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耐波性

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創(chuàng)建者：云數(shù)仿真 創(chuàng)建時間：2023-11-22

耐波性的視頻教程

Fine Marine 船舶海洋工程水動力解決方案 ——更專業(yè)的船舶CFD工具
Fine Marine 船舶海洋工程水動力解決方案 ——更專業(yè)的船舶CFD工具

本次直播將從專業(yè)網(wǎng)格制作到船舶的快速性、耐波性、操縱性、推進(jìn)器性能以及風(fēng)場預(yù)報，整體介紹Fine Marine 船舶水動力解決方案。

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耐波性的實例教程

船舶的耐波性能是表征其在海上航行能否維持其正常功能的能力，也是歷來船舶設(shè)計者和使用者十分關(guān)心的問題。關(guān)注的焦點在于保障船舶、貨物、全體人員最根本的安全，以及運營的效率即油耗的情況。反映在耐波性試驗中需要關(guān)心的數(shù)據(jù)主要有如下幾部分： 1）船體的運動及加速度； 2）波浪中的阻力或者波浪增阻； 3）船體表面上整體或者局部的載荷。 隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，如何通過數(shù)值手段對耐波性結(jié)果進(jìn)行預(yù)報是當(dāng)下的船舶設(shè)計工程師十分關(guān)注的問題。 MOTIONS模塊是SHIPFLOW軟件自6.0版本添加的船舶運動分析專用模塊，可用于計算船舶在規(guī)則波和不規(guī)則波中的運動和附加阻力，也包括在靜水中的阻力、升沉和縱搖。 高效的求解方法 耐波性數(shù)據(jù)求解可以通過多種不同程度的近似方法獲取，不同求解方法在復(fù)雜性、計算時間及計算精度上都有所差異。按照求解的復(fù)雜度遞增的順序可以將這些求解方法依次排序：傳統(tǒng)切片法—>局部非線性切片法—>線性邊界元（3D）法—>非穩(wěn)態(tài)RANS方法—>大渦模擬（LES）—>直接數(shù)值模擬（DNS）。從非穩(wěn)態(tài)RANS方法開始采用的是粘流計算，由于時間成本高，往往并不能適用于在工程實踐；而前面的幾種勢流求解方法雖然計算速度快，但精度較低。 MOTIONS模塊中采用勢流、時域、完全非線性的邊界元方法，旨在填補傳統(tǒng)勢流方法與非穩(wěn)態(tài)、粘流方法之間的空白。與傳統(tǒng)的勢流方法相比，該方法具有更高的精度，同時也比現(xiàn)有的RANS方法具有更快的計算速度。 計算單個工況點，采用MOTIONS模塊大概需要6~8小時（16核工作站），而采用RANS方法 (STAR-CCM+, Fine/MARINE, OpenFoam)在相同條件下則需要200~400小時。
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船舶的耐波性能是表征其在海上航行能否維持其正常功能的能力，也是歷來船舶設(shè)計者和使用者十分關(guān)心的問題。關(guān)注的焦點在于保障船舶、貨物、全體人員最根本的安全，以及運營的效率即油耗的情況。反映在耐波性試驗中需要關(guān)心的數(shù)據(jù)主要有如下幾部分： 1）船體的運動及加速度； 2）波浪中的阻力或者波浪增阻； 3）船體表面上整體或者局部的載荷。 隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，如何通過數(shù)值手段對耐波性結(jié)果進(jìn)行預(yù)報是當(dāng)下的船舶設(shè)計工程師十分關(guān)注的問題。 MOTIONS模塊是SHIPFLOW軟件自6.0版本添加的船舶運動分析專用模塊，可用于計算船舶在規(guī)則波和不規(guī)則波中的運動和附加阻力，也包括在靜水中的阻力、升沉和縱搖。 高效的求解方法 耐波性數(shù)據(jù)求解可以通過多種不同程度的近似方法獲取，不同求解方法在復(fù)雜性、計算時間及計算精度上都有所差異。按照求解的復(fù)雜度遞增的順序可以將這些求解方法依次排序：傳統(tǒng)切片法—>局部非線性切片法—>線性邊界元（3D）法—>非穩(wěn)態(tài)RANS方法—>大渦模擬（LES）—>直接數(shù)值模擬（DNS）。從非穩(wěn)態(tài)RANS方法開始采用的是粘流計算，由于時間成本高，往往并不能適用于在工程實踐；而前面的幾種勢流求解方法雖然計算速度快，但精度較低。
