摘 要

船体型线设计是船舶总体设计的重要内容，对船舶的各项性能有重要影响。本论文采用的是基于CFD的船体型线优化设计方法进行型线优化设计，不仅可以节约成本，还有助于提高船体型线的设计质量。本文重点研究的是5100TEU集装箱船型线优化设计，涉及的主要研究内容如下：

1. 特征参数的选择

控制船体型线的参数很多，为了方便快捷的得到所需船型，进行特征参数的选择是很有必要的。必须将控制船体型线的参数与船舶性能紧密结合，综合考虑，选择适当的参数为后续的建模打好基础。

1. 5100TEU集装箱船的参数化建模

参数化建模是此次研究的重要组成部分。根据上述分析选择的特征参数，运用Friendship软件完成参数化模型的建立；进而通过调整参数值从而改变船体型线，具有实际意义。

1. 5100TEU集装箱船的阻力性能数值计算

运用Shipflow软件对建好的5100TEU集装箱船模型进行阻力性能数值计算，兴波阻力采用势流求解器计算，粘性阻力采用基于RANS方程的方法求解计算；计算分析的结果为后续优化提供数值依据。

1. 5100TEU集装箱船型线优化

基于已经建立的5100TEU集装箱船的参数化模型，设置合理的设计变量和约束条件，首先选用Sobol算法进行多方案优选，再根据优选结果选择Tsearch算法进行精细优化，得到兴波阻力最优的船型，分析优化船型兴波阻力和总阻力的降阻效果。

关键词：参数化建模，Friendship，CFD，阻力性能优化

Abstract

Hull profile design is an important part of the overall design of the ship, the ship has a significant impact on the performance. In this paper, the CFD-based hull line optimization design method is used to optimize the design of the line, which not only can save the cost, but also help to improve the design quality of the hull line. This paper focuses on the optimization design of 5100TEU container ship line, and the main research contents are as follows:

1.Selection of characteristic parameters

There are many parameters to control the hull type, and it is necessary to select the characteristic parameters in order to get the required ship quickly and conveniently. The parameters of the hull line must be closely integrated with the performance of the ship, taking into account the choice of appropriate parameters for the subsequent modeling to lay the foundation.

2.Parametric modeling of 5100TEU container ships

Parametric modeling is an important part of this study. According to the characteristics of the analysis of the selected parameters, the use of Friendship software to complete the establishment of parametric model; and then by adjusting the parameter value to change the hull line, with practical significance.

3.Numerical calculation of resistance performance of 5100TEU container ships

The numerical simulation of the resistance performance of the 5100TEU container ship model was carried out by using Shipflow software. The wave resistance was calculated by the potential solver. The viscous resistance was calculated by the RANS equation. The results of the calculation and analysis provided the numerical basis for the subsequent optimization.

4. 5100TEU container ship line optimization

Based on the parameterized model of the 5100TEU container ship, a reasonable design variable and constraint condition are set. First, the Sobol algorithm is used to optimize the multi-scheme, and then the Tsearch algorithm is selected according to the optimal results. The optimal ship shape is obtained, Finally, the effect of reducing the resistance and the total resistance of the ship is analyzed.

Key words: parametric modeling, Friendship, CFD, resistance performance optimization目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 船体型线设计研究背景 1

