（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船体线型优化设计方法及最小阻力船型研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 在满足一定的装载和布置要求条件下，船体最佳线型的确定是船舶设计过程中既繁 复而又关键的设计技术之一，因为它直接影响到船舶快速性( 阻力和推进) 、操纵性和 耐波性等重要性能。而最小阻力船体线型的确定又是船舶设计者首先要追求的目标。以 往的船舶线型设计，主要是通过参考成功的母型船、依据设计者的经验和进行船模试验 来完成，这要花费大量的时间和费用，而且具有很大的局限性。随着船舶流体力学理论 的不断进步，计算机技术的飞跃发展，基于流体力学理论的船体线型最优化设计已经被 欧美、日本、韩国等造船技术先进的国家用于实际的船型设计中，而我国目前的船舶设 计部门仍主要采用传统的经验设计法来进行船体线型设计。当今，我国的造船能力已居 世界前列，但船舶设计和建造技术却存在较大差距。为了提高我国造船业在国际市场的 竞争力，提高我国造船企业的新船型开发能力，迫切需要研究快速生成阻力性能优良的 船体线型最优化设计方法，开发具有自主知识产权的船体线型最优化设计软件。 监于以上的迫切要求，本文研究的目的是探讨快速生成阻力性能优良的船体线型最 优化设计方法，开发自主知识产权的船体线型最优化设计软件。优化设计对象不仅局限 于船体首部和前半体，还包括后半体在内的船体水线下整体形状。为此，本文以数值计 算功能强大的f o r t r a n 语言为设计平台、以t e c p l o t 为程序的后处理软件、以c a d 为显 示工具，把势流兴波理论、粘性理论、最优化技术和c a d 技术有机结合，研究船体线 型最优化设计方法及开发船体线型最优化设计程序。在优化计算过程中把降低兴波阻力 作为主要目标，兴波阻力分别采用m i c h e l l 积分法和数值计算精度较好的r a n k i n e 源法 来计算，同时考虑尾部粘性分离的影响，利用简易湍流分离判断式来确定改良船型粘性 阻力的变化，设计船的船体型值利用母型船型值和船型修改函数来表达。最优化计算方 法分别采用在船型优化中应用较为成熟的传统优化方法( 非线性规划法) 和智能优化方 法( 基本遗传算法和小生境遗传算法) 。其研究成果对船体线型理论设计法是一项新贡 献，可为船舶设计及航运部门提供优化船体形状的理论基础和技术支持，可以期待产生 较大的经济效益，提高我国造船业在国际市场中的竞争力。 关键词：船型优化；势流兴波理论；r a n k i n e 源法；粘性分离；非线性规划法；基本遗 传算法；小生境遗传算法 船体线型优化设计方法及最小阻力船型研究 r e s e a r c ho no p t i m i z a t i o nd e s i g no fh u l ll i n e sa n dm i n i m u m r e s i s t a n c eh u l lf o r m r e s i s t a n c er m a b s t r a c t u n d e rs p e c i f i e dr e q u i r e m e n t so fd e a d w e i g h ta sw e l la sd e s i g nc o n d i t i o n , t h ep r o c e d u r e o fd e t e r m i n i n gt h eo p t i m a lh u l lf r o mw h i c hi n v o l v e ss o m ei m p o r t a n tp r o p e r t i e ss u c ha s r a p i d i t y , m a n e u v e r a b i l i t ya n ds e a k e e p i n gi sv e r yi m p o r t a n tb u ta l s oc o m p l i c a t e d ，n l e d e s i g n e r sf i r s tp r i o r i t yi st od e t e r m i n i n gt h eh u l lf o r mw i t ht h el e a s tr e s i s t a n c e n em e t h o d s u s e dc u r r e n t l yw h i c hi n v o l v et h er e f e r e n c eo ft h eb a s i cs h i p ，t h ee x p e r i e n c eo fd e s i g n e ra n d s h i pm o d e lt r i a ln o to n l yt a k em u c ht i m ea n dc o s t b u ta l s oa r er e s t r i c t e d a st h e d e v e l o p m e n to fh y d r o m e c h a n i c sa n dt h ec o m p u