船型方案优化设计的应用探讨

根据设计船舶的具体要求确定设计变量、目标函数及约束条件，构造描述船舶优化设计的数学模型。运用有约束条件非线性规划问题的罚函数算法、多目标决策问题的分层序列算法，结合MATLAB“Optimization Toolbox”进行优化计算。计算结果和实际营运效果表明，优化船型船舶与本航区同类非优化船型船舶相比，营运性能有显著提高。     

非线性规划在船型方案设计中的应用

随着船舶工业的飞速发展 ,船舶的优化的设计工作已由计算机辅助设计系统完成。通过对广西贵港航区“6 0t× 5 5kW”客货船总体设计中尺度方案最优化的论证 ,具体讨论非线性规划在船型方案设计中的应用。首先根据设计船舶的具体要求确定设计变量、目标函数及约束条件 ,构造出描述有关技术及经济性能的数学模型 ,其次运用“运筹学”中有约束条件的非线性规划问题的罚函数算法、多目标决策问题的分层序列算法 ,结合MATLAB强大的“OptimizationToolbox”进行优化计算 ,最后通过航区内 3种型船的实际营运效果的对比得出船型方案优劣结果     

非线性规划在船型方案设计中的应用

本文通过对广西贵港航区"60 t×55 kW"客货船总体设计中尺度方案最优化的论证来具体讨论非线性规划在船型方案设计中的应用:首先根据设计船舶的具体要求确定设计变量、目标函数及约束条件,构造出描述有关技术及经济性能的数学模型;其次运用"运筹学"中有约束条件的非线性规划问题的罚函数算法、多目标决策问题的分层序列算法,结合MATLAB强大的"Optimization Toolbox"进行优化计算;最后通过航区内3种库型船的实际营运效果的对比得出船型方案优劣结果.     

基于全参数化建模的多用途船型线优化设计

为提高多用途船的航行性能与营运经济性,在满足布置要求基础上,通过全参数化建模及多种优化算法,针对多用途船船艉、船艏以及全船进行船型优化。采用高精度黏性求解器完成阻力计算,通过对比分析不同优化船型实尺度下的船舶航行阻力及伴流目标函数,完成多用途船的型线优化设计。优化得到的船型较初版型线其剩余阻力减小24. 51%,伴流目标函数减小8. 6%。     

基于非线性规划法的实用船型首部优化设计方法

为了得到阻力性能优良的实用船型,以线性兴波阻力理论为基础,利用非线性规划法探讨最小总阻力船型的优化设计方法.以总阻力为目标函数(其中兴波阻力采用Michell积分进行计算),船体表面型值为设计变量,排水量不减为基本约束条件,再考虑实用船型的附加约束条件,对船体首部形状进行优化研究,得到改良船型.对优化前后的船型再利用Rankine 源法进行兴波阻力数值计算,进一步评估优化后的降阻效果.最后给出了实际船型(集装箱船)的优化计算实例,明显的降阻效果证实了本优化设计方法的可靠性.     

基于遗传算法的最小阻力船型优化设计

遗传算法是一种全局最优化算法,它能够克服传统优化方法的缺点和不足,从而获得全局最优解。因此,为了获得阻力性能更好的优良船型,将遗传算法进行适当改进并用于船型优化中,进行最小阻力船型优化设计,以非线性兴波阻力理论(Rankine源法)为基础,利用遗传算法并结合CAD技术进行船型优化设计。在优化过程中,把总阻力作为目标函数,设计变量取船型修改函数的参数,确保排水量为基本约束条件下,对船体前半体型线进行优化研究。选取某高速巡逻艇作为初始船型进行优化计算,获得的最优船型总阻力降低了13.1%,兴波阻力降低了21.7%,表明遗传算法用于船体线型优化设计是行之有效的。     

船舶操纵性能优化设计方法研究

分析了描述船舶操纵性能的在个操纵性指数，建立了以操纵性能为目标函数的优化模型，利用离散复合形方法给出了船舶主尺度、船型系数和舵面积等几何要素的优化计算方法，并给出某货船的计算实例。     

