基于纵向函数的船型参数化设计及阻力性能优化方法研究

论文摘要

船体线型优化问题是一门多学科综合问题,也是行业内部设计工作的核心环节之一线型质量对于船舶性能具有重要的影响。通过研究,论文介绍了近年来常见的船体线型设计方法。对于传统线型设计方法和参数化线型设计方法进行了多向比较,指出了参数化线型设计方法的优点及发展现状。随着造船技术的发展以及电子计算机的广泛应用,数学船型的研究越来越被大家所重视。本文通过研究船体线型设计方法,对数学船型的设计原理展开了深入的研究,采用了纵向函数方法进行船体线型的设计。实现了在没有母型船型线资料的条件下,通过对船舶主尺度和主要船型参数的选取,及对船型控制参数的调整来表达船体横剖面面积曲线线型、设计水线线型、中纵剖面轮廓线线型。通过对这一系列纵向函数的线型表达构造出船体横剖线线型,并以此描述船舶整体线型,最终设计出满足设计要求的系列船型方案。考虑到船体二维型线设计方法很难直观的表现出船体曲面的曲率变化趋势,论文采用船体线型三维设计及通过对三维设计软件进行二次开发的方法来实现船体线型的曲线曲面全参数化综合设计。论文以VB. NET程序程序设计语言为工具对CATIA V5软件进行二次开发,凭借其强大的曲面造型功能实现船体线型的三维曲面设计。船舶阻力性能优化是船型优化过程中不可或缺的一部分。通过比较船舶阻力性能估算的三种方法：经验公式方法、船模试验方法、数值模拟计算方法,论文采用了在近年被业界广泛应用的CFD方法进行数值模拟计算,从而实现了从船体线型设计到设计方案性能估算等过程的高度自动化流程,大大减少了人为因素控制优化过程的时间,从而提高了船型优化设计的效率。本文将CFD方法融入到船型设计的优化流程中,旨在根据CFD方法的数值模拟结果对本文研发的船体线型设计模块提供的设计方案进行阻力性能的预测,从而评判设计方案的阻力性能优劣。综上所述,论文的研究旨在寻找并构建一种有效的、实用的数学模型和方法来快速有效的表达船体曲面,并基于该模型进行船型曲面的设计优化以获得优良的水动力性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文背景
• 1.2 船体线型设计的发展
• 1.2.1 传统设计方法
• 1.2.2 参数化设计方法
• 1.3 基于水动力性能的船型优化方法
• 1.4 论文研究意义及主要内容
• 1.4.1 论文的研究意义
• 1.4.2 论文的主要内容
• 2 船体线型表达方法
• 2.1 函数参数船型理论
• 2.2 纵向函数理论
• 2.3 超越函数理论
• 2.3.1 初等函数
• 2.3.2 超越函数
• 2.3.3 超越方程
• 2.4 非代数方程曲线族
• 2.4.1 B变换
• 2.4.2 D变换
• 3 线型设计
• 3.1 横剖线线型表达及设计流程
• 3.1.1 横剖线线型表达
• 3.1.2 线型设计流程
• 3.2 船体线型设计的数学模型
• 3.2.1 横剖面面积曲线表达
• 3.2.2 设计水线面半宽线线型表达
• 3.2.3 中纵剖面轮廓线线型表达
• 3.3 程序设计界面
• 3.3.1 横剖面面积曲线设计模块
• 3.3.2 设计水线半宽功能模块
• 3.3.3 中纵剖面轮廓线功能模块
• 3.3.4 横剖面线型设计模块
• 3.4 设计实例
• 3.4.1 线型设计曲线展示
• 3.4.2 线型设计曲面展示
• 3.4.3 设计水线面设计变换
• 3.4.4 变换控制参数L、m对横剖线形状的影响
• 3.4.5 变换形状参数n对横剖线线型的影响
• 4 CATIA V5二次开发技术及其应用
• 4.1 CATIA软件介绍
• 4.2 CATIA二次开发的背景意义
• 4.3 CATIA二次开发基本流程和方法
• 4.3.1 CATIA文档结构
• 4.3.2 CATIA编程的基本流程
• 4.4 零件设计
• 4.4.1 操纵零件文档的一般步骤
• 4.4.2 说明及示例代码
• 4.5 曲面设计
• 4.5.1 创建混合元素的一般步骤
• 4.5.2 说明及示例代码
• 5 快速性性能研究与FLUENT软件应用
• 5.1 水动力性能概述
• 5.2 设计方案选择
• 5.3 阻力性能优化问题数学模型
• 5.3.1 优化目标
• 5.3.2 优化变量
• 5.3.3 约束条件
• 5.4 阻力性能的CFD方法数值计算
• 5.4.1 几何模型构造
• 5.4.2 网格划分
• 5.4.3 边界条件设置
• 5.4.4 FLUENT设置
• 5.4.5 结果处理及分析
• 6 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士论文期间发表论文及参加科研情况
• 致谢