（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于free！ship灵便型双壳油船方案设计方法研究与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 灵便型油船具有优良的经济性和很强的实用性，在近海海域、低净空桥梁 和港口吃水限制等方面受限较少，既能靠泊海洋钻井平台又能适应近远洋航运。 灵便型油船在油轮市场具有不可或缺的地位，它与大型油轮之间是互补的关系。 2 0 0 0 年- 2 0 0 8 年，全球灵便型油轮规模一直保持稳步上升趋势。随着灵便型油 船的发展以及相关公约、规范体系的不断完善，该类型船的设计特点也发生了 改变。因此，对灵便型油船的方案设计方法进行研究极具市场意义和实用价值。 本论文对灵便型油船的设计特点进行了详细的介绍。通过收集的大量灵便 型油船尺度数据，对该类船舶的主尺度进行回归分析。通过对灵便型油船的技 术性能和经济性能的计算，建立了灵便型油船主尺度优化的模型。在灵便型油 船型线设计方面，本文探讨了一种新的方法。其中，主尺度优化问题采用步长 加速法求解，详细叙述了步长加速法的步骤，对步长加速法进行了改进，并且 探讨了一些参数的选择。在型线设计方面，在肥大型船舶“可分原理”的前提下， 探讨了一种对尺度变化后的多条船舶的首尾部型值点设置不同权重进行迭加， 得到新的“母型船”，再进行l a c k e n b y 变化生成设计船舶的型线的方法。本论文 选取流行的船舶设计软件f r e e ! s h i p2 6 作为二次开发的基础，采用d e l p h i 语言编 程在f r e e ! s h i p2 6 的基础上添加了灵便型油船尺度初步确定、主尺度优化和型线 设计模块，实现了本论文所阐述的各种灵便型油船设计方法。 最后，论文以航行于湛江至上海航线的2 0 0 0 0 t 成品油船作为实例，对它的 尺度进行初步确定，并且应用优化模块进行尺度优化。得到优化后的船型方案 再进行船舶型线图的绘制。通过该实例证明了本论文方法的可靠性以及所编制 程序的可操作性。 关键词：灵便型油船；方案设计：f r e e ! s h i p ：d e l p h i ：步长加速算法 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t h a n d y - s i z et a n k e rh a sh i g he c o n o m i c a le f f i c i e n c ya n dp r a c t i c a b i l i t y , w h i c hi s a l w a y sl e s sc o n s t r a i n e di no f f s h o r es e aa r e a , l o wh e a d r o o mb r i d g ea n dp o n a n di ti s c a ng oa l o n g s i d et oo f f s h o r eo i l - d r i l l i n gp l a t f o r ma n da d j u s tt oo c e a nn a v i g a t i o n h a n d y s i z et a n k e rp l a y s a v e r yi m p o r t a n tp a r t i nt a n k e rm a r k e t ，w h i c hi sa c o m p l e m e n t a t i o nw i t hv l c c 。f r o m2 0 0 0t o2 0 0 8 ，t h en u m b e r o fh a n d y s i z et r n k e r a l la r o u n dt h ew o r l dc o n s t a n t l yk e e p su p w a r dt r e n d w i t ht h ea t t a c h m e n to fe v e r y k i n d so fc o n v e n t i o na n dr e g u l a t i o n ，t h ed e s i g no fh a n d y s i z et a n k e rw i l lb ea f f e c t e d i nt h i sp o 硫o fv i e w ，t h er e s e a r c ho np l a nd e s i g no f h a n d y s i z et a n k e rh a si t sm a r k e t s i g n i f i c a n c ea n du s ev a l u e n i s p a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g nf e a t u r eo fh a n d y s i z et a n k e ri nd e t a i l b u i l d si t s p r e l i m i n a r yd e s i g n sm a t h e m