基于物面重构逆问题的船型优化设计研究

With the implementation of low carbon economy, the shipbuilding industry will face some daunting carbon emission reduction challenges. We need to adopt various methods to reduce the fuel consumption and reduce carbon emissions. Now, the new energy application technology is not yet mature. The ship optimization design technology is the important way to realize the purpose of energy-saving emission reduction. But obtaining the breakthrough for the ship resistance performance is difficult by the traditional ship form optimization design method. In this paper, a new ship form optimization design method is proposed based on wave-making resistance reduction、optimization algorithm and the surface reconstruction technology. We can get a ship form with excellent resistance performance in the global scope. The method is a new idea for the ship form optimization design. Research on this field will promote traditional design patterns and greatly enhance the level of ship design technology in china.

随着低碳经济的推行，船舶行业面临着艰巨的碳减排任务，需采用各种方法来减少船舶燃油消耗、降低碳排放。在新能源实船应用技术尚未成熟的前提下，通过船型优化设计降低船舶航行阻力、减少主机功率是达到节能减排目的的重要途径。但是，传统的船型优化设计方法在主流船型上经过几十年的应用实践，对船舶阻力性能改善难有突破性进展。本文提出了一种基于兴波减阻机理、优化算法和船体物面重构逆问题的船型优化设计新方法，可在全局范围内得到阻力性能优秀的船型，是船型设计的一个新理念和新方向。进行该方面的探索研究会对传统设计模式产生冲击和突破，可大幅提升我国船型设计技术水平。

船型优化是实现船舶节能减排的重要途径，也是船舶研究的重点领域之一。本项目基于物面重构逆问题的船型优化设计展开研究。首先基于面元和粘性流体RANS方程，建立了精确的船舶兴波阻力和船舶总阻力数值计算方法。运用数值计算方法计算船舶变纵倾状态下的阻力，分析了阻力变化的主要原因，构建了主要参数变量与船舶阻力变化关系曲线。其次，开展了船舶水动力逆问题的研究。以典型集装箱船为初始物面，通过优化结果得到阻力性能优秀的压力分布形式，进行自由液面绕流的新船型设计。然后，综合考虑兴波阻力和粘性影响，以船舶总阻力为优化目标，以影响阻力的船舶球鼻艏形状作为设计变量，以定排水量为基本约束条件，建立基于人工神经网络和遗传算法的船型优化设计平台。运用该船型优化设计平台对典型集装箱船进行优化设计。最后，基于多种机器学习模型和优化算法，通过运用船舶特征实现了对典型集装箱船舶的阻力预报方法研究，完善了船型的优化设计方法。并对集装箱船舶进行了典型船模试验，验证了优化设计方法的有效性和可靠性。项目对船舶阻力数值计算方法进行系统的研究，并分析了数值计算方法的不确定度。通过对船舶阻力成分的分析，确定了给定集装箱船纵倾优化最佳方案，节约了船舶运营成本。在船舶水动力逆问题研究中，通过建立小生境优化模型，得到了逆问题设计中的最佳压力分布。运用逆问题方法设计船舶表面具有良好的收敛性。在船舶阻力优化设计方面，研究首先运用常用的人工智能算法和遗传算法，通过船舶球鼻艏参数化建模，实现了对典型集装箱船舶的阻力优化设计。然后，通过多种机器学习算法，运用船舶参数建立船舶阻力预报模型，并对比了不同机器学习算法在船舶阻力预报中的表现，进一步发展了船型优化设计理论。此外，通过船模拖曳试验对船舶阻力数值计算方法和优化工作的有效性和可靠性进行了验证。