型線優(yōu)化的案例
低碳背景下的船舶設(shè)計演變
型線優(yōu)化。型線優(yōu)化可以降低船舶阻力、降低動力需求以獲得更好的整體效能。對于已經(jīng)服役的單要素設(shè)計船舶，修改船舶整體線型是不經(jīng)濟的，可以對球鼻艏進行局部優(yōu)化。因為興波阻力與船首形狀以及不同速度下的吃水深度有關(guān)。單要素設(shè)計船舶通常球鼻艏非常冗長龐大，優(yōu)化后細(xì)長的球鼻艏可能節(jié)省6~10%的燃料。
其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化。其他方面的優(yōu)化有新式螺旋槳以及推進系統(tǒng)優(yōu)化，這些比較少議及。
圖示：優(yōu)化后的球鼻艏外型通常比單要素設(shè)計船舶的球鼻艏更加細(xì)長
圖示：流體仿真計算單要素和多要素設(shè)計下的船體艏部壓力分布圖
（對兩種船型而言，合同條件下的壓力分布和產(chǎn)生的波浪是非常相似的。多要素優(yōu)化設(shè)計可以獲得更合理的壓力分布，產(chǎn)生更小的波浪。）
CO2排放指標(biāo)。根據(jù)新造船EEDI和即將頒布的現(xiàn)有船舶EEXI規(guī)則，船舶能效問題已重新成為行業(yè)關(guān)注焦點。聯(lián)合IMO二氧化碳強度指標(biāo)（CII，以每裝載噸位或每海里航程下CO2排放克數(shù)作為測量船舶運輸貨物或乘客的能效評價指標(biāo)），這些規(guī)則將給船東不斷施加壓力以促成船舶改造達(dá)到減排目標(biāo)。
展開 【論文分享】小樣本規(guī)模船型優(yōu)化策略的選擇研究
關(guān) 鍵 詞：
船型優(yōu)化；數(shù)值模擬；參數(shù)化變形；優(yōu)化算法；阻力性能
中圖分類號：U661.31 文獻標(biāo)志碼：A
引 言
船體型線設(shè)計是船舶總體設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一，型線對于船舶的水動力性能和經(jīng)濟效益有較大影響[1]。型線設(shè)計有母型改造法、系列船型法和自行設(shè)繪法等方法，這些方法依賴于設(shè)計人員的經(jīng)驗進行手動設(shè)計，再通過多輪模型試驗迭代修改設(shè)計方案，最后形成型線方案。其共性問題是工作量大、效率低、成本高、周期長，且最終的型線方案并非理論上的最優(yōu)方案[1-2]。
船型設(shè)計實現(xiàn)數(shù)字化以后，利用CFD數(shù)值模擬方法快速預(yù)報船型的水動力性能已成為船舶型線優(yōu)化設(shè)計的常規(guī)技術(shù)手段。在此基礎(chǔ)上，以數(shù)值計算得到的水動力性能為優(yōu)化目標(biāo)，通過算法對設(shè)計空間進行探索，最終獲得滿足約束條件的最優(yōu)船型方案。謝玲玲等[3]通過建立多航速優(yōu)化模型，對某高速客船首部興波阻力進行了優(yōu)化。伍蓉暉等[4]采用基于NAPA和CFD軟件（傳統(tǒng)經(jīng)驗?zāi)Ｊ剑┮约盎贑AESES和CFD軟件（先進數(shù)值評估模式）的一體化優(yōu)化模式對2800TEU集裝箱船阻力性能進行了優(yōu)化。程宣愷等[5]通過數(shù)值模擬方法分析了巡邏艦的首部線型、尾楔形狀以及軸支架布置對船體阻力及伴流的影響。陳京普等[6]通過CFD模擬開展了客滾船附體優(yōu)化布置研究，考察了螺旋槳旋向?qū)ζ涫盏焦β实挠绊憽?近年來，隨著優(yōu)化設(shè)計要求的提高，更多的設(shè)計變量被加入優(yōu)化算法中以搜尋更優(yōu)的船型方案，而如何解決高維優(yōu)化時設(shè)計變量維度和優(yōu)化方案數(shù)量之間的需求關(guān)系是目前業(yè)界重點研究的問題之一。
展開 CAESES+SHIPFLOW船型優(yōu)化
由CAESES提供的Surface Delta Shift 功能進行船體尾部變形
拖曳狀態(tài)下裸船體阻力優(yōu)化
高品質(zhì)加密網(wǎng)格, zonal 方法, 1.2M 網(wǎng)格
一個案例計算時間15分鐘 (Intel i7 5960X)
計算分析120個變體方案
自航狀態(tài)下有效功率優(yōu)化：
網(wǎng)格中等加密, zonal 方法, 3M網(wǎng)格
自航狀態(tài)，螺旋槳性能通過升力線理論計算