t e rs c i e n c e ，t h eo p t i m i z e dd e s i g nm e t h o do f s h i pl i n e sb a s e do nt h et h e o r yo fh y d r o m e c h a n i c sh a sg r a d u a l l yb e c o m ep r a c t i c a l t h en e w t e c h n o l o g yh a sb e e n u s e di np r o d u c t i o nb yk o r e a , j a p a na n do t h e re u r o p e a nc o u n t r i e sw h i l e t h et r a d i t i o n a lm e t h o db a s e do nt h ed e s i g n e r se x p e r i e n c ei sm a i n l yu s e di nc h i n a n o w a d a y s ， t h o u g hc h i n a sp r o d u c t i o nc a p a c i t yi si nt h ef r o n tr a n k so ft h ew o r l d ，t h et e c h n o l o g yw eu s e d l a g sb e h i n d i ti su r g e n tt or e s e a r c ht h eo p t i m a lm e t h o dw h i c hc o u l dr a p i d l yp r o d u c es h i p l i n e sw i t ht h el e a s tr e s i s t a n c ea n dd e v e l o po u ro w ns o j b v v a r eo fs h i pl i n e so p t i m a ld e s i g nt o i m p r o v e0 1 1 1 c o m p e t i t i v e n e s s i nw o r l dm a r k e ta n dt h er e s e a r c hp r o d u c t i v i t yi no u r s h i p b u i l d i n ge n t e r p r i s e s d u et ot h eu r g e n tr e q u i r e m e n ts t a t e da b o v e , 殇ea r t i c l ei sd e d i c a t e dt oi n v e s t i g a t et h e m e t h o dw h i c hc o u l dr a p i d l yp r o d u c es h i pl i n e sw i t ht h el e a s tr e s i s t a n c ea n dt od e v e l o po u r o w ns o f t w a r eo fs h i pl i n e so p t i m a ld e s i g n t h eo b j e c t so p t i m i z e di n c l u d es t e m ，f o r w a r db o w a n dt h eh u l lf o r mu n d e rt h ew a t e r l i n ea ta f ts t e r nt h ea r t i c l ec h o o s e sf o r t r a n 船p r o g r a m m i n g l a n g u a g e ，t e c p l o t 必t h es o f t w a r eo fp o s tp r o c e s s i n g ，a u t o c a da st h ed i s p l a yt o o l ，u s i n gt h e c o m b i n a t i o no fp o t e n t i a lf l o w ，v i s c o s i t yt h e o r ya n do p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e sa sw e l la sc a d ， t od e v e l o pt h es o f t w a r eo fs h i pl i n e so p t i m a ld e s i g n t h er e d u c t i o no ft h ew a v e m a k i n g r e s i s t a n c ei st h em a i np u r p o s ei np r o c e d u r eo fo p t i m a lc a l c u l a t i o n c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to