Новая российская технология инженерной 3D-оптимизации в судостроении

Вопросы оптимизации судовых движителей и внешних обводов корпусов судов являются одной из наиболее актуальных задач в судостроении. Специалисты России и всего мира борются за повышение эффективности судов при одновременном снижении стоимости проектирования, строительства и обслуживания судна. Этих целей можно достичь, применяя на ранних этапах жизненного цикла изделия современные технологии математического моделирования модельных и натурных испытаний, а также параметрической 3D-оптимизации объектов морской техники.

На примере гидродинамической оптимизации лопастей гребного винта в однородном потоке «Медиапалуба» расскажет о российской технологии трехмерной параметрической оптимизации, которая стремительно набирает популярность и уже применяется на ведущих предприятиях РФ. Эксклюзивным поставщиков данного продукта является компания «ЛС-Технологии».

Разработка технологии оптимизации гребных винтов представляется весьма непростой задачей, — комментирует генеральный директор компании «ЛС-Технологии» Любовь Лаврищева, много лет посвятившая оптимизации объектов морской техники в Крыловском государственном научном центре. — Одним из главных вопросов при подходе к оптимизации гребного винта, который до недавнего времени оставался открытым, является его параметризация. Невозможность удовлетворительно параметризировать реальную геометрию винта в привычных САПР с целью дальнейшего изменения его формы в реальном времени и в широком диапазоне параметров, а также сложности с передачей модели на расчет в автоматическом режиме, привело к необходимости разработки такой технологии, полностью отвечающей всем требованиям судостроительной индустрии.

Описание геометрии гребного винта согласно ОСТ

Процесс оптимизации предполагает наличие параметрической модели объекта исследования, в котором выделена определенная группа управляемых параметров. Их последовательное варьирование и приводит к улучшению искомых характеристик. Таким образом, важно хорошо понимать, как в судостроении описывается геометрия движителя, в частности, гребного винта.

Согласно отраслевому стандарту или ОСТ в геометрии винта можно выделить основные величины, характеризующие модель по относительным радиусам лопасти. Этими элементами для лопасти движителя являются:

• хорда, толщина, кривизна, шаг, саблевидность, откидка, позиция максимальной кривизны и позиция максимальной толщины, а также профиль лежащий в основе модели.

Каждая из вышеперечисленных характеристик является сплайном, который содержит обычно от 8 до 13 точек. Таким образом, применяя нехитрую математику, можно посчитать, что только на лопасть винта приходится более 100 исходных точек. Немаловажно, что гребной винт может содержать не единую профилировку, то есть состоять из нескольких аэродинамических профилей, что еще больше осложняет вопросы его параметризации.

Именно такой гребной винт фиксированного шага с не единой профилировкой рассматривается в этой статье.

Проблемы параметризации

Итак, мы уже убедились в том, что только на лопасть гребного винта приходится более 100 исходных точек, а в данном кейсе – более 150 за счет не единой профилировки. Поэтому принять каждую опорную точку сплайна как параметр – невозможно, особенно в рамках проведения инженерной оптимизации с моделированием течения вязкой жидкости. Ни один оптимизатор не способен эффективно работать с таким количеством параметров и выдавать оптимальную геометрию за приемлемое время. Кроме того, трудоемкое ручное построение геометрии винта в САПР не дает нам возможности управлять ее формой в реальном времени и в широком диапазоне параметров по многим причинам, в числе которых и количество исходных точек, и осцилляции, неизбежно возникающие на поверхностях винта, и потеря доступа к исходной математике винта при сохранении в IGS или STEP и многое другое.

Как видно из рисунка, система создает модель, состоящую из набора поверхностей и для того, чтобы геометрия превратилась в твердотельную, необходимо, чтобы все эти поверхности были сшиты между собой. Однако, даже попытка внести самые незначительные изменения в форму лопасти приводит к тому, что между поверхностями образуются многочисленные зазоры, и геометрия теряет свою «твердотельность». Такая модель не может быть передана в решатель, пока не пройдет процедуру трудоемкого «лечения», выполненного инженером вручную. Получается, что такая геометрия не готова к изменению ее формы и, следовательно, к дальнейшей параметрической 3D-оптимизации.

