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中远海运重工:智能驱动船型设计

作者: 文章来源:中国水运报 日期:2017年06月13日

近日,在西门子大中华区软件年会上,中远海运重工有限公司荣获2017年度“Siemens PLM Software最佳应用实践奖”,这是船舶行业唯一的获奖作品。

“近年来,我们中心借鉴吸收大数据驱动智能制造的理念,采用架构自主船型设计优化链的方式,应用世界领先的全参数化船体建模技术和SHERPA集成智能优化算法,紧跟CFD(计算流体力学)技术发展趋势,以多目标多参数优化为核心,最大程度地克服了自身在经验积累上的不足,实现了以智能内核驱动船型设计的目标。”日前,中远海运重工技术研发中心相关人士对笔者说。

1.

另辟蹊径 补齐短板

CFD是自20世纪50年代随着计算机技术的发展而衍生出的一个介于数学、流体力学和计算机科学之间的交叉学科,至今已有近80年的历史,该技术最早被应用于航天航空和化学反应领域,由于受限于数值波浪模型、自由液面捕捉以及六自由度运动仿真等关键技术在物理模型开发与应用上的滞后,CFD技术在近十年来才被应用于船舶实际项目的研发设计中,主要集中在船型开发和优化上。

几年前,中远海运重工技术研发中心针对自身存在着船型研发团队成立时间短、缺乏经验和数据积累不足的短板,另辟蹊径,将CFD技术大量应用于科研、报价以及实际建造项目中,培养和储备CFD直接计算、疲劳谱分析、水动力分析等高端计算能力,用新技术补短板。CFD团队将技术应用于系柱拖力直接计算、拖航阻力预估、热流耦合模拟、改装方案论证,解决了船舶设计中的多项关键技术问题,打破国外设计公司技术垄断壁垒,为保交付、支撑重点项目推进和提升企业品牌效应、提升企业核心技术竞争力起到了突出的作用。

经过几年的积累和完善,目前,技术研发中心无论是在穿梭油轮、牲畜运输船、风电安装船、海洋平台辅助船、钻井船等特种船舶还是在油轮、集装箱船等运输船舶的船型优化设计方面均有尝试,并取得了较好的效果。2016年,在某特种运输船项目研发过程中,技术研发中心与国内某知名院所以及国际某知名船级社同时开展船型优化设计,最终技术研发中心开发的船型压载吃水下较母船型减阻9.59%,营运特征条件下减阻7.95%,不仅快速性能优秀,同时由于对船舶的浮心位置确定、波浪增阻计算、砰击载荷预报等问题也进行了充分的考虑,获得了业内人士和船东的高度认可;在自主研发的两型穿梭油轮报价设计中,技术研发中心摒弃了传统穿梭油轮艏部设计方式,经过了数千个方案的筛选,创新性地开发了用于穿梭油轮的“Double U型艏部”设计,成功地将船舶浮心向前优化了1.5m,解决了穿梭油轮常见的艏倾问题,提高了舱容和设计航速,同时也满足了船东要求艏部安装两个全回转推进器和一个艏侧推的布置需求。

CFD团队充分利用平台优势,大胆创新,短短四年内便申报国家专利十余项,参与了国家级科研项目4项,自主研发的各类船型累计超过20型,有效提升了企业的核心技术竞争力。2017年3月3日,在西门子大中华区软件年会上,中远海运重工有限公司荣获2017年度“Siemens PLM Software最佳应用实践奖”,这是船舶行业唯一的获奖作品。

2.

突破经典 大胆试新

随着计算机技术和船舶建造设计技术的不断提高,CFD技术也在由锦上添花到必不可少,无论在船舶/海工装备设计的初期、中期还是后期,CFD技术都将起到重要的作用。因此,技术研发中心努力提高CFD技术应用水平、扩大应用范围,在船舶设计中,通过运用CFD技术大胆试新,进而突破经典,形成具自主知识产权的设计成果,提升企业的市场竞争力。

