整体船舶设计优化

1、整体船舶设计优化Apostolos Papanikolaou 船舶设计实验室，希腊雅典国立技术大学摘要船舶设计是一项复杂的工作，需要包括技术和非技术性的，和个别专家的许多学科的成功协调，以珍贵的设计解决方案到达。本质上再加上设计过程设计优化，最好的解决方案了许多切实可行的人的标准，或者说一套标准的基础上，即选择。一种系统的方法，以船舶设计可考虑船舶作为一个复杂的系统，整合各种子系统及其组件，例如，子系统货物储存和处理，能源/发电和船舶推进，船员/乘客和船舶航行的住宿。独立，考虑到船舶设计实际上应该解决整个船舶生命周期，它可分成是传统组成的概念/初步设计，合同和详细设计，船舶建造/制造工艺，船舶

2、操作的各个阶段经济生活和报废/回收。很明显，最佳的船是整个，上述定义的舰船系统在她的整个生命周期的整体最优化的结果。但上述定义的优化问题，即使是最简单的部件，即第一阶段（概念/初步设计），是十分复杂，需要进行简化（减小）在实践中。固有的船舶设计优化也从设计约束和优化标准（优点或目标函数）所产生的矛盾的要求，反映各种船舶设计利益相关者的利益。本文件简要介绍了整体方法的船舶设计优化，定义了通用的船舶设计优化问题，并演示了通过采用先进的优化技术优化设计的计算机辅助生成，探索和选择的解决方案。它讨论了一些典型的船舶设计优化问题的多目标，导致的基础上，提出了改进的方法和增加载货能力部分的创新设计，提高安

3、全性和生存能力，减少了所需的供电和改善环境的保护。所提出的方法，为生命周期优化问题的综合船舶系统的应用仍然是未来几年一个具有挑战性的，但简单的任务。关键词：整体船舶设计;多目标优化;遗传算法;电阻的最小化和清洗;增强的生存能力1 .简介整体船舶设计优化船舶设计是过去更多的是艺术，而不是一门科学，高度依赖于经验丰富的造船工程师，在各种基本和专门的科学和工程学科良好的背景。设计空间用启发式方法实际上是探索，从知识产生的方法，即通过试错的过程中获得，往往在几十年的过程。本质上再加上设计过程设计优化，最好的解决方案了许多切实可行的人的标准，或者说一套标准的基础上，即选择。一种系统的方法，以船舶设计可考

4、虑船舶作为一个复杂的系统，整合各种子系统和其组件 ，例如，子系统货物储存和处理，能源/发电和船舶推进，船员/乘客和船舶航行的住宿。他们都服务于定义良好的船的功能。船的功能可以被分成两个主要类别，即有效载荷的功能和固有船的功能（图1） 。对于货船，有效载荷功能与提供货物处所，货物装卸和货物处理设备。船舶固有功能是那些与有效载荷的运输安全地从港口到港口有一定的速度。图 1考虑到船舶设计实际上应该解决整个船舶生命周期，它可分成是传统组成的概念/初步设计，合同和详细设计，船舶建造/制造工艺，船舶操作的各个阶段经济生活和报废/回收。显而易见的是，相对于她的整个生命周期的最佳船舶的整体 1优化整个的，其生

5、命周期的上述定义的船系统的结果。值得注意的是，在数学上，上述定义的船舶的生命周期系统本身的每一个组成部分显然是形成了一个复杂的非线性优化问题的设计变量，用各种限制和标准的/目标函数进行共同优化。船舶设计过程中，即使是最简单的组件，即第一阶段（概念/初步设计） ，是足够复杂到简化（降低2 ）在实践中。此外，固有的船舶设计优化是从设计约束和优化标准（优点或目标函数）所产生的矛盾的要求，反映各种船舶设计利益相关者的利益：船舶所有人/经营者，造船厂，船级社/海岸警卫队，监管机构，保险公司，货主/货代，港口经营等假设一组特定的要求（商船为海军舰艇语句通常船舶动力的要求） ，船舶需要进行成本效益进行优化，

6、实现最高运营效率或所需的最低运价（ RFR ） ，用于乘客/船员尤其是石油运营商对于海洋污染最高的安全性和舒适性，为货物令人满意的保护和船舶本身的硬件，以及最后但并非最不重要的，对环境影响最小，一旦发生事故和高速船就产生波浪洗。最近，需要船舶发动机排放和空气污染方面，甚至在船舶设计和操作的优化需要考虑（见海事组织2008年， 2 ） 。许多这些要求显然相互矛盾，需要合理作出关于优化船舶设计决策。为了使事情变得更加复杂，但越来越接近现实，一组设计要求就船型，货运能力甚至规格，速度，范围等是足够复杂，要求妥善考虑各方利益的另一个优化程序利益相关者的船作为工业产品的国际市场或其他服务车辆。其实，最初