f v i s c o s i t ys e p a r a t i o na ts t e r n ，t h ew a v e - m a k i n gr e s i s t a n c ei sc a l c u l a t e du s i n gm i c h e l li n t e g r a l m e t h o da n dr a n k i n em e t h o da n dc o m b i n e dv i s c o s i t ys e p a r a t i o nt oe v a l u a t et h ei n c r e a s eo f v i s c o s i t yr e s i s t a n c e t h eo f f s e t sa r ee x p r e s s e db yt h eo f f s e t so fb a s i cs h i pa n dh u l lf o r m m o d i f i c a t i o nf u n c t i o n t h ea r t i c l ec h o o s e st h e 仃a d i t i o n a lo p t i m a lm e t h o d n o n l i n e a r p r o g r a m m i n gm e t h o da n di n t e l l i g e n to p t i m a lm e t h o d - - g e n e t i ca l g o r i t h m ( i n c l u d i n gs i m p l e g e n e t i ca l g o r i t h ma n dn i c h eg e n e t i ca l g o r i t h m la st h em a j o ro p t i m a lm e t h o d s ，n l ea r t i c l ei s n e wd e v e l o p m e n to f s h i pl i n e so p t i m a lm e t h o d ，p r o v i d i n gt h et h e o r yf o u n d a t i o na n dt e c h n i c a l i i 大连理工大学牌士学位论文 s u p p o r to fh u l lf o r mo p t i m i z a t i o nf o rs h i pd e s i g na n ds h i p p i n gs e c t o rt oa c h i e v ee c o n o m i c b e n e f i ta n di m p r o v et h ec o m p e t i t i v e n e s so u rs h i p h u i l d i n ge n t e r p r i s e si nw o r l dm a r k e t k e yw o r d s ：h u l lf o r mo p t i m i z a t i o n ；p o t e n t i a lf l o w ；r a n k i n es o u r c em e t h o d ；v i s c o u s s e p a r a t i o n ；n l p ；s g a ：n g a i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不卖之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：越丝畦逝幽邀醴；31 位鑫型警盘 作者签名：一型心邕l 一 日期：a 巫l 年l 月- 堡一日 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：确蟛蕴韭盆鱼逝丕盗出继丛盆壑： 作者签名： 差公堕盔日期：坦2年鱼月上日 导师签名： 丝绁日期：釜竺：z 年鱼月l 日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1选题的科学依据及意义 。船型优化是船舶兴波阻力理论应用和其它研究工作中最重要的一个环节之一l l j ，在 船舶主尺度、排水量、设计航速给定的条件下，设计出最小阻力船型一直是造船工作者 追求的目标。以前主要是利用系列模型试验方法，比较若干个船型方案，从中选择阻力 性能最好的船型，这种方法不仅要耗费大量的劳力和时间，而且还有一定的局限性咄1 。近 年来，随着计算流体力学理论的不断进步，计算机技术的高速发展，基于计算流体力学 理论的船型优化设计逐渐成为可能。欧美、日本、韩国等造船技术先进的国家已将其研 究成果用于实际的船型设计中，并取得了很好的效果。而我国目前的船舶设计部门仍主 要采用传统的经验设计法来进行船体线型设计，该方法在初步设计阶段，对船型作出概 要估计仍然是有效和可取的。但是，具体到线型设计时，特别是当要求设计出高性能的 船型时，传统方法就显得无能为力【3 1 。在越来越讲究经济性的今天，高性能船型设计能 力的不足，企业就会缺乏竞争力。