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江海
直达
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集装箱
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整体
设计
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江海直达型150TEU集装箱船总体设计,江海,直达,teu,集装箱,总体,整体,设计
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1 船舶设计整体优化船舶设计整体优化船舶设计整体优化船舶设计整体优化ApostolosPapanikolaou 船舶设 计实验室 ，国家技 术大学， 雅典，希 腊 摘 要 船舶设计是一项复杂的工作，需要成功的协调许多技术和非技术性质的学科，以及个别专家研究得出有 价值的设 计方案。 再加上固 有的设计 过程的优 化设计， 即许多可 行的最佳 解决方案 的一个 标准，或 者说一套 标准的基 础上进行 选择。船 舶设计系 统可以看 作是一个 集成了多 种系统及 其组成 部分的复 杂的船舶 子系统， 例如，货 物储存和 处理、能 源 /发电和船 舶推进， 船员 /乘客的住 宿和船 舶航行 子系统 。 单独的 要考虑到 船舶的设 计应真正 解决整个 船舶的生 命周期 ， 它可分 成是传统 概念 /初步设计 、合同和 详细设计 、船舶建 造 /制造过程 、船舶操 作所组成 的各个阶 段经济生 活和废弃 /循 环再造。 很明显， 最佳船是 一个完整 的、建立 在定义之 上的在她 整个生命 周期船舶 系统整体 优化的 结果。但 即使是关 于上述定 义的优化 问题最简 单的部分 ，即第一 阶段（概 念 /初步设计 ） ，是复杂 到 需要在 实践中加 以简化 （ 降低 ） 。 船舶设 计所固有 的优化也 是相互矛 盾的要求 ， 从设计 约束和优 化准则（优 异或目标 函数）产 生的，反 映了各种 船舶设计 的股份持 有人的利 益。 本文提供了一个简要介绍了船舶设计整体优化的方法，定义了通用的船舶设计优化问题并演示了先进的 优化技术 用于计算 机辅助生 成、优化 设计的探 索和选择 的解决方 案。它讨 论提出了 一些典 型的船舶 设计多目 标优化问 题的基础 方法，从 而在增加 载货能力 、提高安 全性和生 存能力、 减少所 需的供电 和改善环 境保护的 方面做出 提高和部 分创新设 计。拟议 的方法来 解决综合 性船舶系 统所存 在的生 命周期的 优化问题 仍然是具 有挑战性 的任务， 但在不久 的将来这 会变得简 单。 关 键 词 ：整体 船舶设计 ；多目标 优化；遗 传算法； 最小敞水 阻力；增 强生存能 力 2 1.全 面 介绍 船 舶 设计 优 化船舶设计在过去更是一种艺术而非科学的 、 高度依赖于经验丰富的造船工程师与各 种基本的、专门的科学和工程学科为良好背景。在设计空间几乎探索使用启发式方法 ，即常通过几十年的试错过程中获得知识的积累。 设计过程的耦合在本质上是设计初始化 ， 即最佳解决方案的缺乏许多可行性的一个 标准或者说一套标准 。 一个船舶设计方法的系统可以考虑作为一个整合了船舶及其部件的各种子系统的复杂的系统 ， 例如 ， 货物存储及处理 、 能源 /发电和船舶推进 、 船员住宿/乘客和船舶导航子系统 。 他们都是明确服务于船体功能 。 船舶功能可分为两大类 ， 即有 效载荷功能和固有的船体功能 （ 图 1） 。 对于货船 ， 载荷功能是与货舱空间 ， 货物装卸和货 物 处 理 设 备 的 规 定 相 关 的 。 船 舶 职 能 是 从 港 口 之 间 以 一 定 的 速 度 安 全 的 运 载 有 效 载荷。 图 1船舶功 能，根据 Levander1单 独 地考 虑 到船 舶 的设 计 应真 正 解决 整 个船 舶 的生 命 周期 ， 它可 分 成是 传 统概 念 /初步设计 、 合同和详细设计 、 船舶建造 /制造过程中 、 船舶操作组成的各个阶段经济生活 和废弃 /循环再造 。 很显然 ， 相对于它的整个生命周期的最佳船是一个完整的 ， 上述定义是生命周期船舶系统整体 1（根据亚里士多德的原则（形而上学）整体论：整体大于各部分之和 ） 优化的结果 。 值得注意的是 ， 从数学上讲每一个上面定义的船舶的生命周期 系 统本 身 的组 成 形式 有 明显 的 约束 和 标准 /各 种复 杂 的目 标 函数 的 设计 变 量非 线 性优 化问题还有待共同优化 。 即使是最简单的船舶设计过程部分 ， 即第一阶段 （ 概念 /初步设计 ） ，在实践中加以简化（降低 2（对还原论的原则可以被看作是整体主义相反，这意味着一个复杂的系统可以通过减少其基本部件接触 。 不过 ， 整体论与还原论 ， 应被视为补充方 3 法，因为它们都需要在实践中妥善处理复杂的系统 ） ）是足够复杂的。此外，船舶设计所固有的优化是设计约束和优化准则（优点或目标函数）产生的相互矛盾所造成的 ， 反映了各种船舶设计的股份持有人的利益：船舶所有人 /经营者、船舶建造商、船级社 /海 岸警卫队 、 监管机构 、 保险公司 、 货主 /货代 、 港口运营商等等 。 