7、的一组船舶设计要求是具有丰富经验的决策者之间的紧张讨论，主要集中在船舶设计和船舶制造方面，和最终用户谁试图表达自己的愿望和权衡他们愿意让一个妥协的结果。一种方法来开展和巩固这种讨论以理性的方式已提前由欧盟资助的项目LOGBASED 3 。自20世纪60年代中期，随着计算机硬件和软件的进步设计过程中越来越多的部分已经接管计算机，特别是船舶设计制图元素。同时，第一计算机辅助初步设计的软件系统进行了介绍，处理的经验/简化船舶模型的特定船舶类型或设计变量的具体经济条件的梯度，优化的基础上的数学参数化探索设计空间基于搜索技术（ Murphy等人4 ， NOWACKI等人 5） 。此外，在船舶的船型阻力最

8、小和最好的耐波性的行为（流体力学设计优化）的，或至少钢铁等权重船的舯段/结构设计（结构设计优化）优化计算机辅助研究开始被引入到海军建筑科学界，直到他们带领到成熟结果在最近几年（见，例如， Papanikolaou等 6 ， Valdenazzi等人7 ， Zalek等人 8 ） 。随着计算机硬件和软件工具的更远，更快的进步，以及他们融入强大的硬件和软件设计系统中，时间已经到了看遥遥领先于船舶设计优化，以全面的方式，即通过解决和优化几个并逐步船舶生活（或整个船舶生命周期系统的所有元素） ，设计，建设和运营，至少阶段的各个方面;内全面船舶设计优化，我们应该在此也明白详尽的多目标和多受限船舶设计优化

9、程序，甚至对船舶生活（如概念设计）与至少减少了整个现实问题的各个阶段。在“设计X”的总体框架，即“安全性设计”和“基于风险的设计” （ SAFEDOR 9 ， Vassalos 10 ， Papanikolaou （ED ） 11 ） ， “设计最近推出的科学学科求效益“ ， ”设计生产“ ， ”设计经营“等表明需要的方法和成熟的方法和计算工具从整体上解决了船舶设计优化问题（ Papanikolaou等人 12 ）的可用性。采用遗传算法（ GAS） ，结合微观尺度的探索和与实用功能的技术进行设计评估基于梯度的搜索技术，先进的本文中作为产生和确定优化设计的通用型优化技术通过有效的探索大规模，非线

10、性设计空间和众多的评价标准。多个应用程序通过使用NTUA的船舶设计实验室（ NTUA - SDL ）的设计软件平台，整合完善的造船学和优化软件套件与各种应用方法和软件工具这个通用的，多目标船舶设计优化方法，所必需的稳定性，电阻，耐波性，结构完整性等的评价可以在所列参考文献中找到（ABT等人 13 ） 。下面的例子，从最近完成的或正在运行的涉及NTUA - SDL欧盟资助的项目推断，可能会被高亮显示。一波刺耳的高速单体船的阻力最小的船型优化和最佳的耐波性（ VRSHIP - ROPAX2000 ， 14 和 15 ） 。高速单声道和双船型优化船体的至少波阻力和波洗（ FLOWMART ， 16

11、和 17 ） 。优化客滚船的区域化增加破损稳性和生存性，至少结构重量（ ROROPROB ， 18和19 ）的。优化的舰艇在受损的情况下在海浪和至少结构重量20增加生存能力。优化减少运动和对终端的背风面波的衰减（礼品， 21和22 ）的液化天然气浮码头.船舶设计的物流的优化（ LOGBASED ， 3 ， 23 和 24 ） 。一个AFRAMAX油轮货舱容量增加和环境影响最小的基于风险的设计优化（ SAFEDOR ， 7 和 25 ） 。对于一般的概念和利用天然气和替代程序的多目标优化的细节，可参考卢卡斯26和森 27 。对现代船舶设计方法和计算机辅助设计程序的技术报告，综合国家最近提出由An

12、drews等人。 28和NOWACKI 29。综上所述，本文简要介绍了整体方法船舶设计优化，定义了通用的船舶设计优化问题，并演示了用气及相关技术设计一代，探索和选择的解决方案。它讨论提出的船舶设计优化方法的两个典型的多目标船舶设计优化问题，高速船舶，由于波的产生的洗涤和辊的优化减小的供电和环境的影响，即船体形式的优化的基础上上滚降（滚装）渡轮至少为结构重量/增加运输能力，提高生存能力情况下的碰撞损坏。2 .一般船舶设计优化问题在一个整体的船舶设计优化，我们这里应该明白数学与至少减少整个实际设计问题的详尽的多目标和多约束优化程序。一般船舶设计优化问题，其基本元素可以被定义如下（参见图2）优化标准

