CN110795816A - 一种基于阻力性能的游艇型线优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于阻力性能的游艇型线优化方法，本发明具体包括以下步骤：S1、通过数学运算开发交叉熵优化算法，S2、选取实验室的游艇型线进行三维建模，S3、对每组船型方案进行阻力性能预报，S4、采用全参数化方法对船体局部型线进行变换和阻力性能预报，S5、将获得的游艇理想型线制作成实物，得出结论本发明涉及游艇设计技术领域。该基于阻力性能的游艇型线优化方法，可实现通过采用先进的基于CAD/CFD的船型仿真优化技术对母型艇进行阻力性能优化，通过建立母型艇全参数化三维模型，采用改进的随机优化算法生成系列艇型方案，对各方案开展阻力性能计算，搜索全局最优解，预期最优艇型方案阻力性能提升10%以。
Description
技术领域
本发明涉及游艇设计技术领域，具体为一种基于阻力性能的游艇型线优化方法。
背景技术
游艇是一种水上娱乐用高级耐用消费品，它集航海、运动、娱乐、休闲等功能于一体，满足个人及家庭享受生活的需要，在发达国家，游艇像轿车一样多为私人拥有，而在发展中国家，游艇多作为公园、旅游景点的经营项目供人们消费，少量也作为港监、公安、边防的工作手段，游艇是一种娱乐工具这一本质特征，使它区别于作为运输工具的高速船和旅游客船，游艇将会和汽车一样，成为进入家庭的下一代耐用消费品。
针对我国目前游艇设计水平相对落后的现状，本发明提出采用先进的基于CAD/CFD的船型仿真优化技术对母型艇进行阻力性能优化，通过建立母型艇全参数化三维模型，采用改进的随机优化算法生成系列艇型方案，对各方案开展阻力性能计算，搜索全局最优解，预期最优艇型方案阻力性能提升10%以上，能够满足研究初衷，研究内容为指导高性能艇型科学、高效的设计提供理论依据，研究成果有助于提升我国游艇自主设计水平，开发阻力性能较优艇型，能够带动游艇设计水平的提升，促进产业上档升级。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于阻力性能的游艇型线优化方法，通过建立母型艇全参数化三维模型，采用改进的随机优化算法生成系列艇型方案，对各方案开展阻力性能计算，搜索全局最优解。
（二）技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于阻力性能的游艇型线优化方法，具体包括以下步骤：
S1、通过数学运算开发交叉熵优化算法，将船型变换和阻力性能计算模块进行集成；
S2、选取实验室的游艇型线进行三维建模，并采用仿射变换和Lackenby变换法对船型进行全局变换；
S3、对每组船型方案进行阻力性能预报，优化得到阻力性能最优游艇型线；
S4、采用全参数化方法对船体局部型线进行变换和阻力性能预报，直到满足算法规则为止；
S5、将获得的游艇理想型线制作成实物，运用数值仿真和静水测试两种方法来验证阻力降低效果，得出结论。
优选的，所述步骤S1中阻力性能计算模块包括势流计算模块和粘性流模块，且势流计算模块用于计算游艇的兴波阻力，边界条件为非线性自由液面，数值的离散采用高质量的面元网格，此外船体表面不可穿透。
优选的，所述粘性流模块用于计算游艇的粘压阻力和摩擦阻力，入流面设为入流边界条件，出流面设为出流边界条件，外边界和对称面都设为滑移边界条件，船表面采用无滑移边界条件，湍流模型为k-ω SST模型，船艉部分计算域的离散采用全结构化六面体网格。
优选的，所述步骤S4中全参数化变换方法，具体包括以下步骤：
T1、首先需要对母型游艇型线的几何特点进行分析，确定全局特征参数和局部特征参数；
T2、然后根据已知信息及特征参数，采用F样条生成船型的特征曲线；