假设有一组特定的要求（通常是船东的商船或海军舰艇的任务说明的要求 ） ：船舶需要进行优化成本效益的最高运作效率或最低要求运价（ RFR） 、提供乘客 /船员最高安全性和舒适性、令人满意的 保护货物和船舶本身的硬件 ， 以及最后但并非最不重要的 ， 最小的环境影响 ， 特别是在石油运输方面的海洋污染事故情况和高速船产生的波浪尾流 。 最近 ， 船舶发动机排放和空气污染方面甚至需要考虑进船舶设计和运行中 （ 见海事组织 2008年 ， 2） 。 这些规定 显然是矛盾的并且优化船舶设计必须做出有关合理的决定。 为了使事情变得更加复杂但越来越接近现实，即使是一套集船舶种类、货物容量 、速度 、 范围等规范的设计要求 ， 都复杂到足够要求另一项优化程序妥善考虑到作为一个 工业产品和服务的国际市场或其他船舶运载工具所有利益相关者的利益 。 事实上 ， 船舶设计要求 ， 初步建立在一个主要集中在船舶设计和建造方面具有丰富经验的决策者和试图 表 达 自 己 的 愿 望 和 权 衡 他 们 愿 意 妥 协 的 最 终 用 户 之 间 。 由 先 进 的 欧 盟 资 助 的 项 目 LOGBASED3已经以一种方式进行了、并以合理的方式巩固这种讨论。20世纪 60年代中期以来，随着计算机硬件和软件的进步，在设计过程中越来越多的地方已经应用电脑 ， 特别是多重计算和起草船舶设计元素方面 。 与此同时 ， 首先计算 机 辅助 设 计软 件 系统 的 初步 介 绍与 数 学的 参 数化 设 计空 间 探索 的 基础 上 的交 易 经验 /船舶模型简化为特定类型或船舶设计变量为特定的经济标准 、 优化梯度的搜索技术 （ 墨菲等人 .4， 诺瓦茨基等 .5） 另外 ， 电脑辅助学习上的一个船舶的最小阻力船型优化和最 好的耐波性的行为 （ 水力设计优化 ） 或船舶的中横剖面 /结构设计最小钢重量 （ 结构设计优 化 ） 在 近 几 年 开 始 被 引 入 海 军 建 筑 科 学 界 后 直 到 得 到 成 熟 的 结 果 （ 例 如 ， 见Papanikolaou等 .6， Valdenazi等 .7， Zalek等 .8） 。 计 算 机 硬 件 和 软 件 工 具 已 随 着 它 们 融 入 强 大 的 硬 件 和 软 件 设 计 集 成 系 统 而 有 了 更远、更快的发展，时间已经看到未来船舶设计优化领先于整体的方式，至少在设计 、 建造和营运阶段 ， 通过处理和优化多个 ， 并逐步所有船舶的生活的各个方面 （ 或整船的生 命周期系统的所有元素 ） ；船舶设计整体优化这里我们也应该明白详尽的多目标和多约束的船舶设计优化程序 ， 甚至是减少了整个实际问题的船舶的生命 （ 如概念设计 ） 的各个 阶 段 。 最 近 推 出 的 总 体 框 架 的 “X设 计 ”， 即 “安 全 性 设 计 ”和 “危 险 基 础 性 设 计 ” （ SAFEDOR9， Vasalos10， Papanikolaou（教育） 1） 、 “提高效率设计 ”、生产设计 、 设计学科操作等 。 解决整体上船舶设计优化问题表明需要对方法的必要性和成熟的方法和计算工具的可用性（ Papanikolaou等 .12） 。 4 在遗传算法 （ GAs） 与微观尺度勘探和基于梯度搜索技术的实用功能设计评价技术相结合 ， 使用本文作为一个先进的通用的类型用于生成和识别 ， 通过有效的优化设计优化技术探索大规模，非线性设计空间和众多的评价标准。 微观尺度探索是基于梯度的搜索技术和实用功能的设计评价技术 ， 结合在其中的遗传算法 （ GAs） 的使用在本文是作为一个先进的通用型优化技术用于生成和识别 ， 通过有效的优化设计优化技术探索大规模 、 非线性设计空间和众多的评价标准 。 这个通用的 、 多 目 标 优 化 船 舶 设 计 的 一 些 应 用 通 过 使 用 该 方 法 设 计 的 船 舶 设 计 软 件 平 台 实 验 室NTUA（ NTUA-SDL） ， 整合各种应用软件工具的方法和行之有效的海上建筑和优化软件包作为所必需的稳定性 、 阻力 、 耐波性评价 ， 结构完整性等 。 在所列出的参考文献 （ Abt etal.13） 可能会发现 。 下面的例子是或可能是突出最近完成或正在运行的欧盟资助的项目涉及 NTUA-SDL的推断 。破 波 高 速 单 体 的 最 小 阻 力 和 最 佳 耐 波 性 的 船 型 优 化 （ VRSHIP-ROPAX2000， 14,15） 。高速单体和双体最小兴波阻力船型优化（ FLOWMART， 16,17） 。优 化 RoPax船 的 水 密 分 舱 从 而 增 加 破 损 稳 定 性 和 生 存 能 力 和 最 稳 定 的 结 构 重 量 （ ROROPROB， 18,19） 。优化海军舰艇船从而增加生存能力一方在波浪中破损和应用最小结构重量 20。优 化 浮 动 液 化 天 然 气 终 端 以 减 少 对 终 端 的 背 风 面 的 运 动 和 波 浪 衰 减 （ GIFT， 21,22） 。物流为基础的优化船舶设计（ LOGBASED， 3,23， 24） 。基于风险的增加货运能力和对环境影响最小的阿芙拉型船设计的优化 (SAFE-DOR, 7,25)。通过使用遗传算法和其他程序 ， 对于一般的概念和多目标最佳化的细节 ， 参考卢卡斯 26和 森 27。 