2012年,原中远船务牵头研发国家工信部“采用液压升降装置的近海风电设备安装船关键技术研究”项目,此前,南通中远船务建造的系列风电安装船“决心”1、2号和“东安吉”1、2号,由某世界知名公司设计,其中“决心1”号风电安装船还作为人类合理利用开发风能的代表入选了央视与BBC合作的大型纪录片《改变地球的一代人》,可以说,该系列风电安装船无论设计还是建造都堪称经典。因此,在进行近海风电设备安装船的自主研发时,整个项目组承受了巨大的压力。

就船型开发而言,如何在外形、性能等方面突破国外设计公司的经典设计,既突出自主研发特色又在性能上较“决心”和“东安吉”系列风电安装船更为出色是摆在船型开发小组面前的最大难题。经过数月的调研分析并对“决心2”号风电安装船进行了细致的设计分解后,船型开发小组敏锐地发现,虽然国外设计公司的设计在稳性、耐波性、振动等方面均非常出色,但在快速性上较相近尺度的散货船要低。究其原因,是因为为了保证动力定位能力,“决心”和“东安吉”2型风电安装船均在船体艏部设计了一个突出的“鼻子”,这在很大程度上破坏了船体的光顺,增加了船舶阻力。对此,船型开发小组通过先进的全参数化建模技术对船体型线进行了颠覆式的设计,特别是对艏部3个艏侧推进器的安装位置、最佳管隧长度、水线形状、砰击载荷等问题进行了详细地分析和论证,历时8个月,经过近7000个优化方案的筛选,自主研发了“超U型水线的三艏侧推低阻船体”设计,最终得到了最优化的船型。经过水池试验的验证,优化后的船型较“决心”“东安吉”两型风电安装船提高航速约1节左右。该项目中自主研发的“超U型水线的三艏侧推低阻船体”获得了国家发明专利和实用新型专利。

2016年初,马士基航运对舟山中远船务在建的3600TEU项目货舱区域通风设计提出质疑,认为国外设计公司的设计存在缺陷,无法实现舱室内部的彻底通风循环,要求船厂进行技术澄清或更换风机并进行货舱区风道布置修改。

对于中远海运重工技术研发中心来说,这又是一次对经典的挑战。在经过反复讨论和慎重评估后,研发组决定采用CFD技术对货舱区域进行全域直接计算和优化,在确保不更换风机选型的前提下,对风道开口位置以及通风挡板的角度进行优化设计,实现货舱任一角落的彻底通风循环。CFD团队运用参数化手段进行针对性建模,就可能存在的问题点逐一排查,反复校核计算的物理模型和网格划分精度。同时,对国外设计公司的设计缺陷进行了详尽的论证,应用非支配排序遗传子算法对影响舱室通风平均性的参数化逐一进行敏感度分析,CFD团队还创新性地在计算中加入了“无质量空气粒子追踪”技术,以动画的形式完美地再现了整个货舱内部空气的流动轨迹,经过对各个货舱总计30余次的计算和优化,实现了所有货舱区域内最小瞬时风速不低于0.1m/s的目标。

3.

精研细算 助力生产

技术研究是为了更好地服务于生产。几年来,技术研发中心用CFD技术为多个实际建造项目提供全面支撑,为企业解决了多项技术难题,规避了对原有设计的颠覆性修改,在建造成本控制、保证项目工期等方面均起到了积极的促进作用。

2016年9月,大连中远船务对承建的某油轮进行技术风险评估时发现,节能附体设计厂家所提供的节能附体设计存在与船体不匹配、无法起到效果的风险。就此问题,节能附体厂家无法提供相应的材料进行有效的说明,临时进行水池试验也需至少1个月的时间才能得到准确的结果,这将大幅影响项目的进度,因此向技术研发中心发出了技术服务申请。

节能附体的效果验证涉及船、桨、附体三者间的相互作用,螺旋桨旋转会对周围的流场产生激励作用进而影响到船和节能附体;而船和节能附体的存在也影响了螺旋桨的进流,整个计算具有较强的耦合度和各向应力的不对称性,通过CFD手段高精度地完成这样的计算具有相当的难度。同时,为了确保项目的有序开展,计算也需在1周内完成,这无疑进一步加大了此项工作的难度。CFD小组在对大量的相关文件进行学习和分析总结后,提出了集“雷诺应力湍流模型、实尺度模拟、全结构化网格划分模式、双重压力应变、高Y+值控制”于一体的高精度低时间成本解决方案,五天内即完成了全部工况的计算,证明了节能附体的设计缺陷点,并根据计算结果提出了初步的优化方向。