T3、再编写宏命令用以描述特征横剖线，在此基础上使用曲线生成器生成一系列的船体横剖线；
T4、最后由曲面生成器运用元曲面生成法生成可通过有限参数进行描述的光顺船体曲面。
优选的，所述步骤S3在优化过程中需要对母型艇型线拟合精度、阻力性能计算精度进行验证，此外还需要通过数值测试函数研究交叉熵法的全局收敛性。
优选的，船体型线优化框架包括船型设计模块、船型分析模块、船型评估模块和船型变换模块这四个基本模块。
优选的，所述船型设计模块是采用CAD船型参数化修改技术，对母型进行修改，生成光顺的船体曲面，并得到CFD软件可识别的船型几何描述。
优选的，所述船型分析模块对船型进行CFD的数值模拟，获得表面的压力分布、局部流动等流场信息。
优选的，所述船型评估模块根据CFD数值模拟的流场信息，对船型进行阻力等水动力性能评估。
优选的，所述船型变换模块能够分析比较不同船型设计参数以及不同设计参数的组合对于水动力性能的影响，并采用合理的优化算法适当的调节设计参数。
（三）有益效果
本发明提供了一种基于阻力性能的游艇型线优化方法。与现有技术相比具备以下有益效果：
（1）、该基于阻力性能的游艇型线优化方法，具体包括以下步骤：S1、通过数学运算开发交叉熵优化算法，将船型变换和阻力性能计算模块进行集成，S2、选取实验室的游艇型线进行三维建模，并采用仿射变换和Lackenby变换法对船型进行全局变换，S3、对每组船型方案进行阻力性能预报，优化得到阻力性能最优游艇型线，S4、采用全参数化方法对船体局部型线进行变换和阻力性能预报，直到满足算法规则为止，S5、将获得的游艇理想型线制作成实物，运用数值仿真和静水测试两种方法来验证阻力降低效果，得出结论，可实现通过采用先进的基于CAD/CFD的船型仿真优化技术对母型艇进行阻力性能优化，通过建立母型艇全参数化三维模型，采用改进的随机优化算法生成系列艇型方案，对各方案开展阻力性能计算，搜索全局最优解，预期最优艇型方案阻力性能提升10%以上，能够满足研究初衷，研究内容为指导高性能艇型科学、高效的设计提供理论依据，研究成果有助于提升我国游艇自主设计水平，开发阻力性能较优艇型，能够带动游艇设计水平的提升，促进产业上档升级。
（2）、该基于阻力性能的游艇型线优化方法，通过对构建的游艇三维模型进行静水力计算，主要关注排水量、浮心纵向位置和湿表面积与母型艇之间的差异是否控制在1%以内，同时通过对游艇方案进行阻力性能预报，将预报结果与试验数据进行对比，将预报误差控制在3%以内。
（3）、该基于阻力性能的游艇型线优化方法，通过常用的数值测试函数对本项目开发的交叉熵法全局收敛性进行测试，保证其在搜索到全局最优解的同时，所需函数评估数尽量较少，以便在可接受时间范围内完成游艇型线优化，同时通过对于目标游艇，在保证布置和美观影响不大的基础上，通过本项目研究，使得游艇总阻力系数降低5%以上。
附图说明
图1为本发明技术路线图；
图2为本发明基于CAD/CFD的船体型线优化框架图；
图3为本发明参数化建模机理示意图；
图4为本发明CE算法迭代流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明实施例提供一种技术方案：一种基于阻力性能的游艇型线优化方法，具体包括以下步骤：
S1、通过数学运算开发交叉熵优化算法，将船型变换和阻力性能计算模块进行集成，阻力性能计算模块包括势流计算模块和粘性流模块，且势流计算模块用于计算游艇的兴波阻力，边界条件为非线性自由液面，数值的离散采用高质量的面元网格，此外船体表面不可穿透，粘性流模块用于计算游艇的粘压阻力和摩擦阻力，入流面设为入流边界条件，出流面设为出流边界条件，外边界和对称面都设为滑移边界条件，船表面采用无滑移边界条件，湍流模型为k-ω SST模型，船艉部分计算域的离散采用全结构化六面体网格；
