82K DWT散货船线型优化与阻力预报研究.pdf

Aca d em i c 学术 8 2 K D WT散货船线型优 化与阻力预 报研 究 1 1 6 6 0 0 中远船务集团辽宁大连 一 姜海宁 1 5 0 0 0 1 啥尔滨工程大学黑龙江啥尔滨 沈海龙 1 1 6 6 0 0 大连中翅 重 舟 吕 务辽宁大连 - 王晓丹 摘要 ： 经济、节能、快速是现代船舶设计追求的目标 ， 更是确保企业在激烈的市场竟争占据有利位置的重要因素之一。本文重点介绍如何利用 C F D软件预报船怕阻力、 优化船舶型线 ， 并形成有效的基于C F D技术的低阻船型优化设计方法。 为今后 以 船帕优化i殳 起一定指导参考作用。 引言 近年来造船企业面对 国际船舶市场 的激烈 竞争 ， 要进行大量的船舶报价和初步设计工作 ， 每年累计 百批次，而在初步设计中快速性验证 往往 需要通过水池模型试验完成，仅委托模型 试验 一项每年累计耗费超过百万元。由于船模 试验周期长、费用高，往往影响对 市场 的及时 响应，存在很大的局限性。因此，在初步设计 阶段引进先进、快速的水动力性能预报手段的 已显得十分迫切。 i研究的 目的及主要内容 8 2 K N i T散货船开发 设计正是选择这一方 面，做 了一系列尝试性的计算工作，最大程度 地为其设计方案的确定提供快速而可靠的技术 支持。具体而言实现 以下目标 ： 1 1 初步实现数值水池的模拟。能为性能 设计者提供更多设计方案的选择 ，并减少船模 试验的次数，从而节约成本。 I 2 基于阻力最小的线型优化，以保证此 类船型的快速性和经济性。 i 3 缩短设计周期。对各类船型不同线型 方案的阻力性能的进行快速预报。 i 4 C F D与 C A D集成软件系统的融合，能帮 助设计者在初步设计中充分考虑到流体动力性 能。减少对经验的依赖。提高船舶设计质量 8 2 K D W T 散货船开发设计借助 C F D软件预报 所开发和优化的新船型 的快速性，使其成为线 型设计的有力手段主要研究内容如下： i 4 1 研 究分析现有线型资源、船模试验 资源，确定研究对象，检验 C F D软件计算结果 的可靠性和可信度，进而分析典型船型 的线型 及阻力特征； 1 4 2 影响典型船型 C F D阻力预报精度的 因素考察：网格划分尺度的选取，网格数量的 选 取，网格质量的控制 ，湍流边界层 的模拟， 壁面 y + 值的控制，粘性计算控制体大小的选取， 与船模试验结果的对比分析； 2 船型阻力分析 在进行线型和阻力性 能分析时，主要从水 动力性能角度出发将船型按傅 氏数和方形系数 进行分类，主要分为 A B C三类。 8 2 K 散货船项 目方形系数 C B = 0 8 8 属于 C类 船线 型，该类船型即为通常所说肥大型船。船 型肥大使船舶载货量增加，可以获得 良好的综 合经济 效益。但由于船舶尺度的大型化和方型 系数的加大，使得肥大型船在流体动力性能方 面具有一定的特殊性。主要存在 以下特点： 2 1 体态通常较粗短，平行中体较长，浮 心位置靠前 ，满载水线首端半进角较大，船中 横剖面不设舭升高； 2 2 阻力成分中摩擦阻力和粘压阻力 占很 大比例，约 7 0 8 0 以上。除 了常规的粘性阻 力和兴波 阻力外，还有破波阻力的存在，破波 现象在压载时较为明显。 从阻力角度考虑优化这类船型时，主要着 眼点是如何使船具有尽量小的漫湿面积，以使 其摩擦阻力尽量小：在此前提下，确定尾部型 线时，应尽量避免或减少界层分离，以减小粘 压阻力；考虑首部线型时。要注意减少破波阻 力 和首 底 涡。 3 三维建模、计算域确定及网格划分 为缩小数值计算所用的数值船体模型和水 池试验的实物船体模型之间的差异，最大 限度 减小数值计算中由于计算模 型而造成的计算误 差，采用合适 的三维船体模型 的建模方法是十 分必要的。 用 C F D方法预报船舶的阻力，在进行流场 求解计算时，首先要将计算区域离散化，即划 分网格。综合考虑结构化和 非结构化网格 的优 缺点，针对肥大型船船体几何形状 的复杂性， 采用 了一种适应性更强的网格划分方式一一分 块网格和结构化与非结构化混合的多重网格方 法。 3 1 三维数值船体的建模 三维数值船体 的建模是基于实船船体型线 利用建模软件来实现的。本项 目根据船体的横 剖线和水线来生成数值船体。 具体的建模步骤 可概括为三步。