安德 鲁 斯等 人 最近 提 交了 对 现代 船 舶设 计 方法 和 计算 机 辅助 设 计程 序的最新综合报告。 28和诺瓦茨基 29。总之 ， 本文提供了一个简要介绍船舶设计整体优化方法 ， 定义通用的船舶设计优化问题 ， 并演示了遗传算法和在改进阶段探索和选择发电相关技术的使用设计 。 它讨论了 对两种典型的多目标优化问题的基础上的船舶设计优化方法 ， 即高速船船型优化 ， 可降低由于波浪冲洗所造成的供电和环境影响 ， 滚降 （ RO-RO） 渡轮的最佳化为最小结构重量 /提高运输能力和和碰撞损害的情况下提高生存能力。 2.通 用 船舶 设 计 优化 问 题在船舶设计整体优化中我们应该详尽的数学化的理解多目标、多约束优化程序 ， 以 最小的减少整个实际设计问题 。 通用船舶设计优化问题 ， 其基本元素可以被定义为如下 5 （见图 .2） 。 图 2通用的 船舶设计 优化问题优化标准 （ 优异功能 ， 目标 ） ： 这指的是对数学上定义的性能 /效率指标清单 ， 这个清单可最终成为一个经济标准 ， 即最初的投资利润 。 单独地 ， 有可能是没有直接提及经济指 标制定的优化准则（优异功能或目标 ） 。对于一个特定的 X船舶功能优化研究，像在静水和波浪中的船舶性能 ， 船舶安全性 、 包括疲劳强度的船体强度等 。 船舶设计的优化准则是一个复杂设计参数的非线性函数 （ 设计变量的向量 ） 和计算机辅助设计程序中由程 序定义的通用算法。 约束 ： 这主要是指一对数学定义的由有关安全监管框架产生的 （ 主要是船舶防污国际海上人命安全公约和法规）标准清单（以数学等式或不等式的形式 ） 。这份清单可以延长 由不确定性特点的实际值形成的第二组准则 ， 这由市场条件 （ 商船的需求和供应数据 ） 、主要材料成本 （ 船舶 ： 钢材 、 燃料 、 工艺成本 ） 、 预计的财务状况 （ 资金成本 、 利息率 ）和其他具体案件的限制来确定 。 应该指出的是 ， 后一组标准往往被视为一组输入数据的 不确定性的优化问题集，并可能对概率评估模型的基础上进行评估。 设计参数： 这指的是参数（设计变量的向量）表征下优化设计名单： 这包括船舶设计船舶的主要尺寸 ， 除非获得船东的要求 （ 长度 、 型宽 、 型深 、 草案 ） 规定并有可能延长 到包括船舶的船型 ， 在空间和 （ 主要 ） 舾装的 （ 主要 ） 结构元素和 （ 主要 ） 网络元素安排（配管，电气等 ） ，根据不同的拓扑几何模型与船舶的设计参数的可用性，以一个通用的船舶模型进行优化。 输 入数据 ：这首先是包括传统的所有者的规范 /要求，这对一艘商船来说就是所需的货物容量（载重吨和有效载荷 ） 、服务速度、续航力等，并可能辅之以影响船舶设计和经济生活的进一步的各种数据，如财务数据（利润预期，利率 ） ，市场状况（需求和供给 6 的数据 ） ，主要材料（钢材和燃料）等费用。输入数据集可能包含除了大量参数也包含更多的通用数据类型的知识，像在在计算机辅助优化过程中的绘图（船舶总布置图 ） 和定性的信息必须适当列入翻译。 输 出 ：这包括一整套设计参数（设计变量的向量）为其指定的优化准则 /择优功能获得数学极端值（最小值或最大值 ） ；多准则优化问题的最优设计方案就是所谓的帕累托前沿 ， 并可能在由决策者 /设计师权衡的基础上选出 。 一套策略和技术可被利用为探索和做 出帕累托设计方案的最后选择。 在数学方面，多目标优化问题可表述为 1 2m in (), (), (), () 0 () 0Tn l ug h = 条 件 为 和 和其中 i是第 i个目标函数， g和 h是一种分别是不等式和等式约束， 为向量的优化或设计变量 。 对上述问题的解决是一个帕累托解集 ， 即解决方案在至少有一个其他目标没 有恶化下 ， 在一种条件下改善就不可能实现 。 因此 ， 多目标优化问题 （ 理论上 ） 有无限的解决方案而不是一个独特的解决方案，即帕累托一整套解决方案。 多 目标遗 传算法 （ MOGAs） 与微观 尺度探 索基于 梯度的 搜索技 术和实 用功能 的设 计评价技术相结合的应用 ， 通过有效的探索大规模 、 非线性设计空间和船舶设计中产生的 众 多 的 评 价 标 准 ， 先 进 的 应 用 在 本 文 作 为 一 种 生 成 和 识 别 优 化 设 计 的 通 用 性 优 化 技术 。 该通用 ， 多目标优化船舶设计一些应用通过应用雅典国立技术大学的船舶设计实验 室 3的设计软件系统 ， 整合海军构造软件数据包 RNAPA4， 优化软件 Rm odeFRONTIER5和各种应用软件工具 ， 作为稳定性 、 抵抗性 、 耐波性等评估的必要 。 在所列出的参考文 献中可能会发现（见图 .3，一个普通的方法来优化问题的通用船舶设计草图 ） 。 7 图 3解决船 舶设计最 优化问题 的通用程 序引 进 通 用 的 船 舶 设 计 雅 典 国 立 技 术 大 学 的 船 舶 设 计 实 验 室 的 优 化 过 程 中 应 用 的 几个典型实例，并在下面的有关评论 中 简要介绍。 3.典 型 的船 舶 设 计优 化 问 题3.1.关 于 动力 估 计 和尾 流 的 高速 船 体 形式 优 化 3.1.1.问 题 概述船舶的水动力性能表现在速度、动力估计、耐波性特点，可操作性是非常重要的 ， 尤其 是高速 船（ HSC） 。直 到最近 发生波 浪震动 既没有 让船舶 设计者 也没有 让船舶 经营者担心 。 