当前，我国的造船能力已居世界前列，可是船型设计 技术还比较落后。随着党中央提出的在未来几年内把我国建成世界造船大国、造船强国 的重要指示，提高造船企业的生产效率就显得尤为重要。激烈的市场竞争，各大造船企 业能否承接更多的造船订单，关键取决于能否在短时间内设计出满足船东要求的优良船 型h 1 。为了提高我国造船业在国际市场的竞争力，提高我国的造船技术和造船能力，迫切 需要一种能迅速生成快速、节能船型的优化设计方法，开发具有自主知识产权的船体线 型最优化设计软件。本文的研究方法对船舶线型设计理论是一项新贡献；可以为船舶设 计及航运部门提供优化船体形状的理论基础和技术支持，可以期待产生较大的经济效益。 1 1 1 选题必要性 新船型开发和船型优化技术是船舶工业永恒的主题，进入二十一世纪以来，我国船 舶工业发展迅速，但同时也应该清醒地认识到我国和造船技术先进国家还存在一定的差 距，尤其是新船型开发和船型优化技术，主要表现在主流船型技术升级缓慢，不具有引 领市场的能力；高技术船型的核心技术不掌握，原始创新能力不强；“精细设计水平 较低，未能形成世界级“精品”品牌。当前我国正处在由造船大国向造船强国的战略转 型期，加快新船型开发与船型优化技术的发展，对促进船舶工业的战略转型具有重要指 导意义。 正是鉴于这种前瞻性的要求，迫切需要提升船舶与海洋工程的研发水平，开发具有 自主知识产权的船型优化和设计软件，缩小与发达国家之间的差距，推动船舶工业进一 船体线型优化设计方法及最小阻力船型研究 步发展陆1 。然而，在船舶科技创新和综合能力提高上，船型技术是关键，而优秀船型的生 成对船舶的报价又是至关重要；激烈的市场竞争迫切需要提高企业的生产效益，如果能 够找到一种行之有效的快速船型生成技术，那么对造船企业在国内外众多厂家的竞争中 立于不败之地将起到举足轻重的作用。 船型设计是一个多层次的、多目标、综合的评估一决策一再评估一再决策的螺旋上 升过程，体现了从整体到局部、从宏观都细节、由浅入深的向目标逐次逼近。然而，船 型的选择需要综合考虑船舶的技术和经济指标，并不只是从阻力性能出发。但在满足一 定的设计要求和使用条件下尽可能地减少阻力，节约能源，提高运营效率是船舶设计中 最重要的一个环节悔1 。杨佑宗等人在2 0 0 2 年研究船舶型线设计时认为船舶型线的改善对 船舶节能将产生相当可观的效果，收到功率的比差可达2 0 h 1 。基于船舶阻力性能的船型 优化研究，在国外，尤其是日本研究较多，它排除了孤立解决船型的基本数值问题，而 是从船舶的运动机理去研究其阻力性能。应用c f d 技术进行船舶与海洋工程结构物数值 模拟和水动力性能预报的优越性和应用前景日益显现，但离工程要求的实用化和反应的 快速化仍然还有很大差距。基于兴波阻力的船型优化设计在计算流体力学理论和最优化 理论非常成熟的情况下以及计算机运算速度的迅速提高，可以达到快速、准确的生成最 优船型的目的。 1 1 2 选题可行性 本文重点研究基于势流兴波理论r a n k i n e 源法的最小阻力船型优化设计方法，以总 阻力为目标函数，总阻力用兴波阻力和相当平板摩擦阻力之和来表达，分别采用非线性 规划法和遗传算法进行优化设计。其中r a n k i n e 源法是当前兴波阻力数值计算精度较好 的一种方法隋3 ，已被广泛用于实船的兴波阻力评估，其有效性和可行性已被理论和试验所 证实；非线性规划法是种比较成熟的优化方法，马坤教授曾以该方法中的s u m t 内点 法为优化方法，以m i c h e l l 积分法计算的兴波阻力为目标函数，以船体型值为设计变量， 分别以w i 西e y 数学船型、$ 6 0 船型为初始船型进行优化计算，对于1 0 0 多个设计变量， 1 0 0 多个约束条件的优化问题在短时间内得到了最优解，并通过模型阻力试验分析、验证 了理论优化方法的有效性和可靠性，也说明该优化方法能很好地处理与解决多设计变量 和多约束条件的优化问题盯 9 1 。对于简易二维粘性分离判断条件心1 ，还进行了各种不同形 状翼型的适用性分析，对不同形状翼型进行了分离点判断，并和试验结果进行比较，验 证了该方法的有效性。本文拟把该二维粘性分离判别条件应用到船体表面各流线的分离 判别上，据此求出尾部的分离域，这样使考虑粘性分离的船型优化问题可以容易实现。 以上的基础工作可以为本论文的研究提供理论基础和技术支持。而本单位提供的高性能 大连理工大学博士学位论文 软、硬件设施也为本论文的顺利完成提供了有力保障。 1 2 旁台舟白阻力 船舶在航行过程中会受到流体( 空气和水) 阻止它前进的力，这种与船体运动方向 相反的作用力称为船舶阻力n 训。 船舶水阻力的分类方法取决于所研究的问题和所根据的近似假定不同而不同，具体 的分类方法如下： ( 1 ) 按照船舶周围流动现象和阻力产生的原因来分类，则船体总阻力r t 由兴波阻力 i 、摩擦阻力r f 和粘压阻力三者组成，其公式为： 尼= 尉尼十尼，( 1 1 ) ( 2 ) 按照作用在船体表面上流体作用力的方向来分类，船体总阻力可以分为摩擦阻力 和压阻力，即： 觅= 尼+ 蜀 ( 1 2 ) ( 3 ) 按照流体性质，可分为兴波阻力和粘性阻力，即： 尼= 尼+ 尼 ( 1 3 ) 其中r ，为粘性阻力，包括摩擦阻力r ，和粘压阻力r p ，。 