基于EEDI的小水线面双体船片体尺度要素多目标优化

为寻求节能高效的小水线面双体船片体尺度要素，以一艘典型小水线面双体渡船为研究对象，从多目标优化的角度出发，做出合理假设根据海军部系数法和国际吨位丈量公约分别将子目标设计航速和总吨参数化，进而使主目标能效设计指数（energy efficiency design index, EEDI）成为片体尺度要素函数。基于MATLAB优化工具箱应用多目标遗传算法（Multi-Objective Genetic Algorithm, MOGA）,以阻力、强度、结构和能效要求等因素为依据定义约束条件，设置优化参数并考虑混合函数的影响，得到优化船型Pareto解集。最后讨论多目标优化的计算结果，并且与单目标优化的结果进行了比较，还分析了多目标优化优化船型方案中片体尺度要素的分布情况。     

极地运输船货舱区舷侧冰带骨架系统优化

本文以中国船舶及海洋工程设计研究院(MARIC)研发的某20 000吨级PC5级极地多用途运输船为目标船型,建立货舱区计算模型。基于IACS URI规范关于冰载荷及相应计算工况的要求,进行冰载作用下中部冰带区域舷侧结构有限元分析。在此基础上,集成Isight/Nastran对目标区域冰带骨架系统进行优化设计。以目标区域冰带结构重量最轻为目标函数,以结构合成应力、板格屈曲限制以及其他相关规范尺度要求为约束条件,重点对冰带骨架系统进行分级优化设计。具体优化方案为:基于货舱区舷侧冰带结构,初步设定四型骨架系统布置方案;采用多岛遗传算法(MIGA)分别对各个方案进行优化;最后对四型优化后的方案进行对比分析,综合评估得出适用于目标船型的相对最优方案。本文所得出的结论有力地指导了目标船型开发工作,所总结得出的优化思路、解决途径可进一步扩展应用至高冰级极地船型。     

超大型集装箱船能效设计指数优化研究

采用船型优化方法就超大型集装箱船10 000TEU的能效设计指数(EEDI)进行优化。文中以降低对主机功率的需求、提高能效设计水平为目标,优化该超大型集装箱船的阻力性能。优化时利用平移法和径向基函数方法进行船体曲面重构,并分别采用基于Rankine源非线性势流理论和边界层动量积分计算兴波阻力和摩擦阻力,最后同时使用遗传算法(NSGA-II)和序列二次规划算法(NLPQL)在设计空间中探索满足约束条件的阻力最优船型。结果表明,通过该优化方法获得的最优船型,其能效设计指数优化程度明显,能够满足现阶段IMO对新造集装箱船计及折减系数后的强制要求。     

船舶结构混合变量优化的遗传算法

本文针对船舶结构优化设计中普遍存在的混合离散变量现象，对遗传算法进行了若干探讨和改进，以直接获得实用的最优解。通过两个船舶结构优化的算例，验证了本文方法的有效性。     

基于X-LMS自适应逆控制理论的船舶自动舵研究

本文分析了自适应逆控制理论和X—滤波LMS自适应逆控制算法，并针对船舶自动舵特点，用修正传递函数的方式来稳定船舶操纵模型，使用LMS算法对船舶进行模型参数辩识和控制器的设计。仿真结果表明，与PID控制相比，X—滤波LMS自适应逆控制算法具有动态响应快，抗扰动性好等特点。     

用“模拟退火”算法实现船舶主尺度的全局最优化

本文把模拟退火（SA）法应用于舶舶主尺度优化问题中。针对船舶主尺度优化问题解的特性和状态，对SA算法具体应用中的几个问题进行了探讨。同时，与单纯形法进行了优化结果的比较。比较表明，SA算法能很好地逃离局部极值点的陷阱找到全局最优解，其优化结果与初始点的选择无关，从而为船舶主尺度优化问题提供了一种稳定可靠的全局最优化算法。     

一种船舶结构优化的实用方法

本文针对船舶结构优化设计中普遍存在的混合离散变量的现象，应用一种简便而实用的估化新方法－模拟退火算法直接获得最优解，而需地离散散现象进行了“规格化”后处理，以舱口盖和槽形舱壁的结构优化为例，详细讨论了模拟退火过程中冷却过程进度表优化质量及效率的影响。     

新型综合科学考察船(SWATH)综合航行性能优化设计研究

2500吨级新型综合科学考察船采用小水线面双体船(SWATH)船型,系目前中国自行研究、设计的排水量最大的SWATH.围绕该船设计要求及具体特点,应用中国船舶科学研究中心在SWATH研究领域的最新研究成果一大型化、浅吃水SWATH船型优化设计及性能预报技术,对该船设计开展了系统的综合优化研究.文中给出了针对新型综合科学考察船的优化设计结果,并给出了有关优化方案的阻力、耐波性及自航模型水池试验结果,验证了该船优良的综合航行性能.     