由于对海洋环境和沿海地区安全活动的影响 ， 目前驾驶海事当局考虑为高速船操作申请一个尽可能合理的大型高速船波浪标准的简介。因此，至少在高速船的设计 、 减少尾流已成为船的水动力性能的主要要求以及其他传统的水动力的目标。 从概念上来看 ， 细长船型被认可其有良好的抵抗性和波浪特性 。 增加双体船的间隔距离一般会造成洗兴波阻力和尾流的减少 。 遗憾的是船只的主要资料的选择是众多因素 和制约因素协调 ， 因此不能仅根据尾流的要求来决定 。 因此 ， 当定义了船舶的主要事项和进行了船型开发，在设计过程中最好是在整合的第一阶段采用尽量减尾流的方法 ， 这正在成为一个先决条件从而减少监管航速的局限性影响 ， 这将大大损害船舶最终的潜在 效益 。 如果这种方法是有效的 ， 就可得到一个可靠的预测尾流的数值方法 。 虽然波浪尾流预测根本不是一个简单的问题 ， 尤其是在半规划和规划条件下的船只 ， 在软件开发工具的发展下计算流体力学有了最新的进展 ， 要么基于信任度好的开尔文或可被应用的 兰 8 金 资源分布 。 在综合设计环境下合并出这种数值工具是本文介绍工作的主要目标 。 在一个多目标优化问题的框架下构想出的船舶设计计算方法 ， 其中减少尾流就是目标函数之一 ， 这种计算方法允许正式优化方法的应用 ， 推导出受业主的要求和技术和监管限制的 最佳船型 。 其他的目标函数可能是船只的抵抗性 ， 适航性 ， 动态稳定性等 ， 提供足够的数值工具是为他们提供可靠的和有效率的计算 。 此外 ， 优化准则反映了船舶的经济潜力 ，也可以使用如建设和运营成本、运输能力、净现值或必须的运费率。 目 前 雅 典 国 立 技 术 大 学 的 船 舶 设 计 实 验 室 的 研 究 主 要 集 中 在 将 功 率 估 算 和 过 度 波浪冲击造成的环境影响降低到最小限度 。 因此 ， 总阻力和波浪冲击的最小化限制了目标函数的选择 。 为了进一步简化计算 ， 无论是喷水推进器还是螺旋桨 ， 该船只的推进系统 对波浪冲击产生的影响都省略掉了 。 遗漏的目标函数在强加的不变运输能力条件下反映了船舶经济表现的正确性 。 在实践中这需要由最低限度的滚装货物甲板面积和恒定的排水量来确定。 选定的目标已接近如下： （ a）总 阻力近 似等于 兴波阻 力和摩 擦阻力 的和， 其中摩 擦阻力 的计算 由国际 船模 试验池会议上的摩擦阻力系数公式算出 。 船舶流体力学设计分析软件 RShipflow6作为一个著名的商业计算流体力学的软件被用作兴波阻力和船尾波的计算 。 自从兴波阻力和船 尾波有必要考虑下沉和流动效果的影响时，进行了非线性迭代计算。 （ b） 对于 第二个 目标函 数，一 个适当 的 船尾 波 测量 标准应 该 取决 于对不 同类型 的波浪影响进行评估 ， 从而被每个 特定的应用 选择出来 。 在本研究中 ， 一个简单的波浪评 估方法已经被采纳 ， 主要目的是 证明 的优化概念的潜力 ， 沿着纵波从船的中心线一定距离切割 即为平均波高 W。 21 22 11 (, )xxW xydxx x = （ 1） 其中 (, )xy 是波高 ， 而 1x和 2x是沿一 个海蚀积分区间的起点和终点 。 可供选择的尾流 标准可以很容易 被引进到 优化程序 中 ， 如当地发生的最大波高 。 波得周期和波长可能也被 引进，连同波高获得尾流标准来表达当地的波能量密度。 对于此优化问题的解决方案 ，通用过程概述图 .2已被应用。3.1.2.参 考 船只 为示范概述的两个已选定 的 参考高速船只 的 优化过程 ， 即一个高速单体 船 和 一个 双体 船。有 关工作 已 经 在 内 部的欧 盟资助 的项目 快 速低浪 沿海运 输 16,17进 行了。 选定的单体船 是 由勒鲁船厂 制造的 海盗 11000， 该船的主要技术特征见表 1。 9 表 1选定的 海盗 11000单体船 的主要特 点总长 102m 运输能 力 566名乘客 和 148辆 汽车水线间 长 87.5m 推进功 率 4 6500KW 船宽 15.4m 主机 4MTU20V1163TB73L吃水 2.5m 柴油发 动机服务航 速 37节 推进器 4KaMeWa喷水推 进器 在 FLOWMART工 程 的 实 施 下 SIRHENA进 行 的 上 述 船 只 的 模 型 试 验 ， 试 验 采 用1:30的模型，在一个宽 5m深 3m的拖曳水池中进行，相当傅汝德数为 0.641 hFn= 。由于在拖曳水池宽度较窄 ， 反射波预计将显著影响船尾波的测量 。 因此 ， 计算是船舶在无 限水面宽度和 90m深度 （ 满量程 ） 的条件下进行的 ， 还有一个与拖曳水池的尺寸通道想对应的宽度和深度 。 在距离船体中心线 0.25L和 0.5L的横剖面预测结果和测量结果的比较结果显示在图 .4和图 .5中。 图四 0.25L处横剖 面预测结 果和测量 结果比较 图 50.5L处横剖 面预测结 果和测量 结果比较在波浪剖线的第一部分和从船首近似三个船长范围 ， 数值预测的有限通道宽度的影响是比较薄弱的 。 在远处的船尾 ， 船舶在通道中的预测要大大好于试验的测量值 ， 这种 效果显著增强。一个非常陡峭的波峰，大约从船首两个船长范围处，可观察到在 0.25L处产生波浪削减的实验结果。这波峰大约比数值预报高出 50以上。在 0.5L处也出现了明显的波浪削弱的现象，在试验测量值中可观测到一个从船首 300m到 400m的陡峭 10 的波产生的数据显著的预测这一结果。 