S2、选取实验室的游艇型线进行三维建模，并采用仿射变换和Lackenby变换法对船型进行全局变换；
S3、对每组船型方案进行阻力性能预报，优化得到阻力性能最优游艇型线，在优化过程中需要对母型艇型线拟合精度、阻力性能计算精度进行验证，此外还需要通过数值测试函数研究交叉熵法的全局收敛性；
S4、采用全参数化方法对船体局部型线进行变换和阻力性能预报，直到满足算法规则为止，全参数化变换方法具体包括以下步骤：
T1、首先需要对母型游艇型线的几何特点进行分析，确定全局特征参数和局部特征参数；
T2、然后根据已知信息及特征参数，采用F样条生成船型的特征曲线；
T3、再编写宏命令用以描述特征横剖线，在此基础上使用曲线生成器生成一系列的船体横剖线；
T4、最后由曲面生成器运用元曲面生成法生成可通过有限参数进行描述的光顺船体曲面；
S5、将获得的游艇理想型线制作成实物，运用数值仿真和静水测试两种方法来验证阻力降低效果，得出结论。
本发明中，船体型线优化框架包括船型设计模块、船型分析模块、船型评估模块和船型变换模块这四个基本模块，船型设计模块是采用CAD船型参数化修改技术，对母型进行修改，生成光顺的船体曲面，并得到CFD软件可识别的船型几何描述，船型分析模块对船型进行CFD的数值模拟，获得表面的压力分布、局部流动等流场信息，船型评估模块根据CFD数值模拟的流场信息，对船型进行阻力等水动力性能评估，船型变换模块能够分析比较不同船型设计参数以及不同设计参数的组合对于水动力性能的影响，并采用合理的优化算法适当的调节设计参数。
技术指标：
1.三维模型静水力数据：对构建的游艇三维模型进行静水力计算，主要关注排水量、浮心纵向位置和湿表面积与母型艇之间的差异是否控制在1%以内。
2.游艇阻力性能计算精度的验证：对游艇方案进行阻力性能预报，将预报结果与试验数据进行对比，将预报误差控制在3%以内。
3.优化算法的全局收敛性测试：通过常用的数值测试函数对本项目开发的交叉熵法全局收敛性进行测试，保证其在搜索到全局最优解的同时，所需函数评估数尽量较少，以便在可接受时间范围内完成游艇型线优化。
4.优化质量的评估：对于目标游艇，在保证布置和美观影响不大的基础上，通过本项目研究，使得游艇总阻力系数降低5%以上。
综上所述
本发明可实现通过采用先进的基于CAD/CFD的船型仿真优化技术对母型艇进行阻力性能优化，通过建立母型艇全参数化三维模型，采用改进的随机优化算法生成系列艇型方案，对各方案开展阻力性能计算，搜索全局最优解，预期最优艇型方案阻力性能提升10%以上，能够满足研究初衷，研究内容为指导高性能艇型科学、高效的设计提供理论依据，研究成果有助于提升我国游艇自主设计水平，开发阻力性能较优艇型，能够带动游艇设计水平的提升，促进产业上档升级，通过对构建的游艇三维模型进行静水力计算，主要关注排水量、浮心纵向位置和湿表面积与母型艇之间的差异是否控制在1%以内，同时通过对游艇方案进行阻力性能预报，将预报结果与试验数据进行对比，将预报误差控制在3%以内，通过常用的数值测试函数对本项目开发的交叉熵法全局收敛性进行测试，保证其在搜索到全局最优解的同时，所需函数评估数尽量较少，以便在可接受时间范围内完成游艇型线优化，同时通过对于目标游艇，在保证布置和美观影响不大的基础上，通过本项目研究，使得游艇总阻力系数降低5%以上，采用CAD船型参数化修改技术，对母型进行修改，生成光顺的船体曲面，并得到CFD软件可以识别的船型几何描述，对船型进行CFD的数值模拟，获得表面的压力分布、局部流动等流场信息，根据CFD数值模拟的流场信息，对船型进行阻力等水动力性能评估，分析、比较不同船型设计参数以及不同设计参数的组合对于水动力性能的影响，并采用合理的优化算法适当的调节设计参数。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于阻力性能的游艇型线优化方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、通过数学运算开发交叉熵优化算法，将船型变换和阻力性能计算模块进行集成；
