中遠海運重工將CFD技術大量應用于科研、報價以及實際建造項目。
近日，在西門子大中華區軟件年會上，中遠海運重工有限公司榮獲2017年度“SiemensPLMSoftware最佳應用實踐獎”，這是船舶行業唯一的獲獎作品。
“近年來，我們中心借鑒吸收大數據驅動智能制造的理念，采用架構自主船型設計優化鏈的方式，應用世界領先的全參數化船體建模技術和SHERPA集成智能優化算法，緊跟CFD（計算流體力學）技術發展趨勢，以多目標多參數優化為核心，最大程度地克服了自身在經驗積累上的不足，實現了以智能內核驅動船型設計的目標。”日前，中遠海運重工技術研發中心相關人士對筆者說。
1.另辟蹊徑補齊短板
CFD是自20世紀50年代隨著計算機技術的發展而衍生出的一個介于數學、流體力學和計算機科學之間的交叉學科，至今已有近80年的歷史，該技術最早被應用于航天航空和化學反應領域，由于受限于數值波浪模型、自由液面捕捉以及六自由度運動仿真等關鍵技術在物理模型開發與應用上的滯后，CFD技術在近十年來才被應用于船舶實際項目的研發設計中，主要集中在船型開發和優化上。
幾年前，中遠海運重工技術研發中心針對自身存在著船型研發團隊成立時間短、缺乏經驗和數據積累不足的短板，另辟蹊徑，將CFD技術大量應用于科研、報價以及實際建造項目中，培養和儲備CFD直接計算、疲勞譜分析、水動力分析等高端計算能力，用新技術補短板。CFD團隊將技術應用于系柱拖力直接計算、拖航阻力預估、熱流耦合模擬、改裝方案論證，解決了船舶設計中的多項關鍵技術問題，打破國外設計公司技術壟斷壁壘，為保交付、支撐重點項目推進和提升企業品牌效應、提升企業核心技術競爭力起到了突出的作用。
經過幾年的積累和完善，目前，技術研發中心無論是在穿梭油輪、牲畜運輸船、風電安裝船、海洋平臺輔助船、鉆井船等特種船舶還是在油輪、集裝箱船等運輸船舶的船型優化設計方面均有嘗試，并取得了較好的效果。2016年，在某特種運輸船項目研發過程中，技術研發中心與國內某知名院所以及國際某知名船級社同時開展船型優化設計，最終技術研發中心開發的船型壓載吃水下較母船型減阻9.59%，營運特征條件下減阻7.95%，不僅快速性能優秀，同時由于對船舶的浮心位置確定、波浪增阻計算、砰擊載荷預報等問題也進行了充分的考慮，獲得了業內人士和船東的高度認可；在自主研發的兩型穿梭油輪報價設計中，技術研發中心摒棄了傳統穿梭油輪艏部設計方式，經過了數千個方案的篩選，創新性地開發了用于穿梭油輪的“DoubleU型艏部”設計，成功地將船舶浮心向前優化了1.5m，解決了穿梭油輪常見的艏傾問題，提高了艙容和設計航速，同時也滿足了船東要求艏部安裝兩個全回轉推進器和一個艏側推的布置需求。
CFD團隊充分利用平臺優勢，大膽創新，短短四年內便申報國家專利十余項，參與了國家級科研項目4項，自主研發的各類船型累計超過20型，有效提升了企業的核心技術競爭力。2017年3月3日，在西門子大中華區軟件年會上，中遠海運重工有限公司榮獲2017年度“SiemensPLMSoftware最佳應用實踐獎”，這是船舶行業唯一的獲獎作品。
2.突破經典大膽試新
隨著計算機技術和船舶建造設計技術的不斷提高，CFD技術也在由錦上添花到必不可少，無論在船舶/海工裝備設計的初期、中期還是后期，CFD技術都將起到重要的作用。因此，技術研發中心努力提高CFD技術應用水平、擴大應用范圍，在船舶設計中，通過運用CFD技術大膽試新，進而突破經典，形成具自主知識產權的設計成果，提升企業的市場競爭力。
2012年，原中遠船務牽頭研發國家工信部“采用液壓升降裝置的近海風電設備安裝船關鍵技術研究”項目，此前，南通中遠船務建造的系列風電安裝船“決心”1、2號和“東安吉”1、2號，由某世界知名公司設計，其中“決心1”號風電安裝船還作為人類合理利用開發風能的代表入選了央視與BBC合作的大型紀錄片《改變地球的一代人》，可以說，該系列風電安裝船無論設計還是建造都堪稱經典。因此，在進行近海風電設備安裝船的自主研發時，整個項目組承受了巨大的壓力。
