基于模板技術構建船舶螺旋槳設計平臺

黃金鋒，許 滸

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

0 引 言

隨著三維設計技術及其工具軟件的發展，螺旋槳三維幾何模型已建立起來，并通過相應的分析軟件對其進行了仿真評估。但螺旋槳三維設計CAD系統與仿真分析CAE軟件之間的數據轉換和信息集成問題還未得到有效解決，導致三維模型無法直接用于螺旋槳的工程分析。另外，螺旋槳設計的經驗和知識都掌握在少數人手中，很難重復利用，易對企業造成很高的知識風險。螺旋槳設計工具相互孤立，不成體系，異常復雜的數據流主要依賴人工勞動，設計并行度低，管理難度大，嚴重影響了設計質量和效率，使得設計過程很難實現關聯設計和優化設計。因此，螺旋槳設計平臺的建立勢在必行。

國際上的研究機構基于以前發展的各種方法建立了有效的螺旋槳設計系統。20世紀90年代，美國泰勒水池就開展了螺旋槳優化設計集成系統的研究。HydroComp.IN公司的HYDROCOMP系列軟件包括NavCAD，ProExpert和ProCAD三個模塊，分別用于解決船舶推進系統分析、螺旋槳設計和計算機輔助螺旋槳生產等領域的實際問題。美國AMI公司的VSAERO和USAERO軟件提供螺旋槳水動力分析，MARINTEK的AKPD/AKPA系統和MARI N的EXCALIBUR和PROCAL系統都是設計和分析螺旋槳的集成系統［1-2］。

國內的科研院所和船廠利用ISIGHT和數據庫等方式建立了初步的螺旋槳集成設計系統［3-4］，但目前僅限于三維幾何模型的建立和水動力分析，沒有考慮結構強度校核等方面，而且集成度不高，不能根據經驗和知識進行設計，同時，流程的管控也不理想，沒有專門的數據管理模塊，致使數據無法向下游傳遞。螺旋槳設計平臺基于商業貨架軟件SYSWARE TDE/IDE，利用成熟的螺旋槳設計理論方法和集成應用軟件，通過開發和集成進行螺旋槳設計分析的專業模塊，最終形成一個便于面向螺旋槳設計分析的專業應用系統。平臺主要利用模板技術構建統一的關聯模型，自動保證各設計階段、各專業模型之間的緊密關聯，大量減少方案更改和模型協調的工作量，從而實現多學科關聯的設計與優化。

1 模板技術

螺旋槳設計首先建立三維幾何模型，然后通過對幾何模型的轉換與處理生成螺旋槳的仿真分析模型，之后在仿真分析軟件中進行分析計算并對設計結果進行分析和評估。因此，三維設計模型為主模型，仿真分析模型是由主模型派生出來的關聯模型，主模型的修改將直接導致關聯模型的更改，主模型和關聯模型共同組成螺旋槳設計的統一關聯模型。關聯是指一系列模塊的串聯和并聯網絡，通過在各個模塊之間建立數據流和控制流，建立描述整個設計方案的統一關聯模型，從而使設計方案中的各種模型有機地耦合在一起，這樣，當設計方案的任何局部發生變化時，就可以保證其他所有部分都能進行相應的調整以匹配這種變化［5］。

為實現模型的統一關聯，主要措施是利用模板技術將工具、軟件、設計參數和經驗等固化下來，并通過數據流和控制流實現流程的驅動和參數的關聯，以此來建立螺旋槳集成設計分析平臺。

任何設計、分析的過程都包含一些規則和方法，這些規則和方法實質上就是軟件工具使用的知識和經驗。盡管軟件工具操作的對象可能各不相同，但這些規則和方法是不變的，本文提出的思想就是歸納和總結這些規則，將其封裝為模板，然后通過模板進行產品的設計和分析工作。

