ABSTRACT

Serial ship models are often used in the research of ship performance, so that the object has a continuous change in the study. This article discusses the general principles of how to get the series of ship model, and realizes the change process combining with the Maxsurf software. On the basis of the serial ship models, how to mesh them in the CFD research is discussed. In order to make full use of the similarity of hull form of serial ship models, we try to study grid autogeneration of the serial ship models through the JOU file of the Gambit. This method has simple principles with great practical value, and it can save time when there are a lot of ship models.

Keywords:Series of Ship Model, Maxsurf, Grid Auto-Generation, Gambit

系列船型变换与自动画网格研究

师光飞¹，柯枭冰²

¹武汉交通职业学院，武汉

²武汉理工大学交通学院，武汉

Email: 393058012@qq.com

收稿日期：2014年3月28日；修回日期：2014年4月21日；录用日期：2014年5月2日

摘  要

在船舶性能的研究中，经常会用到系列船型，以便使研究的对象有连续的变化。本文探讨了得到系列模型的一般原理，并结合Maxsurf软件实现船型变换过程。在系列船型的基础上，进一步讨论在数值计算的网格划分工作。为了充分利用系列船型的相似性，基于Gambit中的jou文件尝试系列船型自动建立计算域与网格的划分。该方法原理简单，实用性强，当系列船型数量较多时，该方法可以节省时间。

关键词

系列船型，Maxsurf，自动画网格，Gambit

1. 引言

在科学研究中，经常会用到单一变量法。单一变量法的原则是指只改变其中一个自变量，其他自变量不变，然后研究这个自变量对因变量的影响。这种方法排除了其他因素的影响，能够对所研究的对象的作用有较清楚的认识。在船舶性能的研究中，系列船型的研究方法即是这种普遍方法的应用[1] 。

由于船舶自身形状的复杂性和船舶运动介质的复杂性，目前还不能用理论计算法来定量确定船型诸参数对船舶受力情况的影响，只有借助于船模系列试验，其中，较为著名的船模系列有泰勒标准组船模系列和陶德系列60 [2] ，前者以某军舰作为母型船，后者则选取了5艘单螺旋桨运输船作为母型船。

随着计算机技术的发展和数值计算方法的改进，船舶计算流体力学(CFD)的方法越来越多地用到船舶水动力性能的研究当中。通过数值模拟系列船模试验方法，也可以计算系列数值船模来研究船型参数对船舶性能的影响。根据一定的规则对所选船型参数进行变换，而Maxsurf作为专业的船舶设计和建造研究软件，其中的船型变换功能可以很好地根据母型船实现不同船型的变换。

变换完成之后，将得到系列参数不同、船型形似的船模。由于划分网格部分的工作在整个计算工作中占有很大比例，如果能够利用个船型形状的相似性，较少划分网格部分的工作时间，将是非常有实用价值的。因为变换之后的船型一般有几十条甚至上百条船，能够将重复的工作时间节省，能提高工作效率，可以使精力放在更需要的地方。本文对形似船的自动画网格方法进行了初步研究。

2. 船型变换

2.1. 船型变换与Maxsurf简介

2.1.1. 船型变换简介

船型变换是得到系列船型的过程。船舶的设计必须综合考虑各种因素，其中一个重要的方面是确定船型参数，就是确定表征船体水线以下部分的一些特征参数的数值与几何形状。船型参数的选择要满足船东使用要求，满足基本的安全与经济性能，此外还要顾及总体布置、工艺结构等要求。因此，了解一些主要参数对船舶各方面性能的影响程度是十分重要的[3] 。

为了分析各因素对船舶总体性能的影响，就必须要将各因素单独拿出来讨论，只改变其中一个因素来分析它对船舶总体性能的影响程度。这就需要其他参数一致，只有其中一个参数不一致的系列船型。

