Least-weight topology and size optimization of high speed vehicle-passenger catamaran structure by genetic algorithm

Selection of the “best” or “optimum” engineering design has always been a major concern of designers. Reduction of hull weight is the most important aim in the structural design of many ship types. But the ability of designers to produce optimal designs of ship structures is severely limited by the calculation techniques available for this task. Complete definition of the optimal structural design requires formulation of size–topology–shape–material optimization task unifying optimization problems from four areas and effective solution of the problem. So far a significant progress towards solution of this problem has not been achieved. In other hand in recent years attempts have been made to apply genetic algorithm (GA) optimization techniques to design of ship structures. An objective of the paper was to create a computer code and investigate a possibility of simultaneous optimization of both topology and scantlings of structural elements of large spatial sections of ships using GA. In the paper GA is applied to solve the problem of weight minimization of a high speed vehicle-passenger catamaran structure with several design variables as dimensions of the plate thickness, longitudinal stiffeners and transverse frames and spacing between longitudinals and transversal members. Results of numerical experiments obtained using the code are presented. They show that GA can be an efficient optimization tool for simultaneous design of topology and sizing high speed craft structures.     

Multi-fidelity optimization of a high-speed foil-assisted semi-planing catamaran for low wake

The wakes of high-speed passenger-only ferries that operated through Rich Passage, on the Seattle-Bremerton ferry route, caused beach erosion and damage to habitat. A task was initiated to design a low-wake high-speed vessel using multi-fidelity CFD based design optimization by using low-fidelity potential flow solvers for initial global design optimization and by using URANS solvers for high-fidelity tuning of the optimized design. This simulation based design process involved a close collaboration between ship designers, and hydrodynamics and CFD specialists, whose collective expertise guided the evolution of the design based on both hydrodynamic and structural aspects. The initial hull shape optimization using potential flow code was carried out by blending three different initial concepts provided by the designers. Subsequently, URANS was used to evaluate the potential flow optimized hull and to further optimize the hull configuration parameters, namely, the centre-of-gravity, demihull spacing, foil location, foil angle and slenderness ratio at different displacement conditions. The URANS based configuration optimization also took into account the far field wakes’ energy spectrum with an objective of reducing the energetic, low frequency far field wakes which are associated with beach flattening on the mixed sand and gravel beaches. Calculation of the far field wake using URANS would require an unfeasibly large domain size; therefore, a Havelock code with a source distribution matching the URANS calculated near field wave elevation was used to propagate the wakes into the far field. The end result of the optimization was a design with significantly reduced far field wake, which is currently being built for experimental testing.     

基于改进遗传算法的双体无人艇性能优化分析

基于并行策略遗传算法对双体无人艇性能进行综合优化分析.首先建立以快速性、操纵性、抗倾覆性和耐波性为目标函数的综合优化数学模型,并使用响应面拟合的方法建立了3种不同的阻力数据库,通过遗传算法对其进行优化分析选出一组最适合本文的阻力数据库.在此基础上选取5个设计变量作为敏感变量进行讨论,其中最为敏感的2个变量将进行并行策略...     

高速双体船斜浪中运动响应及连接桥波浪载荷预报

应用二维时域格林函数法对二维半定解问题进行了求解,应用发展的二维半理论和程序对WP60高速穿浪双体船在斜浪中的垂荡、纵摇、横摇和垂向加速度等运动响应及连接桥结构的波浪载荷进行预报,并把理论计算结果与模型试验结果及其它程序计算结果比较分析,初步验证了文中方法和程序在预报高速双体船运动及载荷性能中的适用性.     

海上高速双体风电维护船结构方案及其强度分析

依据某海上双体风电维护船总体布置要求,参照相关规范,进行结构方案构思,并着重对全横骨架式和混合骨架式2种结构方案横向强度、扭转强度进行有限元分析。根据计算结果分析其应力分布特点,特别针对连接桥强横梁高应力区域,拟定不同结构调整方案,通过结构重量和强度的分析比较,确定满足海上风电场快速、安全维护要求的结构方案。     

小型双体船桁架式连接桥结构强度评估及优化

针对1艘钢管桁架式连接桥结构的小型双体船,采用直接计算法对连接桥进行局部强度评估。重点关注横向载荷,利用三维线性势流理论和设计波法计算双体船的波浪载荷,计算连接桥结构在危险工况下的结构响应,对不满足规范要求的杆件进行优化。结果表明,基于桁架式设计理念的连接桥强度满足要求,可为类似船型设计提供参考。     

多目标微粒群优化聚类算法及应用

提出了多目标函数评价法,通过定义两个新的目标函数实现了基于多目标微粒群优化聚类算法,可实现对多目标优化问题非劣最优解集Pareto的搜索.同时根据电磁力的计算公式定义了新的相似度测量方法,该相似度测量考虑了聚类簇的大小对数据划分的影响.给出了IRIS数据仿真结果,用入侵数据集KDD CUP99测试,实验结果验证了该算法的有效性.     

