基于黏流理论面向液货船的异常波与晃荡波全耦合模拟系统、方法及介质与流程

本发明涉及一种基于黏流理论面向液货船的异常波与晃荡波全耦合模拟系统、方法及介质，属于船舶与海洋工程中极端波浪演化模拟。

背景技术：

1、液货船、lng船及其他载液船舶在极端海况中航行时，可能遭遇具有波高异常、能量集中和持续时间短等特征的异常波。异常波作用于船体后，会在短时间内产生较大的瞬态波浪载荷，诱发船体横摇、垂荡、横荡等运动响应。对于内部设置液舱的船舶，船体运动会进一步激发舱内液体晃荡，形成液面爬升、液体冲击、舱壁压力增大和内部流场剧烈变化等现象。舱内晃荡液体产生的压力、惯性力和力矩又会反馈至船体运动过程，从而形成外部异常波和液舱晃荡波共同作用于船体且相互影响的双向耦合复杂关系。

2、现有技术中，异常波生成、船体运动计算和液舱晃荡分析通常采用相对独立的建模方式。一些方法仅关注外部波浪生成和传播，未能将液舱内部晃荡波反馈纳入船体运动求解；一些方法以给定形式的运动激励作为液舱晃荡输入，难以反映外部异常波对船体运动的真实驱动过程；还有一些方法将舱内液体简化为固定质量或附加质量，无法捕捉自由液面晃荡、液面爬升、局部冲击和制荡板绕流等物理现象。最近几年虽然开始出现部分耦合技术，但是都进行了简化处理，尚未有基于黏流理论的强非线性异常波与晃荡波的全耦合模拟分析技术。

3、在液舱制荡板优化方面，中国专利申请公布号：cn117235935a，公开了一种浮式液舱制荡隔板模型构建及尺寸优化方法。该技术基于黏流理论构建液舱晃荡数值模型，采用流体体积法（vof）捕捉自由液面，并通过重叠网格法实现制荡隔板的运动模拟。然而，存在以下不足：第一，其外部激励采用正弦规则波，而非具有能量集中特征的异常波，无法模拟异常波极端海况下的液货船响应；第二，其仅关注液舱晃荡本身，未涉及船体模型及船体与外部波浪的耦合作用，无法反映船体运动与液舱晃荡之间的双向反馈关系；第三，其制荡板优化采用遍历法和单路径寻优法，计算效率较低，且缺乏代理模型快速预测机制。

4、在神经网络与cfd结合方面，中国专利申请公布号：cn114818128a，公开了船体局部曲面优化神经网络建模方法及优化方法。该技术采用bp神经网络结合kriging模型建立代理模型，以船体控制点坐标为输入、水动力特性值为输出，对船体曲面进行优化。然而，优化对象为船体线型，而非液舱制荡板参数；其采用bp神经网络和kriging模型的组合，而非kan网络；且其缺乏将代理模型预测结果重新输入全耦合cfd模型进行校核的闭环机制。

5、在船体-液舱耦合cfd模拟方面，中国专利申请公布号：cn120611560a，公开了一种基于cfd的lng船舶c型液舱流体晃荡载荷计算方法。该技术基于star-ccm+仿真平台，采用vof方法捕捉自由液面、重叠网格处理船体运动、dfbi模型实现流固耦合，对船舶在接近真实海况的波浪中航行时船体运动与多液舱流体晃荡的耦合作用进行分析。然而，存在以下不足：第一，其波浪条件为接近真实海况的随机波或规则波，而非具有特定聚焦特性的异常波，且未涉及异常波的生成与控制；第二，其仅进行晃荡载荷分析，未涉及制荡板结构及其优化；第三，其未建立代理模型进行参数快速预测和自动寻优。

6、综上所述，现有技术中尚缺乏一种能够在统一黏流理论框架下实现异常波双机理生成、船体运动自由度控制、异常波-船体-液舱三者双向全耦合求解、以及基于kan代理模型的制荡板参数智能优化闭环的一体化模拟方法。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中异常波生成、船体运动计算和液舱晃荡分析相互独立、无法实现三者同步双向全耦合模拟的技术问题，以及现有技术中制荡板参数优化效率低、缺乏自动寻优闭环的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明所述的基于黏流理论面向液货船的异常波与晃荡波全耦合模拟系统，包括：