就船型開發而言，如何在外形、性能等方面突破國外設計公司的經典設計，既突出自主研發特色又在性能上較“決心”和“東安吉”系列風電安裝船更為出色是擺在船型開發小組面前的最大難題。經過數月的調研分析并對“決心2”號風電安裝船進行了細致的設計分解后，船型開發小組敏銳地發現，雖然國外設計公司的設計在穩性、耐波性、振動等方面均非常出色，但在快速性上較相近尺度的散貨船要低。究其原因，是因為為了保證動力定位能力，“決心”和“東安吉”2型風電安裝船均在船體艏部設計了一個突出的“鼻子”，這在很大程度上破壞了船體的光順，增加了船舶阻力。對此，船型開發小組通過先進的全參數化建模技術對船體型線進行了顛覆式的設計，特別是對艏部3個艏側推進器的安裝位置、最佳管隧長度、水線形狀、砰擊載荷等問題進行了詳細地分析和論證，歷時8個月，經過近7000個優化方案的篩選，自主研發了“超U型水線的三艏側推低阻船體”設計，最終得到了最優化的船型。經過水池試驗的驗證，優化后的船型較“決心”“東安吉”兩型風電安裝船提高航速約1節左右。該項目中自主研發的“超U型水線的三艏側推低阻船體”獲得了國家發明專利和實用新型專利。
2016年初，馬士基航運對舟山中遠船務在建的3600TEU項目貨艙區域通風設計提出質疑，認為國外設計公司的設計存在缺陷，無法實現艙室內部的徹底通風循環，要求船廠進行技術澄清或更換風機并進行貨艙區風道布置修改。
對于中遠海運重工技術研發中心來說，這又是一次對經典的挑戰。在經過反復討論和慎重評估后，研發組決定采用CFD技術對貨艙區域進行全域直接計算和優化，在確保不更換風機選型的前提下，對風道開口位置以及通風擋板的角度進行優化設計，實現貨艙任一角落的徹底通風循環。CFD團隊運用參數化手段進行針對性建模，就可能存在的問題點逐一排查，反復校核計算的物理模型和網格劃分精度。同時，對國外設計公司的設計缺陷進行了詳盡的論證，應用非支配排序遺傳子算法對影響艙室通風平均性的參數化逐一進行敏感度分析，CFD團隊還創新性地在計算中加入了“無質量空氣粒子追蹤”技術，以動畫的形式完美地再現了整個貨艙內部空氣的流動軌跡，經過對各個貨艙總計30余次的計算和優化，實現了所有貨艙區域內最小瞬時風速不低于0.1m/s的目標。
3.精研細算助力生產
技術研究是為了更好地服務于生產。幾年來，技術研發中心用CFD技術為多個實際建造項目提供全面支撐，為企業解決了多項技術難題，規避了對原有設計的顛覆性修改，在建造成本控制、保證項目工期等方面均起到了積極的促進作用。
2016年9月，大連中遠船務對承建的某油輪進行技術風險評估時發現，節能附體設計廠家所提供的節能附體設計存在與船體不匹配、無法起到效果的風險。就此問題，節能附體廠家無法提供相應的材料進行有效的說明，臨時進行水池試驗也需至少1個月的時間才能得到準確的結果，這將大幅影響項目的進度，因此向技術研發中心發出了技術服務申請。
節能附體的效果驗證涉及船、槳、附體三者間的相互作用，螺旋槳旋轉會對周圍的流場產生激勵作用進而影響到船和節能附體；而船和節能附體的存在也影響了螺旋槳的進流，整個計算具有較強的耦合度和各向應力的不對稱性，通過CFD手段高精度地完成這樣的計算具有相當的難度。同時，為了確保項目的有序開展，計算也需在1周內完成，這無疑進一步加大了此項工作的難度。CFD小組在對大量的相關文件進行學習和分析總結后，提出了集“雷諾應力湍流模型、實尺度模擬、全結構化網格劃分模式、雙重壓力應變、高Y+值控制”于一體的高精度低時間成本解決方案，五天內即完成了全部工況的計算，證明了節能附體的設計缺陷點，并根據計算結果提出了初步的優化方向。
特別值得一提的是，技術研發中心CFD團隊成功地打破國外設計公司的技術壁壘，為舟山船務承建的馬士基3600TEU項目提供了一系列的優化設計工作，贏得了馬士基航運的高度認可和好評。在前述貨艙區域通風問題解決后不久，船東又發現機艙主機進氣口壓降不足的問題。對此，項目組大膽提出了“以主機進氣量為目標，定制化進氣口設計”的原則，應用“優中擇優”概念，打破原有設計的限制，設計了5套優化設計方案，最終選定了既能保證主機進氣量，又對機艙布置影響很小的方案作為最終優化方案，獲得了船東的認可和高度好評。
