基于径向基函数插值的船体曲面变形方法及应用研究

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1、武汉理工大学硕士学位论文第1章绪论1.1研究的背景和意义船舶作为重要的水上交通运输工具，在远洋运输方面有着不可替代的作用，是国民经济发展的重要支撑。随着能源地位的提升和海洋资源开发的日益普遍，船舶的作用越来越明显。但是船舶在运输过程中产生的污染也日益严重，对地球的生态环境和人类的身体健康都造成了一定的危害，因此船舶的节能减排成为航运业发展中一项非常艰巨的任务。EEDI由国际海事组织提出，以一定航速下二氧化碳排放量与运载能力的比值定义船舶能效，是一项用于衡量船舶设计和建造能效水平的重要指标。根据中国船级社向MEPC60（海洋环境保护委员会第60届会议）提交的

2、有关我国EEDI基线的估算结果，我国正在营运的三大主力船型中，只有很小的比例能够符合IMO的EEDI标准。所以，EEDI的提出直接影响我国造船工业的核心竞争力与国际市场份额，对我国绿色船型的研发提出了新挑战。在现有可行的降低二氧化碳排放的措施和技术中，通过优化船体型线减小船舶阻力是满足EEDI要求的重要途径之一。因此我国应大力开展船体型线设计优化研究，以应对EEDI的挑战。但是传统的船型设计主要采用母型船改造法，工程师根据一些基本原理和设计经验手工修改型线。这种设计方法强烈地依赖于工程师的设计经验和母型船数据库，并且这种经验性的设计工作需要反复迭代，逐步校

3、验修正才能得到比较满足技术指标要求的可行方案，但并非最优的设计方案。另外其成本高，设计周期漫长，已经不能满足绿色船舶设计的要求。近二十年来，随着计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，CFD）和计算机技术的飞速发展以及广泛工程应用，船型优化作为节能船型开发的有效手段已经成为可能。该方法将CFD和最优化方法应用于船舶的型线设计。通过网格自适应技术连接CAD（ComputerAidedDesign）和CFD，运用CFD工具对船舶水动力性能进行仿真计算，同时利用优化算法和船体曲面变形技术探索整个船型设计空间，最终获得一定约束条件下的性

4、能最优的船体型线，如图1-1所示。在上述流程中船体曲面的变形技术是优化算法和船舶水动力性能计算之间的桥梁，决定了船型优化问题设计空间的范围。在船型优化过程中，设计变量将依据优化算法做出相应的调整，并体现在船体几何外形的变化上。如何利用1万方数据武汉理工大学硕士学位论文尽量少的设计变量获得尽可能多的船体几何外形，是船体曲面变形技术追求的[1]一个目标。优化算法设计变量目标函数约束条件约束条件CAD网格自适应CFD图1-1船型优化流程本文在充分学习国内外各种船体曲面变形方法的基础上，采用径向基函数插值的方法实现船体曲面变形，并对其中存在的关键问题进行深入研究，

5、为船型优化的实际应用打下基础。最后通过优化实例证明该方法的可行性和工程实用价值。1.2国内外船型优化研究现状目前，国内外众多学者在船体型线优化研究方面取得了大量的成果，在船体曲面变形技术、优化算法、近似技术、CFD数值计算等关键问题方面已经有了深入的研究。下面对国内外船型优化现状进行简单介绍，并总结了该领域的发展趋势。1.2.1国内外研究现状目前，用于船型优化的船体曲面变形方法主要分为以下两类：第一类是以船体曲面NURBS或B-Spline数学表达为基础，改变船体某一部位的NURBS、B-Spline的控制顶点坐标或直接修改船体型值点的坐标，达到对这一区域

6、船体曲面变形的目的。第二类是基于船型参数的参数化方法，通过提取表征船体几何形状的典型特征参数，并通过函数对其进行变化，进而实现船型变化的目的。1)修改控制点坐标的变形方法[2]DongWooPark和HeeJongChoi以Series60船艏部B-Spline控制点X和Y方向的坐标作为变量，优化得到带有球艏的新船型。通过试验验证，在Fr=0.316下总阻力有13.3%的减少效果。2万方数据武汉理工大学硕士学位论文[3]HKim在其博士论文中进行了Wigley船艏部多个航速下的型线优化，选择31个NURBS控制顶点，共计53个优化变量。[4][5]台湾成功

7、大学陈柏汎等将某双体船进流段40个B-Spline控制顶点坐标作为优化变量，通过Levenberg–Marquardt算法完成了该船在浅水和深水情况下的兴波阻力优化。[6]大连海事大学王善芹直接选取Wigley船前体的16个型值点作为优化变量，完成了兴波阻力性能的优化。又选取了全船76个型值点作为变量进行了总阻力性能的优化。尽管直接以型值点或网格控制顶点为变量的变形方法可以生成复杂的船型，但这种方法存在较大缺陷。（1）该方法对某一区域的船体曲面变形需要很多控制点才能实现，这必然导致优化时间的增加。（2）如果作为变量的控制点数量较多，该方法无法保证局部型线的

8、光顺性。所以，近年来众多学者在此基础上又开发了融合方法，Bezie