4、极端波浪水池模块，配置为生成并传播异常波，所述极端波浪水池沿波浪传播方向依次包括造波区、耦合求解区和消波区；

5、船体-液舱-制荡板模型模块，设置于所述耦合求解区内，包括船体模型、设置于船体内部的液舱模型和设置于液舱内部的制荡板模型；

6、流体区域划分模块，配置为建立外部流体区域、重叠网格区域和内部流体区域，所述外部流体区域和内部流体区域均采用流体体积方法捕捉自由液面；

7、异常波生成模块，配置为分别采用线性物理机理和非线性调制机理生成相同目标参数的异常波，并将生成的初始波列输入极端波浪水池进行演化直至满足目标波形要求；

8、双向全耦合求解模块，配置为在每一时间步内，由造波边界驱动外部流体区域生成并传播异常波，根据船体外部波浪载荷和液舱内部晃荡反馈载荷实时更新船体运动状态，船体运动状态更新后同步更新重叠网格区域、液舱壁面和制荡板边界，实现异常波演化激励、船体运动响应与液舱晃荡波反馈作用三者之间的双向全耦合求解；

9、kan代理模型优化模块，配置为构建kan代理模型，以异常波参数、液舱参数和制荡板参数为输入、以全耦合响应指标为输出建立非线性映射关系，利用kan代理模型对制荡板参数进行连续预测和寻优，将候选优化方案重新输入所述双向全耦合求解模块进行校核，输出满足要求的制荡板优化布置方案。

10、进一步地，所述异常波生成模块中，线性物理机理生成异常波的方式包括新波理论方式和瞬态波包方式中的至少一种；所述新波理论方式将目标波谱离散为多个频率成分波，确定各成分波的频率、波数、幅值和初始相位，并通过相位调节技术使各成分波在指定位置和指定时刻叠加形成异常波；所述瞬态波包方式依据频率随时间变化的扫频信号构造初始波列，使不同频率成分在传播过程中逐渐聚集形成异常波；所述非线性调制机理生成异常波的方式基于非线性波理论或非线性包络波方法，通过控制载波与波包包络在非线性和色散作用下的演化使波浪能量在目标位置集中形成异常波。

11、进一步地，所述流体区域划分模块中，所述外部流体区域配置为计算异常波传播、演化、聚焦、绕射、辐射及其对船体产生的水动力作用；所述重叠网格区域配置为包围船体、液舱和制荡板并随船体运动同步移动，用于处理船体运动过程中的网格实时更新；所述内部流体区域配置为计算液舱内部自由液面晃荡、液面爬升、液体冲击、舱壁压力和制荡板附近流动泄涡；所述外部流体区域和内部流体区域均设置气体和液体双连续体两相模型。

12、进一步地，还包括坐标系与运动控制模块，配置为建立固定于极端波浪水池的参考坐标系和固定于船体的随船坐标系，并设置动态流固耦合运动求解控制条件；船体运动自由度包括纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇，通过对自由度激活状态进行设置形成单自由度、双自由度和多自由度工况，实现各运动自由度的分离与耦合计算。

13、进一步地，所述双向全耦合求解模块中，异常波演化激励、船体运动响应与液舱晃荡波反馈作用之间的信息传递关系表示为：

14、；

15、；

16、其中，为船体广义运动向量，和分别为外部流场和内部流场状态，为外部异常波产生的广义激励载荷，为液舱晃荡产生的广义反馈载荷，表示船体运动求解过程，表示运动边界和流场更新过程，为同一物理时间步内的耦合迭代次数。

17、进一步地，所述kan代理模型优化模块中，kan代理模型的基本映射关系表示为：

18、；

19、其中，为网络层序号，和分别为第层和第层的节点序号，为第l层第i个节点的输出，为第l层节点数量，为连接第层第个节点与第层第个节点的可学习单变量函数；所述kan代理模型的输入参数至少包括异常波谱峰周期、液舱填充率和制荡板相对高度，输出参数至少包括横摇幅值、垂荡幅值、横荡幅值和液面爬升幅值；所述kan代理模型的网络节点结构设置为3-16-12-4，即输入层设置3个节点，第一中间层设置16个节点，第二中间层设置12个节点，输出层设置4个节点；各连接边上的可学习单变量函数采用三阶b样条函数进行参数化。

20、进一步地，所述kan代理模型优化模块中，利用kan代理模型对制荡板参数进行连续预测和寻优时，采用综合评价函数对候选制荡板方案进行评价：

21、；

22、其中，和分别为有制荡板工况和无制荡板基准工况下的船体横摇幅值，和分别为有制荡板工况和无制荡板基准工况下的船体垂荡幅值，和分别为有制荡板工况和无制荡板基准工况下的船体横荡幅值，和分别为有制荡板工况和无制荡板基准工况下的液舱壁面液面爬升幅值；综合评价函数的值越小表示制荡板方案对船体运动和液舱晃荡耦合响应的综合抑制效果越好。

