0 引言
船舶水动力性能系船舶快速性、耐波性和操纵性等性能的综合。本文介绍船舶水动力学软件的开发与应用，讨论的范围仅限于船舶工程范畴中的计算机辅助性能设计计算和相应的集成软件，即计算机辅助设计(CAD)和计算流体力学(CFD)集成软件。
船舶水动力集成设计系统(SHIDS)以船型和性能数据库为依托，能对大方形系数低速船（以大型、超大型油轮为主）和中等方形系数中高速船（以大中型集装箱船为主）的航行性能进行预报、评估和优化计算，由快速性、耐波性和操纵性综合观点确定满足用户要求的最合适的船型尺度和形状细节，从而快速地设计出综合性能优良的船型。
随着技术进步，本文提出对现有SHIDS系统升级，将SHIDS集成于ANSYS Workbench环境中，一方面可以为ANSYS Workbench提供船舶初步设计的解决方案；另一方面也增强了SHIDS系统的实用性，并且在Workbench的框架中，SHIDS与PDM和ANSYS很多软件模块之间很容易实现数据传递及共享。
1 船舶设计PDM系统
船舶设计分析PDM（产品数据管理）系统是由上海市计算技术研究所和中国船舶科学研究中心联合研发的进行船舶设计分析的基础平台，主要包括项目管理、数据管理和流程管理。系统结合数字化造船中的船舶虚拟设计、虚拟试验（数字化测试），以及相关的产品数据管理，打通船舶CAD/CAE/CFD之间的数据接口，建立船舶CFD分析、CAE（结构强度）分析的典型流程，并高度自动化、智能化，以解决各类船舶分析软件使用效率低、设计人员缺少专业的分析经验等问题，从而促进数字化造船能力的进一步提升。
2 基于Workbench的SHIDS系统架构
ANSYS Workbench Environment是ANSYS公司开发的新一代前后处理环境，并且定位于一个CAE协同平台。该环境为CAD软件及设计流程的高度集成提供了极大的方便，并且新版本增加了ANSYS很多软件模块并实现了很多常用功能，使产品开发中能快速应用CAE技术进行分析，从而减少产品设计周期、提高产品附加价值。
Workbench框架提供了一个集成环境，允许用户同时运行多个应用程序，并且能实现工程数据和参数在各应用程序间的共享。Workbench框架本身并不包含任何工程应用程序。
框架支持用户化开发，用户可以将自己或第三方的独立的应用程序整合到Workbench中，且与Workbench的版本无关。
Workbench用户开发工具允许用户针对某一产品或流程要求而建立起—套独特的工作流程或控制。SDK是Workbench架构下集成其它外部程序的主要接口，脚本和XML提供了在Workbench环境下创建流程控制（Workbench仿真向导）的主要工具。
利用Workbench框架的集成环境这些优点，将其用于集成SHIDS系统，可以使SHIDS系统有更友好的用户体验、更高效的数据共享性、更便捷的软件实用性。
整个SHIDS系统的软件框架如图1所示。
图1 系统框架
整个系统包含概念设计模块，船型生成、静水力、阻力预报、自航因子预报、操纵性预报、耐波性预报6个水动力性能预报计算模块，线性预览、结果图形查看、文档查看、报表生成、项目管理等辅助功能模块及一个CFD计算接口。
系统集成与Workbench框架，自研的PDM为系统提供船舶设计各阶段的船型及性能数据，系统还可将水动力预报及优化分析的数据结果存于PDM。
3 关键技术研究
3.1 基于Workbench的系统界面
系统主界面设计与实现如图2所示。整个界面由菜单、工具栏、设计流程树、船体线型、结果图像、结果文档、报表预览显示区，主要参数及结果显示区，状态栏六部分组成。
图2 SHIDS主界面实现
Workbench界面中的菜单、工具栏都是以XML的形式组织的。窗口设计的方法是首先将视图按照需要分割成不同的部分，然后在分割的视图区域中就可以加载不同的内容，比如3D图形控件、树形结构、网页、文本文件等。SHIDS系统窗口实现如下所示：
3.2 PDM与SHIDS数据接口
