Приветствуем всех, кто интересуется развитием современных технологий! На сегодняшний день машинные расчёты стали неотъемлемой частью практически всех сфер деятельности человека. Компьютерное моделирование позволяет инженерам заранее просчитать все параметры будущих изобретений — от самолётов до космических ракет, не дожидаясь их физического воплощения.
Также это актуально и для судостроения, где при разработке новых изделий требуется проводить CFD-анализ не только для движителей, но и для внешних обводов корпусов судов. Удивительно, но даже такие привычные конструкции, как корабли, которые люди создавали на протяжении сотен лет, продолжают совершенствоваться и обретать новые, более эффективные формы. Как раз решение подобных задач требует применения особых методологических подходов в области компьютерного моделирования.
Всё дело в том, что ключевой особенностью выступает необходимость проведения расчётов с учётом границы раздела сред «вода-воздух», известной как свободная поверхность. Такой подход к решению инженерных задач характеризуется существенной трудоёмкостью и требует значительных временных затрат.
Это объясняется комплексным характером анализа: помимо расчёта действующих на судно сил, необходимо детально смоделировать динамику его обтекания, учитывая временные изменения и формирование волнового следа.
Проблема vs Решение
После освоения моделирования подобных задач самое время задуматься о том, как получить новую, эффективную форму корпуса судна. Оптимизационные технологии становятся ключевым инструментом в этом процессе, позволяя значительно улучшить эксплуатационные качества судна путём совершенствования его геометрических параметров. Такой подход к проектированию даёт возможность не просто создавать новые формы, а целенаправленно разрабатывать корпуса с максимально эффективными характеристиками, отвечающими современным требованиям судостроения.
Всё начинается с проектирования качественной 3D-модели, корректного определения её параметров и обеспечения устойчивого перестроения на протяжении всего оптимизационного процесса. К сожалению, именно в этом моменте возникает серьёзное препятствие, способное поставить под угрозу успех всего проекта.
Проблема заключается в том, что популярные CAD-системы, созданные преимущественно для выполнения конструкторских операций, не способны эффективно обрабатывать большое количество параметров сложных криволинейных форм, описывающих модель, из-за ограничений их геометрического ядра. При попытках такой обработки возникают различные артефакты: зазоры, осцилляции и другие дефекты геометрии, требующие ручной корректировки.
Ситуация усугубляется тем, что помимо сложности и длительности самих расчётов, каждый этап изменения модели требует дополнительной проверки специалистом. В результате подобные проекты могут растягиваться даже не на месяцы, а на годы, что существенно тормозит процесс получения конечного результата.
Проблема с нестабильным перестроением моделей была успешно решена с помощью Flypoint Parametrica. Благодаря уникальному подходу в обработке геометрической структуры Параметрика позволяет создать адаптивную модель, способную динамически изменять свой внешний вид в реальном времени с обширным диапазоном параметров. При этом полностью исключены возможные проблемы: отсутствуют зазоры между элементами и осцилляции на поверхности геометрии. Но на достигнутом мы не остановились — следующим шагом стала полная автоматизация всего процесса оптимизации. Платформа LS-TECH Framework объединяет в себе инструменты, отвечающие за три ключевых компонента:
- Создание параметрической 3D-модели;
- Математическое моделирование (CFD);
- Поиск оптимума целевой функции.
Такое комплексное решение позволило исключить необходимость ручного контроля при передаче данных между различными программными продуктами, существенно сэкономив рабочее время специалистов.
Подготовка параметрической модели судна
Как уже было сказано ранее, использовав Flypoint Parametrica, мы создали параметрическую модель внешних обводов корпуса танкера, которая отличается высоким качеством исполнения и состоит из двух зеркально отражённых NURBS-поверхностей. Эти поверхности формируются на основе набора направляющих кривых, каждая из которых регулируется от трёх до семи управляющих точек.
Применение деформационных кривых во Flypoint Parametrica позволило разработать гибкую параметрическую модель судна. Они дают возможность точно настраивать все элементы корпуса: бульб, борта, корму, ахтерштевень и другие компоненты. При этом обеспечивается плавное сопряжение между всеми частями модели.
В данном проекте особое внимание заказчика было уделено носовой части танкера, а именно специальному выступу, известному как бульб. Этот важный конструктивный элемент размещается в передней подводной зоне судна и характеризуется разнообразием форм — от округлой до каплевидной. Основная функция бульба заключается в облегчении движения судна за счёт существенного снижения гидродинамического сопротивления воды.
Численное моделирование волн
Как только параметрическая модель готова, самое время переходить к численному моделированию, которое проводилось во FlowVision. Это российский CFD-решатель, предоставляющий не только высокую точность моделирования процессов, но и квалифицированную техническую поддержку пользователям.
Расчёт осуществлялся в нестационарной постановке с использованием осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, замкнутых моделью турбулентности k-ω SST Ментера. Расчетные данные, используемые в задаче, указаны в таблице 1.