13、（评价函数，目标） ：这是指在数学定义的性能/效率指标可能最终沦为一个经济条件，初始投资即盈利的列表。独立，有可能是优化标准（评价函数或目标）是可以不直接提及经济指标制定;看到，对于一个特定的X舰的功能，例如，优化研究，就像在平静的水，并在航道，船舶安全性能船舶，船的力量，包括疲劳等船舶设计优化标准是在设计参数（设计变量的向量）和一般复杂的非线性函数一般由算法程序的计算机辅助设计程序中定义。制约因素：这主要是指以数学方式定义的标准（在数学不等式或等式的形式）的监管框架有关的安全（船舶主要国际海上人命安全公约和MARPOL规定）造成的列表。此列表可能由第二组的标准特点是相对于它们的实际价值的不确

14、定性进行扩展和市场状况（供需数据商船）来确定，按主要材料的成本（船舶：钢材成本，燃料，做工） ，由预期的财务状况（资金成本，利率）及其他具体案件的约束。但应注意的是，后者的一套标准通常被视为一组不确定性优化问题的输入数据和概率评估模型的基础上，可以进行评估。设计参数：这是指参数（设计变量的向量）根据优化特征设计的清单;为船舶设计，这包括船舶的主要尺寸，除非指定了船东的要求（长度，梁，侧深，草稿模式）和可扩展到包括船体的形式，空间和（主）舾装的安排， （主）网络元素（配管，电气等）的（主要）的结构元素，并根据拓扑几何的可用性有关船舶的设计参数到一个通用的船模进行优化模型。输入数据：包括第一传统所

15、有者的规格/需求，这对于一艘商船是必需的货运运力（载重量和有效载荷） ，服务速度，范围等，并可通过多种影响船舶设计进一步的数据来补充和它的经济生活中，像财务数据（利润预期，利率） ，市场环境（需求和供给数据） ，主要材料（钢材和燃料）成本等输入数据集可以包括除了量的数字也比较一般知识类型的数据，如图纸（船舶的总体部署），并需要适当地转换纳入计算机辅助优化过程的定性信息。输出：这包括整套的设计参数（设计变量的向量）该指定的优化标准/评价函数获得数学极值（最小值或最大值），用于多标准优化问题的最优设计方案都在所谓的Pareto前沿和可能由决策者/设计者权衡的基础上选定。对于帕累托设计解决方案的探索

16、和最终选择的各种策略和技巧可以使用。在数学术语中，多目标优化问题可被配制成打开MathJaxon其中导率i是第i个目标函数，g和h是一组不等式和等式约束，分别和是优化或设计变量的向量的向量。解决上述问题的是一组Pareto最优解，为此，不能在没有恶化的至少一个其他目标可以实现改善的一个目的就是解决方案。而不是一个独特的解决方案，因此，一个多目标优化问题有（理论上）无限的解决方案，即帕累托一整套解决方案。采用多目标遗传算法（ MOGAS ） ，结合微观尺度的探索和与实用功能的技术进行设计评估基于梯度的搜索技术，先进的本文中作为产生和识别泛型类型的优化技术通过有效的探索大规模，非线性设计空间和众多

17、的船舶设计发生的评估标准优化的设计。通过使用NTUA - SDL3的设计软件系统，集成了海军建筑软件包NAPA ， 4的优化软件modeFRONTIER 5和各种应用软件的工具，必要的评估这个通用的，多目标船舶设计优化方法的若干应用稳定，电阻，耐波性等可能会在上市参考文献中找到（参见图3的一般方法一般船舶设计优化问题的草图） 。应用介绍了通用的船舶设计优化NTUA - SDL议事的一些典型的例子是介绍和简要在下面谈到。3 .典型船舶设计优化问题3.1 .对于供电和洗船型的高速船优化3.1.1 .问题的概述在速度，供电，耐波性特征而言船的水动力性能，操控性是非常重要的，尤其是对高速船（ HSC

18、） 。洗波一代担心既不是设计师，也不是船舶经营人，直到最近。它是引进众多大型高速船的船主，目前正在推动海事当局考虑申请一个尽可能合理的洗涤标准来HSC的操作，因为对海洋环境的影响和活动，沿海地区的安全。因此，至少对于HSC设计，洗还原成为船舶的流体动力学性能的一个重要要求，以及与其他传统的流体动力的目的。从概念上来看，修长的船体形式被确认为他们良好的性能和冲洗特性。的双体船增加间隔距离一般会导致波阻力和波洗净减少。不幸的是，容器的主要细节的选择是许多因素和限制的折衷，因此，不仅可以通过低洗涤的要求来决定。因此，一洗最小化方法在设计过程中，最好是在第一个阶段，当容器的主要细节已被定义及船型开发，

19、整合正在成为一个先决条件，以减少监管速度的限制所产生的影响将大大损害船舶的最终经济潜力。如果这样的方法是高效，可靠的洗涤预测的数值方法必须是可用的。虽然洗波预测根本不是一个简单的问题，特别是船只在半规划和规划条件，在计算流体力学研究进展导致了软件开发工具，无论是基于可以与使用的开尔文或者Rankine源分布一个良好的程度的信心。内部集成的设计环境结合的这样的数字工具是本文介绍的工作的主要目标。在一个多目标优化问题，如冲洗降低是客观功能之一，该框架的船舶设计过程的制定，使得正规优化方法的应用，以获得最佳的船型受业主的要求和技术及监管限制。其他的目标函数可能是该船的总电阻，适航性，动态稳定性等，提