模板是提取設計過程中可重復的設計、建模、分析操作過程并進行封裝，從而形成的模塊化組件。CAD，CAE等軟件的傳統應用模式都是管理結果而不是過程。由于結果是靜態的，要獲得和改變結果必須由人工重復操作，因而導致方案建模、更改、重新評估的工作量較大，很大程度上影響了設計、分析、優化的循環效率。模板的內部不僅僅是規則，同時還包括所有初始數據、中間數據和最終數據，因此，可以將模板視為描述設計對象的一種新方法。與傳統上用最終結果描述設計對象的方法不同，這種新方法不僅包含設計對象的狀態（也即最終結果），還包括設計對象的產生過程。

模板這一思想首先改變了軟件的使用模式，將設計人員操作軟件的一對一模式轉變為通過模板去操作軟件，這不僅降低了設計人員的工作量和工作難度，而且還大大提高了方案設計的自動化程度。其次，模板還改變了設計人員的工作方式，將傳統上一個人同時掌握規則（學習和掌握軟件）和應用規則（用軟件進行設計、分析工作）的工作方式轉變為開發模板（掌握和封裝規則）和應用模板（應用規則完成設計、分析工作）由不同的人完成，這不僅降低了對設計人員的要求，而且使知識和經驗還可以積累、共享和重復使用，有效降低了企業的知識風險。此外，螺旋槳的設計模型以及各軟件數據接口也可通過模板進行開發和封裝。模板的思想本質是一種方法模塊化的思想。

根據其內部封裝的軟件和規則，模板可以完成設計、建模、分析、仿真等各種不同的工作，并描述產品的各種基本組成元素，通過模板，即可以搭積木的方式建立整個產品的設計方案。為保證設計方案的關聯性，系統通過在各個模板之間建立數據流和控制流來建立描述整個設計方案的統一關聯模型。以圖1的外形設計、結構設計和有限元分析為例，它們分別由外形模板、結構模板、有限元模板驅動CATIA和PATRAN生成。由于結構模板生成結構模型時需要輸入外形模板產生的外形曲面，因而外形曲面這一數據流就實現了外形與結構的關聯。同樣，由于有限元模板生成有限元模型時需要輸入結構模板產生的結構模型，因而結構模型這一數據流就實現了結構與有限元分析的關聯。這樣，當外形模板參數改變時，結構模型和有限元模型就會自動更新，與新的外形曲面相匹配；當結構模板參數改變時，有限元模型也會進行相應的自動更新，以與新的結構模型相匹配［6］。因此，統一關聯模型實質上就是用數據流和控制流連接的模板集合，包括所有的設計模型、分析模型、分析結果以及設計分析報告。

圖1 統一關聯模型實現示例Fig.1 Example of unified connected model

2 關鍵技術

2.1 工具軟件的集成

船舶螺旋槳涉及的專業面廣、軟件工具眾多，這些軟件具有多專業、交互分布、異構性等特點，因此，如何將這些體系結構各異的軟件工具集成在一起，實現軟件工具間的信息傳遞與功能上的互操作是實現多專業協同控制與協同仿真的關鍵。設計和分析手段以自有程序和商業軟件為主，下面將介紹工具軟件集成的方法。

性能計算和結構分析手段以自有程序為主，通過對已有程序進行封裝，使自有程序的輸入和輸出數據與其上、下游數據建立關聯關系。商業軟件一般為CAD，Patran/Nastran及ICEM CFD/CFX等，商業軟件的集成方式與自有程序相似，但需要更多地考慮商業軟件的數據開放性，一般情況下，成熟的商業軟件都會提供多層次的二次開發接口?；诠矊ο笳埱蟠眢w系結構（CORBA）技術封裝所有計算程序，并向外提供標準的CORBA接口，一種典型的應用程序集成的方式示例如圖2和圖3所示。

