基于多维多项式混沌展开法的船舶不确定性优化设计

以船舶不确定性优化设计为对象,分析考虑多个随机变量对优化目标和约束的影响,提出一种基于多维多项式混沌展开法(PCE)的船舶不确定性优化设计,并将其应用于散货船工程优化实例中,保证船舶的稳健性和可靠性。     

改进随机森林-蒙特卡罗法在A型液舱支座结构可靠性分析中的应用

[目的]随着液化天然气(LNG)船舶结构研究和设计深度的提高,需要有能够快速和准确地评估不确定性因素的可靠性分析方法。为此,提出基于改进随机森林-蒙特卡罗(RF-MC)法来解决A型独立液舱支座结构失效概率的计算问题。[方法]首先,根据不确定性因素的概率分布,使用MC法生成样本集;然后,以局部离群因子为准则,筛选出失效面附近的样本点,再对筛选出的样本点进行有限元计算后添加至训练集,通过重复训练随机森林近似模型,直至满足精度要求;最后,使用近似模型判别样本点是否失效,结合MC法计算结构的失效概率。[结果]综合考虑算法的准确率、复杂度和效率并结合算例1和2,可以发现在分析可靠性问题时改进RF-MC法比MC和BP-MC等方法具有更大优势。算例3的应用结果表明了改进RFMC法在A型独立液舱支座结构可靠性分析中的适用性。[结论]研究结果可为LNG船舶的优化设计提供可行的技术方案。     

计算单点滑环系统失效概率的蒙特卡洛方法

建立单点滑环系统失效的动态故障树模型,利用齐次马尔科夫链表示状态空间的转移过程,并求出滑环系统失效概率精确解。提出计算单点滑环系统失效概率的蒙特卡洛方法,编制蒙特卡洛仿真程序,求解齐次马尔科夫链的数值解,结果显示,当抽样数等于5 000时,结果趋近收敛,数值解与精确解吻合良好。对于非齐次马尔科夫链,由于无法求出精确解,因此利用蒙特卡洛法求解滑环系统失效概率的数值解,数值解失效概率的变化规律与前述结果一致,验证了蒙特卡洛法的适用性。利用蒙特卡洛法求解系统停产的概率,与滑环系统失效概率进行对比发现,在相同工作时间下,系统停产概率明显小于系统失效概率。结果显示,蒙特卡洛法的收敛性好,结果精度高,且能解决马尔科夫法不能解决的问题,可以很好地应用在单点滑环系统的风险评估中。     

基于蒙特卡洛法的抛锚撞击海管概率分析

针对船舶抛锚撞击海底管道事故频发,撞击概率计算过程较复杂且适用范围有限的问题,对现有方法进行改进,基于蒙特卡洛方法建立抛锚统计试验模型,对某一条件下船舶抛锚对海底管道的撞击概率进行计算,结果表明:对现有方法进行改进或利用蒙特卡洛方法能较好地反映船舶抛锚对海底管道的撞击概率变化特性,可应用于危险区域的抛锚预警和海上禁锚区的设置。     

基于AEC模型的船舶燃油供给系统状态评估

[目的]针对船舶机舱智能化的发展需求,为了预判系统设备的潜在失效因素,提出一种适用于船舶系统健康状态评估的新型AEC模型。[方法]首先,将改进层次分析法(AHP)与熵权法(EWM)的优势相结合,形成组合赋权法来确定各项评估指标的综合权重;然后,采用云重心评判法(CGCEM)计算加权偏离度,并对系统健康状态进行评估。[结果]实船燃油供给系统的验证结果表明:实测运行数据的加权偏离度计算结果为0.181 5,隶属于(0,0.33)区间,这与实船的健康运行状态一致。[结论]AEC模型可以较准确地评估船舶燃油供给系统的健康状态,可为智能船舶的状态评估和维护保养辅助决策提供参考。     