S2、选取实验室的游艇型线进行三维建模，并采用仿射变换和Lackenby变换法对船型进行全局变换；
S3、对每组船型方案进行阻力性能预报，优化得到阻力性能最优游艇型线；
S4、采用全参数化方法对船体局部型线进行变换和阻力性能预报，直到满足算法规则为止；
S5、将获得的游艇理想型线制作成实物，运用数值仿真和静水测试两种方法来验证阻力降低效果，得出结论。
2.根据权利要求1所述的一种基于阻力性能的游艇型线优化方法，其特征在于：所述步骤S1中阻力性能计算模块包括势流计算模块和粘性流模块，且势流计算模块用于计算游艇的兴波阻力，边界条件为非线性自由液面，数值的离散采用高质量的面元网格，此外船体表面不可穿透。
3.根据权利要求2所述的一种基于阻力性能的游艇型线优化方法，其特征在于：所述粘性流模块用于计算游艇的粘压阻力和摩擦阻力，入流面设为入流边界条件，出流面设为出流边界条件，外边界和对称面都设为滑移边界条件，船表面采用无滑移边界条件，湍流模型为k-ω SST模型，船艉部分计算域的离散采用全结构化六面体网格。
4.根据权利要求1所述的一种基于阻力性能的游艇型线优化方法，其特征在于：所述步骤S4中全参数化变换方法，具体包括以下步骤：
T1、首先需要对母型游艇型线的几何特点进行分析，确定全局特征参数和局部特征参数；
T2、然后根据已知信息及特征参数，采用F样条生成船型的特征曲线；
T3、再编写宏命令用以描述特征横剖线，在此基础上使用曲线生成器生成一系列的船体横剖线；
T4、最后由曲面生成器运用元曲面生成法生成可通过有限参数进行描述的光顺船体曲面。
5.根据权利要求1所述的一种基于阻力性能的游艇型线优化方法，其特征在于：所述步骤S3在优化过程中需要对母型艇型线拟合精度、阻力性能计算精度进行验证，此外还需要通过数值测试函数研究交叉熵法的全局收敛性。
6.根据权利要求1所述的一种基于阻力性能的游艇型线优化方法，其特征在于：船体型线优化框架包括船型设计模块、船型分析模块、船型评估模块和船型变换模块这四个基本模块。
7.根据权利要求6所述的一种基于阻力性能的游艇型线优化方法，其特征在于：所述船型设计模块是采用CAD船型参数化修改技术，对母型进行修改，生成光顺的船体曲面，并得到CFD软件可识别的船型几何描述。
8.根据权利要求6所述的一种基于阻力性能的游艇型线优化方法，其特征在于：所述船型分析模块对船型进行CFD的数值模拟，获得表面的压力分布、局部流动等流场信息。
9.根据权利要求6所述的一种基于阻力性能的游艇型线优化方法，其特征在于：所述船型评估模块根据CFD数值模拟的流场信息，对船型进行阻力等水动力性能评估。
10.根据权利要求6所述的一种基于阻力性能的游艇型线优化方法，其特征在于：所述船型变换模块能够分析比较不同船型设计参数以及不同设计参数的组合对于水动力性能的影响，并采用合理的优化算法适当的调节设计参数。
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| CN110795816B (zh) | 2023-11-24 |
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