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      基于Friendship的高速客船特征參數(shù)靈敏度分析

      2022-03-08 02:43:52張守慧謝玲玲馮佰威田中文
      造船技術(shù) 2022年1期
      關(guān)鍵詞:興波船型特征參數(shù)

      張守慧,謝玲玲,馮佰威,田中文

      (1.中國(guó)船級(jí)社 海南分社,海南 ???570206;2.武漢理工大學(xué) 高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430063;3.中船黃埔文沖船舶有限公司,廣東 廣州 510715)

      0 引 言

      基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬的方法,通過(guò)CFD數(shù)值計(jì)算尋找最佳設(shè)計(jì)方案[1-6]。應(yīng)用Friendship全參數(shù)化建模軟件完成某高速客船全參數(shù)化模型的建立,對(duì)初始模型應(yīng)用SHIPFLOW流體計(jì)算軟件進(jìn)行興波阻力的計(jì)算,將結(jié)果與船模試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證計(jì)算的可靠性。對(duì)所建的高速客船模型,根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選取艏部特征參數(shù)及其變化范圍,然后通過(guò)Sobol算法使變量在設(shè)計(jì)空間生成均勻的設(shè)計(jì)方案,并利用SHIPFLOW對(duì)所生成的若干個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行興波阻力計(jì)算,最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,從而得出各特征參數(shù)的靈敏度大小。

      1 船體型線(xiàn)全參數(shù)化建模和模型網(wǎng)格劃分

      應(yīng)用Friendship軟件完成某高速客船全參數(shù)化建模,應(yīng)用SHIPFLOW軟件中自帶網(wǎng)格劃分功能對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為后續(xù)特征參數(shù)靈敏度分析奠定基礎(chǔ),具體參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

      2 特征參數(shù)靈敏度分析

      數(shù)學(xué)模型在參數(shù)靈敏度分析中非常重要,通常數(shù)學(xué)模型有3個(gè)重要組成部分,即參數(shù)輸入、變量輸出及兩者關(guān)系。參數(shù)輸入具有隨機(jī)性[8-9],因此輸出變量具有不確定性,而研究這種不確定性及兩者關(guān)系則構(gòu)成數(shù)學(xué)模型的不確定性和靈敏度分析。

      2.1 輸入?yún)?shù)選取

      根據(jù)該高速客船模型的幾何特征和控制型線(xiàn)的特征參數(shù),初步選擇13個(gè)特征參數(shù)作為模型輸入?yún)?shù),并根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況進(jìn)行多次試算,最終確定選擇的特征參數(shù)變化范圍,如表1所示。

      表1 輸入?yún)?shù)及其變化范圍

      2.2 輸入?yún)?shù)與輸出變量的關(guān)聯(lián)

      在搜索過(guò)程中,輸入?yún)?shù)取值的變化會(huì)導(dǎo)致船體型線(xiàn)發(fā)生變化,船舶的水動(dòng)力性能也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。由于所建的客船模型是高速船舶,因此在優(yōu)化過(guò)程中選擇船體艏部進(jìn)行興波阻力優(yōu)化,在興波阻力優(yōu)化的過(guò)程中需要保證船舶滿(mǎn)足一定的營(yíng)運(yùn)性能,同時(shí)優(yōu)化后的船型具有足夠的浮力保證船舶浮態(tài)不會(huì)發(fā)生較大變化。在靜水力計(jì)算結(jié)果中,模型的排水量和浮心縱向位置均滿(mǎn)足誤差要求,因此在靈敏度計(jì)算過(guò)程中,將排水量和浮心縱向位置作為約束條件,使優(yōu)化后的船舶排水體積和浮心縱向位置比優(yōu)化前的誤差更小,可保證其誤差在允許的范圍之內(nèi)。

      2.3 Sobol算法計(jì)算結(jié)果分析

      采用Friendship中的Sobol模塊,選用Sobol搜索算法,對(duì)選擇的設(shè)計(jì)變量上下限和興波阻力系數(shù)選取初始的200組方案,航速則選取設(shè)計(jì)航速18 kn。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的計(jì)算分析,最終得到輸出變量興波阻力的計(jì)算結(jié)果。

      2.3.1 設(shè)計(jì)變量在約束空間的分布

      各設(shè)計(jì)變量在約束空間的分布如圖1~圖13所示。通過(guò)分析各設(shè)計(jì)方案在整個(gè)設(shè)計(jì)空間的分布,選取的13個(gè)艏部特征參數(shù)在設(shè)計(jì)空間中均為均勻分布,因此采用Sobol算法可對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行較為精確的估計(jì),為后續(xù)優(yōu)化提供合適的空間。

      圖1 cpcTanAtForeLpp在約束空間的分布

      圖2 cpcFullness2在約束空間的分布

      圖3 tanCpcFullness2在約束空間的分布

      圖4 tanCpcTanAtForeBase在約束空間的分布

      圖5 tanCpcYAtForeBase在約束空間的分布

      圖6 wlFullness在約束空間的分布

      圖7 wlTanAtForeLpp在約束空間的分布

      圖8 tanWLTanAtForeLpp在約束空間的分布

      圖9 tanWLYAtForeLpp在約束空間的分布

      圖10 tanWLFullness2在約束空間的分布

      圖11 fullLowTanAtForeLpp在約束空間的分布

      圖12 fullLowYAtForeLpp在約束空間的分布

      圖13 fullLowFullness2在約束空間的分布

      2.3.2 設(shè)計(jì)變量對(duì)興波阻力的影響趨勢(shì)