基于现代内点法的船舶电力系统无功优化

率先采用现代内点法求解船舶电力系统无功优化。在传统的船舶电力系统无功优化模型等式约束中增加线路传输功率约束,建立了新的船舶电力系统无功优化模型,该模型能有效优化无功。对某船舶电力系统进行了仿真计算,结果验证了方法和所建模型的正确性与有效性。     

优化算法对船舶可靠性的影响分析

通过构建径向基(Radial Basis Function,RBF)神经网络近似模型,分别采用自适应模拟退火算法(Adaptive Simulated Annealing,ASA)、多岛遗传算法(Multi-Island Genetic Algorithm,MIGA)、粒子群法(Particle Swarm Optimization,PSO)3种优化算法,以重量最轻为目标,对油船整体舱段进行基于CCS规范的优化设计;之后利用Abaqus非线性有限元法计算了轻量化舱段的极限强度,并通过建立极限状态方程,进一步研究优化算法对船体极限强度可靠性的影响;最后,为直观、量化地反映船舶的风险变化程度,通过提出失效概率折减率μ,发现PSO-RBF算法下减重单位舱段重量,船体梁失效概率增加最少。     

海浪预报不确定下的船舶运动姿态分析方法

实时准确地估计海浪预报不确定下的船舶运动姿态是一个非常困难的问题.为解决该问题,通过分析海浪预报的随机误差对船舶运动姿态估计的影响,建立基于不确定性海况预报数据的船舶运动姿态估计模型;引入多项式混沌展开方法,实现船舶运动姿态估计的不确定性量化(Uncertainty Quantification,UQ);利用船舶横摇运...     

基于RANS法的船舶阻力及自由运动预报

文章介绍了基于RANS法求解船舶自由运动水动力性能的方法。通过对流域设计、网格划分方法、运动求解法及湍流模型的选择等进行完整的讨论与分析,提出了一套求解船舶自由运动的RANS方法。以低速船(KCS型船模)及高速船(Fridsma滑行艇)为计算对象,计算结果验证了RANS法在预报船舶自由航行时水动力性能的实用性。     

基于改进梯度提升决策树—蒙特卡罗法的超大型集装箱船绑扎桥可靠性分析

[目的]对超大型集装箱船绑扎桥结构而言,复杂的设计结构和恶劣的载荷环境对其可靠性提出了更高的要求。针对大型船舶结构可靠性分析时计算效率低、计算精度差等问题,提出基于改进梯度提升决策树—蒙特卡罗(GBDT-MC)方法。[方法]首先,通过Python库建立改进梯度提升决策树(GBDT)的近似模型,根据实验生成较少的样本点,并筛选位于失效面附近的样本点;接着,运用SMOTE算法合成新的样本点并参与有限元计算,进而结合原有的样本点形成训练集;然后,采用已训练的近似模型预测蒙特卡罗(MC)方法所产生的样本点信息,完成结构的可靠性分析;最后,运用算例验证改进GBDT-MC方法的可行性和准确性,并将其应用于超大型集装箱船绑扎桥结构的可靠性分析。[结果]计算结果表明:案例中超大型集装箱船绑扎桥在静态绑扎力作用下的失效概率误差为3.5%,改进GBDT-MC方法的计算耗时为2.55 h,而MC方法则需要416.7 h,可见在允许的计算误差范围内,改进GBDT-MC方法可以大为缩减可靠性分析的计算时间。[结论]改进GBDT-MC方法能显著提高计算精度并缩短计算时间,可为结构可靠性的优化设计提供支持。     

