浅谈CAESES与船型优化

天洑软件

      得益于近些年来计算机行业的发展以及CFD技术（Computational Fluid Dynamics）日趋完善，CFD技术在船舶行业的应用已经取得了长足的进步，其长远目标-数值水池，是一种能够代替船模水池实验的数字水池，为船舶水动力性能设计提供全尺度的精确模拟。它不仅可以预报各类船舶在静水中航行时的阻力，提高船桨舵的整体推进性能，还可以根据风、浪、流等环境载荷，预报船舶在海浪上的航行，加强船舶在恶劣海况下的性能。

船型优化

      船型优化是目前CFD技术在船舶行业内的一项主要应用，所谓的船型优化只指通过改变船体线型以改进船体周围流场以及尾部伴流场，最终实现船舶航行时的阻力降低和推进效率的提升。

船体尾部优化前后的伴流场对比

      可见要准确获取船舶周围流场信息对船型设计是非常重要的，而这正是CFD所能提供的。相较于传统的水池模型实验，CFD不仅能够完成模型尺度下的计算，还可以进行全尺度的分析，避免了模型船和实船之间的尺度效应误差。CFD技术的另外一大优势在于它的快速响应以及经济性，相较于耗费数周的时间且动辄数十万元的水池实验，一个普通的CFD船体阻力计算在个人电脑上花上几个小时甚至几十分钟就可以完成，且对比大量的水池实验表明目前成熟的CFD软件能够提供5%以内的阻力误差精度，足以满足实际需求。

水池船模实验vs CFD数值水池

优化方法

      传统的优化方式是依赖于手动调整船体线型，这是一个反复迭代的过程，非常需要工程师的耐心和经验，因此只能局限于对少数工况的优化，比如1-2个航速下的阻力表现。考虑到现在很多船舶需要在多种吃水及航速状态下完成作业，完全依赖这种手动优化的方式无疑是繁琐的，特别是还要考虑光顺性以及各种限制条件（排水量，船舱布置等）。

      CAESES则可以方便地统计并分析不同参数对不同工况下的船体性能的影响，并考虑到各种限制条件。与此同时，它所提供的参数化建模技术加上先进的自动优化策略，能帮助用户实现全自动的优化流程，提高工作效率。

全参数化船体建模

双尾鳍全参数模型

        Meta Surface是CAESES的核心造面技术，用以创建船体复杂曲面，保证各个部分光顺连接。

设计样本空间分析

      除了全参数化建模外，CAESES还提供了强大的半参数化变形功能以及表面预处理功能，适用于对已有船体曲面的局部或是全局变形。下面这个视频展示了CAESES针对破损的IGS船体做变形调整，尽管目标船体表面质量较差，CAESES仍然可以方便地添加变形调整并修复表面。

尾部变形

球艏变形

CAESES介绍

      CAESES是德国FRIENDSHIP SYSTEMS公司开发的一款仿真驱动优化设计软件，南京天洑软件有限公司为FRIENDSHIP股东和CAESES中国区总代理。CAESES自2001年发布第一个版本以来，广泛应用于船舶，叶轮机械，汽车零部件，航空航天，阀门管道等工程领域。

功能特色
1、强大的前期CAD及前处理模块

● 拥有大量的曲线及曲面库，可进行全参数化或部分参数化建模，强大的曲面造型技术能够有效的减少构建复杂曲面所需的参数。

● 建成的模型可优化自由度极高，同时可以添加约束，使自动生成的几何都能够满足设定的标准，从而使得最终的优化结果能够应用于工程实际。

● 在几何拓扑改变时也能保证模型的精确性和完整性，保证优化过程的批量计算的顺畅进行。

2、与仿真软件的无缝耦合

● CAESES自带的软件耦合器，能够将网格生成器、CFD求解器以及其他一些分析工具快速、直接的耦合在一起，并且能够根据分析结果直接反馈调整几何模型，减少中间环节，从而保证优化流程更加流畅。

● 可以通过设定批处理文件进行控制，批处理中可以设定几何变量的变化以及边界条件、求解器及网格设定的变化。

3、可进行大型数据分析的后处理模块

● CAESES的后处理模块可以加载CFD计算流场结果，可以快速浏览不同设计变种的结果。

● CAESES可以自动生成一系列的数据列表，能够对各变量对目标函数的影响进行敏感度分析，并能够自动生成包括蛛网图、Pareto         frontier图在内的文件报告。

4、丰富的优化算法

● CAESES拥有多种不同的算法，来控制设计变量的变化，从而生成不同的新的设计变种，包括DoE（例如Sobol算法等）及单目标/多目标优化算法（例如梯度下降法、遗传算法NSGA-II、模拟退火MOSA算法等）。

● 这些优化算法都能够设定等式及不等式约束，确保生产的设计变种满足要求。

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