船型变换的方法主要有两种：一为仿射变换，这种方法将船体表面上各对应坐标分别按一定比例放大或缩小(各方向的比例数值可以不一样)，从而得到不同的船型。如将母型船横剖面的半宽和水线间距都乘以常数K，即可得到一组仅△/(0.01 L)^3。如将横剖面的半宽乘以常数K而将水线间距乘以1/K，可导得另一组仅B/T不同的船模；另一种是改变线型特征的方式[4] 。例如要得到Cp不同的船模，则要另行绘制一新的横剖面面积曲线。通常将这两种方法结合使用。如图1所示，分别变换不同的L/B和B/H，各3组，一共9条船模[3] [5] 。

2.1.2. Maxsurf船型变换功能简介

MAXSURF软件是由澳大利亚Formation Design Systems公司为船舶设计和建造者开发的，适用于各种船舶设计、分析和建造的一套非常完整的计算机辅助船舶设计和建造软件。在船舶设计方面可以说是最强的一款。与其它诸如TRIBON、FORAN、CADDS5等大型计算机辅助船舶设计和建造系统平台相比，MAXSURF软件由各个子模块集成而成，如三维船体模型生成模块，阻力及有效马力计算模块，水动力性能计算分析模块，水动力性能计算分析模块等。

对于船型变换，MAXSURF中有专门的功能键。即其中的Data-Parametric Transformation。图2是单击Parametric Transformation选项之后的窗体。

图1. 典型的船型变换方案图

图2. Parametric Transformation选项窗体

从窗体中可以看到，一些控制船体形状的主要参数如Cb、Cp、Lwl、B、D等都可以根据需要进行修改，再点击Search按钮则可完成船型变换。变换完成之后导出IGES文件，可以导入到Gambit或者ICEM CFD中进行网格划分。

2.2. 船型变换的实现

这一节我们将举例详细说明如何在Maxsurf中进行船型变换。

首先选取母型船。母型船可以选择一条，但进行参数变换之后，可能有不现实的船型出现，需要进行取舍。也可以选择几条，不过这多条母型船必须是一个类型，如陶德系列60就选取了5条单螺旋桨运输船作为母型船[2] 。本文中选取的母型船侧视图(如图3所示)与基本参数如表1所示，其中模型缩尺比为20，在后续的数值计算中，研究对象为各船型的模型。

在船型变换过程中保持排水量和船长不变，分别生成系列的Cb与L/B，共获得25个系列船型(包括母型船C2)中，减去吃水过小和过大的、并将非常接近的方案取其中之一，剩下20个船型，是后续计算的模型，如表2。

接下来就是母型船的建模，根据母型船的型值点可以在三维建模软件CATIA中建模，然后利用Maxsurf中的曲面导入功能，将保存的IGES文件导入Maxsurf中，导入时要注意长度单位的选择。导入

图3. 母型船侧视图

之后的母型船俯视图如图4所示。

图5中显示的是主菜单Data下面Frame of Reference选项，在变换之前需在这里设置吃水和船长。然后进入到Parametric Transformation选项。举例，如果需要得到B2船型，因为需要保持船舶排水量和船长不变，则先在Displacement和Waterline Length前面方框打钩，表示此值不变，再修改方形系数Cb为0.7，船宽为18.00，最后点击Search按钮，则可以得到所需的B2船型了。其余各船可依次类推，不再赘述。

3 自动画网格

3.1. Gambit网格功能简介

Gambit软件是一款常用CFD(Computational Fluid Dynamics)前处理软件，是由美国Fluent公司自行研发的面向CFD的专业网格生成软件，包括几何建模和网格划分两大功能。

Gambit包含全面的几何建模能力，既可以在Gambit中直接建立点、线、面、体等几何模型，也可以从主流的CAD/CAE系统如Pro/E、UGII、I-DEAS、CATIA、SolidWorks、Anysy、Patran导入几何体和网格，Gambit强大的布尔运算能力为建立复杂的几何模型提供了极大的方便。

而作为经典的网格划分软件，Gambit功能非常强大，可以划分出包含边界层等CFD特殊要求的高质量的网格。Gambit中专有的网格划分算法可以保证在较为复杂的几何区域可以直接划分出高质量的六面体网格。其中的TGRID方法可以在非常复杂的几何区域中划分出与相邻区域网格连续的非结构化的网格，