2016年末，馬士基航運根據FORCE水池風洞試驗的結果向船廠方面提出關于雷達桅溫度超標的質疑。根據雷達生產廠家的反饋，雷達桅主要敏感部件的最高溫度不應超過攝氏55°，而根據FORCE水池風洞試驗的結果，在極限工況下最大溫度已達97°左右，存在雷達失效的風險。針對該突發情況，研發室CFD小組首先對FORCE水池的風洞試驗報告進行系統分析，并嚴格按照風洞試驗的條件準確地對風洞試驗進行數值還原，對風管朝向、雷達桅距煙囪的相對位置以及雷達桅整體高度等進行了多達20輪的優化計算，最終保證雷達桅處全部敏感部件在最極限工況下溫度也在55℃以下。
4.瞄準前瞻引領未來
科技引領未來，創新驅動發展。船舶設計正在由傳統的以量為先、粗獷式的設計模式向著細化、規范化、智能化的以質求生存模式轉變，要充分發揮技術的引領作用必須保證具有前瞻性的眼光和一定的預研積累。技術研發中心在保證各類項目按計劃有序推進的前提下，立足市場現狀，分析未來發展趨勢，把握國家政策導向，針對性地開展了技術預研儲備工作。
CFD小組就近幾年來在世界范圍內掀起熱潮的北極航線和極地航行船舶進行了充分調研，發現目前極地類船舶在設計和優化上對冰池試驗有著極高的依賴度，然而傳統的冰池試驗成本高、操作復雜、周期長等缺陷在很大程度上限制了極地類船舶的設計研發效率。相比而言，應用數字化技術的CFD數值冰池雖然技術難度極高，但在經濟性、時間成本、數據完整性等方面具有傳統冰池試驗無法比擬的優勢。鑒于此，技術研發中心以此為突破口，在數值造冰、冰載荷模擬仿真計算、冰片與螺旋槳相互作用等方面進行了技術預研工作，以初步形成的成果為內容發表的專項論文也受到了國際學術會議的肯定，并受邀將于今年7月參會進行主題演講。
2015年，為了對已交付的“MC-Class”極地模塊運輸船項目的設計建造經驗進行消化吸收并論證進一步優化可行性，技術研發中心以“Mc-Class”項目為母船型，參考同類型產品的市場趨勢，對低成本極地甲板模塊運輸船進行了自主研發設計。模塊運輸船屬于中高速甲板裝載類運輸船舶，興波阻力占主要成分，根據其工程特性，項目組大膽地打破常規，提出了“定制船行波”優化方案。所謂的“定制船行波”優化法就是針對興波阻力占總阻力主要成分的船舶，在全參數化建模的基礎上通過改變其水線形狀、水線入水角、橫剖面充盈度等一系列參數，設計出理想的船身表面壓力分布和船身周圍的波形圖，以實現興波阻力優化的最大化，從而提高船舶的快速性。
通過對十數個參數的優化、近萬個方案的篩選，最終形成并提出了“弓箭型水線低阻穿浪船艏”設計并獲得了國家發明專利授權。該型船艏的設計、結構、壓載等主要工況的水線均呈明顯的“反曲”型，艏部為直艏或隱形球艏，通過CFD計算和水池試驗均表明，應用該型艏部設計可以大幅提高船舶在靜水和風浪中的快速性能。
以突破馭突圍
受全球經濟和航運市場低迷影響，曾經風光無限的造船業目前仍在谷底中徘徊。在此大環境下，智能制造被世界主要造船大國提升到戰略高度。誰占據了制高點，誰就占得了掌控整個戰局的先機——贏得這場“智能競賽”就能贏得造船市場的未來。
為爭奪這個“制高點”，世界各海事大國、造船大國，無不窮盡招數。我國船企如中遠海運重工有限公司等，也早已瞄準智能制造第一方陣，以智能內核驅動船型設計，打了不少“漂亮仗”。然而從整體局勢來看，處于轉型升級關口的中國船舶工業，亟待從戰略高度，以突破實現船舶行業的突圍，早日實現造船強國夢想。
對于國內每一個船企而言，加速創新仍是唯一出路。曾幾何時，中國驚人的復制能力既讓自己沾沾自喜，又讓對手“談虎色變”，這也是中國制造迅速崛起的最大內因之一。但一場金融風暴讓國內船企意識到，癡迷復制、疏于創新的代價是慘痛的。因此，國內船企有必要逐步推進智能制造技術集成應用和面向智能制造的船舶設計技術以及智能制造工藝及數據庫、車間智能管控和互聯互通平臺等開發工作，逐步實現信息化、數字化設計建造，掌握智能造船的核心技術。
此外，積極擁抱互聯網非常重要。互聯網技術的演進和變革，正以顛覆性的力量催生了全新的產業格局和商業模式。置身于這股滾滾浪潮下，企業再抱殘守缺，必定被市場所淘汰。未來，船上設備按照物聯網系統進行智能化處理將是大勢所趨。
當前，“中國制造2025”和“互聯網+”三年行動計劃正在深入實施，我國船舶工業要搶抓智能制造政策紅利，順應“互聯網+”浪潮提供的重要“風口”，加快推進智能制造，實現全面轉型升級，快速邁向高端。 |
