KCS船
關(guān)注創(chuàng)建者：HMS Dragon/D35 創(chuàng)建時(shí)間：2023-02-16
KCS船的實(shí)例教程
下面以KCS船的優(yōu)化為例，對(duì)所采用的優(yōu)化方法進(jìn)行介紹：
參數(shù)化變形
以KCS船為參數(shù)化變形的對(duì)象，在球鼻艏及艉封板采用Delta shift方法，在船體的入流段和去流段采用FFD方法進(jìn)行變形。
設(shè)計(jì)變量
共選定七個(gè)設(shè)計(jì)變量，其中bulb_dx，bulb_dz，ffd_DY1以及DY1_factor四個(gè)變量用于控制船體前部變形，余下的三個(gè)變量ffd_DY2，DY2_factor和transom_p2_Z用于控制船體后部變形。
排水體積的相關(guān)參數(shù)
參數(shù)Volume_new和Volume_old(52000m3)分別代表變形后的排水體積以及需要保持的目標(biāo)排水體積，Volume_delta則代表兩者差值的絕對(duì)值。
優(yōu)化設(shè)置
將優(yōu)化分為兩個(gè)部分執(zhí)行，首先通過Sobol算法，對(duì)控制船體后部變形的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行修改，然后通過Nelder-Mead Simplex算法對(duì)控制船體前部變形的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行自動(dòng)取值（以排水體積變化最小為目標(biāo)尋優(yōu)），以確保排水體積不變。
展開 工程描述
圖1
KCS 船型參數(shù)化模型
某KCS船型參數(shù)化模型如圖1所示，該船型的參數(shù)化模型共包含球鼻艏變形參數(shù)、橫剖面面積曲線變形參數(shù)、進(jìn)流段、去流段及艉封板變形參數(shù)等共8個(gè)設(shè)計(jì)變量。考慮在固定航速和吃水下情況下，對(duì)KCS船阻力進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果需要滿足排水體積和浮心總想位置兩條約束條件。
操作流程
KCS船采用CAESES軟件提供參數(shù)化模型，采用SHIPFLOW軟件計(jì)算船舶阻力。其數(shù)值仿真模擬計(jì)算流程如圖2所示，綠色表示變量、藍(lán)色表示文件、橙色表示調(diào)用的軟件，文件上方的路徑表示文件相對(duì)于項(xiàng)目文件夾的相對(duì)路徑。
圖2 KCS船數(shù)值模擬計(jì)算流程
1）新建項(xiàng)目
啟動(dòng)軟件后自動(dòng)新建流程并進(jìn)入該項(xiàng)目默認(rèn)計(jì)算流程頁面，如圖3所示。
圖3 計(jì)算流程頁面
2）CAESES節(jié)點(diǎn)配置
CAESES為可執(zhí)行程序，因此，需要從工具欄中拖拽一個(gè)CAESES節(jié)點(diǎn)加入畫布，如圖 4所示。
圖4 添加CAESES調(diào)用節(jié)點(diǎn)
① 節(jié)點(diǎn)信息配置
圖5 CAESES節(jié)點(diǎn)信息配置
單擊新加入畫布的CAESES調(diào)用節(jié)點(diǎn)后，可在彈出窗口中對(duì)CAESES節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行如圖5所示的配置，命令即調(diào)用CAESES的批處理命令。針對(duì)該項(xiàng)目而言為"C:\Program Files (x86)\FRIENDSHIP-SYSTEMS\CAESES\bin\win6-4\CAESES.exe" osv2.fsc。
展開 在本文中，筆者以KCS船為例，試圖探討CAESES中不同優(yōu)化算法的選擇，以及南京天洑軟件公司自研優(yōu)化平臺(tái)AIPOD對(duì)于優(yōu)化效率和效果的影響。需要注意的是，本文所得的結(jié)論可能僅適用于該KCS船型。結(jié)論是否具有普適性需要進(jìn)一步的探索與思考。
一、參數(shù)化模型
采用CAESES軟件的半?yún)?shù)化變形方法，對(duì)KCS船進(jìn)行局部變形，在球鼻艏，船體入流段和去流段采用FFD方法，艉封板采用Delta shift方法，除了局部變形，還通過Lackenby方法對(duì)船體其他位置進(jìn)行變形，組合變形效果如附件所示：
組合變形效果.gif
二、數(shù)值仿真計(jì)算
本算例以SHIPFLOW作為仿真工具，計(jì)算參數(shù)化模型的總阻力系數(shù)Ct。
算例網(wǎng)格數(shù)為1.74M；計(jì)算使用的工作站硬件配置為: CPU: Intel? Core? i7-7700K @ 4.2GHz 4.2GHz；內(nèi)存: 16GB；單個(gè)算例仿真時(shí)間約40分鐘。
三、優(yōu)化問題