第一步， 将船体 的横剖线和水线分别闭合并生成面域； 第二步，将中纵剖线和中横剖线生成 的面域导 入三维建模软件，将各横剖线与中纵割线的交 点在中纵剖线上标记出来 ( 以站号表示)，将 各纵剖线和水线与 中横剖线 的交点在中横剖线 上标记出来，然后依次将各横剖线和水线生成 的面域导入建模软件，以各自的交点校 对各自 的位置，为避免生成三维面域时 由于控制线的 稀疏而造成的船体表面局部凸起或 凹陷，常常 将横剖线做必要的加密处理；第三步，以相邻 的两横剖线和两横剖线所夹的水线为控制线， 生成该部分船体的外表面，把各部分船体外表 面缝合即可生成完整船体的外表面 ，再以这些 面作为三维船体的控制面最终生成三维船体。 3 2 计算域的生成 由于船体关于中线面对称，并且数值计算 的主要 目的是获得船体 的伴流场和阻力，因此 利用粘性流场的对称性，计算域可采用叠模法 处理，即只考虑半个船体的流场，采用叠模法 处理流场可使计算 网格数量减半 以减轻数值模 拟对计算机硬件的过高要求，其计算结果和模 拟完整船体伴流场 的计算结果相 比没有太大的 差别。经多次比较 ，合适的计算域可从船首向 前延伸 1 个船长，从船尾 向后延伸 4个船长， 沿宽度方向延伸 5个半宽，深度方向延伸 7个 吃水。 3 3 计算域的分块方法和网格控制 本项 目为 了使计算域中流体流动受船体几 何外形影响较大的区域有 足够分辨率的网格。 将计算域分块。其优点主要表现在以下三个方 面：一，能将较大 的计算域分成船体近流场控 制域和远流场控制域，在较小的船体近流场控 制域使用非结构化网格以适应复杂的船体外形， 由于控制域较小， 可以有效地控制网格数置 二 ， 在远流场控制域生成结构化网格，既保证 了网 格 的质量，又进一步减少了网格数量；三，在 结构化网格和非结构化 网格之间用棱柱体 网格 和金字塔体网格进行衔接，加快计算收敛速度， 减少机时需求。 近流场 控制域 是整个 计算域 中对 网格质 量和精度 要求最高的地方，综合考虑到螺旋桨 的尺寸，近流场控制域 的最大网格尺度取螺旋 桨直径 的 1 4 ，最小 网格尺度取螺旋桨直径的 t 4 0 。远流场控制域 网格则 以近流场控制域外 表面网格为基础 ，并 以小于 1 2的增长 比例外 中国机械 M a ch i na C h i n a 悖 ，_ 、 a U lI l I 学术 推生成结构化网格。 3 4 船体表面网格及边界层网格的生成 结合肥大型船的特点和计算机的性能，确 定了适合肥大型船 的船体表面 网格划分方法： 以螺旋桨轴包套为基准向船艏方向进 行网格加 密，加密部分网格尺度取螺旋桨直径的 1 4 0 ， 船尾和船艏曲率较大的地方 网格尺度取螺旋桨 直径 的 1 2 5 ，同时将舭部网格尺度也取为螺旋 桨直径 的 1 2 5 ，且随着曲率变小，网格尺度 由 船尾至船中逐渐增加到螺旋桨直径的 1 1 5 ，船 体其他部分网格尺度取螺旋桨直径的 1 1 5 。 对 于数值模拟来说，所选湍流模型能否恰 当地求解湍流边界层是模拟成功的关键，因此 近壁区域网格的划分成为网格生成 的关键。在 本项 目阻力预报中，网格单元是在初始网格生 成后，以模型的表面 网格为基础 以一定膨胀系 数外推的方式生成。近壁区域采取合理的网格 划分方式：取离壁面第一节点到壁面距离使壁 面 Y +值控制在 6 O至 6 0 0之间，外推 系数控制 在 1 2之内，且边界层 内的网格节点数设为 5 。 4 8 2 K 散货船开发设计的阻力预报 船体型线设计是关系到船舶全局性的重要 设计项 目之一， 通过模拟计算对线型进行修改。 使船舶的快速性、载重量及货舱舱容等方面达 到比较优秀的结果。 4 1 网格数量对阻力预报结果的影响 预报实船阻力时，在保证计算域有 良好网 格质量的同时，如果以较少的网格数量完成预 报任务，则可 以有效地缩短预报周期，但是网 格数量对计算结果有较大的影响，为寻求快速 而合理的预报方法，有必要对网格数量做一些 必要的比较。 由计算结果得 出，随着 网格数量的增加 ， 计算结果有逐渐变小 的趋势，但是当网格数量 超过 2 5 0 万时， 计算结果的变化已不是十分明显， 因此 ，可以认为网格数量为 2 5 1万时可以满足 实船阻力预报要求。 