应该指出：上述各种阻力成分在总阻力中所占的比重对不同航速是不同的，对于低 速船，兴波阻力的成分较小，摩擦阻力占总阻力的7 0 - 8 0 ，粘压阻力约占1 0 ；对于 高速船，兴波阻力却增) j n n4 0 - - - 5 0 ，摩擦阻力约占5 0 左右，粘压阻力仅占5 左右。 目前，确定兴波阻力的方法主要有船模试验法、理论计算法和波形分析法；早期的 模型试验法是依据傅汝德法，通过模型试验确定剩余阻力系数c r 来确定、分析兴波阻力。 采用这中方法的原因是：船模试验很难将兴波阻力与粘压阻力分开，而粘压阻力系数基 本上不随船速变化，因此，兴波阻力的基本特性，如，峰、谷点等在剩余阻力曲线中均 有反映。同时从不同航速的船舶来看，将兴波阻力从剩余阻力中分出来的意义并不大， 因为低速船的兴波阻力很小，不是研究的重点；而对高速船，剩余阻力的绝大部分是兴 波阻力，因此，己足以反映兴波阻力的特性了。采用理论计算的方法来确定兴波阻力的 大小当前主要有线性兴波阻力理论m i c h e l l 积分法，弱非线性兴波阻力理论r a n k i n e 源 法以及有限元法等； 在粘性阻力中摩擦阻力占主要成分，但是由于船体形状比较复杂，目前还不能用理 论的方法直接计算船体摩擦阻力。至今仍沿用傅汝德提出的相当平板假定，即船体摩擦 阻力与同速度、同长度、同湿表面积的平板摩擦阻力相等，来计算船体摩擦阻力。这样， 当已知船的水线长、航速及湿表面积就可以利用平板摩擦阻力公式来计算船体的摩擦阻 船体线型优化设计方法及最小阻力船型研究 力。在实际计算中通常是在计算光滑平板摩擦阻力的基础上加入粗糙度对摩擦阻力的影 响n 4 | 。 在多年的模型实验研究和实践经验的基础上，人们相继提出多个常用的经验公式来 计算摩擦阻力。 1 。3 国内外研究概况 1 3 1兴波阻力理论 ( 1 ) 线性兴波阻力理论 1 8 7 0 年，英国造船学家傅汝德( w f r o u d e ) 在总结前人经验的基础上，提出了船舶 阻力理论的雏形，并于1 8 7 1 年在英国建造了世界上第一座船模拖曳试验水池，提出了船 模阻力试验的相似准则。他的研究工作奠定了船舶水动力学研究基础，从此，船型研究 进入了一个在经验和理论定性指导下通过实验研究开发船型的时期。凭借船模试验，一 些优秀的系列船型相继问世拍1 。如：t a y l o r 船型系列、t o d d 6 0 船型系列、b s r a 船 型系列和s s p a 船型系列等，这些系列船型和相关的实验资料在船舶设计中发挥了重要 作用。在试验研究取得一系列成果的同时，船舶阻力理论的研究也取得了突破性进展。 k e l v i n ( 1 9 8 7 年) 发表了自由面上移动压力点兴波的重要文章，并描绘出船后的兴波图 案，即当今熟知的k e l v i n 波系；m i c h e l l ( 1 8 9 8 年) 推导出了著名的兴波阻力计算公式， 该公式成为后来数十年船型优化的出发点。之后，h a v e l o c k ( 1 9 2 8 年) 找到了现在称之 为( h a v e l o c k ) 源的格林函数，奠定了在线性框架下的兴波阻力理论基石；b r a r d ( 1 9 7 2 年) 从格林第三公式出发，发现了围绕船体水线的线积分项，使线性兴波阻力理论更加 严谨n 。但是，从使用角度来看，线性兴波阻力理论给出的计算结果和试验曲线之间有 很大的差距，难以为工程界所接受。因此，线性兴波阻力理论在相当长的一段时间内， 一直得不到船舶工程界的认可。直到1 9 6 0 年，日本东京大学教授乾崇夫根据船舶首尾波 系相互干扰的思想，提出了采用球鼻首来降低阻力，可以说是线性兴波阻力应用的一个 成功例子。 船首的球鼻能减少兴波阻力。一艘大型快速船舶在航行中由于其速度较高，因此船 首柱与水面之间会兴起一个巨大的波涛一首波，首波与航速有着密切的联系，航速快， 首波就高，给船体带来的阻力也就愈大，在总阻力中，首波所引起的阻力是主要部分， 因此如果能降低首波的高度，就能减小兴波阻力，提高船的航速，因此，在船首的满载 水线稍下处增设了一个球鼻首，当船在航行时，由于球鼻与首柱不在同一平面上，因此 将会兴起两个波，即首柱波和球鼻波，由于设计得合理，前波( 球鼻波) a n 后波( 首柱波) 的 大连理工大学博士学位论文 波谷与波峰正好处于同一个平面上，两波相遇后，波能互相抵消，于是波高也就降低， 兴波阻力也就减小了。据统计：如果球首选择适当，可以使船舶总阻力降低1 0 - 1 5 左右。 ( 2 ) 改进的线性兴波阻力理论( 弱非线性理论) 由于线性兴波阻力理论的局限性，人们开始探索更精确的兴波阻力数值计算方法， b r a r d ( 1 9 7 2 年) 对船体的边界条件进行了改进，将物面条件准确地在实际的湿表面上得到 满足，而自由面条件仍然是线性的，于是出现了现在被称之为n e w m a n n k e l v i n 问题。这 种提法在物理上是有矛盾的，比如肥大船型产生的波浪不一定小，从而无法保证自由面 条件符合线性化要求。