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介紹 船舶 CFD 技術(shù)的突破性進(jìn)步已經(jīng)取代了古老的拖曳水池測試技術(shù)。在設(shè)計船舶原型時，會考慮海浪運動來確定船舶的尺寸。為此目的使用牽引水箱測試面臨下坡路，因為在得出最佳設(shè)計結(jié)論之前測試多個模型既昂貴又耗時。如今，左移方法正在慢慢實現(xiàn)并應(yīng)用于海洋工業(yè)以縮短上市時間，因此，CFD 工具被廣泛用于船舶設(shè)計周期中故障的早期預(yù)測。 以下示例展示了使用 Cadence Fidelity FINE/Marine 研究 SA Agulhas II 的耐波性： 圖 1. SAA II 船在南極洲救援航行期間的圖像。 關(guān)于 SA Agulhas II SA Agulhas II，SA 的繼任者。Agulhas 是南非的破冰補給船和研究船，由 STX Finland 于 2012 年建造，歸南非環(huán)境事務(wù)部 (DEA) 所有。2022 年 2 月至 2022 年 3 月，SA Agulhas II 使用潛水器定位了 1915 年被冰山撞擊后沉沒的 Shackleton 船 Endurance 的殘骸。目前，斯泰倫博斯大學(xué)的聲音與振動小組 (SVRG) 正在研究 SA Agulhas II 的耐波性，他們正在使用 Cadence CFD 工具完成這項任務(wù)。 使用 Cadence Fidelity FINE/Marine 的好處 Cadence Fidelity FINE/Marine 提供從幾何準(zhǔn)備到后處理的無縫工作流程。使用 Cadence CFD 工具，SVRG 團(tuán)隊生成了一個高質(zhì)量的網(wǎng)格，該網(wǎng)格由非結(jié)構(gòu)化的全六面體網(wǎng)格組成，具有各向異性的單元細(xì)化，同時對單元分布具有高度控制。使用 HEXPRESS 中的膨脹技術(shù)可以精確解析邊界層，保持第一個單元格大小，這對湍流建模至關(guān)重要，并確保平滑過渡到 Euler 網(wǎng)格。 圖 2.
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汽車/高速列車 Fidelity針對前處理和仿真求解方面的核心技術(shù)和差異性優(yōu)勢 Fidelity的驗證算例、客戶應(yīng)用以及專門針對汽車應(yīng)用的研發(fā)計劃 Pointwise在高速列車外流場分析中，展示不同網(wǎng)格劃分方案對計算精度的影響 船舶 從專門的船舶海洋工程水動力網(wǎng)格制作技術(shù)到船舶的阻力、耐波性、操縱性、推進(jìn)器 風(fēng)場的快速高精度數(shù)值預(yù)報功能方案 如何助力更高效的船舶性能預(yù)報與優(yōu)化 介紹了Fine Marine軟件的近期新功能及C-wizard耐波性仿真的典型應(yīng)用案例 CFD模擬在船舶EEXI方面的應(yīng)用 葉輪機械 從1D設(shè)計（葉輪機械）到 3D RANS，再到 DES、LES 的完整湍流解決方案 從1D到3D的設(shè)計到性能預(yù)報和性能優(yōu)化等創(chuàng)新型工作流程 運用Cadence CFD軟件平臺完成了大功率離心壓縮機內(nèi)部流場的數(shù)值仿真 汽輪機設(shè)計的技術(shù)問題、現(xiàn)狀以及對未來技術(shù)發(fā)展的展望 如何采用技術(shù)，高效地完成磁懸浮離心葉輪的設(shè)計與開發(fā)
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2003 年，Giron-Sierra 等 [54] 采用完全面向控制的模型（Control-oriented model）研究了高速船的 PID 控制問題，結(jié)果表明，主動控制附體對波 浪 中 船 舶 航 態(tài) 的 穩(wěn) 定 有 重 要 作 用 。 隨 后 ，Esteban 等 [55] 改進(jìn)了該垂向運動的控制模型，計算結(jié)果表明，引入主動控制的減搖附體后，船舶在高速高海況下的垂向加速度可降低 65%，暈船率可減小 35%。與此同時，Sclavounos 等 [56] 采用三維 Rankine 面元法研究了高速單體船的耐波性，計算發(fā)現(xiàn)，安裝于艏部的水翼可減少不規(guī)則波中（Jonswap 譜）多達(dá) 50% 的垂蕩和縱搖運動。 2001 年，Aranda 等 [57] 采用了不同的附體控制策略（包括傳統(tǒng) PID 控制和采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化）來降低高速單體船的暈船率。結(jié)果表明，在高海況時波浪引起的垂向加速度更高，并且由于需要提供更大的恢復(fù)力（矩）來對抗垂向波浪力，附體的減搖效果有所降低。隨后在 2005 年，又研究了使用多變量魯棒控制器來降低船舶航行時的暈船率 [58] 。Díaz 等 [59-60] 利用定量反饋理論（Quant-itative Feedback Theory, QFT）設(shè)計了一種單變量的魯棒控制器，可以有效減少高速船的垂向運動和暈船率。 此外，De La Cruz 等 [61] 使用模糊控制理論，在不同的航速和海況下較大限度地改善了船舶的耐波性。López 等 [62-63] 將神經(jīng)模糊控制系統(tǒng)推廣到了對 T 型翼和艉壓浪板的控制中，規(guī)則波和不規(guī)則波中附體減搖的仿真結(jié)果表明，該控制策略可以降低暈船率，并對船舶運動起到良好的預(yù)測作用。
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耐波性圖2

