0 引言

    船舶水動力性能系船舶快速性、耐波性和操縱性等性能的綜合。本文介紹船舶水動力學(xué)軟件的開發(fā)與應(yīng)用，討論的范圍僅限于船舶工程范疇中的計(jì)算機(jī)輔助性能設(shè)計(jì)計(jì)算和相應(yīng)的集成軟件，即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)集成軟件。

    船舶水動力集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)(SHIDS)以船型和性能數(shù)據(jù)庫為依托，能對大方形系數(shù)低速船（以大型、超大型油輪為主）和中等方形系數(shù)中高速船（以大中型集裝箱船為主）的航行性能進(jìn)行預(yù)報、評估和優(yōu)化計(jì)算，由快速性、耐波性和操縱性綜合觀點(diǎn)確定滿足用戶要求的最合適的船型尺度和形狀細(xì)節(jié)，從而快速地設(shè)計(jì)出綜合性能優(yōu)良的船型。

    隨著技術(shù)進(jìn)步，本文提出對現(xiàn)有SHIDS系統(tǒng)升級，將SHIDS集成于ANSYS Workbench環(huán)境中，一方面可以為ANSYS Workbench提供船舶初步設(shè)計(jì)的解決方案；另一方面也增強(qiáng)了SHIDS系統(tǒng)的實(shí)用性，并且在Workbench的框架中，SHIDS與PDM和ANSYS很多軟件模塊之間很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞及共享。

1 船舶設(shè)計(jì)PDM系統(tǒng)

    船舶設(shè)計(jì)分析PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）系統(tǒng)是由上海市計(jì)算技術(shù)研究所和中國船舶科學(xué)研究中心聯(lián)合研發(fā)的進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)平臺，主要包括項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)管理和流程管理。系統(tǒng)結(jié)合數(shù)字化造船中的船舶虛擬設(shè)計(jì)、虛擬試驗(yàn)（數(shù)字化測試），以及相關(guān)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，打通船舶CAD/CAE/CFD之間的數(shù)據(jù)接口，建立船舶CFD分析、CAE（結(jié)構(gòu)強(qiáng)度）分析的典型流程，并高度自動化、智能化，以解決各類船舶分析軟件使用效率低、設(shè)計(jì)人員缺少專業(yè)的分析經(jīng)驗(yàn)等問題，從而促進(jìn)數(shù)字化造船能力的進(jìn)一步提升。

2 基于Workbench的SHIDS系統(tǒng)架構(gòu)

    ANSYS Workbench Environment是ANSYS公司開發(fā)的新一代前后處理環(huán)境，并且定位于一個CAE協(xié)同平臺。該環(huán)境為CAD軟件及設(shè)計(jì)流程的高度集成提供了極大的方便，并且新版本增加了ANSYS很多軟件模塊并實(shí)現(xiàn)了很多常用功能，使產(chǎn)品開發(fā)中能快速應(yīng)用CAE技術(shù)進(jìn)行分析，從而減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品附加價值。

    Workbench框架提供了一個集成環(huán)境，允許用戶同時運(yùn)行多個應(yīng)用程序，并且能實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)和參數(shù)在各應(yīng)用程序間的共享。Workbench框架本身并不包含任何工程應(yīng)用程序。

    框架支持用戶化開發(fā)，用戶可以將自己或第三方的獨(dú)立的應(yīng)用程序整合到Workbench中，且與Workbench的版本無關(guān)。

    Workbench用戶開發(fā)工具允許用戶針對某一產(chǎn)品或流程要求而建立起—套獨(dú)特的工作流程或控制。SDK是Workbench架構(gòu)下集成其它外部程序的主要接口，腳本和XML提供了在Workbench環(huán)境下創(chuàng)建流程控制（Workbench仿真向?qū)В┑闹饕�工具�?/p>

    利用Workbench框架的集成環(huán)境這些優(yōu)點(diǎn)，將其用于集成SHIDS系統(tǒng)，可以使SHIDS系統(tǒng)有更友好的用戶體驗(yàn)、更高效的數(shù)據(jù)共享性、更便捷的軟件實(shí)用性。

    整個SHIDS系統(tǒng)的軟件框架如圖1所示。

    圖1 系統(tǒng)框架

    整個系統(tǒng)包含概念設(shè)計(jì)模塊，船型生成、靜水力、阻力預(yù)報、自航因子預(yù)報、操縱性預(yù)報、耐波性預(yù)報6個水動力性能預(yù)報計(jì)算模塊，線性預(yù)覽、結(jié)果圖形查看、文檔查看、報表生成、項(xiàng)目管理等輔助功能模塊及一個CFD計(jì)算接口。

    系統(tǒng)集成與Workbench框架，自研的PDM為系統(tǒng)提供船舶設(shè)計(jì)各階段的船型及性能數(shù)據(jù)，系統(tǒng)還可將水動力預(yù)報及優(yōu)化分析的數(shù)據(jù)結(jié)果存于PDM。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

    3.1 基于Workbench的系統(tǒng)界面

    系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)如圖2所示。整個界面由菜單、工具欄、設(shè)計(jì)流程樹、船體線型、結(jié)果圖像、結(jié)果文檔、報表預(yù)覽顯示區(qū)，主要參數(shù)及結(jié)果顯示區(qū)，狀態(tài)欄六部分組成。

    圖2 SHIDS主界面實(shí)現(xiàn)

    Workbench界面中的菜單、工具欄都是以XML的形式組織的。窗口設(shè)計(jì)的方法是首先將視圖按照需要分割成不同的部分，然后在分割的視圖區(qū)域中就可以加載不同的內(nèi)容，比如3D圖形控件、樹形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)頁、文本文件等。SHIDS系統(tǒng)窗口實(shí)現(xiàn)如下所示：