23、进一步地，所述kan代理模型优化模块中，将候选优化方案重新输入全耦合黏流模型进行校核时，若kan代理模型预测值与全耦合计算值之间的相对误差满足预设要求，则输出相应的制荡板高度、位置和布置形式；若误差不满足要求，则将新的全耦合计算结果补充至样本数据库并重新训练kan代理模型。

24、本发明还提供一种基于黏流理论面向液货船的异常波与晃荡波全耦合模拟方法，应用于所述的基于黏流理论面向液货船的异常波与晃荡波全耦合模拟系统，包括：

25、s1：建立极端波浪水池模型，所述极端波浪水池沿波浪传播方向依次包括造波区、耦合求解区和消波区；

26、s2：在所述耦合求解区内建立船体模型、液舱模型和制荡板模型，并建立外部流体区域、重叠网格区域和内部流体区域，所述外部流体区域和内部流体区域均采用流体体积方法捕捉自由液面；

27、s3：建立固定于极端波浪水池的参考坐标系和固定于船体的随船坐标系，并设置动态流固耦合运动求解控制条件，船体运动自由度包括纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇，通过对自由度激活状态进行设置形成单自由度、双自由度和多自由度工况，实现各运动自由度的分离与耦合计算；

28、s4：分别采用线性物理机理和非线性调制机理生成相同目标参数的异常波，并将生成的初始波列输入极端波浪水池进行演化直至满足目标波形要求；

29、s5：在每一时间步内，由造波边界驱动外部流体区域生成并传播异常波，根据船体外部波浪载荷和液舱内部晃荡反馈载荷实时更新船体运动状态，船体运动状态更新后同步更新重叠网格区域、液舱壁面和制荡板边界，实现异常波演化激励、船体运动响应与液舱晃荡波反馈作用三者之间的双向全耦合求解；

30、s6：构建kan代理模型，以异常波参数、液舱参数和制荡板参数为输入、以全耦合响应指标为输出建立非线性映射关系，利用kan代理模型对制荡板参数进行连续预测和寻优，将候选优化方案重新输入全耦合黏流模型进行校核，输出满足要求的制荡板优化布置方案。

31、本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于黏流理论面向液货船的异常波与晃荡波全耦合模拟方法的步骤。

32、与现有的技术相比，本发明的基于黏流理论面向液货船的异常波与晃荡波全耦合模拟系统、方法及介质，在技术性能与实际应用中展现出以下有益效果：

33、第一，本发明开发了基于黏流理论面向指定波浪参数的极端异常波数值水池生成技术。该技术能够根据给定波高、周期、聚焦位置和聚焦时刻生成目标异常波，并通过目标波形与极端水池监测波形的对比验证造波精度。同时，本发明进一步开发了基于不同物理机理的极端异常波生成方法，即线性物理机理（包括新波理论和瞬态波包技术）和非线性调制机理均可用于生成具有相同目标参数的异常波，从而使不同机理生成的异常波在波高、周期和聚焦条件等方面作为船体外界激励具有可比性，避免了因激励波浪参数不一致导致的耦合响应差异。相比于现有技术仅采用正弦规则波激励，本发明能够更真实地模拟异常波极端海况。

34、第二，本发明开发了面向液货船的异常波与液舱晃荡波全耦合模拟技术。该技术能够在统一黏流理论计算框架中同步求解外部异常波传播、船体多自由度运动和液舱内部晃荡波演化，并将液舱晃荡产生的压力、惯性力和力矩反馈至船体运动方程，从而建立外部波浪激励、船体运动响应和舱内晃荡载荷作用之间的双向全耦合关系。同时，本发明建立了船体运动自由度分离与耦合计算技术，可分别开展单自由度、双自由度和多自由度运动约束计算，从而提取横摇、垂荡、横荡等运动自由度对液舱晃荡响应和船体不利运动放大的独立贡献及耦合作用，实现了更全面的耦合模拟能力。

35、第三，本发明开发了基于kan代理模型的液舱制荡板智能优化技术。该技术以异常波谱峰周期、液舱填充率和制荡板相对高度等参数作为输入，以船体横摇、垂荡、横荡和液面爬升等全耦合响应作为输出，建立设计参数与响应指标之间的非线性映射关系。通过kan代理模型对制荡板连续参数空间进行快速预测，并结合综合评价函数确定候选优化参数，再将候选方案重新输入全耦合黏流模型进行高精度校核，形成智能优化闭环，由此减少大量重复cfd试算。相比于现有技术的遍历法，本发明的优化效率大幅提升；相比于现有技术的bpnn-kriging模型，本发明采用kan网络且引入了全耦合校核闭环机制，预测精度和可靠性更高。