a t i cm o d e l ，c a r r i e so u tr e g r e s s i o na n a l y s i so fm a i n d i m e n s i o n t h ed i m e n s i o no p t i m i z a t i o ni ss o l v e db yp a t t e r ns e a r c ha l g o r i t h m n i s p a p e ri n t r o d u c e st h ep r o g r e s so fl a g r a n g ep e n a l t yf u n c t i o nm e t h o da n dp a t t e r ns e a r c h a l g o r i t h mi nd e t a i l s ，a n dd i s c u s ss o m ep a r a m e t e r s c h o o s e i nt h et e r m so fl i n e sp l a n d e s i g n ；t h i sp a p e rd i s c u s s e s an e wl i n e sp l a nd e s i g nm e t h o db a s e do n f i n e s s e p a r a t i o nt h e o r y o ff u l lf o r ms h i v n em a i ni d e ao ft h i sm e t h o di s ：g e tal i n e sp l a n t h r o u g ht h ei t e r a t i o no fs e v e r a ls e r i e s - s h i p s o f f s e t sw h i c ha r cs e tw i t hd i f f e r e n t w e i g h t i n g s ，t h e ng e tt h el i n e sp l a nt h r o u g hl a c k e n b yo ft h el i n e sp l a na t t a i n e di nt h e l a s ts t e p t h i sp a p e rc h o o s e sf r e e ! s h i p2 6a st h et o o lt om a k et h em e t h o dt h i sp a p e r d i s c u s s e sc o m et r u e ，a n da d d st h er e l a t e dm o d u l e s ，w h i c hc o n t a i n ：h a n d y - s i z e t a n k e r sm a i nd i m e n s i o np r e l i m i n a r yd e c i s i o n ，m a i nd i m e n s i o no p t i m i z a t i o na n dl i n e s p l a n n i sp a p e rt a k e st h e2 0 ( ) 0 0 to i lt a n k e ra sa l le x a m p l e f i r s t l y , c h o o s ei t sm a i n d i m e n s i o np r i m a r i l y s e c o n d l y c a r r yo u tt h ed i m e n s i o no p t i m i z a t i o nt h r o u g ht h e o p t i m i z a t i o nm o d u l e ，a n dg e tt h em a i nd i m e n s i o np l a n f i n a l l y , d r a wt h el i n e sp l a n t l l i se x a m p l ei l l u s t r a t e st h er e l i a b i l i t yo ft h em e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e ra n dt h e m a n e u v e r a b i l i t yo ft h ep r o g r a m k e y w o r d ：h a n d y s i z et a n k e r ；p l a nd e s i g n ；f r e e ! s h i p ；d e l p h i ； p a t t e r n - s e a r c ha l g o r i t h m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：邀日期：鞋 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并 向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生。