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江海直达型150TEU集装箱船总体设计【含5张CAD图纸、说明书、开题报告、翻译】
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毕业设计（论文）中期检查表 班级学号姓名指导教师毕业设计（论文）题目江海直达型 150TEU 集装箱船总体设计毕业设计的主要工作内容和计划进度(由学生填写)目前已完成工作情况(由学生填写)存在的主要问题和解决方案(由学生填写)设计内容：（1）调研收集分析有关资料，提出设计任务书（2）确定船型方案和主要船型参数（3）完成布置方案设计，绘制总布置图（4）完成型线设计（5）航速、螺旋桨设计（6）完成静水力、干舷、稳性估算计划进度：2011 年 3 月 21 日至 2011 年 6 月 12 日，共 12 周。3.213.27 查阅资料、调研，完成开题报告；3.284.3 确定主尺度和船型方案4.44.24 完成总布置设计4.255.15 完成型线设计5.165.29 螺旋桨设计、性能计算5.306.5 完成毕业设计论文6.66.12 毕业设计答辩开题报告、总布置图、型线图设计，静水力曲线图已完成，正进行船舶螺旋桨及性能的计算。存在的问题：稳性计算公式对于计算小型集装箱船不准确。解决方案：应用软件计算，保证计算的准确性。指导教师对学生工作态度评价认真较认真一般差指导教师对学生完成工作质量评价优良中一般差指导教师意见和建议认真设计，进一步优化指导教师签字：年 5 月 4 日船舶设计整体优化Apostolos Papanikolaou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11.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 Levander112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 （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 （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2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LOGBASED 3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，Valdenazzi 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”（SAFEDOR 9，Vassalos 10，Papanikolaou（教育）11）、“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）。3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（Abtet al. 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4（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5TR R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min1 ( ),2 (),.n () ,条件为g() 0和h() = 0和l u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 的设计软件系统，整合海军构造软件数据包 NAPA ，优化软件 modeFRONTIER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）。6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7Rx2W = ( x, y) dx （1）1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 Shipflow 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。2 1其中 ( x, y) 是波高，而 x1 和 x2 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。8总长水线间长船宽吃水服务航速表 1 选定的海盗 11000 单体船的主要特点102m 运输能力 566 名乘客和 148 辆汽车87.5m 推进功率 4 6500KW15.4m 主机 4 MTU 20V 1163TB73L2.5m 柴油发动机37 节 推进器 4KaMeWa 喷水推进器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 。由在 FLOWMART 工程的实施下 SIRHENA 进行的上述船只的模型试验，试验采用h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9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 Red Jet I II，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 Red Jet III 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 2 MTU 12V 396 TE 84吃水 1.133m 推进器 2 MJP 650 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 30 kn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。10船型开发所开发的优化程序是基于通过使用 NAPAR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。3.1.3.结果优化图 9双体船网格定义和产生的船体形式R = R + R ）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。. 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 RT （估算公式T F W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。11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3 0.25L的测量值和最大波高的减少列于表。类似的比较可从在位于距离船体中心线和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 比较的结果最大可能垂RT（KN） 差值% W（m） 差值% 向破损 H 差值%（m）原船 500.5 0 0.205 0 1.0515 047 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.11 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.11。12图 11Lpp/2 处自由表面高度比较.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 RT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 Red Jet III 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。13图 12高速双体船总阻力和波高散点体98B15W 号63.65 -0.7 0.100 -13.8 0.462 -15.498B125W 号63.76 -0.5 0.105 -9.5 0.496 -9.298B15W 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 比较的结果最大可能垂RT（KN） 差值% W（m） 差值% 向破损 H 差值%（m）原船 64.09 0 0.116 0 0.546 0船船应用湿表面上的 2348 面板和自由表面上的 21763 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（28455 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 Lpp/2 处的剪切波自由表面主视图见图.13。143.1.4.结论图 13双体船 Lpp/2 处自由表面高度比较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.265 30)，）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157合理化迈出了重要的一步。