穿浪型双体高速客滚船火灾风险及对策

穿浪型双体高速客滚船是一种客货同载的高性能高速船,在恶劣海况下具有其他类型高速船不可逾越的航行综合性能,未来在海上短途客滚轮渡、海运快递以及岛屿、海峡之间的海上快速交通运输等领域具有广阔的发展前景。穿浪型双体高速客滚船在营运过程中存在一定风险,火灾就是其中最常见的风险。本文分析穿浪型双体高速客滚船火灾事故成因,探讨解决方案和总结相应对策,为穿浪型双体高速客滚船的火灾预防和应急处理提供切实可行的应对措施。     

生长进化拓扑优化算法在油船中剖面结构优化上的运用

单元进化生长拓扑优化算法较之其他拓扑优化算法有其独特之处,文章通过引入单元生长进化算法对VLCC中剖面横撑结构进行优化设计。结合单元应力指标函数及单元权重系数确定优化模型的目标函数,通过计算单元应力确定单元权重系数的迭代递推关系式,结合有限元平衡方程建立优化数学模型,通过解析计算知优化模型目标函数的取值主要取决于体积函数值,依此建立完整的单元生长进化优化流程。通过与ANSYS连续体拓扑优化计算的比较可知单元生长进化算法更加简单高效,对VLCC轻量化设计具有一定的理论参考价值。     

以刚度为目标的船载行车动臂结构拓扑优化

以某船舶行车动臂为研究对象,采用三维有限元法建立有限元模型,通过灵敏度过滤算法对其进行拓扑优化,得到了行车动臂结构材料最优分布。计算结果表明:计算过程收敛速度较快,并且收敛达到较高的精度。采用三维有限元法得到的最优化结构材料分布合理,轮廓清晰。     

Numerical simulation of interference effects for a high-speed catamaran

The simulations of the flow around a high-speed vessel in both catamaran and monohull configurations are carried out by the numerical solution of the Reynold averaged Navier–Stokes (RANS) equations. The goal of the analysis is the investigation of the interference phenomena between the two hulls, with focus on its dependence on the Reynolds number (Re). To this aim, numerical simulations are carried out for values of Re ranging from 10⁶ to 10⁸ for two different values of the Froude number (Fr = 0.30, 0.45). Wave patterns, wave profiles, limiting streamlines, surface pressure and velocity fields are analyzed; comparison is made between the catamaran and the monohull configurations. Dependence of the pressure and viscous resistance coefficients, as well as of the interference factor, on the Reynolds number is investigated. Verification and validation for both resistance coefficients and wave cuts is also performed.     

基于拓扑优化和尺寸优化的水下耐压球壳轻量化设计

大深度载人潜水器往往采用开孔耐压球壳作为其主要的承压结构,球壳开孔加强结构的优化设计,对减轻球壳重量,提高球壳承载能力具有重要意义。本文介绍拓扑优化的方法以及耐压球壳优化设计的基本流程,以4 500 m耐压球壳为研究对象,基于Hyperworks和Workbench软件,建立了耐压球壳的有限元模型,进行静力分析,并根据结果对球壳的开孔加强结构进行拓扑优化和尺寸优化,得到最优的加强形式。优化结果表明,优化后的耐压球壳的刚度和承载能力得到显著提高。     

穿浪型高速双体船技术特点及其发展概况

本文主要介绍穿浪型高型高速双体船的特点,我国在这一领域的研制及其发展概况。     

水翼对高速双体船纵向减摇性能影响研究

基于水翼在高速双体船上的广泛应用,运用Fluent软件,通过在水翼的攻角、尺寸、安装方式方面进行选型设计,研究水翼与高速双体船之间的相互影响,并且基于静特征数的附体减摇能力分析方法,研究静水中水翼对高速双体船的纵向减摇性能。计算分析结果表明,水翼对高速双体船的纵向运动能起到一定的辅助作用,可以减缓船体的纵摇与升沉。     