可见，要想得到符合实际的计算结果，必须在自由面条件中计人 非线性影响，于是在发展过程中出现了多种弱非线性理论，如：高阶薄船理论、 g a d d g i l l o m n ( 1 9 7 3 年) 方法、n e u m a n n - - k e l v i n 问题和n o b l e s s e 新细长船理论等。 高阶理论由w e h a u s e n 首先于1 9 6 3 年在第一次兴波阻力理论讨论会上提出的。该理 论从实际情况出发，考虑实际波面所引起的湿表面积变化，被公认为最严格的理论，但 如不作适当的简化处理，该理论将无法使用；g a d d g i l l o t o n 方法是对原有薄船理论的推 广，更多地考虑了船体厚度的效应；e g g e r ( 1 9 6 6 年) 利用摄动法，将实际自由面条件 引伸到未扰面上，导出了二阶理论，后来学者证明w e h a u s e n 高阶理论与e g g e r 的二阶理 论相当，而g u i l l o t o n 方法实际上是一种简化的二阶理论n 副。 采用线性自由面条件和严格物面条件的边界值问题称为n e u m a n n - k e l v i n 问题。由于 其严格满足物面边界条件，因此有别于薄船理论，是一种介于线性理论和非线性理论之 间的方法。许多研究证明n e u m a n n k e l v i n 理论对于水面船舶的计算是很有效的，但对于 有航速的三维问题用n e u m a n n k e l v i n 理论求解非常困难n 到。n e u m a n n - k e l v i n 理论作为从 线性理论向非线性理论发展的中间环节，对推动水面船舶非线性兴波理论的发展具有重 要意义。 n o b l e s s e 对原细长船理论做了修改，在船体表面上布置奇点，克服了早期奇点分布 在首尾端点处的奇异性。在计算w i g l e y 船型与椭球船型时，得到了比薄船理论更好的结 果，由此提出了新细长船兴波理论。n o b l e s s e 新细长船兴波理论与n e u m a n n - - k e l v i n 理 论一样，采用线性的自由面条件和严格的物面条件。n o b l e s s e 新细长船兴波理论与 n e u m a n n - - k e l v i n 理论的主要区别在于求解速度势方面，新细长船兴波理论是直接通过 在物面和水线上的积分来求解速度势，而不像n e u m a n n - - k e l v i n 理论那样在船体上布置 源或偶极；另外，在求解方法上新细长船兴波理论采用迭代法，而n e u m a n n - - k e l v i n 理 论是用h e s s s m i t h 法对大量线性方程组进一步求解。新细长船兴波理论是比较完善的理 论体系，薄船公式、扁船公式以及原始细长船公式都属于新细长船理论中零阶阻力公式 船体线型优化设计方法及最小阻力船型研究 的特例。韩端芬对新细长船理论的计算方法进行了系统研究n 羽；黄金淼，郭振邦基于新 细长船理论进行了船型优化研究n 钊。 ( 3 ) r a n k i n e 源法 随着理论的逐渐成熟和计算机技术的高速发展，2 0 世纪8 0 年代以来船舶非线性兴波 阻力数值计算方法发展很快，自从1 9 7 7 年d a w s o n 方法问世以来，面元法成为数值计算 的主要工具口5 1 6 。其基本思想是在船体表面和自由面上布置r a n k i n e 源，采用四点迎风 差分格式满足远前方无波的辐射条件，对非线性自由表面条件作线性化处理，用迭代法 满足非线性自由面条件n 7 1 8 。 d a w s o n 方法中的基本流动是船体的叠模扰流，要求相对这个叠模绕流的扰动是小 量。这个流动可以准确地满足物面条件j 包括船的首尾。以这个叠模流动为基础，避免 了原来薄船理论中首尾端存在扰动很大的问题，相应的自由面条件也可以线性化。船速 较低而计及兴波时，d a w s o n 方法无疑在理论上是合理的，故称慢船理论n 。因此d a w s o n 方法在本质上是一种数值计算方法，他采用叠模势部分非线性自由面条件，获得了很好 的计算结果。由于该理论是一种慢船理论，只适用于低航速状态。后来的一些方法都是 在d a w s o n 方法的基础上发展起来的，也叫d a w s o n 型方法，该方法对船型和航速没有限 制，给船舶设计者带来了极大的方便。由于d a w s o n 方法所用的格林函数是基本源，又 称r a n k i n e 源，因此d a w s o n 方法也称为r a l l k i n e 源法嘲。这个源函数在形式上非常简单， 凡是以拉普拉斯方程为控制方程的问题都可用它，更重要的一点，r a n k i n e 源法还可以扩 充到求解非线性自由面条件的船舶扰流场问题n 蚰。可以这样说，当今，在势流框架下的 兴波问题和物体在波浪中的运动问题，己基本上统一在r a n k i n e 源法基础上。上世纪9 0 年代，日本学者铃木和夫啪 2 铂( k a z u os u z u k i ) 、姬野洋司乜印( t a ky o j i h i m e n o ) 、田原 裕介啪 2 7 3 ( y u s u k et a h a r a ) 等人采用r a n k i n e 源法对船舶的兴波阻力进行了大量的研究， 其中铃木和夫认为r a n k i n e 源法采用流线追踪法划分网格，用四点沿流线的迎风差分格 式逼近自由面上势函数的导数，以满足远前方无波条件；可是，这种方法在较低傅汝德 数下有时会出现阻力为负值。