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耐波性的最新內(nèi)容

><p class="ql-table-cell-inner" data-table-id="ym772nshwzs" data-row-id="f4z75wqyuad" data-col-id="qpbjg2dtmfr" data-rowspan="1" data-colspan="1"><p> 主要研究內(nèi)容涉及算法特點船體興波阻力、摩擦阻力</p><p><br></p><p>船舶耐波性
船舶快速性、耐波性、操縱性仿真需求旺盛，網(wǎng)格規(guī)模動輒千萬級。 本地工作站算力吃緊？計算以“周”計，項目周期被嚴(yán)重拖慢。 圖形交互卡頓？2000萬網(wǎng)格下，旋轉(zhuǎn)、剖切、后處理操作舉步維艱，效率低下。 數(shù)據(jù)孤島協(xié)作難？團(tuán)隊分散，模型傳遞、版本管理、實時討論障礙重重。
分析時，軟件求解流體動力（如波浪力）與結(jié)構(gòu)響應(yīng)（如位移、應(yīng)力），評估穩(wěn)定性及耐波性。此類仿真可優(yōu)化浮體設(shè)計，提高安全性與性能，為海洋工程提供關(guān)鍵技術(shù)支持。</p><p><br></p><p>另外借助abaqus的流固耦合功能和子程序，還可以實現(xiàn)造波分析。另外，lsdyna最新的FSI算法，采用SALE構(gòu)建結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以實現(xiàn)快速計算，同樣可以作出造波效果，后面我會更新相關(guān)的案例。
現(xiàn)階段，數(shù)值水池當(dāng)務(wù)之急的任務(wù)是利用已有的成熟且不失先進(jìn)性的技術(shù)（包括CFD技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等），為船舶工業(yè)界提供急需的單項水動力學(xué)性能預(yù)報、評估等應(yīng)用服務(wù)，包括：船舶快速性虛擬試驗、船舶耐波性虛擬試驗、船舶操縱性虛擬試驗、螺旋槳空泡與激振力虛擬試驗、海洋平臺運動與載荷虛擬試驗、渦激振動與渦激運動虛擬試驗等。
過去的海洋船舶設(shè)計研究主要依靠拖曳水池的縮小模型來了解船舶阻力、耐波性、推進(jìn)和操縱。然而，這些模型的雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)存在差異由于模型縮小了。借助CFD仿真技術(shù)，現(xiàn)在可以測試全尺寸模型。但 CFD 中的網(wǎng)格生成步驟通常需要專業(yè)知識和經(jīng)驗，尤其是在處理復(fù)雜的幾何形狀時。此類復(fù)雜的幾何形狀可能具有空腔、重疊表面、擠壓和鞍角，這些都會妨礙高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分和精確的 CFD 解決方案。
三項先進(jìn)的拖曳水池測試包括： 耐波性測試：其中一項進(jìn)步是向拖曳水池添加波浪（使用波浪發(fā)生器）。不是常規(guī)的波浪，而是不同波浪類型的組合，以創(chuàng)建逼真的圖案。可以測量船舶對這些波浪的響應(yīng)。這些測量有助于分析所需的發(fā)動機功率、乘客舒適度的船舶設(shè)計（防止暈船）以及有效保持適航性的其他措施。一個限制是拖曳水箱僅適用于船首波。
型線的設(shè)計結(jié)果對船舶的快速性，耐波性，操縱性等等有決定性的影響。 3. 總布置。包括艙室，通道，設(shè)備等等的布局和擺放，初步設(shè)計時候的布置和完工時的總布置并不完全相同，因為設(shè)計過程中總是會對設(shè)計結(jié)果做出一定的修改。 4. 船，槳，主機等的配合，主機的選型等。
最小化單個屬性（例如，要求的運費率），通常會找到它的最小值;然而，將有許多其他設(shè)計接近于在其他重要屬性（例如，速度、成本、耐波性等）沒有經(jīng)過優(yōu)化。很明顯，多準(zhǔn)則方法提供了更多的洞察設(shè)計特點。多準(zhǔn)則設(shè)計過程的實施需要合適的決策方法和適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)設(shè)計模型。設(shè)計模型經(jīng)由特定設(shè)計模塊（關(guān)于船體形狀、流體靜力學(xué)、阻力、動力、耐波性、空間利用、成本估算等）預(yù)測候選船舶的值/效用設(shè)計屬性。
比如 快速性 、 穩(wěn)性 、 抗沉性 （船舶在進(jìn)水之后還可以保持一定浮性和穩(wěn)性的能力）、 耐波性 （船舶在風(fēng)浪中遭受外力擾動而產(chǎn)生各種搖擺運動時，仍然能維持一定航速在水面上安全航行的性能） 8.
船體的強度、剛度分析；動力學(xué)分析；噪聲分析；抗爆性分析；疲勞耐久性分析；流體阻力分析；動力與推進(jìn)分析；穩(wěn)性與耐波性分析；通信設(shè)備的電磁場分析；優(yōu)化設(shè)計分析；多物理場耦合分析...等 船舶結(jié)構(gòu)分析解決方案（視頻分享） 面對數(shù)字化如何與結(jié)構(gòu)仿真結(jié)合？如何確保船舶結(jié)構(gòu)的完整性？