大型集装箱船绑扎桥结构优化设计

为有效降低大型集装箱船的空船重量,针对绑扎桥结构轻量化设计进行研究。以某14500TEU集装箱船为研究对象,根据船级社规范要求针对结构设计方案进行有限元计算分析,依次从剪力墙布置、立柱设置和局部尺寸优化等三个层次对原始方案进行优化设计。研究结果表明,优化方案在满足船级社规范要求、保证堆重指标的同时有效降低了绑扎桥的结构重量。本文的设计思路和优化方法可以为今后大型集装箱船绑扎桥的结构设计提供一定参考。     

可控被动式减摇水舱控制策略研究

从未减摇和装减摇水舱后的船舶运动方程出发,对可控被动式减摇水舱的水舱控制策略进行了研究,指出应从充分发挥减摇水舱的性能角度出发,选择水舱的最佳控制策略。从能量最少角度考虑,当波浪频率远离船舶谐摇频率时,可以考虑选择关闭水舱的方式进行控制。仿真结果表明,存在一个最佳控制策略,能够使水舱的性能得到充分发挥,这时水舱减摇效果最高。     

Influence of different topological variants on optimized structural scantlings of passenger ship

For a multi-deck ships with extensive superstructures (such as passenger and cruise ships, RoPax, mega yachts, etc.) the global structural response can be particularly complex. The influence of the superstructure to the primary strength for those multi-deck ships must be considered from an early design phase. Main global topological parameters (e.g. size of side openings, position and stiffness of longitudinal and transverse bulkheads, etc.) have dominant influence on the shape of hull girder stress distributions over the ship height. The Taguchi concepts and techniques (FFE, orthogonal arrays, ANOVA, etc.) could be used to systematically study influence of multiple topological parameters on the global structural response obtained by FEM analysis. It also enables rational identification of the most dominant parameters and provide designer with the near-optimal level of each topological parameter for the defined design objective. It has been demonstrated how different topological variants can lead to different optimal structural scantlings w. r.t chosen design objectives (mass, VCG, etc.), using simplified full ship 3D FE model of passenger ship as an example. Structural design software MAESTRO and in-house developed framework for the design support system DeMak – OCTOPUS Designer were used as a structural optimization tool. This paper aim to extend the standard scantling optimization by introducing topological aspects as a first STEP in overall optimization procedure.     

Impact scenario models for probabilistic risk-based design for ship–ship collision

A number of authors have proposed probabilistic risk based ship design for ship–ship collision, conditional to the local trading area of a vessel. The probability of collision and consequences are determined based on the traffic conditions in which a vessel is expected to operate. This paper investigates the adequacy of currently available models for impact scenarios, i.e. models linking the traffic conditions to the conditions at the moment of collision. An exploratory statistical model is presented to establish such a link. A probabilistic risk based design case study is performed for a fleet of RoPax vessels trading on a specified route in the Gulf of Finland. The available impact scenario models from the literature are compared with the developed probabilistic evasive maneuvering model. The results show that the impact scenario models have a very significant influence to the calculated hull breach probabilities. No well-justified impact scenario models are presently available and also the presented probabilistic evasive maneuvering model is burdened with uncertainty. Hence, to move toward a probabilistic risk based ship design paradigm for ship–ship collision in a local trading area, more focus and research is needed to establish a credible link.     

基因演算法於船体加强板架之最佳化设计应用

船体结构之最佳化设计是一个复杂非线性的混和离散问题，并且要搜寻到全域的最佳值并不容易。在复杂的设计环境下基因演算法（Genetic Algorithm；GA）却可以搜寻到近似的全域最佳值。本文主要是应用基因演算法对T加强板架（Tee stiffened panel）、平板加强板架（flat-bat stiffened Panel）等常用且最具代表性之船体结构件进行最佳化设计，使结构在满足终极破坡限制（ultimate failure constraints）与耐用破坏限制（serviceability failure constraints）等所有限制条件下，求得最佳目标函数值中各设计变之最佳组合。在过程中并考量不同族群大小、变换机率、突变机率因素对最佳化结果的影响。文中是以制造成本为目标函数，其中同时考量材料成本及劳工成本，且所得之结果与连续性线性规则（Sequential Linear Programming；SLP）最佳化结果作了比较。计算的结果显示基因演算法可以有效地与快速地获得最小重量和最低成本的目标。