第二个选择的船只是高速双体船 RedJetII， 由 FBM设计 。 该船的主要技术特点列于表 2。 表 2高速喷 射双体船 RedJetII主要特 征总长 32.9m 服务航 速 33Kn水线间 长 29.58m 运输能 力 120名乘客 船宽 8.32m 推进功 率 21360KW片体宽 度 2.27m 主机 2MTU12V396TE84吃水 1.133m 推进器 2MJP650喷水推 进器 这条船的长度傅汝德数等于 0.97并工作在规划区域 。 挪威船舶技术研究所对上述船只 进行了 模型试 验，同 样也包 括了快 速低浪 沿海运 输 16， 在比例 尺为 1:12.5， 速度范围为 10节到 33节 ， 并且水深相当于 3.75m、 7.5m、 15m、 和 37.5m（ 满量程 ） 。 在 30kn 的速度和距中心线 0.845L横剖面的预测对比测试结果比较列于图 .6和图 .7。 图 60.845L和 7.5m水深处 横剖面预 测结果和 测量结果 比较 图70.845L和 15m水深处 横剖面预 测结果和 测量结果 比较数值计算结果与试验测量值之间令人满意的一致，从船首达到 5.5倍船长。在远处的尾部 ， 可以看出两条曲线之间的巨大差异 ， 可能是由于邻近船尾处对自由表面板架区 域的限制。 1 船型开发 所开发的优化程序是基于通过使用 RNAPA产生的可替代船舶参数。仔细识别最适 合的设计参数以及它们的变化适当的范围 ， 是需要确定生成了可行并有效的船型 。 对于单体船船型的产生是受到由一组点和倾角控制的 。 通过这些点创建一个网格从而定义船体。典型的船型透视图见图 .8，其中包括栅格和定义点。 图 8网格定 义和产生 的船体形 式对于双船体的情况下，两步船型开发程序获得通过。首先，辅助船型已被推导出 ，此外再使用适当的定义点 （ 见图 .9） 。 这船体的特点是贯穿整个船长有一较长船体折角线 ， 并在底部和侧面以直线段通过横截面。两个过渡曲线，然后投影在侧面和底部（如图 .9虚线所示 ） 。 一个新的栅格定义最终船体被创建时 ， 在两条过渡曲线之间绕行出横剖面 。适当的宏指令已发展到充分利用 NAPA宏语言方便船型参数化建模 。 在创建了船体的形 式之后 ， 其他的宏指令被执行去检查遵守情况与几何约束并准备适当的输出文件 ， 这种文件经过船舶流体力学分析专用软件 Shipflow的处理， 用适当的方式来描述几何学。 图 9双体船 网格定义 和产生的 船体形式3.1.3.结 果 优化 在以下各节对上述半排水量单体船和高速双体船船型优化的典型结果进行了讨论 。3.1.3.1.优 化 单体 船 。 关 于 船尾 波 估测 出 的平 均 波高 得 散点 图 与总 阻 力 TR（ 估 算公 式 T F WRRR= +） 相对抗产生的设计被表示见图 .10。 原始船舶相应的测试值 （ 根据船舶流体力学分析专用软件的计算）都以密集的源泉显示在右上角的图中。 12 图 10总阻力 和波高散 点图一些 具有良 好动力 特性 的设计 是被认 可的。 与原始 船相比 较，得 到阻力 ，船尾 波的测量值和最大波高的减少列于表 3。类似的比较可从在位于距离船体中心线 0.25L和 0.75L横剖 面处的 波的削 减计算 中得到 。对应 着最佳 结果的 边界线 （ “帕累 托前沿 ”）如图 .10所 示。所 有位于 该行的 设计都 被认为 是 “最 佳的 ”， 因为这 不可能 在提高 船舶的 一个性能方面的标准而不影响其他方面的性能 。 在这条线之间的设计中选择出最适合的解 决方案是设计师的责任 ， 主要根据他的经验 ， 并可能做出进一步的评估标准 。 决策者支持像有使用功能的技术工具，它在前沿模式下被应用为在本次选择程序中辅助设计者 。表 3比较的 结果 RT（ KN） 差 值 % W（ m ） 差值 %最大 可能垂向破损 H（ m ） 差值 %原船 500.50 0.2050 1.05150 47号船 449.3-10.2 0.173-15.6 0.8840-15.9118号船 464.3-7.2 0.160-22.0 0.789-24.9282号船 494.4-1.2 0.155-24.4 0.7473-28.9 列于图 .1中的结果被计算在潮湿表面上应 用 2686面板和在自由表面上 用 23345面板 。 一套最大的四次迭代数集导致每个船只应用 1000个 XP工作站造成大约 630秒中央处理器时间 。 表 3给出的结果已具有较大的自由表面排版面积编辑器 。 相应的 ， 与其 相一致的几乎 100的计算机能力 （ 27742自由表面板 ： 7602秒的 CPU时间 ） 。 在所有船只 九次迭 代后就 已经收 敛。注 意到在 表 3中测 得的平 均波高 W也需 要为一 个较大 的集合间隔做出重新计算 （ 当其船尾部在波浪削弱的零交叉点位置时 ， 这位于靠近船首后 面的 500m处的点 ） 。 与其相应的在船型轨迹 Lpp/2处的波浪自由表面的正视图见图 .1。 13 图 1 Lpp/2处自由 表面高度 比较3.1.3.2.双体船的优化 。 对于选定的高速双体船进行了一系列的优化研究 。 在最后的优 化 阶段 图 表显 示 对于 每 个试 验 过的 船 只， 已 获得 的 船尾 波 估测 平 均波 高 与总 阻 力 TR比较见图 .12。 