摘 要

随着能源地位的不断提高，各国越来越重视对海洋资源的开发，对于环境保护的要求日渐严格。2013年初国际海事组织（IMO）实施船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI）对各国在绿色船型的开发提出了新的挑战。为了增强我国造船工业在船舶市场的竞争能力，必须加大对船舶节能减排的研究。船型优化已经成为了绿色船型研究的有效手段。

本文将在CAD建模的基础上,运用CFD计算软件Shipflow对46000T油船进行船型优化。论文的主要研究内容涉及下面几个方面：

1. 运用CAD软件对船体建模前，需要对控制船体的参数和特征曲线进行研究和分析。在选择参数前需要了解各参数对船体总阻力的影响，为后续的优化做准备。
2. 了解船体建模CAD软件Friendship中的各项指令。运用Friendship对46000T油船进行全参数化建模。船体的参数化模型是进行后续研究的基础。将船体的排水体积和浮心的纵向位置提取为后续优化的约束条件。将船体曲面自动提取为CFD计算软件Shipflow所能读取的型值文件。
3. 运用CFD软件Shipflow对船体的总阻力进行计算。优化过程中所选定的目标为总阻力。在阻力的计算中，运用面元法中的Rankine源法对船体的兴波阻力进行计算，运用基于RANS方程求解船体的粘性阻力。
4. 根据建立的模型，选定设计变量以及变化范围。选择合适的优化算法对46000T油船进行总阻力优化。

关键词：船型优化，CAD，CFD，Shipflow，总阻力优化

Abstract

With the continuous improvement of energy status, countries pay more and more attention to the development of marine resources, the increasingly stringent requirements for environmental protection. At the beginning of 2013, the International Maritime Organization (IMO) implemented the Energy Efficiency Design Index (EDDI), which posed new challenges to the development of green ships. In order to enhance the competitiveness of China's shipbuilding industry in the ship market, we must increase the study of energy saving and emission reduction of ships. Ship type optimization has become an effective means of green ship research.

In this paper, the CFD calculation software Shipflow is used to optimize the ship type of 46000T oil tanker on the basis of CAD modeling. The main contents of the paper are as follows:

1) Before using the CAD software to model the hull, it is necessary to study and analyze the parameters and characteristic curves of the control hull. Before selecting a parameter, you need to understand the effect of each parameter on the total hull. Through the analysis of the parameters, the following lay the foundation for the selection of design variables in the optimization of ship type. Understand the hull modeling CAD software Friendship in the instructions.

2) Using CAD software Friendship to fully model the 46000T oil tanker. The parametric model of the hull is the basis for subsequent research. The accuracy of the hull model is determined by the drainage volume of the hull and the longitudinal position of the floating heart. The drainage volume of the hull and the longitudinal position of the floating heart are extracted as the optimized constraints for subsequent optimization. The hull surface is automatically extracted as CFD calculation software Shipflow can read the value of the file.

3) Using CFD software Shipflow to calculate the total resistance of the hull. The selected target in the optimization process is total resistance. In the calculation of resistance, the method of Rankine source in the element method is used to calculate the wave resistance of the hull. Application of RANS Equation to Solve the Viscous Resistance of Hull.

4) According to the established model, select the design variables and the range of changes. Select the appropriate optimization algorithm to optimize the total resistance of the 46000T tanker. Analysis of the overall resistance of the ship to reduce the drag reduction effect.

Key words: ship type optimization, CAD, CFD, Shipflow, total resistance optimization

