بهينه سازي هيدروديناميكي فرم بدنه شناور با استفاده از مدلسازي محاسبات سيالات پويا (CFD)

در بسياري از ابزارهاي كامپيوتري طراحي كشتي (CASD[1])، محاسبات NURBS [2] مورد استفاده قرار گرفته­اند. بهينه­سازي هيدروديناميكي پوسته مبتني بر محاسبات سيالات پويا (CFD[3]) عبارت است از راه­حل­هاي CFD در ارزيابي توابع هدف در دامنه جريان اطراف كشتي كه توسط مش­هاي گسسته مشخص مي­شوند. بهينه­سازي سيستماتيك هيدروديناميكي فرم بدنه شناور، منوط به ارائه روش و ساختاري به منظور توليد سيستمي و خودكار مش­هاي حاصل از تغييرات سطوح NURBS شناور است. در اين مقاله، روش جديدي به منظور تغيير شكل سطح شناور در فرآيند بهينه­سازي NURBS ارائه شده است كه چهار ويژگي را تضمين مي­كند: 1- تنها تعداد جزئي متغيرهاي طراحي براي كاهش تعداد ارزيابي توابع هدف مورد نياز است. 2- براي توليد فرم­هاي بدنه مختلف، تنوع زيادي از فرم هندسه شناور قابل بدست آمدن است. 3- در حالتي كه فقط بخشي از بدنه نياز به بهينه شدن دارد، منطقه بهينه شده مي­تواند بدون انحطاط بدنه اصلي را بطور پيوسته مورد پيوند خود قرار دهد. 4- ميتوان با حفظ بدنه عملياتي، محدوديت­هاي هندسي متنوعي را به راحتي در فرآيند بهينه­سازي اجرا كرد. علاوه بر اين، يك ابزار توليد شبكه مبتني بر NURBS براي تفكيك كردن سطح بدنه و توليد مش مورد نياز براي شبيه سازي CFD جريان در اطراف بدنه طراحي شده است. طراحي هيدروديناميكي كشتي شامل چندين مراحل، از طراحي اوليه و مرحله اوليه تا طراحي نهايي است. هدف اين مقاله، توسعه يك ابزار عملي بهينه­سازي هيدروديناميك براي طراحي يك كشتي با كاهش كشيدگي در مرحله طراحي اوليه، ابزار عملياتي طراحي CFD (كد SSF)، مبتني بر تئوري جديد بنام تئوري NM[4] كه براي محاسبه جريان مداوم شناور و سنجش تابع هدف اندازه­گيري كشش موج و/يا كشش نهايي است. اگرچه SSF ابزار بسيار كارآمد CFD است، ولي نياز به انجام بهينه­سازي فرم بدنه براي چندين سرعت طراحي با كاهش زمان محاسبات وجود دارد كه منجربه توسعه يك مدل تقريبي شده است. سطح پاسخي از مساله كه تنها به يك تابع هدف محدود است، به صورت مستقيم توسط CFD ارزيابي شده است. مبتني بر سطح پاسخ، تابع عملكرد تحليل متغير (ANOVA[5]) به منظور تحليل تاثير هر يك از متغيرهاي مساله طراحي شده است. همچنين به منظور بدست آوردن سطح پاسخ فرم بدنه بهينه، از بهينه­سازي به روش الگوريتم­هاي تكاملي استفاده شده است. ابزار محاسباتي توسعه يافته در اين مقاله، يكپارچه­سازي CASD، CFD و ارائه تكنيك­هاي بهينه­سازي را در بهينه­سازي هيدروديناميكي هندسه فرم كشتي تضمين مي­كند. بكارگيري روش ارائه شده در يك كشتي واقعي (Wigley) نشان مي­دهد، كه ابزار كنوني يك راه موثر و ارزان براي بهينه­سازي فرم­هاي بدنه در مرحله طراحي اوليه است؛ همچنين تحليل مفيدي در مورد اهميت متغيرهاي طراحي متفاوت ارائه مي­دهد.