20、供适当的数值工具可以为他们的可靠和高效的计算。此外，优化标准反映了容器的经济潜力，如建筑物和运营成本，运输能力，净现值或货运的速率，也可以使用。本研究在NTUA - SDL主要专注于供电的最小化和在过度洗波对环境的影响。因此，选择的目标函数是有限的总电阻和洗波最小化。为了进一步简化计算，该船只的推进系统，无论是水射流或螺旋桨，所产生的洗涤波的影响已被删去。目标函数反映了血管的经济表现遗漏部分是由不断的运输能力所施加的条件合理。在实践中，这是通过一个指定的最低滚装载货甲板面积和恒位移的要求确定。所选择的目标已经接近如下：（一）的总电阻是由摩擦力加上波阻力的总和，其中所述的摩擦阻力是由使用ITTC

21、摩擦阻力系数公式的计算来近似。 Shipflow ， FLOWTECH 6一个著名的商业CFD软件，采用了波浪阻力和洗波计算。非线性迭代计算被执行，因为它被认为有必要考虑到下沉和运行饰板上的兴波阻力和波浪洗的效果。（b）对于所述第二目标函数，适当的洗涤波测量准则，应选择针对每个特定应用，根据不同的种洗涤效果进行评估。在本研究中，基本上旨在展示优化概念的潜力，简单的洗漱措施已被采纳，在“平均”波高W沿纵波斩在从船的中心线一定距离的形式：等式（1）打开MathJaxon，其中 （ X，Y）是波抬高，而X1和X2是沿波切口积分区间的开始点和结束点。备选的洗涤条件可以在优化过程中，如最大发生局部波高度

22、在很容易地引入。波周期或波长可还介绍，并结合波高，以获得表达局域波能量密度的洗标准。对于这种优化问题的解决方案中，通用过程在图中概述。 2已被应用。3.1.2 。参考艘两个参考高速船已经被选定为概括优化程序，即一个高速单体船和双体船的示范。相关工作已在欧盟资助的项目FLOWMART 16 和 17 进行。所选的单体船船只的海盗11000 ，由勒鲁-船级社。该容器的主要技术特征列于表1中。表1中。所选择的单体船海盗船11000的主要特点。整体长102 m运输能力566名乘客和148辆在水线长87.5米推进功率4 6500千瓦总体梁15.4米主引擎4的MTU 20V吃水2.5米柴油发动机服务速度3

23、7千牛推进装置4 KaMeWa水刀表选项模型试验对于上述容器由SIRHENA按1:30的模型规模的FLOWMART项目内被执行的，在牵引罐为5微米的对应于深度弗劳德numberFnh 3米深度= 0.641的光束。由于拖曳水池的窄波束，预期显著反射均会影响测量的洗波。因此，计算已经在水不受限制的宽度和90米的深度（满刻度），并且在宽度和深度上对应于牵引槽的尺寸的信道执行对容器中。该预测与测量结果的在0.25L和0.5L横向比较距离离中心线（CL）的示于图图4和图5 。在波的削减和用于从船首约3船的长度的第一部分，从对数值预测有限的信道宽度的影响是比较弱的。进一步船尾，这个效果随在通道与实验测量

24、值更好的比较预测的容器显著。一个非常陡峭的波峰，从船头约两船的长度，可以在该实验结果为波斩在0.25L观察。相比，数值预测这个波峰是高出约50。同样的现象可见于波斩在0.5L，在哪里在300米， 400米的弓实验测量观察到一个陡峭的波显著的数值结果根据预测 。第二个选择的容器是高速双体船红色喷气三，通过FBM设计。该容器的主要技术特征列于表2中。高速双体船喷气红三的主要特征。总长32.9米服务速度33千牛在水线长度29.58米运输能力120乘客总体梁8.32米推进功率2 1360千瓦船体2.27米主引擎2的MTU 12V 396 TE 84吃水1.133米推进装置2 MJP 650水射流表选项

25、与长弗劳德数等于0.97本船运行在规划区域。模型试验对上述船只是由MARINTEK进行，也内FLOWMART 16 ，在1:12.5模型规模，速度范围从10千牛到33千牛和水深等于3.75米，7.5米，15米和37.5米（满量程） 。该预测与测量结果以30海里的速度和在0.845L的横向距离离中心线的比较示于图6和图7 。数值模拟结果与实验测量之间达成令人满意的协议获得了从船头5.5船的长度。此外尾部，两条曲线之间有相当大的差异可以看出，可能是由于接近自由表面的版面面积的后限。船型开发所开发的优化过程是通过使用NAPA 的基础上，参量产生的替代船型。小心确定最合适的设计参数，以及它们的适当的变