其原因主要是u ：在船体近旁应用流线追踪法很困难， 由于数值误差的积累，流线经常会钻入船体内部，不得不经常修正；采用不均匀网格 会降低差分格式的精度；航速低时，波长短，需要用小的网格，造成计算上的浪费； 若网格过稀疏，精度自然就下降。为此，他参照田原裕介的经验，改用l a p l a c e 方程产生 的贴体网格，提高网格划分质量；在船体近旁加大自由面网格密度，改善了计算精度。 ( 4 ) 非线性兴波阻力理论 由于r a n k i n e 源法本身是一种慢船理论的线性化，这种线性化不仅在于它忽略了自 由面条件中的非线性项，而且还把自由面条件满足的位置从真正的自由面位置转移到未 大连理工大学博士学位论文 扰动的水面上。正是这种慢船的线性化，使得有时波形可以算得很好，波阻却相差甚远， 而且对低速丰满船还会出现兴波阻力预估偏低甚至出现负值。因此，求解非线性自由面 条件的兴波问题势在必行，再加上计算机的计算速度和存储容量的迅速提高，在1 9 8 6 年 前后人们将r a n k i n e 源法加以发展，出现了非线性兴波阻力的数值计算方法，自由面条 件中包括全部的非线性项，并把条件设置在真正的自由面上；船体表面的边界条件在实 际的湿表面上满足；还要考虑航行时纵倾和升沉对波阻的影响。在国内，第一批提出解 决办法的人中有糜振星( 1 9 8 6 年) 和倪绍毓( 1 9 8 7 年) 。其基本思想是在获得d a w s o n 的线性解后，以这个解为基本流动，重新进行摄动，相对这个新的基本流动使自由面上 的边界条件线性化，并在新得到的自由面上满足，依次类推，直到非线性自由面条件( 包 括条件和满足的位置) 完全满足。该方法已经被许多计算实践所证实，而且己为所有从 事兴波阻力计算的人们所接受，也是当前使用最广泛的计算方法。 1 3 2 船型优化方法 实际上船型优化是一种综合的权衡过程啪1 ，要综合考虑船舶的技术性能和经济指标， 并不只是从阻力性能出发，但本文的研究仅限于阻力性能的优化，即在船型给定的情况 下，分析其周围流场特性，根据某种性能需要，求其流体运动的边值问题，称为正问题。 在工程上，就是所谓的预报问题，如阻力预报、航速预报、波浪中运动性能预报等。对 于正问题，一般通过经验公式来进行估算或者通过模型试验也可以获得精确解；船舶工 程中还有另外一类问题，即所谓的船型设计问题或优化问题。这两者原则上都是在一定 的限制( 约束) 条件下，根据一定的尽标( g g 性能指标) 反过来寻找船型晤1 。差别在于目标的 提法不同，笼统来讲，以闽值形式设定目标，属于设计问题；以极值形式设定目标，属 于优化问题。介于这两者之间有所谓的优选问题，或者说是多方案优选问题。无论是设 计问题还是优化问题，均属于反问题。 以往的船体线型设计主要有三种方法：( 1 ) 母型改造法；( 2 ) 系列图谱法；( 3 ) 回归方 程法，在设计的初始阶段强烈地依赖设计者的实践经验和型线数据库。迸一步的设计时， 通常要做模型试验。模型试验资料的积累和试验结果的分析，都可以为船体型线优化设 计提供有益的信息。这些方法在2 0 世纪6 0 年代前对船舶设计发挥了重要作用啪3 。然而， 当今的船型优化理念应紧扣技术创新这一时代主题，是概念、技术、应用三个层面上的 智能一体化、数字化的综合集成系统，必须具备科学的决策能力、形象的表达能力、精 确的预报能力、快速的反应能力、广泛的适应能力和灵活的扩展能力。这些要求使传统 的船型设计法显得无能为力。 船体线型优化设计方法及最小阻力船型研究 从理论研究角度而言，船型优化大多数从确定目标函数、约束条件( 主要考虑几何形 状的限制和排水体积) 开始，用数学上的最优化方法直接求解反问题，给出船型参数或型 值。归纳起来，理论上的船型优化主要从以下三个方面入手n 。 ( 1 ) 采用不同的兴波阻力理论和阻力系数公式 如m i c h e l l 积分理论、低速兴波理论、r a n k i n e 源法、边界层理论和c f d 法以及优化 需要对这些理论所做的各种变形，或者综合试验方法( 主要是波形分析) 修改船型。基于 m i c h e l l 积分理论的各种船型优化，由于目标函数可以表示为船体表面形状“z 力的显函 数，可以用变分法或者影响函数法对其进行公式化。因此，直接把船体表面型值坐标作 为设计变量，采用非线性规划法进行优化设计。基于r a n k i n e 源法、边界层理论和c f d 法的船型优化问题，因为船体表面形状与阻力计算之间有着复杂的数值计算过程，是一 种高度非线性的优化问题，用这些理论把目标函数与船体表面型值直接联系起来是不可 能的，另外，在船型规划中，还不可避免地附加一些非线性约束条件。因此，在确定一 个船型时需要反复比较、反复评价目标函数。工作量成几个数量级的增加。 ( 2 ) 采用不同的数学形式表达船型 用帐蓬函数、多节点b 样条描述船体曲面或船体横剖面面积曲线，用某种级数表示 船型的变换等。对复杂的非线性规划问题，在用数学方法表达船型时，独立的设计变量( 也 就是优化变量) 越少越好。