8個(gè)設(shè)計(jì)變量，以總阻力系數(shù)較小為優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)滿足排水體積和浮心縱向位置的約束。
四、CAESES優(yōu)化算法
1.Sobol
首先采用智能取樣算法sobol，在設(shè)計(jì)變量給定的變化范圍內(nèi)做50次試驗(yàn)設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果如下：
結(jié)論：
①. Sobol只是取樣算法，并沒有執(zhí)行優(yōu)化。
②. “優(yōu)化”效果有限。“優(yōu)化”過程未體現(xiàn)出收斂性。
2.Sobol Tearch
基于上一步Sobol的優(yōu)化結(jié)果，另執(zhí)行50個(gè)方案的優(yōu)化計(jì)算，采用梯度優(yōu)化算法Tsearch。計(jì)算結(jié)果如下：
結(jié)論：
①. 基于sobol的結(jié)果增加Tsearch的算法可以得到更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。
②. Tsearch優(yōu)化過程體現(xiàn)出收斂性。
3.遺傳算法NSGA-II
采用流行的遺傳算法NSGA-II進(jìn)行進(jìn)一步探索。
展開 伍蓉暉等[4]采用基于NAPA和CFD軟件（傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑┮约盎贑AESES和CFD軟件（先進(jìn)數(shù)值評(píng)估模式）的一體化優(yōu)化模式對(duì)2800TEU集裝箱船阻力性能進(jìn)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(duì)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(jì)要求的提高，更多的設(shè)計(jì)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(shí)設(shè)計(jì)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(diǎn)研究的問題之一。劉強(qiáng)等[7]采用改進(jìn)Sobol’方法對(duì)某集裝箱船興波阻力優(yōu)化模型進(jìn)行靈敏度分析并降維，研究結(jié)果表明降維后的優(yōu)化模型收斂更快。張恒等[8]通過數(shù)值函數(shù)測試改進(jìn)MODSA算法的優(yōu)化性能，并將其應(yīng)用于5100TEU集裝箱船的興波阻力性能優(yōu)化。
本文以韓國船舶與海洋工程研究所的集裝箱船（KRISO container ship, KCS）為研究對(duì)象，采用CAESES軟件構(gòu)建原始船型的參數(shù)化模型，以CFD數(shù)值計(jì)算得到的總阻力系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，分別采用CAESES內(nèi)置的傳統(tǒng)優(yōu)化算法和自研的Silverbullet優(yōu)化算法對(duì)原始船型的阻力性能進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比。
參數(shù)化模型
CAESES軟件作為仿真驅(qū)動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一體化平臺(tái)，具備參數(shù)化建模、連接外部仿真工具、自動(dòng)優(yōu)化三大核心功能模塊。其中，參數(shù)化建模方法分為半?yún)?shù)化變形和全參數(shù)化曲面建模兩種。
展開 具體步驟
以我們熟悉的KCS船（Lpp=230m）為例，具體操作步驟如下：
（1）導(dǎo)入.iges幾何模型，并依據(jù)導(dǎo)入的幾何表面，新生成一個(gè)Brep格式的模型，做為外飄角的分析對(duì)象。
（2）沿Y-(Z, X)平面，創(chuàng)建一條參考直線Fline，假定取X=30m，高度變化為0~10.8m，生成的參考線如下圖所示：
（3）創(chuàng)建投影曲線，在Brep中應(yīng)用Project and trim功能將參考線沿Y軸正方向往Brep曲面上做投影，得到一條投影線。
（4）建立Image curve，Source一欄通過.getEdgeFrom(Operation Index)命令，獲取投影曲線，并通過修改Domain的順序，確保該曲線由起點(diǎn)到終點(diǎn)方向是自下而上的。
（5）讀取外飄角，由于投影曲線c001的終點(diǎn)高度與參考線的高度一致均為10.8m（設(shè)計(jì)水線的高度），因此通過求該曲線在終點(diǎn)位置與Z軸的夾角，或是與Y軸夾角的余角都可以得到設(shè)計(jì)水線高度處的外飄角。這里我們首先采用c001.getTan（1，0）來獲取投影曲線在終點(diǎn)處與Y軸的夾角，再通過求余角得到外飄角數(shù)值，此時(shí)，新建一個(gè)點(diǎn)p1，X坐標(biāo)與參考線的位置一致，Z坐標(biāo)用得到的外飄角數(shù)值來表示。
