NavCad和CAESES的耦合在船舶前期設(shè)計(jì)階段的優(yōu)勢(shì)在于快速的優(yōu)化船體幾何達(dá)到設(shè)計(jì)需求。某以噴水推進(jìn)器方式推進(jìn)的巡邏艇原始設(shè)計(jì)達(dá)不到目標(biāo)航速26節(jié)（初步的航速預(yù)估為23節(jié)）。該船有一個(gè)圓形艙底船體和浸沒(méi)式的尾封板。總長(zhǎng)29米，船寬6.8米。鑒于以上背景，本次設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)定為找尋阻力最小的船型，最佳的船-機(jī)-槳匹配，最終達(dá)到目標(biāo)航速26節(jié)。

 前期準(zhǔn)備 

由于已經(jīng)有了母型船的線型，因此采用母型船修改法的方式來(lái)優(yōu)化船型。在本案例中，采用一系列不同的變型方法來(lái)改變船長(zhǎng)，船寬，尾封板浸沒(méi)深度，甲板和水線的形狀，以及排水量的縱向分布。由于每一個(gè)船型的設(shè)計(jì)都可以用相同的格式輸出（比如IGES, STEP或者STL），因此我們?cè)贜avCad中需要輸入含有計(jì)算設(shè)置和船體幾何特征的腳本。除了主尺度以外，腳本中還應(yīng)包括水線寬度，橫剖面面積等參數(shù)。

為了保證把這些信息無(wú)縫傳輸?shù)絅avCad中，我們?cè)贑AESES中自定義了可以提取上述信息的腳本。最終NavCad和CAESES完美實(shí)現(xiàn)了在同一個(gè)操作界面下的耦合。在這個(gè)操作界面下，用戶可以定義和準(zhǔn)備所有NavCad需要的數(shù)據(jù)，并且NavCad對(duì)于每一個(gè)設(shè)計(jì)方案的計(jì)算結(jié)果也可以在該界面下呈現(xiàn)。

圖：CAESES中方案評(píng)估的界面

在進(jìn)行優(yōu)化工作之前，我們需要在NavCad定義一些必要的參數(shù)如附體的幾何特征參數(shù)，環(huán)境參數(shù)等。NavCad還會(huì)根據(jù)輸入的母型船原始幾何參數(shù)和目標(biāo)航速自動(dòng)推薦最合適的阻力評(píng)估方法。

 優(yōu)化流程 

在優(yōu)化過(guò)程中，我們選取了6個(gè)參數(shù)變量，并賦予他們合理的邊界。優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定為22節(jié)和30節(jié)航速下的阻力值。同時(shí)我們也限定了排水體積和浮心縱向位置只允許在一個(gè)很小的范圍內(nèi)變化。CAESES提供了很多方法來(lái)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化流程。對(duì)于本巡邏艇，我們采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)和確定性搜索策略的方法。首先，我們進(jìn)行了500個(gè)方案的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)探索設(shè)計(jì)空間，尋找優(yōu)秀的參數(shù)組合。然后，用局域優(yōu)化算法找到最佳的設(shè)計(jì)。

前期設(shè)計(jì)空間探索的結(jié)果可以幫助我們理解每個(gè)參數(shù)對(duì)于優(yōu)化目標(biāo)的敏感度。有些參數(shù)比如尾封板的浸沒(méi)深度與阻力有強(qiáng)烈的正相關(guān)性，而甲板和設(shè)計(jì)水線的形狀與阻力有著負(fù)相關(guān)的特性。最終優(yōu)化方案為稍微削瘦削一些的船體，浮心縱向位置后移，更大的尾封板面積和更窄的進(jìn)水角角度。最終的評(píng)估顯示，在整個(gè)航速段內(nèi)阻力都有所降低。初步判斷，航速可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

接下來(lái)，我們使用NavCad來(lái)選擇一款合適的噴水推進(jìn)器。NavCad的噴水推進(jìn)器模塊可以接受產(chǎn)品-模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且以一種新穎的方法應(yīng)用這些數(shù)據(jù)。NavCad整合噴嘴入口的航速-推力-功率數(shù)據(jù)和葉輪的功率-轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，從而預(yù)測(cè)在一定主機(jī)功率下合適的航速-功率-轉(zhuǎn)速關(guān)系，并且可以得到推進(jìn)效率。這個(gè)功能對(duì)于選擇合適的船-機(jī)-槳匹配尤為重要，因?yàn)閲娝七M(jìn)器在航速區(qū)間內(nèi)的效率一般情況是隱藏在數(shù)據(jù)中的，沒(méi)有清晰的表達(dá)出來(lái)。

 更高的航速，更低的成本 

CAESES和NavCad耦合應(yīng)用優(yōu)化后的船型配以一個(gè)合適的噴水推進(jìn)器最終使巡邏艇的航速?gòu)?3節(jié)提到高26.5節(jié)。在沒(méi)有更換更大功率主機(jī)的情況下達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。原始的船型設(shè)計(jì)方案需要10%~15%的功率提升才能達(dá)到目標(biāo)航速，這同時(shí)意味著更多的燃油消耗和更大的排水量需求（因?yàn)樾枰蟮闹鳈C(jī)）。自然的，經(jīng)濟(jì)成本的投入也會(huì)隨著更大的主機(jī)而提升。客戶最初的設(shè)計(jì)是選用一個(gè)功率增加20%的新主機(jī)。如果我們將原始主機(jī)的成本假定為100,000美元，那么功率提高20%的主機(jī)成本我們可以粗略的認(rèn)為是120,000美元。由于雙主機(jī)的需求，我們的優(yōu)化設(shè)計(jì)在原始的投入成本上就可以為客戶節(jié)省40,000美元。

而營(yíng)運(yùn)的成本更高。通過(guò)NavCad的分析，原始船型單個(gè)主機(jī)的在20節(jié)航速下的油耗為252l/h，優(yōu)化后的船型為185l/h。我們假定該巡邏艇的運(yùn)營(yíng)需求為每年500小時(shí)，柴油平均價(jià)格為1.05美元每升，這樣每年優(yōu)化后船型和優(yōu)選噴水推進(jìn)器的搭配可節(jié)省72,000美元的營(yíng)運(yùn)成本。

總而言之，CAESES和NavCad耦合的自動(dòng)優(yōu)化流程提供一個(gè)高效并且低成本的解決方案。這種組合可以作為船體線型設(shè)計(jì)和推進(jìn)器的選擇的有利的工具。