26、化范围，是必要的，以确定可行和高效的船体形式的产生。对于单体船壳体的船体形式生成是由一组点和倾斜角度的控制。通过这些点的网格被创建定义该船体。在图8一个典型的船体形式的透视图被呈现，其中所述栅极与定义点被示出。图8。对于双船体的情况下，两个步骤的船型开发程序获得通过。首先，一个辅助船体形式导出，再使用适当的定义点（见图9）。这船体，其特征在于由一个长铰接线，在整个容器的长度，和由横截面与在底部和侧部的直线段。两个过渡曲线，然后投射在侧面和底部（图9中的虚线） 。一种新的网格确定最终船体被创建，四舍五入的两个过渡曲线之间的横截面。相应的宏已经发展到方便的船体形式的参数化建模，充分利用NAPA宏语

27、言。创建船体形式后，其他宏执行检查与几何约束的合规性和准备适当的输出文件，描述由船舶流量处理合适形式的几何形状。图9 。3.1.3.优化的结果上述半位移单体船和高速双体船的船体形式最优化的典型的结果在下面的章节中讨论。.的单体船船的优化在图10 ，W与总电阻RT（近似RT = RF + RW）所生成的设计显示了洗波测量的散点图。原来的容器（根据船舶流量计算）中的对应值都带有在图的右上角的粗实圆。图10.一些具有良好的水动力特性设计的标识。在电阻所得到的减少量，洗涤波测量和最大波高，相对于原来的容器中，列于表3中。类似的比较是从计算的波切口位于at0.25L和从容器的中心线0.75

28、L横向距离所获得的结果。边界线（ “帕累托前沿）示于图10对应于最好的可获得的结果。所有位于该行上的图案被认为是“最佳”的，因为它是不可能提高相对于一个标准容器的性能而不损害其性能相对于其他人。这是设计师的责任，选择位于这条线的设计中最可取的解决方案，根据他的经验，并有可能进一步评价标准。决策支持工具，如实用函数技术，可在边界条件，以协助设计师在这个选择过程。在图中显示的结果。 11进行了计算，使用2 686的面板上的湿润表面上，并在自由表面2 3345面板。四个迭代最大数设置，导致每船约630秒的CPU时间使用DEC的XP1000工作站。在表3中给出的结果已被重新计算具有较大的自由表面的版面

29、区域，对应于计算机能力的几乎100（2 7742的自由表面板： 7602的CPU时间）。融合已经经过九年迭代所有船舶已取得。请注意，在表3中的洗涤措施W获得也重新计算（在波斩，位于靠近点在船的船头拥有500米的零向下交叉点，其尾端）一个较大的积分时间间隔。相应的自由面高程在一波下调位于LPP / 2从船舶航迹，提出了图11 。该双体船的优化进行了一系列的优化研究选定的高速双体船。是表示W与总电阻RT为最后阶段的优化测试过程中每艘船所获得的洗波测量图，提出了图。 12 。原容器中的相应值（根据船舶流量计算）由粗实线圆所示。应当指出的是，原始红喷气III船体形式已经被仔细地设计用于低

30、电阻和洗波，并预期从一开始，这将是相当困难的应用优化，以获得进一步的改善。这证实了所得到的结果中，至少有关的电阻，其中所获得的减少最大为0.7 的数量级。然而，一些形式的船体可以在图来识别。 12用相当有利的冲洗特性。其中，船身没有98B15W ，具有减少在洗涤计量W 13.8 ，而总电阻几乎等于原来的，可被视为一个强有力代替原船体形式。在耐洗涤度量和最大波高所得到的减少量，相对于原来的容器中，列于表4 。得到的结果进行比较。RT (kN)Diff. %W (m)Diff. %Hmax (m)Diff. %Original vessel64.0900.11600.5460Hull no 98B

31、15W63.650.70.10013.80.46215.4Hull no 98B125W63.760.50.1059.50.4969.2赫尔没有98B15W计算运行修剪等于0.163 的弓。为了研究对产生的洗波运行修剪的效果，一系列的这种船体的变形进行了检验。结果从1变体（赫尔没有98B125W ）与零运行修剪都包括在表4中。在图中显示的结果。 12进行了计算，使用2 348的面板上的湿润表面上，并在自由表面2 1763面板。五迭代最大数设置，导致每船约310的CPU时间。在表4中给出的结果被计算具有较大的自由表面的版面区域（2 8456的自由表面板： 34960的CPU时间）和10次迭代。表