基于改进AK-MCS法的船舶板架极限强度可靠性分析

[目的]船舶结构极限承载能力不足会导致海损事故,为此提出改进AK-MCS法,用于船舶结构极限强度可靠性研究。[方法]通过引入信息熵中的学习函数H对样本点进行二次寻优,以提高最佳样本点的质量,从而提高Kriging模型的精度和更新效率;采用K折交叉验证替代AK-MCS法的迭代停止准则,解决原本迭代停止准则过于保守的问题,以有效避免发生过学习和欠学习状态,从而以较少的样本点训练Kriging模型,实现对极限状态函数的高度拟合。使用非线性振荡器数学模型进行验证,并将改进AK-MCS法应用于船舶板架的极限强度可靠性研究。[结果]仿真结果表明,改进AK-MCS法调用有限元模型的次数比原方法减少了38%,验证了改进AK-MCS法的求解效率和精度。应用结果表明,该方法的计算精度最高,且调用有限元仿真次数比原方法减少32%,验证了改进AK-MCS法在船舶板架极限强度可靠性研究中的适用性和高效性。[结论]使用改进AK-MCS法研究船舶板架极限强度的可靠性,可评估船舶实际航行中局部结构尤其局部较危险结构的失效概率。     

基于船舶破损安全性的舱室优化方法

[目的]船舶安全性是船舶最重要的性能之一,而舱室优化与提高船舶破损安全性密切相关,二者之间的关系是一个复杂的多因素问题。[方法]基于SOLAS 2009公约,评估概率破舱稳性,量化危险区域,采用层次分析法(AHP),以分舱指数、危险区域类型和数量为评估指标,求解各指标对船舶破损安全性的影响权重,并以提高船舶破损后的安全性为目标,评估出最优舱室优化方案。[结果]结果显示,调整危险区域边舱宽度、舱室长度及双层底高度均可提高船舶破舱稳性,以及船舶破损后的安全性。[结论]实验结果表明研究危险区域可提高船舶安全性,在基于多准则评估船舶破舱后的安全性上采用AHP方法可行。     

考虑船位预测不确定性的船舶碰撞危险度计算方法

[目的]船舶碰撞是威胁智能船舶航行安全的主要因素。船舶碰撞危险度计算模型应及时发现船舶航行中潜在的碰撞风险,为智能船舶的自主避让决策提供依据。[方法]首先,根据船舶领域侵入程度与侵入时间等参数,分析基于领域的碰撞危险参数计算模型,将航行场景划分为单船会遇局面和本船与船舶群组的会遇局面,给出一种新的多船会遇情况下的碰撞危险参数计算模型;其次,基于维纳过程对船位预测不确定性进行建模,根据卡方分布获取船位预测不确定性椭圆;最后,给出考虑船位预测不确定性的碰撞危险参数计算方法。[结果]该计算模型能够考虑船位预测不确定性对船舶碰撞危险的影响。[结论]可以进一步保障智能船舶的海上航行安全。     

结构系统可靠性分析的人工智能β—分解法

本文基于β-分解，引入人工智能概念，对空间刚架结构进行系统可靠性分析．在进行主要失效途径识别时，来用人工智能中启发式搜索的思路，建立临界失效概率的概念，改进了β-分解法中的经验性，从而减少了计算时间.使用本文提出的方法，对船舶结构等算例作了计算，表明本文所提出的方法及方法的实施都是有效而且合理的．     

基于驾驶实践的无人船智能避碰决策方法

[目的]为实现沿海无人驾驶船舶自主航行,充分考虑无人驾驶船舶智能避碰决策的合理性和实时性后,提出并建立一种基于驾驶实践的无人船智能避碰决策方法。[方法]首先,以本体论为基础,设计无人驾驶船舶航行态势本体概念模型,并结合《国际海上避碰规则》及良好的船艺将船舶航行态势量化划分为12种会遇场景;然后,从驾驶实践的角度改进影响碰撞危险度因子的模糊隶属度函数,提出一种多元碰撞危险度评估模型,实现船舶碰撞危险度的精确计算;最后,以船舶避碰总路径最短为目标函数,提出一种基于驾驶员视角(BOP)的智能避碰决策模型,在船舶操纵性、舵角限幅等约束下求解最优避碰策略,并在典型的会遇场景下进行仿真实验。[结果]结果表明,该方法可以准确判断驾驶航行态势,给出合理的转向策略,实现典型会遇场景下的有效避碰。[结论]所做研究可为实现船舶自主航行提供理论基础和方法参考。     