1小時4個案例，24核 48線程 (Intel Xeon X5675)
計算分析100個變體方案，24小時完成計算
自航狀態(tài)下以有效功率為優(yōu)化目標(biāo)得到的C方案較參考船型有效功率減少10%
接下來我們又計算了C方案船型在拖曳狀態(tài)下的裸船體阻力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其裸船體阻力較B方案高，如上圖
同時計算了B方案在自航狀態(tài)下的有效功率，上圖顯示從有效功率角度出發(fā)還是C方案比較占優(yōu)。
綜上，兩次的優(yōu)化結(jié)果對比表明，雖然C方案的裸船體阻力較B方案高，但因為其考慮到了船尾的伴流影響，使得螺旋槳的推進效率更高，高出的部分足以抵消多出的裸船體阻力，從而使得整體推進效率更高。以上結(jié)果表明從自航狀態(tài)下的有效功率角度出發(fā)對于船尾型線優(yōu)化有著重要的實際意義。當(dāng)然在實際優(yōu)化過程中，還需要考慮一些約束條件比如關(guān)鍵硬點的控制，排水量限制以及螺旋槳的空泡現(xiàn)象，但這并不影響以上的結(jié)論。
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展開 CFD仿真技術(shù)在水輪機產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用簡介
其中主要原因是：在模型轉(zhuǎn)輪制造之前就可以采用CFD對水力設(shè)計進行優(yōu)化，這樣可以大大減少模型試驗的時間和費用。其次，采用CFD可以對最終設(shè)計的轉(zhuǎn)輪葉片型線進行優(yōu)化，這在傳統(tǒng)的模型試驗方法中是幾乎不可能的。
下文是CFD仿真技術(shù)在解決水輪機產(chǎn)品研發(fā)過程中部分常見工程問題的簡要介紹：
1、水輪機的水力設(shè)計
蝸殼的水力設(shè)計
固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉的水力設(shè)計
轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計
尾水管的水力設(shè)計
水輪機的效率是考察其性能的最重要的指標(biāo)之一。借助ANSYS強大的數(shù)值分析工具，工程師可以在模型實驗之前對水力設(shè)計的質(zhì)量進行綜合且細(xì)致的評判。
2、水輪機的壓力脈動
尾水管渦帶的仿真
葉道渦、卡門渦仿真
轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉的動靜干涉
非設(shè)計工況的壓力脈動
過渡過程的壓力脈動
ANSYS軟件可以分析水輪機運行中的非定常水力激勵力。通過比較轉(zhuǎn)輪內(nèi)與轉(zhuǎn)輪外流道的水壓力脈動特性，分析動靜干涉、葉道渦、卡門渦等引起的壓力脈動頻率與幅值特性，分析脈動傳遞與衰減等影響。總結(jié)發(fā)現(xiàn)尾水管內(nèi)渦帶引起的壓力脈動與受其影響的轉(zhuǎn)輪內(nèi)的壓力脈動的聯(lián)系，找出了兩者之間的頻率計算公式，及不同運行工況不同渦帶特性下的計算公式的修正方法。
展開 
高超聲速飛機氣動外形概念設(shè)計
1 氣動外形設(shè)計方法
氣動外形設(shè)計包括乘波前體氣動外形優(yōu)化設(shè)計、機翼設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，進行高超聲速ISR 平臺氣動外形一體化設(shè)計，包括乘波前體與機身的集成、機翼與機身的集成，以及后體與機身的集成三部分。
1.1 乘波前體設(shè)計
作者前期對高超聲速ISR平臺的乘波前體進行了優(yōu)化設(shè)計和性能分析，優(yōu)化后的乘波體具有應(yīng)用于高超聲速ISR 平臺氣動外形設(shè)計的潛力。因此，選取參考文獻[9]中優(yōu)化后的乘波體作為高超聲速ISR平臺的機身前體。
1.2 機翼設(shè)計
對于大多數(shù)的高超聲速飛行器，機身為主要升力面，利用前機身的壓縮產(chǎn)生主要升力。機翼作為次要升力部件，具有很大的改善空間，也需重點設(shè)計。由參考文獻[9]可知，高超聲速ISR 平臺乘波前體提供了一半以上的升力（113482N），還有一小半升力需要機翼來提供。另外，為了滿足水平起降設(shè)計要求，也需對機翼進行詳細(xì)設(shè)計。這就是高超聲速機翼的設(shè)計目標(biāo)。