PDM系统中存有船舶设计CAD数据、型值、图文档、试验数据、相关性能计算数据等。系统基于WebServices与PDM系统进行数据交互，Web Services是一种分布式的计算技术，在Internet上通过标准的XML协议和信息格式来发布和访问商业应用服务。
基于Web Services的编程接口能支持跨系统和跨语言的程序调用，也就是说无论要被集成的系统是运行在何种操作系统上、API是何种语言，都能通过PDM的Web Service接口来实现交互。SHIDS系统通过接口发送用户名（用于权限验证）和查询请求（如船型数据），PDM验证权限，并返回相应的型值数据，用于在SHIDS系统中生成图形预览和水动力性能预报。
数据交互及用户的使用过程，如下所述：
1)在SHIDS中查询船体型值数据，SHIDS通过接口把请求发给PDM。
2)PDM根据请求，查询自己的数据库，并通过接口把船体型值数据发给SHIDS。
3)在SHIDS中看到了返回的船体型值表。
4)在SHIDS中进行船型绘制和水动力性能分析。
5)最后可将计算的结果返回到PDM系统中存储。
数据交互过程如图3所示。
图3 SHIDS与PDM交互过程
3.3 线型生成及预览
系统线型生成采用系列法，该模块提供了几种系列船型的生成算法，如：美国的60系列、英国的BSRA系列以及CSSRC的大方形系数低速船系列和中等方形系数中高速船系列。模块的输出结果为SHIDS定义的船体型值表。将船体型值表，按照group_id node_id x y z的格式重新组织成ANSYS Workbench的DM模块所能接受的Coordinate File，利用DM的3D Curve造型功能就可将船体线型图绘出。具体实现如下所示，系统运行界面如图4所示。
图4 SHIDS船型显示界面
3.4 水动力性能预报
系统中水动力性能的预报依赖于一组C++编写的动态链接库。用户输入计算程序所需的参数后，首先将参数保存到临时文件中，然后通过相应的计算程序计算并返回结果，最终对结果进行图形化显示。计算程序的调用通过WScript.Shell.Run()方法实现。图5为水动力性能计算程序的调用过程。
图5 水动力性能计算过程
图6为自航因子估算结果及相应的曲线示意图。
图6 自航因子估算结果曲线示意图
图7为耐波性预报的结果示意图（包括垂荡、纵摇、横摇、阻力增加）。
图7 耐波性预报的结果示意图
3.5 CFD计算接口
系统CFD-FEA模块提供了一个SHIDS船体型值文件到Fluent船舶CFD分析的接口，采用Gambit作为船体CFD分析的前处理器，利用Gambit脚本文件实现计算域网格划分、边界设置等的自动化。利用Fluent进行CFD计算。以下为CFD计算工作流程：
1)通过SHIDS CFD-FEA模块调用网格自动划分程序Sliip4Gambit。
2)Cambit中导入Ship4Gambit程序生成的网格自动化分脚本，生成msh文件。
3)Fluent导入msh文件，实现SHIDS到Fluent的接口。
图8为CFD计算分析流程示意图，包括Gambit计算域网格自动划分后的网格示意图，Fluent计算后的几种CFD结果。
图8 CFD计算分析流程示意图
4 结语
将SHIDS系统集成于ANSYS Workbench平台中，并与PDM系统进行数据共享与交互，充分利用了Workbench平台易用、数据交换方便、扩展性强等特点，也利用PDM系统和SHIDS系统开放性的优势，使SHIDS系统更加实用。性能计算模块采用的计算方法大多是近期一流的成熟成果，特别是大方形系数低速船和中等方形系数中高速船的性能计算基于两大船模系列试验数据，结果可靠实用、先进性强。CFD计算接口可以对生成船型快速进行CFD分析。系统的实现为Workbench和PDM平台提供了船舶初步设计的解决方案。
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