签名) ：二烃导师c 签名，爹垄兰坳华 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 灵便型油船为1 5 万载重吨的油船，由于对航道、运河及港口有较强的适应 性，营运方便灵活，因而被称为“灵便型”。灵便型油船大小港口都能进出，在近 海海域、低净空桥梁和港口吃水限制等方面受限较少，既能靠泊海洋钻井平台， 又能适应近远洋航运，具有很高的经济性和很强的实用性【捌，被大量应用于二 程原油中转、进口原油减载、内河沿线港口码头原油运输，近海钻井平台油运 等等。 2 0 0 0 年一2 0 0 8 年，全球灵便型油轮规模一直保持稳步上升趋势。尽管世界 油轮船队呈大型化的发展趋势，2 0 万载重吨以上的特大型油轮( v 】c ) 是各船 队的主力船型，但是统计数据显示，灵便型油船并没有因为特大型油轮的增多 而出现大面积淘汰的现象，它与大型油船之间是互补的关系。灵便型油船因为 经济性高、适应性强等众多优点，生存空间依然非常广阔。近几年，中海发展 股份有限公司油轮公司和广船国际股份有限公司都非常重视灵便型油船的发 展。 灵便型油船的良好发展趋势表明，进行该类型船舶设计的研究有着重要意 义。其中，对灵便型油轮进行快速并且有效的初步设计1 3 9 l 的研究是非常有必要 的，这是进行灵便型油船后续设计成败的关键之所在。本文主要进行了灵便型 油船尺度回归分析、船舶尺度优化方法的研究，并且探讨了一种新的型线设计 方法。在f r e e ! s h i p2 6 的基础上编程实现上述各种方法相应模块的添加。 目前，船舶行业发展迅速，各类船舶软件层出不穷。通过接触各种船舶c a d 软件，本文选择了f r e e ! s h i p2 6 作为进行二次开发的平台，该软件是荷兰的m a r t i j n v a i le n g e l a n d 等人近几年开发出的一款船舶设计软件。该软件有如下优点：船体 建模方便快捷、提供了完全开放源代码的版本，允许使用者进行二次开发、导 出导入格式灵活多样、修改方便等。此外，该软件体系的构建非常清晰、采用 面向对象的p a s c a l 语言d e l p h i 进行编制，这些都为开发者进行二次开发提供了 便利。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究进展 在油船尺度及船型论证方面，1 9 7 6 年，上海船舶运输科学研究所与上海交 通大学合作开发了“标准经济船型论证与主尺度分析程序”。马坤、常会青、田本 涛等人介绍了沿海成品油油运市场对油船的需求情况以及沿海港口对成品油船 设计的限制条件，探讨规范的变化对成品油船结构的影响并对现有成品油船技 术状况及存在的问题进行分析，总结了现有油船船型的特点【4 j 。大连理工大学研 究生张付喜通过对货源、港口、航道等自然条件的分析得出结论：0 5 万吨- 5 万 吨的成品油船适合于我国沿海成品油运输，利用大量数据作为设计和分析的基 础，应用v i s u a lb a s i c 语言来编写沿海成品油船技术经济论证程序，完成沿海成 品油船技术经济论证的任务1 3 l 。 在油船总体设计方面，宋德华对闪点小于6 0 的成品油船总体设计中所需 要的知识、设计要点、技巧、方法、资料等问题进行了详细说明【冽；在灵便型 油船型线设计方面，“分段原理”是t a n i g u c h ik 在1 9 6 0 年前后针对低速肥大船型 所提出的一种有效的新设计方法，在这种方法中船型可以分为三段，各自独立 地设计：进流段的设计要使得兴波阻力最小，去流段的设计要保证有最好的推 进效率，而平行中体的长度则根据排水量的要求来调整1 2 8 j 。b l o kjj 和h o l t r o pj ( 1 9 8 5 年) 论述了f n 0 7 5 ，l b 5 的低速肥大船型可应用分段原理来 考虑船型的设计p 2 。 在优化方法方面，无约束优化问题的梯度很难求得，这种情况在物理、化 学、经济、工程中会经常遇到，此时不用求梯度的算法是最佳选择。步长加速 法是h o o k e s 和j e e v e s 在上世纪六十年代提出的、解决非线性无约束问题的一种 免梯度算法【1 1 。在该方法提出的早期，由于传统的步长加速法收敛速度慢，且收 敛性没得到证明，而被人们所忽视。1 9 9 1 年，t o r c z o n 首次证明了这种算法的收 敛性，这种算法再次引起了人们的注意【4 1 1 。在改善收敛速度，减少计算量方面， 除了把步长法应用于并行机外1 4 2 】，国内学者彭叶辉提出每次不成功迭代后，充 分利用已有迭代点的信息，构造近似下降方向，产生新的迭代点1 1 5 1 。在此基础 上，他又提出和构造了模矢搜索和遗传算法的混合优化算法。在模矢搜索方法 的搜索步上，用一个类似于遗传算法的方法产生一个有限点集【4 3 】。2 0 0 6 年，吴 绪权提出在模矢搜索的第二阶段尝试一维搜索，以达到加快收敛速度的目的， 并提出了构造多个初始点的方法【1 7 1 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 在f r e e ! s h i p 的研究方面，该软件的开发者m a r t i j nv a i le n g e l a n d 等人通过近 两年的努力，在f r e e ! s h i p 基础上开发出了专业版和商业版等新版本( 新版本均 改名为d e l f l s h i p ) ，使得该软件的应用范围更加广泛，功能也更加强大。