      各設(shè)計(jì)變量對(duì)興波阻力的影響趨勢(shì)如圖14~圖26所示,各圖中的曲線(xiàn)和直線(xiàn)分別代表二次函數(shù)線(xiàn)和一次函數(shù)線(xiàn)。通過(guò)分析這兩條數(shù)據(jù)線(xiàn)可判斷特征參數(shù)對(duì)興波阻力影響因子的大小,其中曲率平緩表示影響因子較小,曲率陡峭表示影響因子較大。

      圖14 cpcTanAtForeLpp對(duì)興波阻力的影響趨勢(shì)

      由圖14、圖15、圖16、圖18、圖20、圖21、圖24和圖26可知:曲線(xiàn)和直線(xiàn)有一定的弧度相交,說(shuō)明選取的特征參數(shù)cpcTanAtForeLpp、cpcFullness2、tanCpcFullnes2、tanCpcYAtForeBase、wlTanAtForeLpp、 tanWLTanAtForeLpp、fullLowTanAtForeLpp和fullLowFullness2對(duì)興波阻力的影響因子較大。分析各圖中的二次函數(shù)曲線(xiàn)和一次函數(shù)直線(xiàn):cpcTanAtForeLpp數(shù)值取45.825~50.200,可獲取特征參數(shù)cpcTanAtForeLpp對(duì)興波阻力影響的最小值,在后期船型優(yōu)化中,cpcTanAtForeLpp的上下限分別取45.825和50.200;CpcFullnes2數(shù)值取0.255~0.276,可獲取特征參數(shù)CpcFullnes2對(duì)興波阻力影響的最小值,在后期船型優(yōu)化中,CpcFullnes2的上下限分別取0.255和0.276;tanCpcFullnes2數(shù)值取0.200~1.200,可獲取特征參數(shù)tanCpcFullnes2對(duì)興波阻力影響的最小值,在后期船型優(yōu)化中,tanCpcFullnes2的上下限分別取0.200和1.200;tanCpcYAtForeBase數(shù)值取5.400~10.105,可獲取特征參數(shù)tanCpcYAtForeBase對(duì)興波阻力影響的最小值,在后期船型優(yōu)化中,tanCpcYAtForeBase的上下限分別取5.400和10.105;wlTanAtForeLpp數(shù)值取-15.521~-13.000,可獲取特征參數(shù)wlTanAtForeLpp對(duì)興波阻力影響的最小值,在后期船型優(yōu)化中,wlTanAtForeLpp的上下限分別取-15.521和-13.000;tanWLTanAtForeLpp數(shù)值取-45.000~20.000,可獲取特征參數(shù)tanWLTanAtForeLpp對(duì)興波阻力影響的最小值,在后期船型優(yōu)化中,tanWLTanAtForeLpp的上下限分別取-45.000和20.000;fullLowTanAtForeLpp數(shù)值取-4.025~-3.000,可獲取特征參數(shù)fullLowTanAtForeLpp對(duì)興波阻力影響的最小值,在后期船型優(yōu)化中,fullLowTanAtForeLpp的上下限分別取-4.025和-3.000;fullLowFullness2數(shù)值取0.400~0.500,可獲取特征參數(shù)fullLowFullness2對(duì)興波阻力影響的最小值,在后期船型優(yōu)化中,fullLowFullness2的上下限分別取0.400和0.500。

      圖15 cpcFullness2對(duì)興波阻力的影響趨勢(shì)

      圖16 tanCpcFullnes2對(duì)興波阻力的影響趨勢(shì)

      圖17 tanCpcTanAtForeBase對(duì)興波阻力的影響趨勢(shì)

      圖18 tanCpcYAtForeBase對(duì)興波阻力的影響趨勢(shì)

      圖19 wlFullness對(duì)興波阻力的影響趨勢(shì)

      圖20 wlTanAtForeLpp對(duì)興波阻力的影響趨勢(shì)

      圖21 tanWLTanAtForeLpp對(duì)興波阻力的影響趨勢(shì)

      圖22 tanWLYAtForeLpp對(duì)興波阻力的影響趨勢(shì)

      圖23 tanWLFullness2對(duì)興波阻力的影響趨勢(shì)

      圖24 fullLowTanAtForeLpp對(duì)興波阻力的影響趨勢(shì)

      圖25 fullLowYAtForeLpp對(duì)興波阻力的影響趨勢(shì)

      圖26 fullLowFullness2對(duì)興波阻力的影響趨勢(shì)

      由圖17、圖19、圖22、圖23和圖25可知:各圖中的二次函數(shù)曲線(xiàn)和一次函數(shù)直線(xiàn)接近重合,說(shuō)明選取的特征參數(shù)tanCpcTanAtForeBase、wlFullness、tanWLYAtForeLpp、tanWLFullness2和fullLowYAtForeLpp對(duì)興波阻力的影響因子較小,在后期船型優(yōu)化中可不考慮這些特征參數(shù)。

      經(jīng)過(guò)對(duì)上述Sobol算法靈敏度計(jì)算結(jié)果分析,可將興波阻力影響較小的特征參數(shù)剔除,留下對(duì)興波阻力影響因子較大的特征參數(shù)及其最佳數(shù)值取值范圍,并以此作為后續(xù)船型優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量,具體參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

      3 結(jié) 語(yǔ)

      在特征參數(shù)上下值變化范圍選取上采用經(jīng)驗(yàn)選取,缺乏精度,在后續(xù)優(yōu)化過(guò)程中由于特征參數(shù)上下值變化范圍的誤差可能對(duì)最優(yōu)船型興波阻力的數(shù)值和船體形狀的變化誤差產(chǎn)生一定影響,因此如何減小特征參數(shù)上下變化值選取上的誤差,提高其精度,是未來(lái)需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

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