32、4中的洗涤测量W再次被计算为较大的积分区间，产生了显著较低的值在图3的结果相比较。 12 。相应的自由面高程在一波下调位于LPP / 2从船的中心线，提出了图13 。3.1.4.结论已证明，所研制的过程是一种宝贵的设计工具的各种高速船的船体形式发展。施加局部形状变化和下的恒定速度，位移，长度在水线和间隔距离（对于双体的情况下）的最大波高为根据数值洗涤波预测所得到的还原是高达30的假设单体船船舶和最多的双体船的15 ，并指出，这两个原来的船都是经过精心优化设计，具有良好的水动力和市场表现。该方法允许根据设计师的需要，在日常实践中推出进一步的目标函数和约束条件。应用到其他类型的船舶设计用于低转速的

33、出现直接的就更少了有问题的，因为简单平静的水面流体力学，可以通过适当的流体动力学软件工具更好的评估。所提出的优化过程的结果的有效性在很大程度上取决于所采用的的替代船型水动力评价数值方法的准确性。虽然从与实验测量数值预测的比较结果显示令人鼓舞的协议，然而，认识，进一步的工作是必要的，以提高使用的数值方法。同时聘请势理论的船舶阻力的评估和清洗的特点是一个重大的简化，它不过预计即使该方法不能提供的目标函数（特别是有关船只的电阻）的绝对值非常准确的结果了仍然是一个非常有用的工具，特别是在最初的设计阶段，实现了快速的设计空间探索，并协助设计人员从设计不好区分好，分类正确的表现顺序替代设计方案。.3.2.

34、滚装客船以提高安全性和效率隔优化3.2.1 .问题的概述概率破舱稳性的监管理念（ A.265 30 ）的介绍，大约35年前，作为替代确定性的要求，一直被视为对评估过程的合理化的重要一步船的稳定下损坏。即生效2009年1月1日以及新的SOLAS公约破舱稳性规定是适用于任何客船或干货船类型，完全是基于概率的概念，所有新建楼宇，因此设计师们现在不得不学习与工作概率的概念，这是非常复杂和不太透明的，相比于传统的确定性概念。相关的计算工作量是相当显著，并可以进行只有使用专门的软件程序，它需要与其他船舶设计软件工具和优化程序接口。缺乏这方面的设计经验和系统的研究动机上的“滚装客船概率规则为基础的优化设计，

35、 ROROPROB ” 18的设置了一个欧盟资助的项目。该项目于2003年完成，其目的是制定和实施一个综合设计方法的滚装客船的最佳细分，基于概率破舱稳性规定。下面的轮廓与NTUA - SDL的ROROPROB项目内的工作，指的是正式的多目标优化过程的滚装客船的内部区域化的基础上，对损害稳定评估的概率方法的发展19。优化的目标是针对翻船船的阻力的最大化，通过她的运力达到的分舱指数，并表示，在这两个增加的载重量和车库甲板空间方面。另外，该达到的分舱指数7可视为一个约束（在达到的分舱指数规定分舱指数形式）和优化可能就运输能力的建设成本，日益接近，并最小化最大化进行到船东的角度。降低建设成本在本文中认

36、为这主要是由于钢铁等权重最小化的结果。细分甲板以下水密舱室数目的减少也被认为具有除了结构重量的显著影响，也对设备成本。3.2.2 。该过程的概要所采用的程序是基于一个著名的商业船舶设计软件包（ NAPA ）的集成和通用的优化软件包（ modeFRONTIER ） ，在图中列出的通用求解过程的框架。 2 。船只的水密分是自动生成的，假设船型并给予主要布局概念的基础上，一些设计变量和设计参数。对于每个设计变量的达到的分舱指数，以及在保持较低和主甲板车库总车道长度，钢铁等权重到主甲板车库的顶部计算。所采用的方法的主要特点在下面的章节中列出。 。内部结构的参数化开发适当的行动方案宏已创建

37、用于基于一组设计变量，形成了所谓的“设计空间”船的内部的水密结构的产生，另外一组由用户提供的设计参数。设计变量的优化过程进行了系统更新，使用中模式前沿适当的工具来完成设计空间探索。用户提供的设计参数是用来定义在局部和全草案船舶的完整负载条件，并提供必要的数据为各种计算（对于结构重量计算，整车尺寸为车道长度计算等具体的权重） 。该设计参数的优化过程中保持恒定。选定量可以被处理或者作为设计变量或参数，这取决于用户的意图或每个设计情况的具体要求。例如，在特殊案件中，水密分舱优化仅限于主机舱船前进的区域，用户可以把相应的设计变量定义在船尾的船隔作为参数。继内部布局的生成，程序将继续与各设计变量进行评估

38、，充分利用内NAPA可用的计算能力。适当的NAPA宏已经发展到控制破损稳性分析，计算结构重量和运输能力（无论是在排水量和车道长度计算） ，并验证每个设计的一致性。特性的设计与在主甲板中央和侧壳体的安排，通过上述步骤生成的，示于图。 14和图15 。除了主壳体的，细长壳体在主甲板的后端可以看出，在这两种安排。横向舱壁的位置，两个下的纵向和横向范围成立（前和后，如果有的话） ，垂直位置和双层底部和内部结构的所有其它细节的程度是由一套设计的控制变量。在本文中所呈现的研究中， 设计变量用于沿与28的设计参数限定该容器的内部布局。根据用户的选择，设计变量的子集来定义的设计空间，而其余的变量在优化过程中保