（6）依照上述方法，沿船身方向做出若干條投影曲線，對(duì)應(yīng)生成相同數(shù)量用高度表征外飄角大小的點(diǎn)，然后用Interpolation curve將這些點(diǎn)連成一條光順的曲線，做為設(shè)計(jì)水線高度處的外飄角變化曲線，如下圖所示，為通過該方法得到的船體后部外飄角變化曲線。
當(dāng)需要查看其他水線高度處的飄角時(shí)，同樣方法，將參考線的高度修改為目標(biāo)水線高度即可。
拓展
上述操作通過CAESES軟件的Feature功能，能夠很好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
展開 
KCS船的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
KCS船的最新內(nèi)容
選取KCS船進(jìn)行靜水阻力優(yōu)化。在船體球鼻艏、船艏、船舯、船艉共設(shè)置了 17 個(gè)設(shè)計(jì)變量。變形效果如下圖：
二、降維設(shè)置與計(jì)算
點(diǎn)擊Optimize>Design Space Utilities>
Dimensionality Reduction，設(shè)置Samples：1000，Points per sample: 8000。
何濤等[5]使用基于葉素理論的改進(jìn)體積力法，對(duì)KCS船開展了回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真，所得精度令人滿意。吳召華等[2]使用體積力分布模型，對(duì)KCS船進(jìn)行了回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬。吳浩等[6]應(yīng)用描述型體積力法開展了船舶自航數(shù)值研究，探究了虛擬槳的進(jìn)流盤半徑和偏移量對(duì)自由自航的影響。
目前，應(yīng)用得最普遍的描述型體積力法是以Goldstein最佳環(huán)量分布為分布模型。
考慮在固定航速和吃水下情況下，對(duì)KCS船阻力進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果需要滿足排水體積和浮心總想位置兩條約束條件。
操作流程
KCS船采用CAESES軟件提供參數(shù)化模型，采用SHIPFLOW軟件計(jì)算船舶阻力。
全文如下：
小樣本規(guī)模船型優(yōu)化策略的選擇研究
陳駿喆，姜 棟，張 儒，張 明
（南京天洑軟件有限公司，南京
210000
）
摘 要
選擇合理高效的優(yōu)化策略進(jìn)行小樣本規(guī)模下的船型優(yōu)化，以KCS船的阻力性能為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)比分析不同優(yōu)化算法的優(yōu)化效率和阻力性能提升結(jié)果。
初始網(wǎng)格
自適應(yīng)網(wǎng)格
2）MOTIONS 7的計(jì)算精度將進(jìn)一步提高，以標(biāo)模KCS船在波浪中的耐波性分析為例，做精度的對(duì)標(biāo)。
船舶水動(dòng)力
以KRISO集裝箱船（KCS）模型為研究對(duì)象，該模型尺度的船模曾被用于很多實(shí)驗(yàn)，便于驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性。船型主要參數(shù)見表1。
表1：KCS船模主要參數(shù)
船舶靜水模擬采用雷諾平均法（RANS）求解，VOF法描述自由液面，和 k-w SST湍流模型。
在本文中，筆者以KCS船為例，試圖探討CAESES中不同優(yōu)化算法的選擇，以及南京天洑軟件公司自研優(yōu)化平臺(tái)AIPOD對(duì)于優(yōu)化效率和效果的影響。需要注意的是，本文所得的結(jié)論可能僅適用于該KCS船型。結(jié)論是否具有普適性需要進(jìn)一步的探索與思考。
下面以KCS船的優(yōu)化為例，對(duì)所采用的優(yōu)化方法進(jìn)行介紹：
參數(shù)化變形
以KCS船為參數(shù)化變形的對(duì)象，在球鼻艏及艉封板采用Delta shift方法，在船體的入流段和去流段采用FFD方法進(jìn)行變形。
初始網(wǎng)格
自適應(yīng)網(wǎng)格
2）MOTIONS 7的計(jì)算精度將進(jìn)一步提高，以標(biāo)模KCS船在波浪中的耐波性分析為例，做精度的對(duì)標(biāo)。
具體步驟
以我們熟悉的KCS船（Lpp=230m）為例，具體操作步驟如下：
（1）導(dǎo)入.iges幾何模型，并依據(jù)導(dǎo)入的幾何表面，新生成一個(gè)Brep格式的模型，做為外飄角的分析對(duì)象。