典型船舶板架拓扑与形状优化设计

  目的  在水下耐压圆柱壳结构开孔围栏与环向肋骨连接处,易出现应力集中。  方法  为此,提出一种开孔围栏与环向肋骨连接肘板拓扑优化设计方法,以有效降低肘板区域的局部高应力。首先,采用子模型技术对连接肘板区域结构进行精细化应力分析;然后,以连接肘板为设计变量,考虑耐压壳板、围栏和肋骨特征点的应力约束,以肘板区域最大应力最小化为目标函数进行拓扑优化,并对拓扑优化结果进行工程化处理,得到最终的肘板形式。  结果  计算结果表明,面板局部加宽的肘板形式可以有效降低应力集中程度;开孔围栏位置横向偏置时,远离中纵剖面一侧的肘板面板加宽长度较大;连接肘板与开孔围栏中心偏置时,肘板面板关于其腹板对称设计即可。  结论  所做研究可为类似结构设计提供参考。     

典型船舶板架拓扑与形状优化设计

以典型板架结构(船底板架和上层建筑板架)为研究对象,探讨结构拓扑与形状优化设计方法在船舶设计中的应用。对船底板架结构进行形状和尺寸优化(优化目标是指定应力约束条件下结构重量最小),优化后的结构重量减少了15.82%。为改善舱室顶部空间布局,提高舱室顶部板架结构的固有频率,对上层建筑板架进行拓扑优化,寻求材料最优分布,并在对其进行静力分析和模态分析的基础上,以体积百分比为约束条件,以板架固有频率为目标函数,得到拓扑优化后的结构型式,新结构型式使材料分布更加合理,有利于舱室顶部管道和电缆等的铺设。研究表明,在目前的板架结构设计中,可广泛应用结构拓扑与形状优化设计技术。     

高速双体滑行艇的特点、用途及发展动向

根据长城系列四种近二十型高性能双体滑行艇研究、设计、试验及使用情况，列举了双体滑行艇的综合优势及特点；叙述了四种双体滑行艇的适用范围及用途；介绍了多双体滑行艇技术发展的若干趋向。     

基于BP-GA算法的环肋锥柱壳多目标优化设计

本文以超大潜深的潜艇耐压壳结构为研究对象,利用排水量表达式估算潜艇主尺度。通过Ansys软件的Apdl语言建立环肋锥柱壳的有限元模型,并分析计算耐压壳的强度及稳定性。以肋骨间距、耐压壳厚度和肋骨尺寸作为离散设计变量,以结构重量、总体失稳临界压力作为优化目标,实现基于神经网络和遗传算法的环肋锥柱壳多目标优化设计。在Matlab平台上,首先用拉丁超立方体抽样,再用BP神经网络建立起样本点和目标函数之间的映射关系,构建神经网络代理模型,最后调用多目标优化函数gamultiobj进行优化。优化结果表明,利用BP神经网络和遗传算法相结合进行复杂模型环肋锥柱壳的多目标优化,效率较高,精度较好,达到较理想的优化效果。     

船舶空间优化中遗传算法的应用

随着海洋经济的发展,船舶朝着大型化、强动力方向发展。船舶设计工程需要考虑空间、动力、结构各方面因素,本质是一个多目标优化问题。船舶优化涉及因素越来越多,传统的基于单目标的优化解决方法已经不能适应船舶的现代设计方法。遗传算法是模拟生物自然选择进化过程的算法,能够解决多目标优化中的多组非劣解集合问题。本文设计基于遗传算法的船舶空间优化方案,给出船型、空间与阻力之间的最佳方案,最后给出仿真结果。     

砰击载荷作用下的双体船湿甲板综合优化

双体船由于高航速及独特的结构形式,船体湿甲板处受砰击载荷影响较大,其结构安全受到较大的威胁。采用有限元软件Ansys对目标船湿甲板结构进行参数化建模,运用CFD方法分析求解湿甲板处的砰击载荷。以多学科优化软件Isight为平台,集成有限元软件,以湿甲板各位置板厚、桁材与骨材尺寸和数量为设计变量,以结构应力作为约束条件,以湿甲板结构重量为目标函数,开展砰击载荷作用下的双体船湿甲板优化设计。计算结果表明,考虑结构布局的优化可以以更小的代价实现应力分布均匀化和结构轻量化目标。