非线性规划在船型方案设计中的应用

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，构造出描述船舶优化设计的数学模型。运用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 Optimization Toolbox进行优化计算。计算结果表明，优化船型与非优化船型相比，营运性能将有所提高。     

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。     

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。     

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.     

柴电混合动力船舶能量分配优化方法

针对柴电混合动力船舶多种工况能量分配问题,设计一种兼顾油耗成本和气体排放的船舶能量分配优化计算方法。以某海洋工程船动力系统为研究对象,研究其7种标准工况的特点,提取7种标准工况的功率需求范围。在满足船舶安全稳定运行的约束条件下,以船舶油耗成本和环境成本最小化为目标函数,建立优化模型。采用一种自适应差分进化算法进行优化计算,得出最优能量分配。     

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。为了保证船型方案的可行性,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。     

船舶概念设计阶段多学科和多目标优化研究

船型设计之初,设计者往往会通过船舶多个学科的分析,并从很多船型方案中进行选择比较.该文基于多学科设计优化(MDO)的框架,采用多目标进化算法和决策技术的运用,讨论了船舶概念设计阶段的综合性能优化问题.将船舶总体概念设计按MDO的要求分解为系统控制层和5个子系统,考虑了排水量、综合效率、相对回转直径和造价等多目标函数,采用改进的非支配解排序的多目标进化优化算法(NSGA Ⅱ)和多学科可行解方法(MDF)求出Pareto最优解.然后用逼近理想解的排序方法(TOPSIS)对这些Pareto解进行选优.应用文中的方法,对35 000吨载重量的油船进行了概念设计分析.数值算例表明,综合多学科设计和多目标优化以及决策,能够有效、客观选择合理的船型和主尺度参数.     

基于CFD的Series60船艏型线自动优化

在基于仿真的设计(SBD)方法的指导思想下,提出了基于CFD的船型自动优化方法以实现船型自动优化。该方法主要由径向基函数插值技术实现船体曲面自动变形的变形模块和水动力计算模块组成,水动力计算由CFD-SHIPFLOW软件实现。以Series60船舶的兴波阻力最小为优化目标,利用该方法实现了其船艏型线的自动优化。优化结果表明:对于Series60船型,在满足工程约束的条件下,基于CFD的船体曲面自动优化方法可以获得阻力降低的新船型。     

大型运输船快速性能优化设计

本文从快速性能角度建立优化的目标函数，并考虑了以耐波性摇角的衡准值和操纵性的回转性衡准值为约束条件；借助ＳＵＭＴ优化方法，给出大型运输船的主要尺度，船型系数和螺旋桨的几何要素的优化计算方法，并给出２８００ＴＥＵ船的优化计算实例。     

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。     

粒子群算法的最小阻力船型优化研究

阻力是船舶最重要的性能之一,阻力最小是构建船型的首先目标,当前最小阻力船型优化方法存在阻力大等缺陷,为了得到最小阻力的船型,设计基于粒子群算法的最小阻力船型优化方法。首先对当前最小阻力船型优化研究现状进行分析,并建立了最小阻力船型优化的数学模型,然后采用粒子群算法对最小阻力船型优化的数学模型进行求解,找到最小阻力船型优化方案,最后通过与其它方法进行最小阻力船型优化仿真测试,结果表明,相对其它最小阻力船型优化方法,粒子群算法可以更快找到最小阻力船型优化方案,最优船型的阻力大幅度下降,可以应用于实际的最优船型设计中。     

关于EEDI和最小推进功率综合优化的研究

论文建立了EEDI和船舶最小推进功率综合优化模型。EEDI优化需要满足IMO关于船舶最小推进功率的要求。为了协调船舶降低EEDI与满足船舶最小推进功率之间的矛盾,论文致力于发展一种有效且快速的、船舶最小推进功率约束下的船舶主尺度EEDI优化方法。目标函数EEDI的评估基于中国船舶科学研究中心开发的水动力性能数字化图谱。为了与图谱所涵盖的船型保持一致,论文中的船体变换采用仿射变换和Lackenby方法。为了说明该方法,选取VLCC为研究对象,并选取了不同的优化算法。计算结果表明:EEDI和船舶最小推进功率综合优化模型是合理且行之有效的,优化过程中每个方案都能得到一个光顺的船型。     

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。     

集装箱船自适应舱群配载优化算法

传统船舶舱群配载算法在集装箱分布排列最优计算过程中,忽略了空间分布的约束条件,导致计算结构的适应值非最优值,降低了船舶空间使用率,增加了船舶运输成本的投入。因此,提出集装箱船舶自适应舱群配载优化算法研究。通过建立船舶舱群配载约束条件模型、配载分布数据模型与自适应优化模型,完成对集装箱船舶舱群配载过程中集装箱分布适应量的约束优化,通过对分布适应函数量的条件约束,获得分布最优量,完成优化计算。通过仿真对比实验表明,提出的集装箱船舶自适应舱群配载优化算法,在集装箱舱群配载仿真测试中的配载量大于传统算法的配载量,提出优化算法效果明显,符合实际要求。