特别值得一提的是,技术研发中心CFD团队成功地打破国外设计公司的技术壁垒,为舟山船务承建的马士基3600TEU项目提供了一系列的优化设计工作,赢得了马士基航运的高度认可和好评。在前述货舱区域通风问题解决后不久,船东又发现机舱主机进气口压降不足的问题。对此,项目组大胆提出了“以主机进气量为目标,定制化进气口设计”的原则,应用“优中择优”概念,打破原有设计的限制,设计了5套优化设计方案,最终选定了既能保证主机进气量,又对机舱布置影响很小的方案作为最终优化方案,获得了船东的认可和高度好评。

2016年末,马士基航运根据FORCE水池风洞试验的结果向船厂方面提出关于雷达桅温度超标的质疑。根据雷达生产厂家的反馈,雷达桅主要敏感部件的最高温度不应超过摄氏55°,而根据FORCE水池风洞试验的结果,在极限工况下最大温度已达97°左右,存在雷达失效的风险。针对该突发情况,研发室CFD小组首先对FORCE水池的风洞试验报告进行系统分析,并严格按照风洞试验的条件准确地对风洞试验进行数值还原,对风管朝向、雷达桅距烟囱的相对位置以及雷达桅整体高度等进行了多达20轮的优化计算,最终保证雷达桅处全部敏感部件在最极限工况下温度也在55℃以下。

4.

瞄准前瞻 引领未来

科技引领未来,创新驱动发展。船舶设计正在由传统的以量为先、粗犷式的设计模式向着细化、规范化、智能化的以质求生存模式转变,要充分发挥技术的引领作用必须保证具有前瞻性的眼光和一定的预研积累。技术研发中心在保证各类项目按计划有序推进的前提下,立足市场现状,分析未来发展趋势,把握国家政策导向,针对性地开展了技术预研储备工作。

CFD小组就近几年来在世界范围内掀起热潮的北极航线和极地航行船舶进行了充分调研,发现目前极地类船舶在设计和优化上对冰池试验有着极高的依赖度,然而传统的冰池试验成本高、操作复杂、周期长等缺陷在很大程度上限制了极地类船舶的设计研发效率。相比而言,应用数字化技术的CFD数值冰池虽然技术难度极高,但在经济性、时间成本、数据完整性等方面具有传统冰池试验无法比拟的优势。鉴于此,技术研发中心以此为突破口,在数值造冰、冰载荷模拟仿真计算、冰片与螺旋桨相互作用等方面进行了技术预研工作,以初步形成的成果为内容发表的专项论文也受到了国际学术会议的肯定,并受邀将于今年7月参会进行主题演讲。

2015年,为了对已交付的“MC-Class”极地模块运输船项目的设计建造经验进行消化吸收并论证进一步优化可行性,技术研发中心以“Mc-Class”项目为母船型,参考同类型产品的市场趋势,对低成本极地甲板模块运输船进行了自主研发设计。模块运输船属于中高速甲板装载类运输船舶,兴波阻力占主要成分,根据其工程特性,项目组大胆地打破常规,提出了“定制船行波”优化方案。所谓的“定制船行波”优化法就是针对兴波阻力占总阻力主要成分的船舶,在全参数化建模的基础上通过改变其水线形状、水线入水角、横剖面充盈度等一系列参数,设计出理想的船身表面压力分布和船身周围的波形图,以实现兴波阻力优化的最大化,从而提高船舶的快速性。

通过对十数个参数的优化、近万个方案的筛选,最终形成并提出了“弓箭型水线低阻穿浪船艏”设计并获得了国家发明专利授权。该型船艏的设计、结构、压载等主要工况的水线均呈明显的“反曲”型,艏部为直艏或隐形球艏,通过CFD计算和水池试验均表明,应用该型艏部设计可以大幅提高船舶在静水和风浪中的快速性能。

 

 

责任编辑:叶红玲

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