圖2 基于CORBA的計算訪問代理Fig.2 Compute access broker based on CORBA

圖3 應用程序集成技術路線Fig.3 The technical approach of application program integration

2.2 參數化驅動網格自動劃分和水動力計算

由于網格質量的優劣對CFD分析結果有顯著影響，將針對具有高度空間扭曲特性的螺旋槳幾何模型，采用六面體與四面體相結合的網格劃分形式對螺旋槳幾何模型進行網格劃分。

采用主流的網格劃分工具Gambit，將其集成在Sysware框架下，針對螺旋槳網格劃分經驗，將網格劃分過程界面參數化，參數控制界面如圖4（a）所示。為得到合適的混合網格模型，將螺旋槳外部流場分割為流體內域和流體外域兩部分，并可根據螺旋槳尺度調整變化兩部分區域的幾何參數。由于流場內域存在螺旋槳外輪廓曲面，在采用六面體網格進行網格劃分時，網格節點難以準確捕捉復雜曲面的幾何特征，相比之下采用四面體網格更為合理。在內域，結合Gambit的尺寸函數功能合理布置四面體網格；在流場外域部分，由于幾何較為規則，故布置了六面體網格，避免了全部采用四面體網格時單元數量巨大的問題。

在Sysware框架下，將有限體積法的求解工具軟件FLUENT集成，通過VBS腳本程序驅動FLUENT JOU文件及求解參數，進行螺旋槳的水動力性能自動求解計算，如圖4（c）所示。

2.3 水動力表面節點載荷自動轉換為有限元表面節點載荷

圖4 參數控制程序界面Fig.4 Parameter control program interface

使用專業網格劃分工具進行槳葉的有限元網格劃分，能夠得到整片槳葉網格信息文件*.cdb，但如果采用用CFD方法計算得到的槳葉表面載荷數據作為強度校核的外部載荷來源，則一般需要將CFD載荷數據插值到槳葉表面節點上。在進行載荷插值前，首先需要提取出槳葉表面節點信息，然后將螺旋槳水動力載荷加載到螺旋槳的有限元網格模型指定區域，為后續槳葉強度校核計算工作做準備。為此，本文開發了螺旋槳槳葉信息提取程序，并集成于Sysware環境下，能夠有效提取螺旋槳槳葉表面節點信息。

2.4 流程管控及數據接口（PDM）

為了實現艦船設計過程中三維設計流程和仿真分析流程的集成管理，采用基于標準的Sysware技術，具體內容本文不詳述。數據接口主要是與PDM的數據關聯，是在原有PDM系統的物理數據庫基礎上進行擴充和二次開發，使之可以管理結果數據和過程數據。過程數據管理模塊是對數據基于產生過程的邏輯描述，同時作為原有PDM對結果數據基于裝配關系的邏輯描述的一種有效補充。過程數據由本系統進行流程控制，結果數據仍由原PDM系統進行流程控制。

3 體系結構

船舶總體設計平臺為開放式平臺，主要用于集成CAD，CAE，CAO和CAX等各類軟件，對軟件應用知識和經驗進行封裝，并在一個統一的環境中進行CAD設計、建模、分析、優化、數據管理和協同管理。由于其功能特征，因而特別適用于以三維設計為基礎，需要大量使用CAD和CAE技術，設計過程涉及較多學科專業，并且設計過程非常復雜的船舶總體設計。系統的體系結構如圖5所示［7］。

圖5 系統的體系結構Fig.5 The system architecture

4 系統組成與功能

4.1 單元模板開發環境

單元模板的開發環境是集成于CAD環境的設計、分析模型或應用軟件的封裝系統。單元模板開發環境對各類設計、分析模型或應用軟件進行集成和封裝，定制直接面向具體任務的應用界面，并在后臺驅動設計、分析、進行仿真軟件的建模、求解和后處理。

單元模板主要包括設計模板、數據庫模板、轉換模板和公式模板等。單元模板主要由參數表、輸入輸出表、用戶界面和操作等基本要素組成，聯合起來實現產品設計、建模、分析、仿真等工作中基本任務要素的封裝。單元模板的基本要素包括：