基于梁板结构的船舶系统可靠性分析及其优化

采用梁元和加筋板格元来模拟船舶空间结构,并建立相应的系统可靠性分析与优化模型。针对加筋板格可靠性分析中计算反向结点力向量时忽略加强筋影响而导致计算结果偏于保守的缺点,采用了完整加筋板格元的反向结点力向量和修正刚度矩阵,在此基础上采用分支限界法搜索系统主要失效模式并对其提出改进措施,保证了计算精度并提高了计算效率;运用界限搜索法求解模糊约束集的最优水平截集,进而求得系统可靠性约束下结构质量的模糊最优解,并与确定性优化设计结果对比,结果显示模糊优化模型具有更好的经济效益,可供工程借鉴使用。     

基于局部线性化方法的瘫船稳性敏感性分析及衡准完善

[目的]瘫船稳性是当船舶失去动力后,在横风横浪状态下发生共振横摇甚至倾覆的运动模式,是公认的较危险的稳性失效模式。国际海事组织(IMO)船舶设计与建造分委会(SDC)预计将于2019年完成第2代完整稳性衡准规则定稿,目前亟需大量的样船计算以完善规则。[方法]基于局部线性化方法,对3艘集装箱船进行了瘫船稳性第2层衡准校核计算,并分析了瘫船稳性敏感性与船舶各设计参数的关系。[结果]分析结果表明,随着船舶吃水深度的增大,船舶倾覆概率将先增大后减小,并对第2层衡准的标准值选取及衡准完善提出了建议。[结论]可为瘫船稳性衡准研究提供技术支持。     

多维随机不确定性下的船舶多学科稳健设计优化研究

通常船舶多学科设计优化仅考虑确定性的影响,忽视设计中不确定性因素的存在,显然优化结果无法真正保障船型方案的可行性和航行性能的优良性。目前,不确定性船舶多学科设计优化主要集中在一维不确定性分析。为了得到船舶设计优化的最优方案,以多维不确定性下的多学科稳健设计优化问题为例,通过分析考虑随机不确定性因素的均匀分布和正态分布并存分布状况,提出了一种新的以Legendre polynomials和Hermite polynomials多项式为基础的多维多项式混沌方法,并以海洋平台支持船为对象构建多维不确定性量化模型。通过对多维随机不确定性因素对船舶优化方案的影响分析完成了船舶多学科稳健设计优化研究,有效地减少和避免船舶设计优化方案失效的可能性。     

基于遗传算法的船舶螺旋桨优化设计

船舶螺旋桨的设计主要分为理论法与图谱法,目前,图谱法设计已有成熟的计算程序与之匹配,采用遗传算法搜索进行船舶螺旋桨优化设计是一条新的思路。采用Wageningen B图谱的回归多项式,利用遗传算法的高效、并行、基于适应度函数的搜索法,进行螺旋桨优化设计,将螺旋桨直径、螺距比和盘面比作为设计变量,空泡性能作为约束条件,在保证目标转速的前提下优化船舶航速。经优化设计实例计算表明,遗传算法适用于船舶螺旋桨的优化设计。     

基于组合赋权-TOPSIS法的极地邮轮减摇鳍选型评价

[目的]极地邮轮减摇鳍选型要考虑包括环境适应、设备性能等多方面因素,主观判断往往难以选出最优的减摇鳍。针对极地邮轮减摇鳍的选型,提出基于组合赋权-TOPSIS法的综合选型评价方法。[方法]以满足极地船舶PC6规则作为某8 035 t极地邮轮减摇鳍的选型原则,通过鳍面积的经验公式计算得出减摇鳍设备选型的约束条件,进而确定3种设计方案;咨询业内专家,构建由5个一级指标和14个二级指标组成的选型评价指标体系;通过层次分析法(AHP)和熵权法(EWM)确定指标的权重;运用逼近理想解的排序方法(TOPSIS)计算各方案与理想解的贴近程度。[结果]根据排序结果,确定方案1(Aquarius A100减摇鳍)为符合决策者需求的最优减摇鳍。[结论]该方法对极地邮轮的减摇鳍选型有一定指导意义,降低了建造者和决策者选型时的盲目性。