為了保證較好的波阻特性，對于高超聲速飛行器來說，在進行翼型設(shè)計選擇時一般會考慮較薄的對稱翼型，通常采用對稱雙弧形翼型、小展弦比大后掠梯形翼面[10]。機翼形狀相對簡單，由翼型參數(shù)和翼平面參數(shù)控制。對于高超聲速巡航類飛行器，機翼外形既要保證高超聲速ISR 飛行器巡航飛行時的升力和配平特性需求，又必須保證水平著陸時需要的高升力特性，同時機翼的重量還要輕。綜上考慮，確定高超聲速機翼的設(shè)計參數(shù)值及幾何參數(shù)見表2。
表2 機翼幾何參數(shù)
Table 2 Geometry parameters of wing
采用計算流體力學(xué)（CFD）方法來計算機翼的氣動性能，并對機翼升阻比L/D 與迎角α 進行非線性回歸分析。高超聲速機翼在迎角5° ≤α ≤14°范圍內(nèi)的氣動性能數(shù)值計算結(jié)果見表3。其中，F(xiàn)L、FD分別為高超聲機翼的升力和阻力。
展開 特別關(guān)注｜這些常規(guī)船舶水動力節(jié)能技術(shù)，誰更勝一籌？
常規(guī)船舶水動力節(jié)能技術(shù)是指通過船體線型、螺旋槳和加裝附加裝置等的優(yōu)化對船舶周圍流場進行調(diào)控，以達(dá)到降低船舶阻力或提高螺旋槳推進效率而達(dá)到節(jié)能目的，具體可見表1。
表1 常規(guī)船舶水動力節(jié)能技術(shù)措施
1
船型優(yōu)化
船型優(yōu)化主要是針對船體型線進行優(yōu)化，以改善靜水或風(fēng)浪中航行的船體表面壓力和興波，從而達(dá)到降低船體阻力的目的。目前，船型優(yōu)化主要基于SBD(Simulation Based Design)技術(shù)，如圖1所示，將CFD性能評估、幾何重構(gòu)/變形技術(shù)和智能優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)一定約束條件下船體性能的最優(yōu)化。船型優(yōu)化技術(shù)一般可實現(xiàn)節(jié)能2%-5%。
圖1 基于SBD技術(shù)的船型優(yōu)化設(shè)計
2
高效螺旋槳
高效螺旋槳是相對于傳統(tǒng)圖譜螺旋槳(如MAU系列圖譜、B系列圖譜)而言的，它是建立在船體尾部線型-螺旋槳-回收尾流能量的節(jié)能裝置一體化的流體動力性能最優(yōu)匹配設(shè)計理念之上的(如圖2所示)，且是依據(jù)船尾流動特征進行理論優(yōu)化設(shè)計而得到的最優(yōu)方案。
展開 第四屆智能工業(yè)軟件及設(shè)計技術(shù)研討會暨2019天洑軟件用戶大會
,Ltd
15:30-15:45
茶歇 Coffee Break
15:45-16:15
耐波性模擬-CFD方法回顧
SEAKEEPING simulations - Review of commercial CFD methods
Michal Orych, 瑞典Flowtech公司副總經(jīng)理
Michal Orych, Deputy managing director of Flowtech
16:15-16:45
基于CAESES+FINE??/Marine的型線自動優(yōu)化技術(shù)研究
Study on Hull optimization with CAESES+FINE??/Marine
李兆輝，中國船舶工業(yè)集團第708研究所基礎(chǔ)研究部工程師
Zhaohui Li, Engineer of 708 Institute of China Shipbuilding Industry Corporation
16:45-17:15
船體線型智能優(yōu)化設(shè)計初步應(yīng)用研究
Study on Intelligent Optimum Design of Hull Line
劉希洋，中船重工702研究所
Xiyang Liu, 702 Institute of China Shipbuilding Industry Corporation
17:15-17:45
PropElement及PropCAD軟件在船舶及螺旋槳設(shè)計中的應(yīng)用
Application of PropElement and PropCAD in Ship and Propeller Design