    3.2 PDM與SHIDS數(shù)據(jù)接口

    PDM系統(tǒng)中存有船舶設(shè)計(jì)CAD數(shù)據(jù)、型值、圖文檔、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、相關(guān)性能計(jì)算數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)基于WebServices與PDM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，Web Services是一種分布式的計(jì)算技術(shù)，在Internet上通過標(biāo)準(zhǔn)的XML協(xié)議和信息格式來發(fā)布和訪問商業(yè)應(yīng)用服務(wù)。

    基于Web Services的編程接口能支持跨系統(tǒng)和跨語言的程序調(diào)用，也就是說無論要被集成的系統(tǒng)是運(yùn)行在何種操作系統(tǒng)上、API是何種語言，都能通過PDM的Web Service接口來實(shí)現(xiàn)交互。SHIDS系統(tǒng)通過接口發(fā)送用戶名（用于權(quán)限驗(yàn)證）和查詢請求（如船型數(shù)據(jù)），PDM驗(yàn)證權(quán)限，并返回相應(yīng)的型值數(shù)據(jù)，用于在SHIDS系統(tǒng)中生成圖形預(yù)覽和水動力性能預(yù)報。

    數(shù)據(jù)交互及用戶的使用過程，如下所述：

    1)在SHIDS中查詢船體型值數(shù)據(jù)，SHIDS通過接口把請求發(fā)給PDM。

    2)PDM根據(jù)請求，查詢自己的數(shù)據(jù)庫，并通過接口把船體型值數(shù)據(jù)發(fā)給SHIDS。

    3)在SHIDS中看到了返回的船體型值表。

    4)在SHIDS中進(jìn)行船型繪制和水動力性能分析。

    5)最后可將計(jì)算的結(jié)果返回到PDM系統(tǒng)中存儲。

    數(shù)據(jù)交互過程如圖3所示。

    圖3 SHIDS與PDM交互過程

    3.3 線型生成及預(yù)覽

    系統(tǒng)線型生成采用系列法，該模塊提供了幾種系列船型的生成算法，如：美國的60系列、英國的BSRA系列以及CSSRC的大方形系數(shù)低速船系列和中等方形系數(shù)中高速船系列。模塊的輸出結(jié)果為SHIDS定義的船體型值表。將船體型值表，按照group_id node_id x y z的格式重新組織成ANSYS Workbench的DM模塊所能接受的Coordinate File，利用DM的3D Curve造型功能就可將船體線型圖繪出。具體實(shí)現(xiàn)如下所示，系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖4所示。

    圖4 SHIDS船型顯示界面

    3.4 水動力性能預(yù)報

    系統(tǒng)中水動力性能的預(yù)報依賴于一組C++編寫的動態(tài)鏈接庫。用戶輸入計(jì)算程序所需的參數(shù)后，首先將參數(shù)保存到臨時文件中，然后通過相應(yīng)的計(jì)算程序計(jì)算并返回結(jié)果，最終對結(jié)果進(jìn)行圖形化顯示。計(jì)算程序的調(diào)用通過WScript.Shell.Run()方法實(shí)現(xiàn)。圖5為水動力性能計(jì)算程序的調(diào)用過程。

    圖5 水動力性能計(jì)算過程

    圖6為自航因子估算結(jié)果及相應(yīng)的曲線示意圖。

    圖6 自航因子估算結(jié)果曲線示意圖

    圖7為耐波性預(yù)報的結(jié)果示意圖（包括垂蕩、縱搖、橫搖、阻力增加）。

    圖7 耐波性預(yù)報的結(jié)果示意圖

    3.5 CFD計(jì)算接口

    系統(tǒng)CFD-FEA模塊提供了一個SHIDS船體型值文件到Fluent船舶CFD分析的接口，采用Gambit作為船體CFD分析的前處理器，利用Gambit腳本文件實(shí)現(xiàn)計(jì)算域網(wǎng)格劃分、邊界設(shè)置等的自動化。利用Fluent進(jìn)行CFD計(jì)算。以下為CFD計(jì)算工作流程：

    1)通過SHIDS CFD-FEA模塊調(diào)用網(wǎng)格自動劃分程序Sliip4Gambit。

    2)Cambit中導(dǎo)入Ship4Gambit程序生成的網(wǎng)格自動化分腳本，生成msh文件。

    3)Fluent導(dǎo)入msh文件，實(shí)現(xiàn)SHIDS到Fluent的接口。

    圖8為CFD計(jì)算分析流程示意圖，包括Gambit計(jì)算域網(wǎng)格自動劃分后的網(wǎng)格示意圖，F(xiàn)luent計(jì)算后的幾種CFD結(jié)果。

    圖8 CFD計(jì)算分析流程示意圖

4 結(jié)語

    將SHIDS系統(tǒng)集成于ANSYS Workbench平臺中，并與PDM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享與交互，充分利用了Workbench平臺易用、數(shù)據(jù)交換方便、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，也利用PDM系統(tǒng)和SHIDS系統(tǒng)開放性的優(yōu)勢，使SHIDS系統(tǒng)更加實(shí)用。性能計(jì)算模塊采用的計(jì)算方法大多是近期一流的成熟成果，特別是大方形系數(shù)低速船和中等方形系數(shù)中高速船的性能計(jì)算基于兩大船模系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果可靠實(shí)用、先進(jìn)性強(qiáng)。CFD計(jì)算接口可以對生成船型快速進(jìn)行CFD分析。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為Workbench和PDM平臺提供了船舶初步設(shè)計(jì)的解決方案。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：基于PDM平臺和Workbench框架的SHIDS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

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