计及波浪复杂作用的SBD船型设计新方法

With the rapid development of computer technology and the continuous improvement of optimization theory, optimization techniques have been introduced into the field of ship design. Optimization algorithms and advanced CFD techniques are successfully integrated together into what is known as Simulation-Based Design (SBD) techniques, which opens a new situation for hull-form optimization design and configuration innovation. In this paper, focus is on breaking through key technologies as complex hull geometry modification and reconstruction, high quality grid automatic regeneration, and treatment strategy of extensive numerical calculation. Combined with high-fidelity CFD codes (on RANS), an automatic hull-form design optimization framework is established. Based on that, multi-objective optimization problem of the hull-form design with variable load (different draft) is solved. Further, the research is mainly focused on the numerical simulation method of ship motion in waves based on the overlap grid technology. Selecting the total resistance and the motion response as objective functions, multi-objective optimization for hull-form design under the condition of head sea and regular wave is implemented by the developed framework.

瞄准国际船型设计技术发展前沿，针对绿色节能船型研发及船舶构型创新设计对新方法、新技术的需求，从满足船舶工程设计需求的角度出发，进一步拓展和深化以高精度数值评估优化为特征(Simulation-Based Design)的船型设计方法。通过对复杂船体几何自动重构、高质量结构化网格自动重生成、海量数值计算的简约策略等基于SBD船型设计所涉及的若干关键技术问题的深入研究，建立以高精度数值评估优化为特征的低阻船型优化设计方法，解决当前船型设计所面临的变航态（变吃水、纵倾）情况下的船体线型设计问题。在此基础上，重点研究考虑船舶环境适应性、计及波浪条件的船型优化设计方法，实现规则波顶浪条件下以船舶阻力与运动响应为优化目标的船型多目标综合优化设计，为绿色低阻船型研发和船舶构型创新设计提供先进的研究方法和强有力的技术支撑。

本项目针对绿色节能船型研发及船舶构型创新设计对新方法、新技术的需求，从满足船舶工程设计需求的角度出发，发展和深化了以高精度数值评估优化为特征的船型设计方法，并形成了工程应用能力。. 首先，建立了船体几何整体与局部相结合的重构方法、多目标全局优化算法与最优解集的决策分析方法，并对自由船模阻力数值计算方法的可信度进行了分析，在此基础上，针对典型船舶开展了变载情况下的船体线型多目标优化设计，并对优化设计效果进行了模型试验验证，两个吃水下的模型总阻力分别减小了10%和13%。. 随后，对计及波浪环境的船型优化设计建模问题进行研究，并对其涉及的波浪环境下的阻力与运动数值计算评估技术、船体表面几何变形重构及高质量结构化网格自适应方法、基于响应面模型的近似技术等进行了攻关并取得了突破，建立了计及波浪环境的SBD船型优化设计方法。. 最后，针对典型标模，开展了以减小波浪增阻与纵摇垂荡运动响应为优化目标的船型综合优化设计，获得的最优方案波浪阻力与运动响应优化效果十分显著，之后开展了模型试验验证，证实了“计及波浪环境的SBD船型设计模式”可行性与优越性。. 在关键技术方面，突破了计及波浪环境船舶阻力与运动响应高精度数值评估方法应用技术、高质量结构化网格自适应技术。建立了船体局部/整体及其相结合的几何自动重构方法。应用试验设计与响应面模型方法解决了高精度求解器带来的海量数值计算问题。项目融合多目标设计优化、船舶水动力性能评估、几何建模与重构三大技术，建立了变载条件下/计及波浪条件下的船舶水动力构型创新设计方法，为解决当前船型设计所面临的变载情况下船型多目标设计问题、考虑波浪条件下的船型优化设计问题等提供了先进的手段。