在这方面，李世谟为船舶流体力学计算而设计的数学船型；纪 卓尚、林焰等建立的船体型值与船体u v 度间的映射函数，把船体优化的多变量问题转化 为单变量问题，提高了船型优化速度啼2 5 朝。 ( 3 ) 应用各种近代的非线性规划技术 在众多的非线性规划方法中，有许多种曾在船型优化中得到应用，序n - - 次规划、 m m a 法，罚函数法结合h o k e j e e v e s 直接法以及进化算法等。 基于线性兴波阻力理论，进行船型改良和优化设计研究，在国内外有很多研究成果 陆续发表。美籍华人卞保琦在1 9 6 7 年提出的“应用兴波阻力理论设计船身线形”理论引 起世界轰动四1 。日本学者马场荣- - ( 1 9 7 2 ) 、堤孝行( 1 9 7 8 ) 、松井政博( 1 9 8 0 ) 等人分别提出 了采用波形分析法改进船型，他们采用的方法是以薄船理论与波形分析数据相互补充的 形式进行船型规划，马场荣一和松井政博的方法只需要一条船模的数据资料，而堤孝行 的方法因以最优化为对象，需要多条船的系列模型试验数据，且只适用于船体后半体改 良【3 0 1 。加拿大的c c h s i u n g 首先提出了以t e n t 函数表达船体曲面的方法，利用m i e h e l l 积分法进行兴波阻力数值计算，把船型的兴波阻力表达为其型值的函数，构成二次规划 问题进行船型优化1 3 2 。 一8 一 大连理工大学博士学位论文 在国内，叶恒奎首先探讨了基于线性兴波理论的最小兴波阻力船型优化问题，采用 m i c h e l l 积分法计算兴波阻力，引用c c h s i u n g 的t e n t 函数表达船体曲面，利用混合罚 函数法把约束优化问题转化为无约束优化问题来求解。该方法简单、易行，便于程序实 现，对目标函数和约束条件要求不高，适用范围较广】；夏伦喜、刘应中提出了等价薄 船的概念，并以此为基础进行船型改进【3 4 1 。黄德波把单位帐篷函数表示的船体半宽函数 代入m i c h e l l 积分公式来计算兴波阻力系数。对某高速船型进行过有成效的优化设计研究 【3 习；潘中庆、都绍裘等人应用m a t h i e u 函数，基于线性兴波理论，采用直壁假设，将波 阻描述为面积曲线的积分，引入无限水深边界，在给定船速和棱形系数条件下来改进船 型和降低波阻m 3 ；张轩刚、都绍裘等人在船型表达上突破帐篷函数在表征船体曲面网格 的稀疏和较大近似性的缺点，应用双二次样条函数在计算高速双体船的兴波阻力和改进 船型方面进行了卓有成效的研究。石钟垫等人采用线性兴波理论与波形分析相结合的 方法对理论波幅函数进行修正，并采用非线性规划法对高速船型进行优化设计扭町；马坤、 田中一朗在基于兴波阻力理论的最小阻力船型优化研究方面做了很多探讨，研究了最小 兴波阻力船型和最小总阻力船型的设计方法，并把控制尾部分离作为约束条件，以船体 总阻力最小作为目标函数，不仅简化了计算模型，提高了运算速度，而且还考虑了尾部 粘性影响乜1 ；此外，纪卓尚、林焰、黄青等人在基于线性兴波阻力船型优化方面也作了大 量研究们3 1 。 以上的这些研究主要是基于线性兴波阻力理论中的m i c h e u 积分法和波形分析法，采 用非线性规划法对船体前半部形状进行优化研究。然而，由于线性理论对物面条件和自 由面条件做了简化假定，其计算结果和实际试验值相比在数值上相差较大，特别是线性 兴波阻力理论过分地夸大了波阻的“峰 、“谷“值。然而，采用线性兴波阻力理论定性 地判断船体型线( 特别是中、高速船) 的优劣以及在改进船型方面还是具有一定的理论 价值和实际意义。 进入二十世纪九十年代以后，人们开始运用势流兴波理论r a n k i n e 源法并结合最优 化技术进行船型优化设计，取得了较好的降阻效果“引。其中最具代表性的要数日本学者 铃木和夫的船型优化方法，他的工作主要经过了基于r a n k i n e 源法兴波阻力数值计算和 基于r a n k i n e 源法最小兴波阻力船型优化设计两个阶段，并进行水槽试验验证该方法的 有效性脚删。在他的方法中，兴波阻力理论是基于r a n k i n e 源法，船型修改函数用双重 三角级数，优化技术采用序列二次规划。铃木和夫还采用该方法对h t c 型集装箱船进行 优化设计，在设计f n = 0 3 0 5 的情况下，经过3 - - - 5 次迭代，得到的改良船型兴波阻力降 低了1 6 左右。从他的研究工作中可以看到基于r a n k i n e 源法的船型优化既有理论价值， 又有现实意义。近年来，我国的部分研究院所在基于势流兴波理论r a n k i n e 源法相关船 船体线型优化设计方法及最小阻力船誓研究 舶水动力学性能预报和船型优化方面也取得了不少进展。程明道，刘晓东应用线性兴波 数值方法在尾板的优化方面取得了较好的应用效果6 叫7 】。陈京普将改进的d a w s o n 法用 于三体船片体布局优化，还将所开发的线性兴波数值方法应用到集装箱船的线型优化上n 们 【柏】 o 采用r a n k i n e 源法进行船型优化带来的最大问题是计算时间过长，因为r a n k i n e 源法 不能直接把船型和兴波阻力“显式”地表达出来，在优化迭代过程中，必须反复地在船 型给定后进行正问题