同时， 乌克兰哈尔科夫国立大学研究者t i m o s h e n k ov e 等人在开放源码的f r e e ! s h i p2 6 的基础上进行二次开发，添加了螺旋桨设计以及几种船舶水动力性能计算的模 块，主要通过试验结果的总结和分析添加一些计算模型。形成了一个新的不断 发展的软件f r e e ! s h i pp l u s + ，这一实践成果也证实了f r e e ! s h i p 的可持续发展和二 次开发的可行性。 1 3 本论文的主要研究内容 本论文以灵便型油船初步设计中的方法作为主要研究对象，详细介绍了灵便型 油船的设计特点，对主尺度优化算法和型线设计方法进行了研究。其中，对优 化算法中的步长加速方法提出了有效的改进措施，并将其用于船舶尺度优化， 通过d e l p h i 编程实现。型线设计方面，提出了利用多条船舶的型值数据，通过 给每条船设置不同的权重，经过相应型值点的迭代以及后续系列过程得到设计 船的线形的方法。本论文以目前流行的船舶设计软件f r e e ! s h i p 作为平台，对它 进行二次开发，添加了主尺度初步确定、尺度优化和线形生成等模块。在实现 所探讨的各种方法的同时也使f r e e ! s h i p 软件的功能得到了扩展。最后，以湛江 至上海的2 0 0 0 0 t 油船作为设计实例，在实例上进行验证。其中，算法的改进、 型值数据的处理以及对该软件进行开发等是难点。在软件开发方面，由于该软 件近几年开始流行，虽然在国外发展非常迅速，但是，国内对该软件的了解和 应用相对落后，对该软件的二次开发方面所做的研究几乎还没有。本文在 f l e e ! s h i p 二次开发方面进行了大量探索工作。型值数据的处理方面，d e l p h i 有快 速制作报表的功能，能快速处理报表数据。但是，直接通过d e l p h i 程序语句控 制大量数据进行改动和处理很困难。本论文采用d e l p h i 驱动e x c e l ，在e x c e l 中 对型值数据进行处理，再将数据传递给d e l p h i 。e x c e l 作为现代办公常用电子表 格工具，具有易操作性和实用性，使得数据处理速度加快，可操作性更强。图 1 1 显示了本文研究内容的框架，具体的研究内容将在后续章节详细介绍。 3 武汉理工大学硕士学位论文 选定计算实例卜- - 一初定主尺度卜- - 叫设计方案优选卜叫 型线设计卜叫其它后续工作 建立主尺度初步确定模块l l 建立优化模块 收集尺度数据ii 选定相关参数 进行回归分析 i - t 一 1 4 本论文的意义 建立优化模型il 建立型线设计模块 优化方法研究l瞠线设计方法研 灵便型油船初步设计方法研究 图1 - 1 本文工作内容示意图 本论文通过对大量数据的回归分析得到灵便型油船的回归公式，有利于设 计者在设计该类船舶时进行主尺度的初步确定。对主尺度优化和型线设计的方 法进行了探讨，采用改进的步长加速法来解决船舶尺度优化问题，讨论了步长 加速法各个参数的影响，并提出了如何对各个不同参数进行选取。通过实际算 例进行验证，并将该方法应用于船舶尺度优化。在船舶线形生成方法方面，探 讨了一种新的灵便型油船型线设计方法：采用几条型船，通过对型值选定不同 权重进行迭加的方法来得到设计船的型线，该方法适用于新船型的研究和发展 以及同系列船舶多个方案的生成。本文以现在流行的f r e e ! s h i p 软件作为本文所 讨论的灵便型双壳油轮初步设计方法实现的软件平台，在该软件平台上进行二 次开发添加主尺度初步确定、主尺度优化以及型线设计等模块。这些新添加的 功能模块可以和该软件本身良好的建模功能以及其它的一些计算功能相得益 彰，是对该软件有益的扩展，提高了灵便型油船的设计效率，可用于实船设计。 此外，在拥有大量数据资料的情况下，研究人员也可以参考本文提出的f r e e ! s h i p 二次开发经验，在本文所建立的这些模块的基础上添加其它油船类别的数据资 料，或者其它各种类型船舶的数据资料，甚至是添加其它各种功能模块，用于 船舶设计。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章f r e e ! s h i p 及其二次开发编程简介 2 1f r e e ! s h i p 及d e l p h i 介绍 2 1 1f r e e ! s h i p 简介 f r e e ! s h i p 软件是由荷兰学者m a r t i j nv a i le n 卫e l a n d 等人负责开发的船舶工程 软件，可以用来进行各种常用船舶以及一些特殊船舶的设计。近几年来，f r e e ! s h i p 软件以其强大的功能、友好的界面以及号称“绿色软件”和免费使用等优势在 国外船舶设计领域得到广泛的应用。和其它船舶c a d 软件相比较，该软件最大 的特点就是建模更加快速便捷，并且提供了完全开放源码的版本，进行二次开 发也更加方便。