在 2009 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 2003 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 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（modeFRONTIER）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。. 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。16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17图 15侧后布置较低的设计变种.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 2009）。. 优化程序的执行。 该优化程序的协调通过使用 modeFrontier 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 modeFrontier 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 modeFrontier（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。183.2.3.图 16案例研究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19总长垂线间长型宽型深（参考）设计吃水满载吃水满载排水量表 5船的特殊要求及加载条件193.6m176.0m25.0m9.100m6.550m6.520m17520t.满载参考稳性高 GM部分负荷吃水部分负荷位移部分负荷参考稳性高 GM多目标优化是为了分舱指数A2.440m5.884m14880t1.830m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 ）。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。20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21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），“modeFrontier 软件 v.2.5.x ”，h ttp:/www.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22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。23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.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24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 27253.2.4.结论图 28一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 modeFrontier，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。可能发现目前可供参考的进26一步应用程序更接近其它设计问题的解决。据指出，这份名单是在很大程度上仅限于雅典国立大学的船舶设计实验室的引用并且它确实不全面。一个未来导向上的最后的评论：虽然通用的解决方案接近整体的船舶设计问题似乎很好的确立了。它仍然是研究人员开发和集成相关的一长串的应用软件算法，解决了船舶的生命周期设计的多样性。这是几十年的长期任务，需要深刻的技能和对物理学和船舶设计的理解，一个领域需要适当的已培训的造船工程师及相关学科的科学家。27致谢所提出的财政工作已经部分由欧洲联盟支持，FP5 和 FP6，项目 FLOWMART，ROROPROB 和 SAFEDOR。欧洲共同体和作者，不得以任何方式负责或承担任何此类知识、信息或数据，或有关其后果的责任。作者想要感谢他的合作助手 G.Zaraphonitis教授、E. Boulougouris 博士、E. Eliopoulou 博士和 D. Mourkoyiannis 硕士，感谢他们对目前的工作所作出的贡献。最后，笔者想表达对他的导师 Horst Nowacki 教授的感谢，在他在柏林技术大学研究和工作期间，感谢他介绍他进入哲学、船舶设计方法和优化实践，而在此同时只有极少数世界各地的科学家正在处理这个在很多方面都非常严格的学科系统。28附录在文件中使用的重要概念整体论（希腊，这意味着全，总计）还原论-还原：有时解释为整体论相反“”该指数一般公式 A 是 ，这里的总和必须在所有水密舱或舱组采取。在此，一个复杂的系统可通过减少它的基本部分来解决为了适当的考虑复杂系统，整体论和还原论需要被当做是对系统分析的补充。风险（财务）：“量化损失的可能性和低于预期的回报。”风险（一般）：“可接受条件下的可量化损失的可能性或比预期更糟糕的条件”。安全：可以被定义为“可接受的风险状态”。耐久性：在工程上，耐久性是一个系统的、次要系统、设备、工艺或过程量化能力在自然或人为干扰期间或之后能够继续运作。船舶的生存能力可能被定义为船舶能在环境干扰（例如，航道的影响）或者是它的船体发生损坏或是由碰撞，搁浅或武器的影响（海军船舶）造成的设备损坏下能继续运作。优化：“一个系列的许多最好的可行方案进行鉴定”。船舶设计整体优化：船舶设计的多目标优化要同时考虑到所有（全面地）船舶系统的设计方面和船舶的整个生命周期。-主要设计目标：性能、安全风险的生存能力、成本。-主要设计约束：安全法规、市场状况（需求、供应、钢材、燃料等费用）、其他大部分特殊情况。优化的整体风险：考虑到在新造船的风险投资，在设计中应以整体上优化，我们可以解释整体船舶设计优化也作为一种通用的基于风险的船舶设计优化，一个具体的盈利预期投资风险最小化，或为一个可接受风险的利益最大化。获得的分舱指数 A，是为对一个在统计上可能受损的船舶的生存概率的措施。这应该比所谓的规定分舱指数 R 少，这是获得分舱指数 A 的最小值并代表了船舶在条件下、相当大小下和暴露在发生碰撞危险的船上人数普遍的可接受的（施加在条例中）生存水平。因此，通过 A 和 R 船舶直接比较，关于它的碰撞下的生存能力、相对安全的水平就可被确立了。 i i i因子 Pi 代表了在考虑中的（i）分舱或舱组已浸水的概率。考虑到舱室（i）的合适的水29平的分舱（边界）的可能性，并且i代表现有水平边界的空间不浸水的概率。上述因素都直接依赖于船舶的几何构造，同时由有系统收集的受损船舶数据统计分析来决定。因子 S 代表的考虑浸水因素后的生存的舱或舱组生存的可能性，同时也包括水平边界的可能性。30参考文献1 Levander K. Innovative ship design-can innovative ships be designed in a methodological way. In: Proc.8th int. marine design conference-IMDC03;2003.2 International Maritime Organisation (IMO). Prevention of air pollution from ships. Report of theworking group on greenhouse gas emissions from ships.MEPC 58/WP. 8; October 2008.3 LOGBASED, Logistics based design. EU FP6 project, Contract numberTST3-CT-2003-001708;2004-2007.4 Murphy RD, Sabat DJ, Taylor RJ. Least cost ship characteristics by comput er techniques. JournalMarine Technology 1965;2(2).5 Nowacki H, Brusis F, Swift PM. Tanker preliminary design-an optimization problem with constraints.Trans SNAME 1970;78.6 Papani kolaou A, Kaklis P, Koskinas C, Spanos D. Hydrodynamic optimization of fast displacementcatamarans. In: Proc. 2lst int. symposium on naval hydrodynamics, ONR 96. 1996.7 Valdenazzi F, Harries S, Janson C-E, Leer-Andersen M, Maisonneuve J-J,Marzi J. et al. 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