与原船 （ 根据流体力学分析专用软件 shipflow的计算 ） 相应的测试值用浓密 的实心圆圈表示。应该指出的是原始的 RedJetII已经仔细的被设计为低阻力和低船尾波的船型 ， 它是从一开始就预计 ， 已经实施的最优化很难再获得进一步的改善 。 至少对于 阻力 来 说， 这 已证 实 最大 获 得的 减 少量 依 次为 0.7%的 试验 结 果。 然 而， 许 多波 浪 特 性良好的船型都可在图 .12中确定得到 。 其中 ， 船尾波测得的平均波高 W减少了 13.8的 船 号 为 98B15W的 船 舶 和 总 阻 力 实 际 上 是 等 同 于 原 始 的 或 者 还 可 能 被 认 为 是 一 个 强大的可供选择的原始船型 。 相对于原来的船只 ， 在阻力 、 船尾波的测量和最大波高获得 的减少均被记载在表 4。 14 图 12高速双 体船总阻 力和波高 散点体98B15W号船舶的计算运行整理等同于由船首 0.163。为了研究对生成的船尾波运 行整理的影响 ， 一些列这种船的变体船被测试 。 在零运行整理下的一种变体 （ 98B125W号船舶）的结果被列入表 4。 表 4比较的 结果 RT（ KN） 差值 % W（ m ） 差值 %最大 可能垂向破损 H（ m ） 差值 %原船 64.090 0.116 0 0.5460 98B15W号船 63.65-0.7 0.100-13.8 0.462-15.498B125W号 船 63.76-0.5 0.105-9.5 0.496-9.2应 用 湿 表 面 上 的 2 348面 板 和 自 由 表 面 上 的 2 1763面 板 而 计 算 得 出 的 结 果 见图 .12。五次迭代的最大数集导致了每条船大约 310秒的处理时间。在一个大的自由表 面排版区域 （ 2 845自由表面面板 ： 34960秒得中央处理时间 ） 和十次反复迭代计算出了结果并呈现在表 4中 。 表 4船尾波测得的平均波高已经再次为一个更大的积分区间计算，这与图 .12中的数值相比较产生了明显的降低。相应的位于船舶中心线 Lp/2处 的剪切波自由表面主视图见图 .13。 15 图 13双体船 Lpp/2处自由 表面高度 比较3.1.4.结 论 可以证明的是先进的程序为各种各样高速船船型的发展提供了有价值的设计工具 。应用局部形状 的 不断变化 ， 并根据速度 、 位移 、 设计水线 长度 和间距 （ 对于双体船的情况 下） 的 假设 ， 根据 数 值表 示 的船 尾 波预 测 ，最 大 获得 的 波高 下 降为 单 体船 的 30%和 双 体船 的 15%。 注意 到 ，这 两 个具 有 良好 水 动力 性 能和 市 场性 能 的原 始 船都 被 精心 优化设计。该方法允许目标函数的进一步引入和与设计师在日常实践中的需求相一致 。 为更低的速度设计的其他各种船舶 ， 这种应用呈现出简单的甚至更少的问题 ， 因为的合适 的流体力学软件工具可以更好的对简单的平静水面流体力学进行评估 。 最优化程序呈现出 的 结 果 的 正 确 性 严 格 依 赖 于 准 确 的 数 值 处 理 方 法 被 应 用 为 对 可 供 选 择 的 船 型 的 流 体动力学的评估 。 虽然从有效地实验测量值中的数值预测的比较中得出的结果表明了令人 鼓舞的一致 ， 但是需要对完善数值方法的应用做进一步的验证工作 。 同时使用关于评估船舶阻力和波浪特性的势流理论做出了重大的简化 ， 即使预测到方法不能对目标函数的绝对值（特别是关于船舶阻力）做出非常准确的结果，它仍然是一个相当有用的工具 ， 特别是在设计的初步阶段 ， 它启用快速设计空间探索和协助设计师在不好的设计中区分出好的并且在正确的执行顺序下分类可供选择的设计解决方案。 3.2.对滚装客船舱间布置优化从而增加安全性和效率 3.2.1.问 题 概述大约在 35年以前 ， 概率破舱稳性控制概念 （ A.26530)， ） 作为可替代具有决定性 的海上人命安全公约 74条被引进了，它一直被认为是朝着评估船舶破损后的稳定性的 16 合理化迈出了重要的一步。在 209年 1月 1日，新的海上人命安全公约破损稳定性条例生效，它适用于完全以概率性概念为基础的任何客船或任何类型的货物的新建筑 。 因此设计师现在要强制学会运用概率性的概念来工作 ， 相对于传统的确定性的概念 ， 这个 非常复杂且难懂的 。 相关的计算来那个相当大并且只能应用专门的软件程序 ， 这需要它与其他的船舶设计软件工具和优化程序接口并用。 这 种 设 计 经 验 和 系 统 研 究 的 不 足 激 发 了 基 于 概 率 性 规 则 的 滚 装 客 船 ROROPROB18的优化欧洲联盟资助的项目 。 基于概率破舱稳性规定的项目于 203年完成，它的目的是 制定和实施的滚装客船细分综合优化设计方法 。下 面 的 概 述 是 与 雅 典 国 立 技 术 大 学 的 船 舶 设 计 实 验 室 基 于 概 率 性 规 则 的 滚 装 客 船 ROROPROB项目有关 ， 它基于破舱稳定性评估的概率方法 19， 指的是 一个正式的多目标的滚装客船内部 分舱 优化程序 的 开发 。 最优化的目标是依据同时增大载重量和车库甲板空间使船舶抵抗倾覆的能力达到最大化 ，这由船舶的分舱指数和运输能力来表达。 