f r e e ! s h i p 使用方便、简单易学。该软件生具有通用的文件接r 7 ， 可以和其它软件共享信息。能生成二维型线图，可以直接输出成a u t o c a d 认可 的格式，并且可任意添加水线、站线以及横剖线，还可以进行船舶初步设计阶 段的一些计算，为后续设计提供了便利；它的数据输出和输入格式具有开放性， 为导入其它软件进行修改和后续的复杂计算提供了便利，图2 - 1 为软件主界面， 图2 - 2 和图2 - 3 分别为生成的型线图和船体板展开图1 2 j 。此外，该软件的网站提 供了大量的共享资源，由软件设计者和使用者上传的各种类型船舶模型共2 2 0 多个，可供设计者们参考。为满足船舶工程和其它各种不同用户的需要，f r e e ! s h i p 2 6 版本为完全绿色的版本，开放源码，为使用者和船舶设计人员们提供进行功 能扩展的二次开发平台。 。一， 。_ 、 “ * 一 一 图2 - 1 f r e e ! s h i p 界面图 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2 f r e e ! s h i p 线形图显示 图2 - 3f r e e ! s h i p 船体板展开图 从总体上来说，f r e e ! s h i p 软件实现的功能比较强大，并给船舶设计带来了很 大方便。该软件因为阻力计算和舵设计的模块的限制，最初只是用来设计线型 较简单的舰船和游艇等船舶。随着该软件的不断发展，现在可以用来设计各种 船舶。经过近 3 年的努力，荷兰研发人员在f r e e ! s h l p 的基础上开发出了新的 版本d e l f t s h l p ，由于添加了一些装配的模块使该软件成为了收费的船舶工程商业 软件。但是，新版本没有外部接口不可进行二次开发，并且主要的功能没有太 大改变，甚至把部分原来f r e e ! s l f i p2 6 里面的功能添加到付费模块里。该软件的 设计者也考虑到了这一问题，故提供了开放源码的版本，即v e r s i o n2 6 。设计者 可以根据自己的要求，在f r e e ! s h i p2 6 的基础上通过编程来舔加各种功能模块。 另一方面，乌克兰哈尔科夫国立大学研究人员t i m o s h e n k o v e 在f r e e ! s h i p2 6 的 武汉理工大学硕士学位论文 基础上添加了部分水动力性能计算的模块，形成了f r e e ! s h i pp l u s + ，这也证实了 f r e e ! s h i p 二次开发的可行性。因此，本文选择f r e e ! s h i p2 6 作为实现各种需要功 能的开发平台。 f r e e ! s h i p 采用编译速度非常快、具有强大的数据库开发能力的d e l p h i 语言 编制而成的。因为d e l p h i 本身的强大功能使得f r e e ! s h i p 程序具有模块性好、独 立性强和连接简单的特点。f r e e ! s h i p2 6 提供了f r e e ! s h i p 主程序代码和实现各个 功能模块的子程序代码。如需要改进某个单独的功能，只要在实现该功能的幸p a s 文件里直接编译即可；如果要添加新的功能模块，就需要在主程序里先添加一 个新的子程序的模块和相应的声明，并在该模块下添加编译子程序即可。最重 要的，也是二次开发的关键点就是该软件提供了f r e e p a c k a g e d p k 文件，包含了 f r e e s h i p 组件包，整个程序都作为一个组件封装在f r e e p a c k a g e d p k 文件中，包 含了开发人员建立的所有组件。通过重新编译，这些组件均可以直接应用，这 样就可以调用所有原程序所编译的指令。程序的编制者们所提供的这些可用的 源码和组件包使得在原软件上进行开发更加容易。 本文采用d e l p h i 7 0 软件作为开发的工具，其一是因为f r e e ! s h i p 是采用该软 件编制的，为开发提供的方便的接口。其二，该软件功能强大、使用方便，完 全可以满足本论文进行开发的需要。 2 1 2f r e e ! s h i p 开发语言_ d e l p h i 介绍 d e l p h i 是著名的b o r l a n d ( 现在已和i n p r i s e 合并) 公司开发的可视化软件开 发工具，拥有高性能的可视化集成开发环境( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ，i d e ) ，拥有众多可视组件库( v i s u a lc o m p o n e n tl i b r a r y ) ，能够开 发出界面丰富、功能强大的w i n d o w s 应用程序，包括数据库应用、w e b 应用和 分布式应用，具有开发速度快、效率高、稳定性好的特点1 3 4 1 。它使用了m i c r o s o f t w i n d o w s 图形用户界面的许多先进特性和设计思想，采用了弹性可重复利用的 完整的面向对象程序语言( o b j e c t o r i e n t e dl a n g u a g e ) 、当今世界上最快的编辑 器p a s c a l 编译器、最为领先的数据库技术。