劉志堅，南京天洑軟件有限公司船舶海事事業(yè)部工程師
Zhijian Liu, Engineer of Maritime Department, Nanjing
展開 第四屆智能工業(yè)軟件及設(shè)計技術(shù)研討會暨2019天洑軟件用戶大會成功舉辦
6月13日，大會分三個分會場為客戶提供了離心葉輪參數(shù)化建模及分析優(yōu)化培訓(xùn)、進氣道參數(shù)化建模及分析優(yōu)化培訓(xùn)、船型優(yōu)化大賽總結(jié)及《如何讀懂CFD報告》講座。6月14日進行了21場精彩的主題報告。
通用機械行業(yè)解決方案
當(dāng)下，風(fēng)電技術(shù)正朝著大功率、高可靠性、風(fēng)場大規(guī)模、海上風(fēng)電、永磁、直驅(qū)、新型復(fù)合材料葉片、智能控制等方向迅速發(fā)展，其中涉及到大量專業(yè)的計算機仿真領(lǐng)域，為仿真的應(yīng)用提供了廣闊的空間：
結(jié)構(gòu)強度問題：葉片、機架、塔架強度、變形；螺栓組接觸等；塔架穩(wěn)定性；地震危害分析；
結(jié)構(gòu)疲勞問題：結(jié)構(gòu)在變化風(fēng)載下的壽命設(shè)計；設(shè)計壽命下的可靠性等；
流場分析：風(fēng)場選址；葉片流型及機架外殼流線型優(yōu)化；
電磁分析：電機磁場分析等。
高鐵為什么長這樣？力學(xué)，力學(xué)，還是力學(xué)！
說起高速列車，我們印象最深的就是它“子彈頭”形狀的流線型頭型，與之前方方正正的“綠皮車”有明顯的區(qū)別。高速列車采用流線型頭型，目的是優(yōu)化其空氣動力學(xué)性能，降低空氣阻力、壓力波、噪聲等，提高運行速度。
上方為中車長春軌道客車股份有限公司生產(chǎn)的中國標(biāo)準(zhǔn)動車組；下方為二十世紀(jì)九十年代之前生產(chǎn)的“綠皮”火車
那么，列車運行時的空氣阻力到底有多大？有必要這么重視嗎？
列車高速運行時受到的空氣阻力
列車正常運行時，行駛阻力一般包括輪軌滾動阻力、空氣阻力、坡道阻力和加速時的慣性阻力，在低速運行時，輪軌阻力占主要部分，但隨著列車運行速度提高，空氣阻力將增加，當(dāng)列車速度超過200公里/小時后，其將成為列車運行阻力的主要部分。
日常生活中，我們都有這種經(jīng)歷：在微風(fēng)中逆風(fēng)行走，我們幾乎不會意識到風(fēng)的阻力存在。然而，若是在5級以上的大風(fēng)中逆風(fēng)而行，風(fēng)的阻力之大，就會讓我們體會到什么叫寸步難行了。
列車運行時受到的空氣阻力與速度的平方成正比，因此，中、低速“綠皮”列車運行就好比我們在微風(fēng)中行走，設(shè)計人員基本上不用專門去考慮空氣阻力的影響。
可是，對于時速200公里以上的高速列車，情形可就不一樣了，空氣阻力可以占列車行駛阻力的75%以上，設(shè)計者通常需要利用空氣動力學(xué)原理，通過流線化車頭、車身、車體附屬部分來盡量減少空氣阻力。
空氣阻力由三部分組成：一是列車車頭迎風(fēng)受到的正面壓力，列車尾部由于空氣尾流引起空氣稀薄而產(chǎn)生的向后的拉力，這樣由于頭部及尾部壓力差形成的阻力稱為壓差阻力；二是由于空氣粘性而引起的作用于車體表面的摩擦阻力；三是有車輛轉(zhuǎn)向架、車頂設(shè)備、門窗、車廂間鏈接風(fēng)擋等車輛表面凹凸結(jié)構(gòu)引起的干擾阻力。
高速列車車頭設(shè)計成流線型的主要目的是為了減小壓差阻力。這個設(shè)計思想和飛機的外形設(shè)計差不多。然而，流線型也是各種各樣的。到底什么樣的車頭形狀更合適？
展開 一款重卡驅(qū)動橋傳動效率提升設(shè)計優(yōu)化及驗證
原材料采用高純度的低淬透性鋼材，并利用熱處理工藝進行優(yōu)化：100%壓淬，每批料盤都開展平面度檢測[4-5]。
低摩擦軸承的精度由P0級提高到P6級。優(yōu)化軸承粗糙度，內(nèi)圈滾道粗糙度、滾子外徑粗糙度由0.16μm提升至0.1 μm，外圈滾道粗糙度由0.2 μm提升至0.125 μm，滾子球基面粗糙度由0.32 μm提升至0.25 μm，內(nèi)圈大擋邊粗糙度由0.4 μm提升至0.2 μm。工作面型線柔性過渡，優(yōu)化了工作面凸度的位置和形狀、對數(shù)曲線及內(nèi)圈大擋邊與滾動體接觸面積。