另外，获得的分舱指数 7可能会被看做是（通过表单获得分舱指数 需求的分舱指数）一种约束 ， 并且可能对运输能力的最大化和建造成本的最小化进行优化 ， 这是一种更接近船东观点的方法。 建造费用的减少被认为主要是钢材重量最小化的结果 。 除了结构重量之外 ， 甲板一下的水密舱室的细分数量的减少，同样也包括设备费用的减少均被认为有重大的影响 。3.2.2.程 序 的概 述 所 采 用 的 程 序 是 基 于 一 个 著 名 商 业 船 舶 设 计 软 件 （ NAPA） 和 通 用 优 化 软 件 包（ m odeFRONTIER） 的 集成 。 在通 用的解 决方案 中概述 的程序 框架图 .2中 。 根据 假设的船型和给定的主要布局概念 ， 船舶的水密分舱是在大量设计变量和设计参数的基础上 自动生成的 。 对于每个设计变量 ， 获得的分舱指数与全部运载工具的航线长度保持在较低的水平并且钢材重量达到的主甲板的顶端一起都要被计算 。 已 采纳 的程序的主要特点在以下各节 中 概述。 3.2.2.1.舱室内部布置的参数化发展 。 基于一些列设计变量 ， 为了船舶内部的水密布置的产生已经创造了适当的船舶设计软件指令，并形成了所谓的 “ 设计空间 ” ，同时除此之外用户还提供了一整套的设计参数 。 在优化的过程中多样设计变量系统更新 ， 在前沿 模式下应用适当的实用程序来完成设计空间的探索 。 用户提供的设计参数被用来定义局部船舶的完整装载条件和满载出水，同时为各种各样的运算（结构重量计算的比重 ， 运载工具的尺寸为计算航道的长度 ） 提供了必要的数据 。 在优化过程中设计参数始终保持 不变 。 挑选出来的工程量可能被视为设计变量或参数 ， 这需要根据用户的意图或每个设计方案的具体要求而定 。 例如 ， 在特殊情况下 ， 如水密分舱的优化要受到船舶前段的轮机舱的限制，用户可能将定义尾机型船舱室布置的相应的设计变量作为参数。 17 继 内 部 布 局 的 产 生 后 ， 程 序 在 每 个 设 计 变 量 的 估 测 下 继 续 充 分 应 用 船 舶 设 计 软 件NAPA有效的计算能力 。 适当的 NAPA指令已经被发展为控制破舱稳性分析 ， 并用来计算结构重量和运输能力 （ 依据载重吨数和航线长度 ） 并验证每个设计的一致性 。 由上述 过程产生，同时包含中央和舷侧在主甲板上的安排的特点设计均见图 .14和图 .15。除了主壳 ， 在船尾主甲板处的小的双舷侧都可以在总布置图中见到 。 所有较低货舱 （ 靠前或靠后 ， 如果有的话 ） 的纵向和横向范围 ， 横向舱壁的位置 、 垂向位置 、 双层底的范围和 所有其他内部舱室布置的细节都由设计变量控制 。 在本研究中提出的 ， 43种设计变量 和28种设计参数一起是用来定义船舶内部布置的 。 根据用户的选择 ， 设计变量的子集 用 来定义设计空间，而其余的变量 在优化过程中 保存在固定 不变。 图 14中央和 舷侧在主 甲板上的 布置 18 图 15侧后布 置较低的 设计变种3.2.2.2.破舱稳性计算 。 根据概率破舱稳性的概念，获得的分舱因数的运算已经进行 。尽管我们处理的是滚装客船，所得的结果是 根据海上人命安全公约第 25部分的 B-1， 但这 原本适用于货船 。 然而 ， 发展的优化程序可以很容易地 延伸 到 解释 最新统一的 由船舶设计软件包审议的 概率 破舱稳性构想 （海上人命安全公约 209） 。3.2.3.3.优化程序的执行。 该优化程序的协调通过使用 m odeFrontier 软件包来执行 ， 提 供了定义和计算控制链和必要的外部软件集成的方法 。 一个图形用户界面被用于实施和逻辑的优化方案审查（见图 .16） 。输入变量以及它们的变化区间和必要的设计参数，均被定义在相关的出入文件中 。 相应的外部应用程序的链接已经在批处理文件的帮助下确 定了 ， 这种链接优化软件 m odeFrontier 控制程序的执行并在网络各种路径和电脑之间上执行必要的数据传输 。 适当的优化调度程序的选择取决于特定的需要解决的问题 。 在我们的案例研究单一和多目标遗传算法（ MOGA）已被使用。为了优化程序输出的分析 ， 由 m odeFrontier（平行图，散点图和分段划分）所提供的各种选择进行了研究。后者是用来评估每个输出值的输入变量的重要性。 19 图 16为提高 滚装船的 效率和安 全性应用 的多目标 化的逻辑 方案3.2.3.案 例 研究 系统化的案例研究已经将上述程序适用于抽样滚装客船（图 .17） 。船舶的详细资料及 两个 初 始荷 载 条件 （ 完全 和 部分 负 荷） 的 定义 列 于表 5。 横倾 角 的计 算 仅限 于 60和 没有向下浸水的开口均在这里介绍的案例研究中界定 。 舱组的 渗透设置等于 0.90； 轮机舱是 0.85，并且其他的空间设置为 0.95。 图 17所选的 船体形式 滚装船渡 轮 20 表 5船的特 殊要求及 加载条件总长 193.6m垂线间 长 176.0m 型宽 25.0m型深（ 参考） 9.100m设计吃 水 6.550m 满载吃 水 6.520m满载排 水量 17520t满载参 考稳性高 GM 2.440m 部分负 荷吃水 5.884m部分负 荷位移 14880t部分负 荷参考稳 性高 GM 1.830m 3.2.3.1.多目标优化是为了分舱指数 A和运输能力的最大化和结构重量的最小化 。 在所提 出 的优 化 研究 已 处理 了 获得 的 分舱 指 数 A和 航 线计 程 的最 大 化， 而 结构 重 量缩 到 最小 。 