多种CAD软件产品如NAPA、FORAN、MAXSURF、TRIBON、FASTSHIP等,这些产品均在船舶行业得到了广泛的应用,很大程度上提高了造船的生产效率。
从分析手段上来看,在船舶CFD领域,出现了越来越多的性能分析程序,而且这些程序的预报精度也达到了很高的水平。
所以在新船型开发阶段和初步设计阶段,越来越多的研究机构、设计院开始应用各类精准的分析工具进行船舶性能的预报、优化工作。
但总的来看,在设计开发过程中充分利用CFD技术进行辅助分析、优化的手段和能力还不够,设计过程中经验还是占主导地位,CFD主要用来检验 CAD 的结果,而不是用来驱动产品设计,两者基本上处于“孤岛”状态,没有实现有机的集成,最终导致CAD的优势没有完全发挥出来。
因此,利用集成优化平台,实现船舶CAD与CFD一体化设计,最终达到船型“设计—分析—再设计”任务的自动化,具有重要的现实意义。
[1]-[5]1基于CAD/CFD的船型一体化的设计思想基于CAD/CFD船型优化方面,研究主要集中在意大利、日本、德国(见参考文献[6]-[13])。
总体上来看,这几个国家的船型水动力优化研究均按照设计分析集成化、一体化的主线发展,且已经实现了CAD/CFD的集成优化设计,达到了以性能驱动设计的目标。
在船型参数化建模方面采用了CAD软件的二次开发[6]-[9](如:扰动面方法)或新开发船舶参数化设计软件[12]-[13](如:friendship);在CFD计算方面部分学者采用商业软件(如:shipflow、fluent等),也有部分学者采用自编软件[6]-[13];在集成方面大都采用了商业集成框架(如:Modelcener 或iSIGHT)[12]-[13]。
其研究的内容也不仅仅局限在单个性能,而是多个性能的综合优化,目前,多学科设计优化(MDO)正日益受到重视,并在实际工程中得到应用。
通过借鉴国外在此领域的技术发展,本文提出了基于CAD/CFD的船型一体化设计的框架,其思路如图1所示:图1 船舶CAD/CFD一体化设计框架由图1所示,其框架主要由三部分构成,分别是船舶CAD软件、网格生成工具及CFD 数值求解工具、优化器。
各部分的功能如下:(1)船舶CAD软件:根据设计变量的变化生成一系列的三维船型,同时可进行静水力计算,以判断约束条件是否满足。
(2)网格生成及CFD数值求解器:将CAD中生成的船型导入网格生成工具中,自动划分网格,同时利用CFD软件进行目标函数的自动求解。
(3)优化器:根据不同的优化问题,选择相应的优化算法,对设计空间进行有效探索。
若要实现基于CAD/CFD的船型一体化设计,除了必要的软件工具外,还有一些关键技术需要解决,主要有以下四个方面:(1)基于CAD的船型参数化表达及修改技术;(2)船舶CAD/CFD一体化设计的集成技术;(3)船舶CAD/CFD一体化设计近似求解技术;(4)船舶CAD/CFD一体化设计优化算法。
本文主要重点阐述如何实现CAD/CFD的集成。
2船舶CAD/CFD一体化设计的集成技术实现船舶CAD/CFD一体化设计的关键技术之一是如何实现设计及分析软件之间的数据集成和过程集成。
为实现集成,本文选择了美国易擎软件公司的产品iSIGHT作为集成框架。
2.1数据集成目前船舶领域各学科均有各自相对成熟的计算理论和仿真软件,但却较少考虑相互之间的集成,以致在进行船舶CAD/CFD一体化设计时,各学科之间的数据不能很好衔接。
数据集成的目的是解决不同学科软件间的数据通信问题。
主要包括以下两个方面的数据集成:1)船舶CAD软件与集成框架iSIGHT的数据集成该部分集成主要包括母型船的调和程序、船舶CAD软件的宏程序与iSIGHT之间的相互传递。
母型船的调和模块在前文已经叙述,主要功能是产生一系列的光顺船型。
而宏程序则是以文件的方式存在,通过CAD软件可以直接执行该宏程序,从而完成读取新船型数据并完成静水力计算及其他一系列的功能。
通过利用iSIGHT的文件解析功能,可分别对母型船调和程序的输入文件及宏文件中的部分参数进行解析,实现参数的变量化,将参数转化为优化环境中的变量参数,使其可以动态调整;变量参数值调整后,iSIGHT自动更新输入文件及宏文件,从而实现iSIGHT到船舶CAD软件及母型船调和程序的数据传递(见图2)。
图2船舶CAD与iSIGHT的数据集成2)船舶CAD软件与CFD计算分析软件之间的数据集成主要指船舶三维模型与网格划分软件Gambit之间的集成,实现几何模型传递,替代CFD 中几何模型的重建工作,减少分析人员的工作量,保证数据的一致性。
Gambit支持ACIS、Parasolid、IGES和STEP等数据标准。
由于大多数船舶CAD软件可以产生IGES格式的船型数据,因此不需二次开发即可实现船舶三维模型与网格划分软件Gambit之间的数据集成。
Gambit可直接读取IGES格式的几何模型,然后进行网格划分(见图3)。
图3船舶CAD与CFD分析软件的数据集成2.2过程集成船舶CAD/CFD一体化设计是一个反复叠代的过程,尽量避免对优化过程的人工干预,可以加快优化速度,提高优化效率。
通常,优化设计流程是根据事先制定好的优化方案自动进行优化计算和评判,因此在船型水动力优化设计时需要将水动力计算分析和优化评判等过程进行集成。
主要需要考虑以下几个过程的集成:1)CFD计算边界及分析要求设定:通过执行所记录的Gambit网格划分和Fluent计算的运行脚本,可以重现原始Gambit网格划分和Fluent计算分析操作。
在优化计算过程中,通过调整设计变量以修改Gambit和Fluent的运行脚本文件,即可实现对CFD分析边界的自动设定。
2) 优化策略定制:针对不同的优化对象需要制定不同的优化策略。
优化策略主要包括试验设计方案、设计变量的灵敏度分析、近似模型算法以及定义优化流程的设计流、控制流和数据流。
优化流程中的设计流定义主要是指分析优化设计的逻辑顺序和提取各子系统的运行参数等;控制流定义主要指优化过程中控制流程的定义,包括循环和条件等控制流程;数据流定义主要用于制定各环节的输入输出数据以及设计变量,该功能主要通过iSIGHT文件解析器和变量设计器实现。
3)优化结果的自动评判分析:在计算分析流程集成的基础上,需要集成综合评判流程,才能最终实现系统集成。
优化结果评判包括指定优化评判目标与策略和执行结果评判。
优化评判目标与策略主要指在iSIGHT环境下,通过多层次任务定制,指定设计目标权重选取目标参数优化范围、选取合适的优化算法等。
优化结果评判执行是船型水动力分析结束后,根据所选定的优化算法对目标参数进行评判,以及根据评判结果对设计变量进行自动调整。
通过对船型CAD/CFD的数据集成和过程集成进行分析,可以得出如图4所示的船舶CAD/CFD 一体化优化设计流程图。
图4 船舶CAD/CFD一体化优化设计流程图3船舶CAD/CFD集成实例本文运用上述数据集成和过程集成的原理,以某油船为例对船舶CAD软件及CFD求解器进行了集成。