1）參數表：模板數據的來源，是所有操作的數據核心。參數表包括各種類型的參數（整數、實數、字符串、文件、整數數組、實數數組、字符數組），用戶需要從參數表界面中錄入參數。

2）輸入輸出表：模板封裝的數據接口，是模板執行時數據流傳遞的主要載體。輸入表是復雜對象的數據來源，它負責接收上游模板的數據引用；輸出表是復雜對象執行后的輸出結果，它負責將模板執行的結果發布出去，供下游模板定義數據引用。

3）用戶界面：已封裝的模板數據與外界交互的接口。用戶可以在模板封裝時設計用戶界面，將模板的參數信息及相關輔助說明展現在用戶界面上，使模板在IDE環境中可以從用戶界面上修改相關參數值，從而達到實現模板某種操作的效果。

4）操作：用于實現模板數據的加工處理，可以由多個公式操作、文件解析、數據庫操作、命令執行、CAD操作和報表生成等類型的操作單元組成，支持順序執行和分支執行兩種模式。

4.2 組合模板環境

組合模板環境（也稱集成設計環境，IDE）集成于CAD環境中，是基于單元模板的多模板統一關聯的多學科設計、多學科建模、多學科分析、多學科優化的一體化環境。組合模板環境通過調用設計、建模、分析模板以及基礎數據庫，可以快速建立與設計、分析相關聯的統一關聯模型，通過調用MDO軟件，可對方案進行多學科優化。

單元模板可以通過數據流和控制流來構成復雜的組合模板、工作包和工作組包等組合模板。數據流定義主要用于定義模板實例之間的數據傳遞關系，如圖6（a）所示。如圖6（b）所示，用戶可以自定義模板之間的數據傳遞關系。

控制流表征的是模板實例之間執行的先后順序，如圖6（c）所示。用戶可以定義控制流連接線，還可以查看執行的次序關系?？刂屏骺啥x起點（S圖標）、終點（E圖標）、并行、判斷分支及循環等執行邏輯。

圖6 組合模板環境Fig.6 Assembled template environment

4.3 集成管理系統

集成管理系統是集項目管理與流程管理于一體的綜合管理系統，具體包括過程/項目定義、過程驅動，以及過程監控/項目分析等功能。集成管理系統可大幅提高工作流運轉的效率和過程規范性，在此本文不予贅述。

4.4 模板庫系統與工程管理系統

模板庫系統是管理模板的系統平臺，通過模板管理系統，可以上傳模板、管理模板、檢索模板并下載模板。工程管理系統用于管理設計過程的統一關聯模型（包含相關數據）和工具軟件。通過工程管理系統，可以訪問統一關聯模型，同時，工程管理系統按統一關聯模型的結構關系，以版本的方式管理所有過程數據和最終結果。此外，與PDM數據的集成也是數據管理的重要內容，與PDM中的產品結構管理、文檔管理以及用戶管理產生數據交互關系，并通過標準服務訪問PDM中的數據。

5 初步應用

本文將以DTRC4119螺旋槳為例測試平臺系統的合理性、可用性和可靠性，建立槳型生成、性能計算和結構分析模板庫，并生成設計流程管理系統［8-9］。其中，集成的工具和開發的模板庫如表1、表2所示，系統主界面和主流程如圖7和圖8所示。

表1 集成工具列表Tab.1 Table of integrated tools

圖7 系統主界面Fig.7 Main interface of the system

表2 模板庫列表Tab.2 Table of template databases

圖8 系統主流程Fig.8 Main process of the system

以其中的水動力分析（圖9、圖10）為例進行闡述。通過理論方法建立型值表，然后通過CATIA進行三維幾何模型的建立、網格劃分、水動力分析和結果文件輸出等，以實現其設計分析功能。