很明显前两个目标是矛盾的 ， 因为分舱指数 A的最大化需要密集的分隔 ， 而这将限 制较低的可浸长度 ， 从而限制了全部的许用舱长 。 该结构重量的最小化也与分舱指数 A的最大化的目标相矛盾 。 对于适用的方法示范 ， 在主甲板中央套管配置的结果列在下面（见套管的配置评估 3.2.3.2） 。 船舶的舱室内部布置优化受到前部的主机舱区域的限制，船尾部分保持固定安排 。优化程序的逻辑计划如图 .18所示。描述前部主机舱的舱室布置的 7个设计变量被选定来定义设计空间（自由变量 ） 。约束分舱指数的最小容许值已经被应用。多目标遗传算 法（ MOGA）优化调度已被选定为实际的优化，设计了 42个随机产生的初始种群。若干初始设计是根据经验法则估算出来的，经验法则建议 “2变量数目 目标数目 ”。为定向过零技术 0.5抽选概率 0.5突变概率 0.1的 30个改进阶段的优化进程随后被发起 。 这 项研究的帕累托设计结果载于图 .19-21。 图 18逻辑设 计的程序 开发的案 例研究。 21 图 19帕累托 图的最大 指标分散 和 最小结 构重量 的比较 。 图 20帕累托 图的最大 指标 A与 最大 许用长 度的比较 2 图 21帕累托 图的最大 长度 与 最小分 舱 结构重 量 比较设 计 值 最 好 的 选 择 除 了 生 成 的 帕 累 托 设 计 可 能 被 多 准 则 决 策 技 术 E.STE.CO（ 2003） ， “m odeFrontier 软件 v.2.5.x”， h tp:/ww.esteco.it/的效用函数的支持 。 假 设这三个目标平等，主要外壳设计的排列见图 .22。由此产生的最优设计（编号 782） 综合布置如图 .23所示。 图 22滚装船 权重安排 目标 23 图 23船中央 套管滚装 船优化设 计 (782号 ):统一权 重的目标当给 予更高 的载货 能力优 先权（ 许用舱 长 ） ， 这被 认为更 接近潜 在船东 经典设 计的 期望 ， 航 长度为对船舶的经济价值产生直接影响 ， 然而 结果改变 了 ， 要达到的分舱指数刚刚超过了安全法规 ， 如图 .24和 图 .25所示。 24 图 24滚装船 船中分布 :非均匀 权重的目 标。 图 25船中央 套管滚装 船优化设 计 (651号 ):统一权 重的目标3.2.3.2.中间和两侧外壳结构的比较 。 当对中间和两侧外壳结构进行优化 ， 从获得的结果中比较如图 .26-28所示 。 从这些数字可以观察到两侧外壳的结构可能导致运输能力的 大大增强 ， 并结合这分舱指数的明显增加 。 运输能力的增加主要归因于主甲板面积更有效地利用 。 此外 ， 双舷侧的存在 ， 对船舶在受损下的稳定性特征产生积极的影响 ， 使较低的船舱区域同时要满足增加的获得的货舱因数的需求成为可能 。 从比较中可观察到关 25 于结构重量的两种设计概念之间没有显著差异 。 但是 ， 应该指出的是 ， 此处结构重量计算是根据船舶的各个分段预定义的具体每平方米比重 ， 无论选择的设计理念如何 。 在这方面 ， 比较可能会在一定程度上偏向侧面的结构 ， 考虑到中间外壳的布置本身可增加结 构刚度 。 在实践中 ， 较重的横梁 ， 深纵向大梁和许多柱子都需要支持侧面外壳的甲板重量。 图 26 图 27 26 图 283.2.4.结 论 一个多目标优化过程已经提出，旨在协助在初步设计阶段帮助滚装客船的设计师 ，当研究了水密分舱的内部布局后 ， 考虑到概率破舱稳性规定和效率方面的影响和建设成本 。 所开发的程序是基于 m odeFrontier， 应用船舶设计软件 NAPA而产生的一个多目标 的和协同设计优化 ， 它是一个著名的海军和通用建筑设计软件包 。 从上述程序应用的结果显示它作为一种有用且实用的设计工具的可能性 ， 从而使设计师能够系统的并在很短的时间评价许许多多的可供选择的设计 ， 并使它服从各种各样的和船舶的效率和安全性 相关的约束和目标函数。所开发的程序既可被用作船舶内部从无到有的划分的产生 ， 也可被用作显著改进现有的设计 。 它允许设计者获得更好的设计空间的概览 ， 并取得了较好的设计目标矛盾的妥协 。 为了评价每艘船 ， 在每一船的破舱稳性的概率计算方法都需 要 大 量的 评 估， 这 导致 了 用一 个 2.4千 兆 赫的 奔 腾 4个 人 电脑 微 处理 器 计算 时 间约 3.5分钟 。 近几年 ， 这种计算时间通过使用更多的在可利用的功效强大的电脑可能被显著的降低 ，结果 显示最 初在 2003年产 生的。 上述程 序扩展 到其他 类型船 舶直接 的出现 ，尤 其是像货船这样布置较少的，因为他们可以通过显著减少分隔设计参数而生成。 4.结 论 及未 来 导 向 本文提供了一个简要介绍了船舶设计整体优化的方法 ， 定义了通用的船舶设计优化问题 ， 通过应用 遗传算法和发达的综合性船舶设计优化过程 论证了它的解决方案 。 这适用于两个不同的例子 ， 即水动力性能的优化和高速船舶的环境影响和滚装船舶 强生存能 力和运输效率 的优化 。 结果表明 ， 多目标数学优化方法是非常宝贵的工具 ， 它可大大提高船舶设计质量 ， 即使是采用传统方法已经优化过的船只 。 可能发现目前
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