摘 要

随着绿色船舶理念的推广以及工业4.0的到来，如何通过自动化手段得到更优更节能的船型设计成为了急需解决的问题。

本文将在犀牛建模的基础上,运用CFD计算软件Shipflow对300客位客船进行船型优化。论文的主要研究内容有以下几个方面：

1. 运用犀牛软件对船体建模前，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. 了解船体建模犀牛软件中的各项指令。运用犀牛软件对300客位客船进行全参数化建模。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。
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300客位客船进行总阻力优化。

关键词：船型优化，犀牛，CFD，Shipflow，阻力优化

Abstract

With the promotion of the concept of green ships and the arrival of Industry 4.0, how to obtain better and more energy-efficient ship design through automated means has become an urgent problem to be solved.
This article will use the CFD calculation software Shipflow on the basis of rhino modelling to ship type 300 passenger ship optimization. The main research content of the paper has the following aspects:
1) Before using the rhino software to model the hull, it is necessary to study and analyze the parameters and characteristic curves of the control hull. Before selecting the parameters, it is necessary to understand the influence of each parameter on the total resistance of the hull, so as to prepare for the subsequent optimization.
2) Understand the instructions in the hull modeling rhino software. Rhino software was used to model the 300-passenger passenger ship. Parametric models are the basis for subsequent research. The drainage volume of the hull and the longitudinal position of the buoyancy center are extracted as subsequent optimization constraints. The hull surface is automatically extracted as a type value file that can be read by the CFD calculation software Shipflow.
3) Use the CFD software Shipflow to calculate the total resistance of the hull. The goal selected during the optimization process is total resistance. In the calculation of resistance, the Rankine source method in the face element method is used to calculate the wave-making resistance of the hull.
4) According to the established model, select the design variables and the scope of change. Select the appropriate optimization algorithm to optimize the total resistance of the 300-guest passenger ship.

Key words: ship type optimization, Rhino3D NURBS, CFD, Shipflow, resistance optimization

目录

摘 要 2

Abstract 3

第一章 绪论 7

1.1研究背景及意义 7

1.2国内外研究现状 7

1.2.1国外研究主要进程 7

1.2.2国内研究主要进程 9

1.2.3国内外研究趋势 10

1.3论文研究的内容及组织结构 10

1.3.1论文研究内容 10

1.3.2 论文组织结构 10

1.4本章小结 11

第二章 300客位客船船体参数化建模 12

2.1犀牛软件 12

2.1.1犀牛软件介绍 12

2.1.2犀牛软件的建模思想 12

2.2 300客船参数化建模 13

2.3基于NURBS的曲面表达方法 13

2.3.1 NURBS曲线的定义 13

2.3.2 NURBS曲面的定义 14

2.4 基于NURBS的曲面参数化修改 14

2.4.1船体参数化变形 14

2.4.2插值方法比较 15

2.5 径向基函数及其插值技术 16

2.5.1 基本理论 16

2.5.2 曲面变形插值方程的建立 17

2.6变形实例 19

2.7本章小结 20

第三章 300客位客船阻力性能数值计算 21

3.1船舶阻力计算方法 21

3.1.1船舶阻力分类 21

3.1.2船舶阻力确定方法 21

3.2兴波阻力理论计算 22

3.3粘性阻力计算方法 23

3.4 300客位内河客船的CFD计算 24

3.4.1 SHIPFLOW软件 24

3.4.2母型船的阻力计算 25

3.5本章小结 27

第四章 优化算法 28

4.1传统优化算法： 28

4.1.1梯度算法 28

4.1.2 Sobol算法 29

4.1.3传统优化算法的局限 29

4.2现代优化算法 29

4.2.1遗传算法 29

4.2.2 PSO算法 29

4.3遗传算法与PSO算法的比较 30

4.4 PSO算法算例： 31

4.5本章小结 32

第五章 300客位客船型线优化 33

5.1优化对象描述 33

5.2优化数学模型 33

5.3船型优化流程 34

5.4优化结果分析 35

5.5本章小结 37

第六章 论文总结与展望 38

6.1论文总结 38

6.2论文展望 38

致谢 40

参考文献 41

绪论

1.1研究背景及意义

随着工业4.0时代的到来，不论是工业制造还是工业设计，其自动化高效化都得到了前所未有的重视，改进传统方案创造出符合新环境的新技术已经成为了工业生产各环节的重要目标。

对于船舶工业化生产而言，船舶总体设计是工业化生产的第一步，船体型线设计又是船舶总体设计中十分关键的一部分，很大程度上决定了船舶的各项性能，影响船舶所受阻力情况，对功耗大小有极大影响，且不符合绿色船舶的理念，对船舶最终的经济性有很大影响。而现有技术手段主要依赖于对母型船的改造，依据船东提出的各项要求确定最终方案。这种方式问题在于依靠经验公式，准确度低且工作量大，并且这种经验性的设计工作需要反复迭代，逐步校验修正才能得到比较满足技术指标要求的可行方案，最明显弊端表现为只做到了符合船东要求的设计，并非最优设计，这与经济性最大化要求相违背，明显不符合当今时代潮流，急需一种更为精准，现代化的船体型线设计优化方案。

近二十年来，随着流体力学和计算机技术的飞速发展以及广泛工程应用，通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）来完成船体型线优化已经成为可能。该方法将 CFD 和最优化方法应用于船舶的型线设计。通过网格自适应技术连接 CAD（Computer Aided Design）和 CFD，运用 CFD 工具对船舶水动力性能进行仿真计算，同时利用优化算法和船体曲面变形技术得到整个船型

的设计空间，最终获得在一定约束条件下的性能最优的船体型线，如图1-1所示。

图1-1 船型优化流程

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究主要进程

2009年，C.Yang,Kim^[1-2]等学者对KCS船型进行了兴波阻力性能优化。所采用的是基于径向基函数修改船体曲面的方法。在三种不同的航速下均实现了KCS船总阻力不同程度的下降。

2010年，Diez、Fasano，Peri^[3]等人在船舶的设计阶段运用Bayes理论对一些公式进行了表达，以消除在该阶段中存在的不确定因素。并且在此基础上，建立快艇的MDO模型，实现了快艇鳍龙骨的多学科船型优化。

2011年，Tahara Y，Peri D，Campana E F^[4-5]等采用多种全局优化算法对高速双体船进行了以某一固定航速的单目标和多目标的船型优化。船体的几何重构采用了FFD自由变形方法和基于CAD的方法。并且将最优船型进行了船模实验。

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