此外，它的编程语言规范，组件可 灵活扩充。程序开发人员使用d e l p h i 开发应用软件，会大大提高编程效率【弼1 。 和v c 相比，d e l p h i 更简单、更易于掌握，而在功能上却毫不逊色：和v b 相比，d e l p h i 则功能更强大、更实用。可以说d e l p h i 同时兼备了v c 功能强大 和v b 简单易学的特点。d e l p h i 提供了5 0 0 多个供使用的构件，利用这些部件， 开发人员可以快速地构造出应用系统。开发人员也可以根据自己的需要修改部 7 武汉理工大学硕士学位论文 件或用d e l p h i 本身编写自己的部件。d e l p h i 的主要特点如下； ( 1 ) 直接编译生成可执行代码，编译速度快。由于d e l p h i 编译器采用了条 件编译和选择链接技术，使用它生成的执行文件更加精炼，运行速度更快。在 处理速度和存取服务器方面，d c l p h i 的性能远远高于其他同类产品。 ( 2 ) 支持将存取规则分别交给客户机或服务器处理的两种方案，而且允许 开发人员建立一个简单的部件或部件集合，封装起所有的规则，并独立于服务 器和客户机，所有的数据转移都通过这些部件来完成。这样，大大减少了对服 务器的请求和网络上的数据传输量，提高了应用处理的速度。 ( 3 ) 提供了许多快速方便的开发方法，使开发人员能用尽可能少的重复性 工作完成各种不同的应用。利用项目模扳和专家生成器可以很快建立项目的构 架，然后根据用户的实际需要逐步完善。 ( 4 ) 具有可重用性和可扩展性。开发人员不必再对诸如标签、按钮及对话 框等w i n d o w s 常见部件进行编程。d e l p h i 包含许多可以重复使用的部件，允许 用户控制w i n d o w s 的开发效果。 ( 5 ) 具有强大的数据存取功能纠。数据处理b d e ( b o f l a n d d a t a b a s e e n g i n e ) 是一个标准的中介软件层，可处理当前流行的数据格式，如x b a s e 、p a r a d o x ， 也可通过b d e 的s q l l i n k 直接与s y b a s e 、s q l s e r v e r 、i n f o r m i x 、o r a c l e 等大 型数据库连接。d c l p h i 既可用于开发系统软件，也适于应用软件的开发。 2 1 3f r e c s h i p 框架结构 图2 - 4 d e l p h i 程序主界面 f r e e ! s h i p 软件系统设计采用了结构化和模块设计的思想。结构化的编程思 想将系统分解为子系统，各个子系统功能总和为上层系统的总功能，再将子系 武汉理工大学硕士学位论文 统分解为各个功能模块，下层功能模块实现上层模块的功能。这种从上到下的 过程就是从抽象到具体。容易把握整个系统的功能不会遗漏也不会冗余，从下 层看各功能容易具体实现，各个模块的独立性强。 这两种思想相结合使本文在进行二次开发时，理解原程序的语言，理清各 个功能的关系，在实际编程时进行函数和程序的调用非常有益。由于采用模块 化的编程思想，为在已有模块的基础上再进行新模块的添加提供了便利。下图 为f r e e ! s h i p 框架结构图： 图2 - 5 f r e e ! s h i p 框架结构图 根据软件的框架结构图可以看出，该软件结构清晰、模块化强。此外，该 软件提供了多种输入输出格式，可以方便的和其它船舶设计和计算软件相连接 或者结合使用。输出格式包括有：p a r t 、d x f3 d m e s h 、d x f2 dp o l y l i n e s 、d x f 3 dp o l y l i n e s ，s t l ，f i e ff i l e s ，o f f s e t ，c o o r d i n a t e ，m i c h l e t ，a r c h i m e d e s ，g h s o 9 武汉理工大学硕士学位论文 输入格式包括有：v r m l 、p a r t 、c a r l s o n h u lf i l e 、f e ff i l e s 、s u r f a c e 、c h i n e s 、c a r a n e x y z f i l e 、v r m l 、p o l yc a d 、m i c h l e tw a v e s 等。 2 2f r e e ! s h i p 二次开发前的设置 在进行二次开发以前，应该先对f r e e s h i p 文件夹下的“f r e e p a c k a g e d p k 文 件进行编译，才能使后面的开发顺利进行。根据网上相关信息、和软件设计者 的讨论以及本文的实际开发过程，将具体的设置过程总结如下： ( 1 ) 先打开d e l p h i 软件，在菜单中执行选定组件包的操作：f i l e o p e n p r o j e c t n o wc h o o s e f r e e s h i p p a c k a g e s f r e e p a c k a g e d p k ，执行该文件的编译： p r o j e c t - c o m p i l e ：f r e e p a e k a g e 。 ( 2 ) 工程成功编译后，在没有选择其它特殊路径的情况下，可以根据以下 路径找到新生成的b p 文件：“e i g e n ed a t e i e n b o r l a n d s t u d i o - p r o j e k t e b p l 。如 果找到这个文件就说明b p l 文件已经重新生成。通过d e l p h i 的主菜单进行关闭： f i l e c l o s ea l l 。 ( 3 ) 打开f r e e ! s h i p 软件，执行以下操作：f n e o p e np r o j e c t f r e e s h i p f r e e s h i p o p r 。 ( 4 ) 在进行二次开发以前，应该将已经生成的“f r e e p a c k a g e b p l 文件添 加至工程所使用的“包 中，具体操作：“f r e e p a c k a g e b p l 一应添加至 p r o i e c t o p t i o n s p a c k a g e s a d d 。运行后，主程序的窗体会出现豳组件图形， 并且在组件板的选项卡中也会出现f r e e s h i p 这一项，该选项卡中添加了组件： f r e e v i e w p o r t 、f f e e s h i p 、f r e e n u m i n p u t 。见图2 6 中用椭圆形圈出部分。 ( 5 ) 通过上述步骤，完成了对软件的编译过程。在关闭以前需要对以上操 作进行保存，以免下次再重复以上步骤或者出现无法编译的问题。运行工程： p r o j e c t c o m p i l ef r e e s h i p ，再运行f r e e ! s h i p ：s t a r t s t a r t ( 或者按f 9 键) 在这 种情况下才能进行后续的软件开发。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6 添加f r e e ! s h i p 组件示意图 以上步骤完成后，编程者可以开始按照自己的需要编制程序模块。此外， 在进行编译时也要注意，在建立新的子程序时，最好保证该软件的统一性，文 件名和工程名都应与其它的子程序傈持协调一致。 本文在f 琳! s h i pv e r s i o n2 6 的基础上进行灵便型油船尺度初步确定模块、尺 度优化模块以及型线设计模块的添加。如何添加这些模块，以及这些模块里的 具体内容在本文后面几章中进行了详细的说明。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章灵便型油船设计特点及尺度回归分析 3 1 灵便型油船的设计特点 随着时代的变化，灵便型油船的设计特点不断变化。由最小干舷型发展成 富裕干舷型，由单船壳型演变成双底双壳型。由早期的瘦长型发展成短肥型【6 】。 制约灵便型油船船型与主尺度发展的因素有使用方面的要求、港口和航道尺度 的限制、营运经济性能、国际公约的约束等多个方面i d 】。其中船舶设计、建造 时考虑营运经济性能和国际公约的约束是最重要的两个因素。1 9 7 3 年国际防止 船舶造成污染公约及其1 9 7 8 年议定书规定d w - 2 万吨的原油船、d w = 3 万吨的 成品油船都须设专用压载水舱，并且货油区域专用压载水舱与非油处所须满足 保护面积指标要求。i m 0 2 0 0 1 和2 0 0 3 中关于油船双壳化的决议以及2 0 0 5 年国 际船级社协会 5 0 0 0 吨级必须设双壳双底结构。双层底不得小于b 0 5 + d 矽2 0 0 0 0 或2 m 的较小者， 但不得小于h 。双层底高不得小于h 。一b 1 5 或者2 m 的小者，但不得小于l m ， 因此，现在灵便型油船的设计均应为双底双壳结构。灵便型油船由于货油晃荡 对结构构件冲击强烈以及货物对结构腐蚀等原因，相对一般船型，要求结构更 为坚固。货油区一般采用纵骨架式结构，首尾两端为横骨架式结构，机舱以及 货油区为双层底结构。舷侧部分，常规型油船的舷边舱设坚固的横框架结构、 舷侧纵桁处也形成坚实的框架结构。结构构件的布置及节点连接、开口形式， 武汉理工大学硕士学位论文 十分注意连续性和防止应力集中。为提高纵向抗弯曲及横向抗剪切的能力，许 多纵横构件采用高腹板桁材结构。在水密横舱壁间，每隔一定间距设横向框架， 为抵制货油运动对横舱壁的冲击破坏，在货油舱内设置轻型非水密的制荡舱壁。 横舱壁一般采用槽形舱壁形式，下端与壁墩联接，以增加其承载能力，纵舱壁 般采用平面舱壁，有的把甲板结构、油舱部分的纵横骨架及桁材全部装在甲 板上面，使油舱内的甲板下面极易清洗。双层壳空间全部作为专用压载水舱， 对防止事故性溢油效果最好。 