4 2 优化方案及阻力预报 8 2 K D W T 散货船在原母型船 的基础上开发设 计船型优化方案，航速 1 4 k n时， 8 2 K 优化阻力 计算值对比如表 1 所示。 表 1 船型阻力计算值 船型 8 2 k 8 2 k 优化 吃水 1 2 2 m ， 吃水 l 2 2 m ， 特征 湿表面积 湿表面积 6 4 1 2 7 1 m 2 6 3 6 3 8 1 m 2 计算阻 计算 阻 计算 阻 计算阻 计算 力值 N 力系数 力值 N 力系数 阻力 3 3 9 4 1 0 0 0 0 2 0 4 5 1 3 3 6 5 3 8 0 0 0 2 0 3 l 5 5 结语与展望 8 2 K D W T散货船的C F D预报结果和船模试验 结果来看 ，两者对 该船快速性的预报结果是一 致的，表 明基于 C F D技术的船舶快速性预报技 术可 以为船舶的船型开发与优化设计提供较为 可靠的快速性预报，从而缩短船舶设计建造周 期，降低设计的技术风险，给企业带来更高的 经济效益。 在 8 2 K D W T散货船的设计过程中，船体的 型线设计和螺旋桨的设计是相互独立的，然而， 船体与螺旋桨之 间的干扰是相互的，船体和螺 旋桨匹配性能的好坏将直接影响到船舶总的推 进性能、螺旋桨 的效率、推力减额、船体阻力 与伴流等船舶性能。下一步将 以粘性 C F D技术 为纽带，将螺旋桨的理论 设计和船体型线 的优 化设计有机结合起来，基于 C F D技术来研究船 桨匹配特性，为具有优 良船桨匹配性能的低阻 船型和高效螺旋桨整体优化设计提供理论依据 及技术指导。 参考文献： 1 沈海龙 ， 蔡吴鹏 ， 苏玉民 肥大型 船整流附体的性能研究 J 船舶力学 ，2 0 1 2 ， 1 6 ( 4 ) ：3 5 9 3 6 7 2 S h e n H a i l o n g ， S u Y u m in ， C h e n Q in g t o n g N u m e r ica l p re d ict io n o f e n e r g y s a v in g e f f e c t o f c o m p e n s a t i n g d u c t b a s e d o n C F D t e ch n iq u e C 1 s t I n t e r n a t io n a l C o n f e r e n c e o n E n e r g y a n d E n vir o n m e n t al P r ot e c t i o n ，H o h h o t ， Ch i n a ，2 0 1 2： 1 1 8 1 1 1 8 4 3 沈海龙 ， 苏玉民 肥大型船伴流场数 值模拟的网格划分方法研究 J 哈尔滨工程大 学学报 2 0 0 8 ( 1 1 ) ：1 1 9 0 - 1 1 9 8 4 次洪恩 船体阻力数值计算在肥大船 型球鼻艏优化中的应用 J 船舶 ，2 0 0 9 ( O 1 ) ： 2 4 2 9 5 Au k e V a n D e r P1 0 e g M H 0 p t imiz a t i O n o f a T a n ke r A f t e r b o d y u sin g P A R N A S S O S J P a p e r o f V I R T U E p r o j e ct ， N e t h e r l a n d s 2 0 0 8 作者简介： 姜海宁( 1 9 7 8 一 ) ，男，本科，工程师，研 究方向：船舶与海洋工程结构物设计制造。 自动对中式台虎钳的设制与应用 2 7 1 4 1 1山东能源机械集团中矿采煤机制造有限公司 山东宁阳 - 赵忠刚 王义泉 摘 要 本文详细分析了自动对中式台虎钳的设计原理和结构状态 ， 并阐述了其应用和维护注意事项。 引 言 普通台虎钳往往是 由一个活动钳 口和一个 固定钳 口组成，在夹紧过程中，往往是由固定 钳 口面来进行单边定位，一旦工件被夹紧处尺 寸发生变化，其中心位置将随之变位，严重影 响了被加工件的加工部位的对称度 。对于在更 换其它 需加工中心部位 的工件时，又得要对 台 虎钳重新装夹校正。为此，笔者针对普通台虎 钳的此类缺陷，开发了钳 口自动对中式台虎钳。 1 自动对中式台虎钳设计原理剖析 由于普通台虎钳是单边定位，无法实现钳 口的自动对 中定位。但如果左、右钳 口在夹紧 过程 中同步