39、持固定。图14 。破舱稳性计算根据概率破损稳性概念的计算达到的分舱指数已经完成。虽然我们正在处理的滚装客船的设计，给出的结果是根据SOLAS B-1部分，原本适用于货船第25条。然而，开发优化程序可以很容易地扩展到占了NAPA软件包认为最新的统一的概率破损稳性配方（2009年国际海上人命安全） 。 。优化程序执行使用modeFrontier软件包执行的最优化过程的协调，提供了装置，用于将计算链的定义和控制，并进行必要的外部套装软件的集成。图形用户界面，用于优化逻辑方案的执行和审查（参见图16 ） 。输入变量，以及它们的变异间隔和必要的设计参数，则在相应的输入文件中

40、定义。链接到相应的外部应用程序建立与批处理文件的帮助下，允许modeFrontier来控制程序的执行，并执行在网络上的各种目录和/或计算机之间需要数据传输。适当的优化调度器的选择取决于具体的需要解决的问题。在我们的案例研究既单面和多目标遗传算法（ MOGA ）已被使用。对于优化程序的输出的分析，提供bymodeFrontier （平行图，散布图和学生地块）的各种选项中使用。后者用于评估相对于输出值的每个输入变量的重要性。图16 3.2.3 。案例研究系统的案例研究已经进行应用上述过程将样品滚装客船（图17） 。船的详情和两个初始载荷条件（完全和部分负荷）的定义列于表5中。的横倾角度的计算仅限于

41、60 ，并没有向下的水浸开口是在本文介绍的案例研究中定义。车库空间的磁导率被设置为等于0.90 ;用于发动机室它是0.85 ，而对于空间的其余部分被设置为等于0.95 。图17 。 .多目标优化为最大的A和运输能力和最小的结构重量在所提出的优化研究达到的分舱指数A和车道米既最大化得到解决，而结构重量最小化。很明显，前两个目标是矛盾的，因为A的最大化要求致密隔，而这会限制下保持长度，因此总车道米。结构重量的最小化也是违背答：对于演示应用的方法论的最大化一个矛盾的目标，结果在主车辆甲板中央壳体构造列于下面（见for评估侧壳体的配置）。该船的内部结构的优化被限制的主引擎室

42、的面积前进，保持舰尾部分安排固定的。优化过程的逻辑方案示于图18 。描述的主引擎室隔向前七个设计变量被选择来定义设计空间（自由变量） 。为达到的分舱指数的最低可接受值的约束被罚款。在多目标遗传算法（ MOGA ）优化调度已被选定为实际的优化，并随机生成的42设计的初始种群。初始设计的人数估计由拇指提示“ 2 变量的目标数数”的规则。优化过程随后启动了30代的概率为0.5方向性交叉的，选择0.5的概率，以及0.1突变的概率。共有950设计创建和评估。这项研究的帕累托设计结果列于图19 图20和图21最好走出产生帕累托设计的设计师的选择可支持的多准则决策 E.STE.CO （2003年） ， “

43、modeFrontier软件v.2.5.x ” ， HTTP的效用函数技术： / / www.esteco.it/ 。假设为三个目标相等的权重，所研究的中央壳体的设计的等级示于图。 22 ，而在图23显示生成的优化设计（编号782 ）的总体安排。当到货运能力（车道米） ，这被认为是更接近一个潜在的船东的经典设计预期，车道长度对船舶的经济价值产生直接影响，从而提供更高的偏好而达到的分舱指数应该刚刚超过极限的安全法规设定，结果改变，如图所示。 24和图25 。 .中央和侧壳体配置之间的比较所得结果的比较，优化中央和侧壳配置时，呈现在图26 ，图27，图28 。从这些图中可以观察到，

44、该侧壳结构导致显着增加运输能力，结合达到的分舱指数的一个明显的增加。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，侧壳的存在对下列损害船舶的稳定性特征产生积极的影响，使保持较低的区域的增加，而履行的增加达到的分舱指数的要求。关于结构重量的2设计概念之间没有显著差异可以从对比观察。然而，应该指出的是，结构重量的计算是本文所基于每平方米预定义的特定权重为船的各个部分，而不管所选择的设计概念。在这方面的比较可以在一定程度上偏向于侧壳结构中，考虑到中央壳体结构固有处置增加的结构刚度。在实践中，较重的横梁，深纵梁和多个支柱都需要支持的侧壳的概念甲板重量。3.2.4 。结论多目标优化过程已经呈现，