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 CADamp;CFD集成优化平台 2

1.3基于CFD的船型优化研究现状 2

1.3.1国外研究现状 2

1.3.2国内研究现状 3

1.4论文研究的内容及组织结构 4

1.4.1论文研究内容 4

1.4.2 论文组织结构 5

第2章 船体特征参数 7

2.1型线几何形状特征和参数 7

2.2横剖面面积曲线 7

2.3设计水线和横剖线形状 8

2.4 船首参数 9

2.5侧面轮廓线参数 10

2.6本章小结 11

第三章 46000T油船船体参数化建模 12

3.1 Friendship-Framework（FFW）软件 12

3.1.1 Friendship软件介绍 12

3.1.2 Friendship软件的建模思想 13

3.1.3 Friendship软件的常用指令 13

3.2 46000T油船船体全参数化建模 15

3.2.1平行中体段建模 16

3.2.2船体后部建模 17

3.2.2.1barehull建模 17

3.2.2.2 skeg建模 18

3.2.3船体前部建模 20

3.2.3.1船体中前部曲面 21

3.2.3.2球鼻艏 23

3.2.3.3其他曲面 24

3.3 静水力计算 25

3.4 型值数据的自动导出 27

3.5 本章小结 29

第四章 46000T油船阻力性能数值计算 30

4.1 船舶阻力计算方法 30

4.1.1船舶阻力分类 30

4.1.2船舶阻力确定方法 30

4.2兴波阻力计算方法 31

4.2.1船模实验法 31

4.2.2兴波阻力理论计算 31

4.3粘性阻力计算方法 33

4.4 46000T油船的CFD计算 34

4.4.1 Shipflow软件 34

4.4.2 46000T油船的阻力数值计算 36

4.5本章小结 37

第五章 46000T油船船体型线自动优化 38

5.1 优化算法的数学定义 38

5.2 优化算法 38

5.2.1 Sobol算法 39

5.2.2梯度算法 39

5.3 优化变量及优化约束的设立 40

5.4 优化流程 42

5.5 优化结果分析 43

第六章 论文总结及展望 50

6.1 论文总结 50

6.2 论文的展望 50

致 谢 52

参考文献 53

第1章 绪论

1.1研究背景

船体型线设计在船舶生产设计中有着十分重要的作用。船体型线不单单只是决定了船舶的外部形状，更为重要的是它关系到船舶性能（浮性，稳性，快速性等）以及船内舱室的布置。船舶主尺度和总布置等要素确定之后，便可开始对船体型线进行设计，在这个过程中会生成型线图，为后续的生产和船体放样提供基础。目前常用的型线生成方法有以下三种：母型改造法，自行设计法，数学船型法。其中最传统和应用最广泛的就是母型改造法。但是母型改造法主要依赖于设计人员的经验，对于船舶的性能以及后续的性能优化没有提供相应的科学依据。所以需要大量的时间进行模型试验来分析和改造船体型线，造成时间，财力，人力上的浪费。因此对于快速生成满足设计要求的优良船型的研究显得尤为重要。

20世纪50年代国外的研究学者开始将电子计算机运用于船舶建造行业。在船舶设计方面，从20世纪70年代以来，国外的造船企业投入了大量的资金和人力开发出了CAD/CAM系统，初步实现了电子计算机辅助船舶设计。常用的CAD软件系统有FORAN、NAPA、TRIBON、MAXSURF等，涵盖了船舶设计，建造和生产管理的各个阶段。这些系统加快了船舶建造自动化的进程，有利于缩短了船舶建造的周期。在船舶的性能方面，船舶的水动力性能(快速性、适航性、操纵性)是由绕船的流场特性而决定，长期以来船体周围流场的特性都是用船模实验进行预报，因此需要大量的时间进行模型实验并且不易得到详细的流场信息。计算流体力学(CFD)是在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分方程组，并对上述现象进行过程模拟。计算机凭借着计算速度快，方便，容量大等特点，因此能快速地计算船舶静水力和水动力等问题。随着CFD软件的精度的不断提高使其逐渐成为了经济又实用的工程软件。现在CFD软件通常与模型实验进行搭配互补，对模型试验进行辅助，从而替代或者减少部分实验，而没有很好的融入到优化设计当中。而且当前CAD和CFD的连接和集成度还不是很高，从而使CAD和CFD的优势还没有完全的发挥出来^[1-3]。

1.2 CADamp;CFD集成优化平台

随着CAD和CFD软件的发展，日本，意大利等国家的外国研究学者开始将CAD融入到船型优化和水动力性能优化之中。其研究思想如下图1-1所示。