1.1.2 基于CADamp;CFD集成优化框架的提出 1

1.2 船舶阻力性能优化研究现状 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 3

1.3 论文研究内容及结构 4

1.3.1 论文研究内容 4

1.3.2 论文的组织结构 5

第2章 特征参数分析 6

2.1 横剖面面积曲线 6

2.1.1 棱形系数C_p和中剖面系数C_M的选取 6

2.1.2 浮心纵向位置X_B的选择 7

2.1.3 横剖面面积曲线形状的选择 7

2.2 设计水线 8

2.2.1 水线面系数C_W 8

2.2.2 设计水线端部形状和半进流角i_E 9

2.3 横剖线形状 9

2.3.1 首部横剖线形状 9

2.3.2 尾部横剖线形状 10

2.4 侧面轮廓线和甲板线 10

2.4.1 首轮廓线 10

2.4.2 尾轮廓线 11

2.4.3 龙骨线 11

2.4.4 甲板线 11

2.5 球首型线的主要特征参数 11

2.6 本章小结 12

第3章 5100TEU集装箱船参数化建模 13

3.1 Friendship参数化建模原理 13

3.1.1 曲面构造机理 13

3.1.2 常用术语及中文含义 14

3.2 5100TEU集装箱船参数化建模 14

3.2.1 船体中部的创建 15

3.2.2 球鼻首的创建 17

3.2.3 船体其他部分的创建 18

3.3 静水力数据分析 20

3.3.1 静水力数据计算 20

3.3.2 静水力参数的创建 22

3.4 型值数据的自动提取 22

3.4.1 船体几何型值数据的提取方法 22

3.4.2全船型值数据的输出 26

3.5 5100TEU集装箱船参数化建模精确度分析 26

3.6 本章小结 26

第4章 5100TEU集装箱船阻力性能数值计算 27

4.1 船舶阻力计算方法 27

4.1.1 船舶阻力分类 27

4.1.2 船舶总阻力计算方法. 28

4.2 求解兴波阻力的势流面元法 28

4.3 粘性阻力的计算方法 30

4.4 5100TEU集装箱船的CFD数值计算 32

4.5 本章小结 32

第5章 基于CFD的船体型线自动优化 33

5.1 常见优化问题的数学定义 33

5.1.1 优化问题的一般形式 33

5.1.2 优化问题的组成 33

5.2 优化模型的求解算法 34

5.3 5100TEU集装箱船优化模型的建立 34

5.3.1 优化变量的选择 34

5.3.2 约束条件的定义 35

5.3.3 优化目标的定义和优化算法选择 36

5.4 基于TSearch算法的优化结果分析 36

5.4.1 参数设置 36

5.4.2 优化结果分析 37

5.5 本章小结 39

第6章 论文总结与展望 40

6.1 本论文的总结 40

6.2 论文展望 40

致谢 42

参考文献 43

第1章 绪论

本章主要介绍研究的背景，国内外有关船舶阻力性能的研究现状以及本论文的组织结构，为后续论文的展开拟好框架。

1.1 研究背景

1.1.1 船体型线设计研究背景

日益加重的环境污染问题激起人们的环保意识，为了推进造船业的优化升级，国际海事组织发布了相应公约，我国船级社发布了相应的规范，节能减排已经正式被列入了规划。其中，船舶效能设计指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI）就是其中一项，它指的是在船舶设计阶段，对于每单位船舶运输量所产生的二氧化碳排放的估算，优秀的型线设计是减小这一指标的措施之一。

船体线型设计是船舶总体设计的重要组成部分。型线设计直接影响船舶的航海性能，还在一定程度上决定了船舶建造的时间和成本。船体型线极大的影响船舶阻力性能，例如球首的微小变化对兴波阻力影响很大，船体首部的横剖面形状对摩擦阻力有影响等；船舶型线还关系到船舶的操纵性、稳性，就使用方面看，机舱和甲板等的布置也会受到型线影响，建造时优秀的型线不仅可以简化施工工艺，还能节约建造成本。

自行设绘法，母型船改造法，系列船型方法等都是传统的型线设计方法。传统的设计方法对于设计者来说，需要丰富的设计经验，而且需要足够的耐心进行修改，修改次数多，步骤繁琐，消耗时间长，所以如何快速的设计出优秀的型线是急需解决的问题。

1.1.2 基于CADamp;CFD集成优化框架的提出

优秀的船体型线通常靠模型试验获得。随着科技的发达，计算机的更新换代，以及计算机辅助技术，如CAD(computer-aided design，计算机辅助设计)、CFD(Computational Fluid Dynamics,计算流体力学)的发展，设计者对船体的分析计算更快更准确。但是，目前的船舶CAD研究往往以经验设计为主，CFD技术仅仅用作分析和评估的手段，还未真正实现性能驱动设计的目标，两者并未很好的结合。