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CFD的KCS船舶艏部型线优化研究

为实现基于CFD船体型线优化设计,开发了船体型线优化平台,并以KCS船为初始船型,对其艏部型线进行了优化。首先,重点介绍了径向基函数插值的基本原理及其在船体曲面变形中的应用;其次,将该方法与CFD软件及优化算法结合,开发了基于CFD的船体型线优化平台;最后,将该平台应用于KCS船的艏部型线优化设计,获得给定约束条件下阻力性能最优的船体外形。研究结果表明:基于径向基函数船体曲面修改方法是可行的,建立的船型优化平台具有一定的工程应用价值。     

基于区间分析方法的船舶不确定稳健设计优化

实际船舶优化设计中,大量不确定因素的存在可能会导致船舶性能达不到预定的设计目标。因此为了保证船型方案的可行性,本文将区间分析方法应用到不确定稳健设计优化中,以一条散货船的概念设计为例,针对单个不确定变量存在和多个不确定变量共同存在的情况,分别进行研究,以单位运输成本的中值和半径最小为目标,采用双层嵌套优化体系,内层采用多岛遗传算法求解目标函数的区间,外层采用NSGA-II算法来优化目标函数,从而保证船舶的稳健性。     

基于变复杂度方法的船舶型线优化

介绍变复杂度方法的基本原理,给出变复杂度的优化框架;以克里索集装箱船(KCS)船舶兴波阻力为目标,采用变复杂度方法对KCS艏部型线进行优化,得到兴波阻力下降的船型,并对优化结果进行对比分析。结果显示,变复杂度方法的计算结果具有一定可靠性,可显著提升船型优化效率,具有一定的工程实用价值。     

KCS艏艉型线优化及其对推进效率的影响

对KCS的船首和船尾型线优化开展研究。船体采用径向基函数描述，艏部型线以减小总阻力为目标，艉部型线则侧重于降低尾流不均匀度，以期提高推进效率。在优化过程中，利用基于拉丁超立方采样点构建Kriging近似模型替代直接计算流体力学（CFD）模拟。分别采用多岛遗传算法和非支配排序遗传算法-Ⅱ开展单目标和多目标优化，避免优化的早熟。结果表明，在服务航速下，优化船型的总阻力降低了1.36%，优化船型的伴流目标函数降低了10.2%。在此基础上，进一步针对优化过程中产生的3个优化船型以及原始船型，选用KP505桨进行自航模拟，结果显示虽然阻力有些许增大，但伴流不均匀度明显降低的优化船型的推进效率更优，相对于原始船型，其推进效率最高提升了1.08%。     

基于阻力性能的高速双体船水动力构型优化

船舶快速性是影响航运经济的关键因素之一,以某双体船为对象,设计一种阻力预报与优化方案并成功降低其阻力:运用数值模拟技术,结合Lackenby变形方法,改进船体型线,并进一步通过调整片体间距优化阻力性能。结果表明:优化后的船型具有良好的阻力性能,与原船型相比,在设计工况Fr=0.572下,剩余阻力系数可减少13%;片体间距优化后,船体总阻力进一步明显降低。基于以上结果,本文提出的预报方法及优化方案能够有效地用于高速双体船性能预报及优化设计,可以为相关研究提供技术支持。     

基于抗冰性能的极地船舶首部优化设计研究

船舶的参数化建模理论在船舶性能优化中起主要作用.为使破冰船的抗冰性能达到最优,本文对海冰的特性进行研究,选取合适的海冰物性参数,参数化构建破冰船首部形式,基于结构规范完成目标函数评估,通过智能优化算法建立优化模型.利用参数化建模方法,可以在保证首部光顺的前提下进行自由变形,提高破冰船的抗冰性能,最终得到极地船舶首部的最优设计方案.本文将船舶抗冰性能评估与最优化理论有效地耦合到船舶型线优化设计之中,建立以性能驱动设计的船型逆向设计新模式,为极地船舶型线优化设计研究提供了一定的理论指导与参考价值.     

基于多维PC扩展的多学科稳健优化算法研究

针对多维不确定性下的多学科稳健设计优化问题,以随机不确定性因素的均匀分布和正态分布并存状况为例,提出一种新的以Legendre polynomials和Hermite polynomials为基础与多维多项式混沌方法,构建多维不确定性量化模型,完成多学科稳健设计优化框架的研究。同时将多维稳健优化方法应用于多学科设计优化的实际工程算例散货船优化论证中,并与文献的单维稳健优化方法进行比较。结果表明,在多维不确定性因素影响下,采用多维多项式混沌方法解决多学科稳健设计优化问题,其优化结果与确定性多学科设计优化结果相差不大,能够得到较为稳健的计算优化结果,有效减少和避免设计优化方案失效的可能性。     

极地科考破冰船冰阻力与静水阻力协同优化设计

极地科考破冰船作为一种需进行破冰作业和远距离大洋航行的特殊船型,在设计上需同时考虑静水阻力和冰阻力的影响。采用CAESES软件搭建优化设计平台,通过自由曲面变形方式对影响冰阻力明显的船首区域进行型线变换,采用势流方法和经验公式分别求解船舶受到的静水阻力和冰阻力。将这2种阻力的加权和作为目标函数,结合NSGA-II算法对阻力最佳的船体线型进行搜索,实现对船型的快速优化。研究结果表明,采用该优化方案能使船体冰阻力下降5%,而静水阻力几乎没有变化,新船型满足所需的阻力优化要求。     

基于变值法的船型优化层次分析法模型研究

采用层次分析法理论和变值法,提出船舶船型技术经济性层次分析方法,建立起船舶船型经济评价的层次分析数学模型。通过对珠江干线3 000吨级散货船的船型进行实例研究分析,得出了船型优化综合评价指标的排序,得出综合最优船型。在此基础上,对影响船型方案的参数进行敏感性分析。本文提出的船型方案层次分析的经济评价方法,对优化船型的优化设计具有理论研究和实用价值。