Решение

Многолетние исследования в области проблем параметризации привели к созданию программного продукта Flypoint Parametrica, базирующегося на собственном геометрическом ядре, которое на фундаментальном уровне обеспечивает свободу при выборе управляемых параметров модели и дает инженерам полный контроль над формой изделия. В Flypoint Parametrica модель состоит из единой поверхности, а все примыкания – гладкие и согласованные. Кроме того, благодаря алгоритмам эффективного использования деформационных кривых, Flypoint Parametrica минимизирует количество управляемых параметров без необходимости упрощения исходного математического описания и позволяет деформировать модель в самом широком диапазоне параметров и что важно – делать это в реальном времени.

Математическое моделирование обтекания гребного винта

Для нахождения гидродинамических характеристик гребного винта модельных размеров на режиме максимального КПД было проведено численное моделирование обтекания движителя в «свободной воде». Расчет выполнен в стационарной постановке с использованием метода RANS.

Оптимизация лопастей гребного винта

Целью оптимизации данного гребного винта являлась максимизация КПД на заданном режиме работы движителя. Также были введены следующие ограничения:

• Упор на лопастях оптимального гребного винта не ниже исходного значения
• Момент на валу – не выше исходного значения
• Начальное минимальное давление в области вращения движителя не меньше оптимального. Это ограничение необходимо для минимизации рисков возникновения кавитации на лопастях винта.

В качестве управляемых параметров выбраны 3 параметра по шагу лопасти гребного винта и 2 параметра по кривизне лопасти с фиксацией на корневых и на концевых сечениях. Трехмерная параметрическая оптимизация судового движителя стала возможной благодаря эффективной работе с трехмерной моделью в Flypoint Parametrica и платформе LS-TECH Framework, обеспечивающей полную автоматизацию всех компонентов технологии оптимизации. В частности, в LS-TECH Framework все процедуры оптимизации, включая генерацию геометрии, управление настройками решателя, построение расчетной сетки, и предварительный анализ результатов на каждой итерации полностью автоматизированы, и не требуют от специалистов экспертных знаний в оптимизации для первичной настройки процесса. Кроме того, LS-TECH Framework позволяет проводить интеграцию с любыми программными продуктами как коммерческими, так и собственной разработки.

Разработчики «ЛС-Технологий» максимально упростили порог входа в задачи оптимизации, избавив пользователя как от проблем параметризации сложных криволинейных поверхностей, так и от непростого скриптования и интеграции с различными программами.

Компания «ЛС-Технологии» является аккредитованной IT-компанией и разработчиком LS-Tech Framework, а сам программный комплекс входит в Реестр Российского программного обеспечения.

Результаты 3D-оптимизации

По итогам оптимизации КПД гребного винта увеличен на 3,1% при сохранении всех заданных ограничений по минимальному давлению, упору и моменту. Особо отметим, что минимальное давление в области вращения движителя возросло на 12,8%, что положительно сказалось на кавитационных характеристиках движителя.

Обратимся к распределениям управляемых параметров шага и кривизны гребного винта до и после оптимизации. Красным цветом показаны исходные распределения, а темно-синим – значения параметров, полученные в результате оптимизации. Хорошо видно, что оптимизатор предложил увеличить значение шага на корневых и концевых участках лопасти винта, что положительно сказалось на показателях упора. Что касается кривизны, то здесь напротив по итогам оптимизации предложено уменьшить ее значение по всей длине лопасти.

Более того, предварительная оценка на кавитацию с помощью мониторинга мест на лопастях, в которых значение давления ниже давления насыщенных паров, показала, что, для модели гребного винта в результате оптимизации удалось сократить область пониженного давления на засасывающей стороне лопасти, а также повысить давление на концевых сечениях на нагнетающей стороне лопасти, что позволило увеличить подъемную силу, а, следовательно, и упор на лопастях гребного винта.

Итоги

Благодаря Flypoint Parametrica удалось решить одну из наиболее непростых и актуальных задач в судостроении – проблему параметризации сложной криволинейной поверхности гребного винта. Теперь формой модели можно с легкостью управлять в режиме реального времени и в широком диапазоне параметров! Компания «ЛС-Технологии« полностью автоматизировала процессы трехмерной параметрической оптимизации средствами LS-TECH Framework – программной платформы, которая помогает сделать оптимизацию доступной и понятной пользователям.