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軟件的開發與應用，討論的范圍僅限于船舶工程范疇中的計算機輔助性能設計計算和相應的集成軟件，即計算機輔助設計(CAD)和計算流體力學(CFD)集成軟件。
船舶水動力集成設計系統(SHIDS)以船型和性能數據庫為依托，能對大方形系數低速船（以大型、超大型油輪為主）和中等方形系數中高速船（以大中型集裝箱船為主）的航行性能進行預報、評估和優化計算，由快速性、耐波性和操縱性綜合觀點確定滿足用戶要求的最合適的船型尺度和形狀細節，從而快速地設計出綜合性能優良的船型。
隨著技術進步，本文提出對現有SHIDS系統升級，將SHIDS集成于ANSYS Workbench環境中，一方面可以為ANSYS Workbench提供船舶初步設計的解決方案；另一方面也增強了SHIDS系統的實用性，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現數據傳遞及共享。
1 船舶設計PDM系統
船舶設計分析PDM（產品數據管理）系統是由上海市計算技術研究所和中國船舶科學研究中心聯合研發的進行船舶設計分析的基礎平臺，主要包括項目管理、數據管理和流程管理。系統結合數字化造船中的船舶虛擬設計、虛擬試驗（數字化測試），以及相關的產品數據管理，打通船舶CAD/CAE/CFD之間的數據接口，建立船舶CFD分析、CAE（結構強度）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、設計人員缺少專業的分析經驗等問題，從而促進數字化造船能力的進一步提升。
2 基于Workbench的SHIDS系統架構
ANSYS Workbench Environment是ANSYS公司開發的新一代前后處理環境，并且定位于一個CAE協同平臺。該環境為CAD軟件及設計流程的高度集成提供了極大的方便，并且新版本增加了ANSYS很多軟件模塊并實現了很多常用功能，使產品開發中能快速應用CAE技術進行分析，從而減少產品設計周期、提高產品附加價值。
Workbench框架提供了一個集成環境，允許用戶同時運行多個應用程序，并且能實現工程數據和參數在各應用程序間的共享。Workbench框架本身并不包含任何工程應用程序。
框架支持用戶化開發，用戶可以將自己或第三方的獨立的應用程序整合到Workbench中，且與Workbench的版本無關。
Workbench用戶開發工具允許用戶針對某一產品或流程要求而建立起—套獨特的工作流程或控制。SDK是Workbench架構下集成其它外部程序的主要接口，腳本和XML提供了在Workbench環境下創建流程控制（Workbench仿真向導）的主要工具。
利用Workbench框架的集成環境這些優點，將其用于集成SHIDS系統，可以使SHIDS系統有更友好的用戶體驗、更高效的數據共享性、更便捷的軟件實用性。
整個SHIDS系統的軟件框架如圖1所示。
圖1 系統框架
整個系統包含概念設計模塊，船型生成、靜水力、阻力預報、自航因子預報、操縱性預報、耐波性預報6個水動力性能預報計算模塊，線性預覽、結果圖形查看、文檔查看、報表生成、項目管理等輔助功能模塊及一個CFD計算接口。
系統集成與Workbench框架，自研的PDM為系統提供船舶設計各階段的船型及性能數據，系統還可將水動力預報及優化分析的數據結果存于PDM。
3 關鍵技術研究
3.1 基于Workbench的系統界面
系統主界面設計與實現如圖2所示。整個界面由菜單、工具欄、設計流程樹、船體線型、結果圖像、結果文檔、報表預覽顯示區，主要參數及結果顯示區，狀態欄六部分組成。
圖2 SHIDS主界面實現
Workbench界面中的菜單、工具欄都是以XML的形式組織的。窗口設計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域中就可以加載不同的內容，比如3D圖形控件、樹形結構、網頁、文本文件等。SHIDS系統窗口實現如下所示：
3.2 PDM與SHIDS數據接口
PDM系統中存有船舶設計CAD數據、型值、圖文檔、試驗數據、相關性能計算數據等。系統基于WebServices與PDM系統進行數據交互，Web Services是一種分布式的計算技術，在Internet上通過標準的XML協議和信息格式來發布和訪問商業應用服務。
基于Web Services的編程接口能支持跨系統和跨語言的程序調用，也就是說無論要被集成的系統是運行在何種操作系統上、API是何種語言，都能通過PDM的Web Service接口來實現交互。SHIDS系統通過接口發送用戶名（用于權限驗證）和查詢請求（如船型數據），PDM驗證權限，并返回相應的型值數據，用于在SHIDS系統中生成圖形預覽和水動力性能預報。
數據交互及用戶的使用過程，如下所述：
1)在SHIDS中查詢船體型值數據，SHIDS通過接口把請求發給PDM。
2)PDM根據請求，查詢自己的數據庫，并通過接口把船體型值數據發給SHIDS。
3)在SHIDS中看到了返回的船體型值表。
4)在SHIDS中進行船型繪制和水動力性能分析。
5)最后可將計算的結果返回到PDM系統中存儲。
數據交互過程如圖3所示。
圖3 SHIDS與PDM交互過程
3.3 線型生成及預覽
系統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的大方形系數低速船系列和中等方形系數中高速船系列。模塊的輸出結果為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。具體實現如下所示，系統運行界面如圖4所示。
圖4 SHIDS船型顯示界面
3.4 水動力性能預報
系統中水動力性能的預報依賴于一組C++編寫的動態鏈接庫。用戶輸入計算程序所需的參數后，首先將參數保存到臨時文件中，然后通過相應的計算程序計算并返回結果，最終對結果進行圖形化顯示。計算程序的調用通過WScript.Shell.Run()方法實現。圖5為水動力性能計算程序的調用過程。
圖5 水動力性能計算過程
圖6為自航因子估算結果及相應的曲線示意圖。
圖6 自航因子估算結果曲線示意圖
圖7為耐波性預報的結果示意圖（包括垂蕩、縱搖、橫搖、阻力增加）。
圖7 耐波性預報的結果示意圖
3.5 CFD計算接口
系統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腳本文件實現計算域網格劃分、邊界設置等的自動化。利用Fluent進行CFD計算。以下為CFD計算工作流程：
1)通過SHIDS CFD-FEA模塊調用網格自動劃分程序Sliip4Gambit。
2)Cambit中導入Ship4Gambit程序生成的網格自動化分腳本，生成msh文件。
3)Fluent導入msh文件，實現SHIDS到Fluent的接口。
圖8為CFD計算分析流程示意圖，包括Gambit計算域網格自動劃分后的網格示意圖，Fluent計算后的幾種CFD結果。
圖8 CFD計算分析流程示意圖
4 結語
將SHIDS系統集成于ANSYS Workbench平臺中，并與PDM系統進行數據共享與交互，充分利用了Workbench平臺易用、數據交換方便、擴展性強等特點，也利用PDM系統和SHIDS系統開放性的優勢，使SHIDS系統更加實用。性能計算模塊采用的計算方法大多是近期一流的成熟成果，特別是大方形系數低速船和中等方形系數中高速船的性能計算基于兩大船模系列試驗數據，結果可靠實用、先進性強。CFD計算接口可以對生成船型快速進行CFD分析。系統的實現為Workbench和PDM平臺提供了船舶初步設計的解決方案。
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本文標題：基于PDM平臺和Workbench框架的SHIDS系統實現
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