采用低摩擦油封。在對橡膠密煉時增加低摩擦添加劑，優(yōu)化唇口結(jié)構(gòu)，降低抱軸力。本方案采用的是氟橡膠，其具有耐老化、耐熱、耐油特征，幾乎適用于所有的潤滑油、燃料油，在含極壓添加劑的油中不易硬化，同時在油封密煉時增加了一種低摩擦系數(shù)添加劑，以增強橡膠的硬度。同時，還優(yōu)化了骨架唇形，腰部細(xì)，追隨性好，剛度高，同軸度好，抱軸力更小。
采用雙聯(lián)橋中橋斷開、后橋提升技術(shù)：在常規(guī)中橋總成主減速器的基礎(chǔ)上增加動力分離裝置，在常規(guī)后橋總成主減速器的基礎(chǔ)上增加提升裝置，在車輛半載或空載時通過提升后橋降低滾阻，通過斷開中后橋減少傳動鏈。工作原理為：動力分離裝置不充氣時，滑動嚙合套在回位彈簧的作用下與主動圓柱齒輪分離，主動圓柱齒輪不工作，后貫通軸無動力輸出，動力分離裝置充氣時，通過拔叉將滑動嚙合套與主動圓柱齒輪接合，將動力傳遞至后貫通軸。
2.1.2優(yōu)化齒輪油及管理系統(tǒng)
通過潤滑及平衡油溫試驗，重新優(yōu)化車橋加油量，中后橋分別減少1 L油量，以減少齒輪攪油功率損失。通過對道路載荷譜、坡度的數(shù)據(jù)進行分析，模擬驅(qū)動橋在整車工況下的姿態(tài)角，在保證齒輪、軸承充分潤滑，達(dá)到油面設(shè)計要求的情況下，在實驗室進行模擬試驗。
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新型無油渦旋壓縮機內(nèi)部熱力學(xué)特性和性能測試
對于渦旋齒型線的研究和優(yōu)化是提高渦旋壓縮機基本工作性能的首要方法和手段，也是目前研究的一個熱點［3，4］。文獻［5，6］構(gòu)建了同時考慮泄漏和傳熱的渦旋壓縮機熱力學(xué)模型，并通過試驗分析了壓縮機數(shù)學(xué)模型和實際工作過程存在偏差的原因。Pereira 等［7］建立了渦旋壓縮機在不同工況、工質(zhì)及幾何參數(shù)下的泄漏模型，并通過試驗對其所建立的泄漏模型進行了驗證。渦旋壓縮機的工作腔是由多組對稱的封閉月牙形腔構(gòu)成，動靜渦旋齒在渦旋壓縮機運轉(zhuǎn)的過程中不間斷地嚙合，因此無有效且直接的方法和手段對渦旋壓縮機全封閉工作腔內(nèi)工質(zhì)的各種性態(tài)進行直接監(jiān)測和研究。隨著計算流體動力學(xué)（Computa?tional fluid dynamics，CFD）方法的發(fā)展，可使用CFD 方法對渦旋壓縮機的工作過程進行三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬來反映和揭示其工作腔內(nèi)流體工質(zhì)的變化規(guī)律［8，9］。李超等［10］通過CFD 方法分析了渦旋壓縮機在不同間隙時，內(nèi)泄漏對工作腔內(nèi)工質(zhì)物理性態(tài)的影響。王君等［11-13］通過對渦旋壓縮機流體域進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，發(fā)現(xiàn)其相較于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以提高數(shù)值模擬的計算精度。查海濱等［14］通過對渦旋壓縮機進行三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)沿著渦旋齒方向溫度和速度分布不均勻。Sun 等［15］數(shù)值模擬分析了變壓比對渦旋壓縮機排氣腔壓力和排氣口速度的影響。Cavazzini等［16］結(jié)合粒子群算法和CFD 方法對渦旋壓縮機的幾何模型進行了優(yōu)化和改進，并通過試驗研究了優(yōu)化后的模型，發(fā)現(xiàn)渦旋齒齒高和渦圈數(shù)量對渦旋壓縮機性能有重要影響。Zhao 等［17］建立了渦旋壓縮機實際工況下三維非定常計算流體動力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)在一對工作腔的不同兩個腔之間的壓力存在不一致性。彭斌等［18］基于CFD 方法對一種新型無油渦旋壓縮機進行了非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，得到了流體工質(zhì)在工作腔內(nèi)基本物理性態(tài)以及動渦旋盤所受氣體力的變化規(guī)律。
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