3 1 3 灵便型油船布置特点 ( 1 ) 灵便型油船总布置要点i 冽：机器处所应位于货油舱和污油水舱的 后方，并以隔离空舱、货油泵舱、燃油舱或固定压载舱同货油舱和污油水舱隔 开；起居处所、货油控制室、控制站和服务处所均应位于货油舱和污油水舱 与机器处所相隔离处所后方；环围起居处所的上层建筑和甲板室面向货物区 域的全部限界面，以及面向货物区域边界端面之后3 m 内的外表面，应隔热至 a - 6 0 级标准：通往起居处所、服务处所、控制站和机器处所的出入门、空气 进口和开口，均不应面向货物区域；满足安全及对机电设备维修必需空间时， 尽可能提高赢利区间利用率；在满足完整稳性及破舱稳性、纵横倾平衡及环 境保护等要求时，油舱的划分和布局使船体总纵强度处于低负荷情况以减轻空 船重量；设球首的灵便型油船，防撞舱壁应位于距首垂线不大于船长8 处。 为满足船舶干舷要求而设置的艉楼，其有效长度必须满足在艉垂线向后7 船长， 为了布置锚机链轮，应在危险区域外等，按上述要求予以综合平衡以达到满足。 ( 2 ) 灵便型油船主要舱室的设置 灵便型油船设有首尖舱、尾尖舱、机炉舱、货油舱、货油泵舱、专用压载 水舱、污油兼货油舱、隔离空舱等几个主要的隔舱。货油舱：油船货油舱设 在机炉舱区域之前的货油舱区域内。为提高营运经济性，改善纵倾调整，应尽 量缩短机炉舱长度，增大货油舱长度。对货油区要进行纵向和横向水密分隔， 灵便型油船一般以横向水密舱壁划分5 8 个主横隔舱。如图所示： 图3 - 1 灵便型油船主横隔舱示意图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 货油泵舱：用来布置货油泵、压载泵、清舱泵和扫舱泵。灵便型油船货 油泵舱均设在机炉舱与货油区之间，货油泵的原动机可放在机炉舱内，方便轮 机人员管理和防火要求；专用压载水舱：为保证油船压载状态适宜的航海性 能和防止含油的水排放到海里污染海水造成公害，d w - - 2 万吨的原油船和d w = 3 万吨的成品油船都须设专用压载水舱；污油兼货油舱的用途是盛装洗舱后的 污油，营运时该舱又可装载货油，故称污油兼货油舱。该舱舱容不得少于2 以 的货油舱容积。灵便型油船，一般将该舱布置在货油区后端两舷或中央，须设 二个：隔离舱室：为确保油船安全，公约规定货油舱与机舱压载水舱、燃料 舱可兼做隔离空舱。除此之外，舱室区域划分满足防火隔断规定。机械区、居 住与工作区、公共场所等部位通道、天花板、隔壁等的构造及材料均须按防火 要求设计，符合规定的防火等级。典型的灵便型油船总布置图见附录1 。 3 1 4 灵便型油船的安全性 安全性对油船至关重要，对灵便型油船也不例外，尤以防止和消灭火灾最 为重要，因此对油船的防火防爆系统要求很严。根据油船类型及货油物理性质， 按规范规定选择适宜的灭火系统，如海水灭火系统、蒸气灭火系统、二氧化碳 灭火系统、泡沫灭火系统、惰性气体防火防爆系统、货油舱石油气驱除系统等。 此外，在舱室、舾装和甲板设备布置方面也十分注意防火防爆问题。如规范除 规定油船设置隔离空舱外，还具体指明起居处所及厨房不得直接放在货油区范 围的甲板上面和货油泵舱上面。布置在上述两处所上方时，必须设置高度不下 于2 m 的水平隔离空舱加以分隔。还规定油船上不准随处吸烟，吸烟须到专用吸 烟室，吸烟室设在生活区范围失火可能性最小之处。为杜绝火花及火种接触货 油及散发出的油气而引起火灾，要求与货油舱接近的通风管、排气出口均须装 网式防火装置；货油泵舱的通风口要高出上甲板3 m ，且距上层建筑的距离至少 为3 m ；某些金属制件相接触易产生火花处要用有色金属制成( 如货油舱舱口盖 与舱口围板相接触处) ；货油舱范围内的带缆桩底座为升起和非密封式；露天甲 板上布置的机械设备( 如锚机、系缆机械等) 采用气动或电动防爆式。 3 2 灵便型油船主尺度回! j j 分析 在设计的初始阶段，尺度回归分析为船舶设计者进行船舶尺度的确定，提 武汉理工大学硕士学位论文 供了重要的参考。上世纪九十年代以来，关于船舶主尺度回归的文章不断增加。 先后有：估算多用途船的主尺度、估算苏伊士运河型油船主尺度、估算大型油 船主尺度以及估算散货船主尺度的相关公式和文章出现。通过3 1 1 的分析可知， 随着该船型迅速发展，灵便型油船的尺度范围在过去几十年里发生了很大的变 化，主尺度回归公式也应该有所发展。但是，对于灵便型油船也只能找的到较 早期的回归公式，随着油船的双壳化和油船船型的发展，这些回归公式并不能 非常好的对该类型船的尺度进行回归和分析，对该类船舶设计的参考价值有限。 有鉴于此，本文通过相关论文、参考资料、网站以及已运营船舶实例收集 了大量灵便型油船的尺度资料( 见附录2 ) ，对该类型船舶进行主尺度的回归分 析，得到了灵便型油船的主尺度回归公式，方便设计者初步确定船舶主尺度。 3 2 1 回归分析方法简介 回归分析方法是一种根据大量统计数据，运用概率统计理论，将研究对象 与各因素之间的相关关系近似的用一个函数来描述，并据此对研究对象未来的 发展状况做出预测的方法。回归分析方法是一种重要的常用统计方法，用来寻 找那些看上去是不确定现象的统计规律【3 0 1 。 应用回归分析方法的基本步骤如下： ( 1 ) 收集与研究对象有关的数据资料，并对收集的资料进行分析、整理； ( 2 ) 确定回归分析的理论模型； ( 3 ) 估计参数( 回归系数) ； ( 4 ) 进行相关性检验； ( 5 ) 在通过相关性检验后，才能进行实际预测。 首先，是数据库的正确性。例如同型同批船中，按船级社记录，一艘船长 登记为1 2 0 m ，另一艘则登记为1 3 2 m 。在回归时既无法去核对，