圖9 幾何模型的建立Fig.9 Geometrical model creation

圖10 網格和水動力結果Fig.10 Grid and hydrodynamic results

6 結 語

通過運用模板技術創建螺旋槳設計平臺，改進了建模方式，提高了數據流處理的效率，實現了知識的管理和多學科關聯設計。螺旋槳設計平臺涉及理論設計方法、螺旋槳三維建模、CFD分析方法和有限元法的強度分析等多種設計分析手段。在理論設計方法中，可為升力線、升力面及面元法的核心計算程序提供簡易、直觀的前處理界面，保證了螺旋槳理論設計方法的準確性、便捷性，使得螺旋槳專業工程人員能夠高效地研發出優良的螺旋槳。在螺旋槳三維建模及CFD分析方法中，通過SYSWARE集成工具軟件CATIA，ICEM和FLUENT，可實現螺旋槳實體模型的快速構建，創建出符合流體分析工程需要的優良網格模型，求解出螺旋槳的敞水性能并得到槳葉所受到的水動力載荷分布。在使用有限元法的強度校核分析中，得到了高質量槳葉有限元網格模型，開發出了螺旋槳槳葉表面節點信息提取程序以及槳葉水動力載荷插值有限元單元節點計算程序，突破了水動力載荷向有限元節點傳遞的信息壁壘。

［1］賀曉燕，劉小龍，辛公正，等.螺旋槳設計集成系統平臺開發［C］.中國造船工程學會，第四屆全國船舶與海洋工程學術會議論文集，江蘇鎮江，2009.HE Xiaoyan，LIU Xiaolong，XIN Gongzheng，et al.Workflow development of propeller design prediction integrated design system［C］//The 4th National Conference on Ship and Ocean Engineering.Jiangsu，2009.

［2］須文波.多學科設計優化技術螺旋槳過程集成船舶設計［D］.無錫：江南大學信息工程學院，2007.XU Wenbo.Multidisciplinary design optimization technology propeller process integration［D］.Wuxi：Jiang-nan University School of Information Technology，2007.

［3］程成，須文波，冷文浩.基于iSIGHT平臺DOE方法的螺旋槳敞水性能優化設計［J］.計算機工程與設計，2007，28（6）：1455-1459.CHENG Cheng，XU Wenbo，LENG Wenhao.Design and optimization of open water performance of propeller based on iSIGHT platform DOE methods［J］.ComputerEngineering and Design，2007，28 （6） ：1455-1459.

［4］張萍，季越紅，吳龍周，等.基于Client/Server模式的螺旋槳數據庫系統的研究與設計［J］.船舶力學，2002，6（2）：70-74.ZHANG Ping，JI Yuehong，WU Longzhou，et al.Study and design of the propeller database system based on Client/Server pattern［J］.Journal of Ship Mechanics，2002，6（2）：70-74.

［5］黃金鋒，何剛.艦艇數字樣船技術及其平臺體系結構研究［J］.船舶工程，2009，31（5）：40-43.HUANG Jinfeng，HE Gang.Technology of naval vessel digital ship and study on its platform architecture［J］.Ship Engineering，2009，31（5）：40-43.

［6］余明，陳陽平.基于模板的設計技術探討［J］.直升機技術，2009（1）：46-49.YU Ming，CHEN Yangping.Research on methodology based on template in engineering［J］.Helicopter Technique，2009（1）：46-49.

［7］北京索為高科系統技術有限公司.SYSWARE平臺——集成設計的利器［J］.航空制造技術，2010（3）：86-87.Beijing SYSWARE Technology Ltd.SYSWARE Platform——favorable tool for integrated design［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2010（3）：86-87.

［8］唐英，王志堅，楊凱.基于UG二次開發的船用螺旋槳參數化建模方法與實現［J］.船舶工程，2010，32（4）：52-55.TANG Ying，WANG Zhijian，YANG Kai.Parametrical modeling method and implementation of marine propeller based on UG software［J］.Ship Engineering，2010，32（4）：52-55.

［9］王玉華.大側斜螺旋槳強度研究［J］.船舶力學，1998，2（2）：44-51.WANG Yuhua.Comparative studies on highly-skewed propeller strength［J］.Journal of Ship Mechanics，1998，2（2）：44-51.