45、旨在协助滚装客船设计师在初步设计阶段，当内部水密分舱的布局进行了研究，考虑到效率的概率破舱稳性规定和方面的影响和建筑成本。所开发的程序是基于modeFrontier ，多目标协同设计优化与NAPA ，一个众所周知的和多功能的海军建筑设计软件环境的集成。结果从上面的程序中的应用揭示其作为一个有用和实用的设计工具的潜力，从而使设计师能够系统地，在很短的时间内数以百计的替代布局，受到各种关系到船舶的效率，约束条件和目标函数的评估和安全。所开发的程序可以使用，也可以从头开始生成一个容器的内部细分，或显著改善现有的设计。它允许设计人员获得设计空间的一个更好的概述，并获得了较好的折衷的矛盾的设计目标。巨量

46、计算的概率方法需要一个容器的破损稳性评估导致了约3.5分钟使用PC具有奔腾IV微处理器的频率为2.4 GHz ，每艘船的评估的计算时间。这个计算时间可以通过使用已成为近年来有更强大的PC计算机上显著下降，并指出，显示的结果在2003年最初产生。上述程序的其他类型的船舶的扩展出现直接的，特别是对于船舶用更少的复杂的安排，就像货船，因为他们的区域化可以显著减少设计参数产生。4 .结论和前进的道路本文件提供了一个简要介绍了整体方法船舶设计优化，定义了通用的船舶设计优化问题，并利用遗传算法和开发的综合船舶设计优化的过程演示了它的解决方案。这个被施加到两个不同的实施例中，流体动力性能即优化的高速货船的环

47、境影响和滚装船增强生存能力和运输效率的最优化。结果表明，多目标数学优化方法是非常有价值的工具，大大提高船舶设计质量，即使适用于已经优化了传统方法的船只。在参考文献列表中所提出的方法，其他的设计问题的进一步应用程序可能被发现。据指出，这个名单是在很大程度上仅限于NTUA的船舶设计实验室的工作参考和确实并非详尽无遗。前进道路上的最后的评论：虽然通用解决方案的方法来全面的船舶设计问题似乎非常成熟，但它仍然为研究人员开发和集成应用算法和相关软件一个长长的清单，应对种类繁多船舶设计为中生命周期。这是几十年来的一个长期的任务，需要深厚的技能船舶的物理和设计，需要适当的训练，海军建筑师和相关学科的科学家域和

48、理解。致谢附录:在本文中使用的重要概念整体论（来自希腊语，意思是全部，总）还原论还原：有时解释为整体论的对立面。“一个复杂的系统可以通过降低其基本组成部分接近。 ”整体论与还原论的需要，进行适当的帐户复杂的系统，被视为互补的方法来系统的分析。风险（财务） ： “中低于预期收益损失的量化的可能性。 风险（一般） ： “的一个逊于预期状态的条件可以接受的亏损状态的量化的可能性。 安全性：可被定义为“一个可接受的风险状态” 。生存能力：在工程中，生存能力是一个系统的量化能力，子系统，设备，过程或过程期间继续与天然或人为干扰后的功能;船舶的生存性可以被定义为船舶的能力继续的环境干扰（由海道如效果），或

49、者她的船体或设备所造成的碰撞，搁浅或武器的影响（舰艇）损伤后的功能。优化： “最好的识别出了一系列的许多可行的方案。 ”整体船舶设计优化： “船舶设计的多目标优化同时考虑所有（全盘）设计的船舶系统和整个船舶生命周期方面的问题。 ”主要的设计目标：性能，安全风险的生存能力，成本。主要的设计约束：安全法规，国家市场（需求，供应，钢材，燃料等成本） ，其他大部分案件具体。整体风险的优化：考虑到风险投资新造船，它的设计应该从整体上优化，我们可能会将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，其中有具体的盈利投资的风险期望最小化，或者利润最大化为可接受的风险。达到的分舱指数A，是的船舶生存的

50、情况下的统计上可能损坏的可能性的度量。它应小于所谓的规定分舱指数R，这对于达到的分舱指数A中的最低值计算，即所考虑的船舶上普遍接受的（在征收条例）生存的水平，相当于她的大小和人板载暴露在碰撞危险号码。因此，通过船舶的A和的R直接比较，在冲突的情况下相对于她的生存能力相对安全的她的电平被建立。该指数A的一般提法是A = pivisi ，那里的总和，必须采取过所有水密舱或舱组的。这里，系数PI表示正在考虑（ I）室的隔间或组被洪水淹没，没有隔间的可能拟合水平分支（边界）我的考虑，和VI的概率的概率高于现有水平边界的空间没有进水。上述两个因素直接取决于船舶的建造的几何形状，并通过系统地收集损坏的船数

51、据的统计分析确定。该因子Si为生存或每组舱室的考虑之中，包括可能存在的水平边界的后驱的概率。参考文献:1 Levander K. Innovative ship design can innovative ships be designed ina methodological way. In: Proc. 8th int. marine design conference-IMDC03;2003.2 International Maritime Organisation (IMO). Prevention of air pollution fromships. Report of the w

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