图4. 母型船在Maxsurf中的俯视图

图5. 母型船在Maxsurf中的侧视图

Gambit网格划分方法的选择完全是智能化的，当你选择一个几何区域后Gambit会自动选择最合适的网格划分算法，使网格划分过程变的较为容易。

Gambit通过三种文件来记录和存储相关数据以及界面操作的步骤，分别为JOU文件、TRN文件和DBS文件。其中JOU文件是日志文件，是Gambit命令记录，保存类型为文本，这个文件是本文自动画网格的基础；TRN文件是文本文件它记录了Gambit操作界面transcript窗口中的一系列信息；DBS文件是二进制格式的数据库文件，它包含了几何模型、网格、默认参数以及有关日志消息等数据。另外，IGES文件为Gambit常用几何模型输入文件，MSH文件为Gambit网格输出文件[6] [7] 。

3.2. 基于Gambit中jou文件的自动画网格

Gambit中的JOU将我们在Gambit窗体中对右侧按钮的每一步操作记录下来，相当于一个操作命令的连续列表，包括几何模型创建、计算区域划分、网络生成和边界条件设置等内容。而且在Gambit中可通过运行JOU文件来将里面的命令显示在窗口中。这样我们可以通过首先将一条船的网格划分过程通过JOU文件完整保存下来，然后直接通过修改JOU的相关参数，如导入的IGES文件名称，计算域的大小，网格数的多少，来写另一条船的JOU文件，形成连续命令列表，然后可以在Gambit中运用这个写成的JOU文件，实现网格的自动划分。下面将举例说明如何从A1到D2的自动划分网格[8] [9] 。

首先划分编号为A1的船模的网格[10] 。将其IGES文件导入到Gambit中，画计算域，然后进行网格划分。完成之后保存DBS文件，其JOU文件自动保存为A1.jou。图6是A1船模计算域，图7是船体中部网格，图8是A1.jou文件一部分的截图。

图6. A1船模计算域

图7. A1船中部的网格

接下来，需要将A1.jou文件修改为D2.jou文件。

首先，需要修改的是导入的IGES文件。将"D:\\Catia\\DP-A1-22.igs"改为"D:\\Catia\\DP-D2-22.igs"；

其次，需要保证D2的IGES文件中的点线面编号与A1的IGES文件中的点线面的编号完全一致。如果一致，跳过这一步，否则需要修改。本例中将D2的IGES文件编号修改代码截图，如图9。

再次，需要修改JOU文件中的相关几何参数，本例中包括呆木的大小，还有计算域大小等参数。

最后就是网格划分中的线段的网格数目的修改了。

图8. A1.jou文件图

图9. D2.jou中点线面编号修改部分

图10. D2船模计算域图

图11. D2船模中部的网格

这几步之后，D2.JOU文件就写好了，然后在Gambit中点击RUN JOURNAL命令来运行D2.JOU文件，通过运行其中的代码来划分计算域与网格工作了。D2船模的计算域如图10，船体中部的网格截图如图11。

在运行D2.JOU文件的时候可能还会出现一些问题，大多是由于操作对象的标号不对而引起的，这就要求对文件进行重复修改。当然，细心的研究者将会减少修改时间。完成了一条船的自动画网格，其他船型的步骤与以上论述一样，只是根据不同船型修改的数据不一样罢了。

4. 总结

本文就船型水动力性能研究领域经常用到的系列船型的变换进行了研究，首先探讨了船型变换的目的和方案，然后是利用商业软件的船型变换功能来实现。这一工作完成后，为了利用系列船型的相似性，在后续划分网格的阶段，研究了自动画网格技术，能较好地利用船型相似这一特点，减少工作量。这部分工作是基于Gambit中的JOU文件来实现的。通过实际操作，这一思路是可行的，并能提供符合计算精度的自动生成的网格。

参考文献 (References)