基于CAESES的船体和螺旋桨参数化建模技术

一、CAESES参数化建模概述

CAESES是一款专注于仿真驱动设计的参数化建模软件，其核心功能是通过参数化控制实现几何模型的快速变形与优化。在船体和螺旋桨设计中，参数化建模的关键是建立设计参数与几何形状的映射关系，通过调整参数即可自动修改模型，大幅减少重复设计工作量，同时保证模型光顺性，为后续CFD分析、优化设计奠定基础。

二、船体参数化建模技术

1. 全参数化曲面建模流程

全参数化建模是船体几何建模的主流方法，流程可分为四步：①特征参数确定：根据船型特点（如球鼻艏、平行中体、双尾线型），选取影响全局或局部形状的特征参数（如平行中体长度比、浮心纵向位置、球鼻艏上部宽度、双尾外轮廓线型）；②特征曲线生成：利用CAESES的`Curve Engine`工具，将特征参数转化为控制船体曲面的特征曲线（如球鼻艏的纵向轮廓线、双尾的内外折角线）；③曲面生成：通过`Meta Surface`（蒙面法）基于特征曲线生成光顺曲面，确保船体曲面无褶皱、无裂缝；④参数化变形：通过修改特征参数，驱动曲面自动变形，生成不同方案的船体型线。


2. 半参数化变形技术

半参数化变形适用于基于现有船型（母型）的局部修改，保留母型船的基本结构，通过控制线/面映射实现快速变形。常用方法包括：①`DeltaShift`：通过自定义`delta曲线`（控制曲线）定义船体曲面上点的坐标变化函数，调整局部线型（如球鼻艏的长度、上翘角度）；②`Freeform Deformation`（自由变形）：创建`B-Spline volume`（B样条体）作为变形框，对变形框内的船体曲面进行拉伸、压缩、扭转等操作；③`Lackenby`：通过改变平行中体长度、艏柱附近形状、横剖面面积曲线分布等参数，快速调整船体线型。半参数化变形的优势是灵活性高，既能还原原始船型，又能快速实现局部优化。

三、螺旋桨参数化建模技术

1. 二维叶剖面参数化定义

螺旋桨叶片的二维叶剖面是三维建模的基础，CAESES提供多种方式定义剖面形状：①内置翼型库：直接引用NACA4DS、NACA66等标准翼型，通过`Chord`（弦长）、`Thickness`（厚度）、`Camber`（拱度）、`Max Camber Position`（最大拱度位置）等参数调整翼型形状；②自定义曲线：通过`Generic Curve`（通用曲线）功能，用函数（如厚度分布函数）定义特殊翼型，或导入现有翼型曲线（如Selig、Lednicer格式），并进行缩放、旋转等操作。

2. 三维叶片生成方法

二维叶剖面生成后，需通过空间变换生成三维叶片：①特征参数曲线控制：定义`特征参数曲线`（如沿径向分布的螺距、侧斜、纵斜曲线），控制每个径向位置（r/R）剖面的空间位置；②圆柱面转换：将二维叶剖面通过`Cylinder Transformation`（圆柱面变换）映射到圆柱面上，生成三维曲线；③曲面生成：使用`Lofted Surface`（放样曲面）功能，将不同径向位置的三维曲线连接起来，形成完整的螺旋桨叶片曲面。对于复杂螺旋桨（如大侧斜、前勾桨），可通过调整特征参数曲线，实现叶片的快速变形。

3. 螺旋桨专属格式与逆向工程

CAESES支持PFF格式（螺旋桨专属格式），可导入/导出螺旋桨文件，自动生成特征参数曲线。对于现有螺旋桨模型，可通过`Blade Analysis`（桨叶分析）功能进行逆向工程，自动识别叶剖面形状、螺距、侧斜等参数，生成参数化模型，便于后续优化设计。

四、参数化建模在船体与螺旋桨优化中的应用

CAESES的参数化建模是船体与螺旋桨优化设计的核心基础。通过参数化模型，可实现：①多方案快速生成：调整设计参数（如球鼻艏长度、螺旋桨螺距），自动生成多个船型/螺旋桨方案；②CFD耦合评估：将参数化模型与CFD软件（如SHIPFLOW、STAR-CCM+）连接，自动计算各方案的阻力性能、推进效率；③自动优化：结合CAESES的优化算法（如传统Tsearch、NSGA-Ⅱ，或自研Silverbullet），对参数进行优化，寻找满足约束条件（如排水体积、浮心位置）的最优方案。例如，某内河集装箱船通过全参数化建模，优化后总阻力降低约6.77%；某KCS船型通过半参数化变形，兴波阻力降低明显。