Жидкая фаза занимала всю нижнюю часть расчётной области, а её верхняя граница соответствовала уровню осадки судна, заданной заказчиком.
С целью установления независимости решения от сеточных параметров, были построены неструктурированные расчетные сетки различных размерностей. Значение У+ для всех сеток лежит в диапазоне от 30 до 120.
Полной сеточной сходимости добиться не удалось вследствие существенных колебаний сил давления. Однако было принято решение, дальнейшие оптимизационные расчеты проводить на самой «экономичной» сетке №1, с последующей валидацией на подробной сетке №4.
Настройка оптимизатора
Следующим этапом стала подготовка оптимизатора к работе, в качестве которого был выбран IOSO. Для изменения были представлены следующие характеристики бульба: ширина, длина и объем, которые управляются всего четырьмя параметрами.
Целью оптимизации является минимизация буксировочного сопротивления. Ограничением стало водоизмещение модели. Изменение этого показателя не должно превышать 2% от исходного значения.
Расчет объёмного водоизмещения проводился в LS-TECH Framework сразу после формирования геометрической модели в Flypoint Parametrica. Благодаря такому подходу мы исключили необходимость проведения ресурсоёмких CFD-расчетов в решателе для моделей, заведомо не соответствующих заданным ограничениям по водоизмещению. Это позволило сфокусировать вычислительные ресурсы на перспективных вариантах геометрии.
В данной задаче автоматизированный цикл оптимизации в LS-TECH Framework включает в себя четыре этапа:
- Модель в Flypoint Parametrica меняет свою форму в пределах заданных параметров в режиме реального времени.
- Каждая 3D-модель проходит строгий отбор по критерию водоизмещения — на следующий этап попадают только модели, удовлетворяющие условию ограничения.
- Далее геометрия в автоматическом режиме передаётся в FlowVision, где проводится расчет обтекания.
- Гидродинамические характеристики обновлённой модели поступают в IOSO для поиска экстремума целевой функции.
Результаты оптимизации
В результате оптимизации было просчитано 170 точек за 120 часов на 16 ядрах CPU AMD Ryzen 9 5950X. Итогом стала модель судна, со следующими параметрами внешних обводов.
Анализируя данные в таблице, можно заметить, что три из четырёх параметров подошли вплотную к границам задаваемых диапазонов. Данный факт свидетельствует о потенциальной возможности улучшения результатов при расширении границ диапазонов управляемых параметров. Тем не менее, на текущем этапе целесообразно сосредоточить внимание на исследовании уже полученной геометрии.
Оптимальный вариант имеет суженый, удлинённый и немного приподнятый вверх бульб, что хорошо заметно при наложении исходной модели, раскрашенной фиолетовым цветом, и оптимальной, голубой, модели танкера.
Сравнение гидродинамических показателей исходной и оптимизированной моделей наглядно иллюстрирует существенное преимущество модифицированной геометрии бульба.
Буксировочное сопротивление существенно уменьшилось – на 6,2%, благодаря значительному снижению сил сопротивления давления на 9,5%. При этом важно отметить, что изменение водоизмещения оказалось минимальным и составило всего 0,19%, что свидетельствует о высокой эффективности проведённой оптимизации с учетом заданных ограничений.
При детальном рассмотрении свободной поверхности в диаметральной плоскости прослеживается существенная разница в поведении волны в окрестности носа судна. В случае с исходной геометрией наблюдается прямое столкновение волны с форштевнем, что провоцирует дополнительное сопротивления воды движению судна. В то же время оптимизированная геометрия имеет более обтекаемую форму бульба, что существенно улучшает гидродинамические характеристики всего корпуса танкера.
Заключение
Итогом работы стала трёхмерная параметрическая модель внешних обводов танкера, построенная во Flypoint Parametrica, которая позволяет работать с формой всего судна как в интерактивном режиме, так и в оптимизационном цикле.
С помощью LS-TECH Framework был настроен автоматизированный оптимизационный процесс с использованием FlowVision для проведения CFD-расчетов внешнего обтекания корпуса на свободной поверхности, а также с использованием IOSO с целью поиска оптимума.
По результатам оптимизации было проведено сравнение гидродинамики до и после оптимизации и установлено, что оптимизированная форма бульба снижает буксировочное сопротивление на 6,2%. Важно отметить, что достигнутый результат не является предельным, и существует потенциал для дальнейшей оптимизации.
Таким образом, представленная технология трехмерной параметрической оптимизации на базе LS-TECH Framework демонстрирует свою эффективность при решении комплексных задач гидродинамического моделирования, в том числе и при наличии свободной поверхности. Разработанная методология открывает новые перспективы для совершенствования проектирования морских судов в кротчайшие сроки.
Спасибо, что прочитали статью до конца! Если у вас остались вопросы — мы с удовольствием ответим на них. Ваша поддержка очень важна для нас и мотивирует создавать ещё более интересные материалы, поэтому будем благодарны лайком и подписке на наш канал. До скорых встреч!
