有關船舶多學科設計優(yōu)化建模的研究

張庭亞

【摘要】船舶設計是一項技術復雜的工程，其周期較長，并且對技術精度的要求也是比較高的。對其的設計牽扯到的學科知識的范圍也是比較廣的，包括水動力與結構學等。且當前隨著計算機技術在各個科學領域的運用程度不斷加深，船舶設計也正采用計算機技術，用計算機進行高精度的模型進行分析與設計。但是，相比于其他學科而言，船舶科學的發(fā)展是比較緩慢的，雖然傳統(tǒng)的設計方式，貫穿了串行設計的方法，其為船舶設計技術的發(fā)展做出了較大的貢獻，但是也存在一定的問題的，比如無法估計各學科之間的耦合效應以及協(xié)同效應，又比如無法克服低效與耗時的不足。鑒于此，本文就針對船舶多學科的設計優(yōu)化建模進行了研究，并得出了自己的一些見解和建議。

【關鍵詞】船舶設計；模型；多學科；研究

全球制造業(yè)隨著經濟社會的發(fā)展，對我國的國民經濟也得到了迅速的提升與發(fā)展。因此我國的造船業(yè)也迎來了比較適宜的發(fā)展契機，但是我國雖然是造船大國，但是卻進入不了造船強國的行列。所以再這種背景之下，我國的造船工業(yè)急需創(chuàng)新與發(fā)展，但是面對技術密度高且周期又長的船舶設計工程，學習與借鑒分析國際上的先進方法與理論，深入了解其特點，優(yōu)化設計方法，無論是有效控制周期、還是節(jié)省成本或提高設計質量而言，都是相關行業(yè)人員非常重要的任務。

一、船舶多學科優(yōu)化設計的特點

（一）問題具有綜合性特點

船舶本身就是一個復雜的綜合物體，所以對其進行設計其方案也必定擁有較為復雜的綜合性特點，這些問題包含了流體靜力學、水動力以及結構等多方面的知識。只有把這些學科高度優(yōu)化與融合在一起，才能完整的設計船舶，因此，對于船舶的設計而言，其設計問題是具有綜合性的特點的。

（二）設計問題具有矛盾性特點

設計問題的矛盾主要存在于船舶的各項技術之間，這包括安全性與經濟性特征。這就相當于對船舶的設計設置了一個矛盾點。又比如，在排水量一定的情況下船舶的載重量與航速及航程之矛盾，阻力與效率之間的矛盾，船舶操縱的穩(wěn)定性與靈活性之間的矛盾等。因此在確定設計方案的時候，調整某一項設計因素，就會牽扯到別的因素，這就要做出合理的取舍，綜合與全局考慮，才能使得整個設計方案呈最優(yōu)化狀態(tài)。

（三）各學科關系之間具有復雜性特征

船舶設計牽扯到的學科是方方面面的，因此隨著設計者對船舶設計的不斷深入，矛盾就會下顯現(xiàn)，但是修改這些矛盾點，不是通過對某種學科的改變就能夠改變的，多學科之間有著復雜的聯(lián)系與分工，其耦合關系具有一定的復雜性特征。

二、船舶多學科優(yōu)化設計建模分析

（一）設計初級階段引入MDO

船舶設計的過程是復雜的，是逐步進行的，因此其設計過程也需要適應一種方法。因為其包括了初步構想、初級設計與完善設計幾個方面，所以在不同的設計階段設計知識和自由度也會呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。如下圖（1）所示：

船舶設計的不同階段對應相應的設計知識積設計自由度，設計階段越靠后需要的設計知識越多，而設計的自由度卻越低。由此也可以看出，傳統(tǒng)的設計方法與概念以及相對應的周期也是比較短的，因此其是不能獲得足夠的知識的，這樣一來就不利于設計工作的進行。因此為了獲得最優(yōu)的方案，就需要在設計初期考慮多學科因素，從船型、結構與推薦等方面得出變量關系。

（二）船舶的總體設計及學科劃分析

總體設計是一項非常重要的工作，其綜合性強，設計面也比較廣，對船舶設計的總體質量保障也是相當重要的前提。一般來其包含了幾個方面：1、船型的特征與布置構；2、尺度的考量與選擇；3、技術性能的分析與估算；4、其他猶如法律法規(guī)的問題。

這些內容都是總體設計階段需要著重考慮的問題，需要綜合性考慮，且其中也包含了以下結果領域：船型、重量、船艙容量、速度與穩(wěn)定性、操縱的靈活性、結構與經濟性等。因此對不同類型的船舶進行多學科優(yōu)化設計的時候，需要選擇與其相適應的經驗公式與統(tǒng)計公式模型。

（三）重量學科的模型分析

重量模型分析主要是為了使船舶的浮力與重力達到一個平衡的標準，讓其準確的漂浮在吃水線上面。因此，如果重量計算的誤差過大，船舶的下沉就會比較深，這樣就會影響船舶的使用性能。所以正確的設計中心的位置，確定浮性與穩(wěn)定性、耐波性與強度等因素。船舶的重心估算式如下：

（四）船艙容量學科分析

船舶的重量是基礎，但是船舶的容量（艙容）也是比較重要的一部分，這是使用面積，包含了甲板面積，是用來轉載貨物與油水的空間。其是一項重要的使用性能，因為一旦艙容不夠，就會影響使用效果，反之又容易造成浪費。因此在設計階段，根據船舶的尺度，通過合理的重量與尺度比例計算出合理的容積，用以滿足船舶運行的要求是非常具有必要性的。

（五）速度學科分析

快速性與經濟性聯(lián)系非常大，其實根據在一定的基礎上，根據主機的功率來定的。而影響船舶航行速度的因素，無論是阻力還是排水量都需要科學的驗證，船舶的總阻力取決于排水量、與尺度比等需要因素。另外，從推進方面來看，主要是螺旋槳的推進方式，螺旋槳的效率和符合系數有著直接的關聯(lián)。因此從設計的角度來說，解決這些問題，主要在于如何選擇適合的尺度由于主機功率，另外優(yōu)化船型減少阻力也需要考慮。

（六）穩(wěn)定學科分析

船舶的設計穩(wěn)定性分為兩部分，分別是初穩(wěn)性與大傾角穩(wěn)定性。其中影響因素包括船舶中心的高度，水線面系數以及型寬等。另外其還與干弦、上層建筑以及進水口的位置及受風面有著聯(lián)系。因此，出于安全考慮，需要確定適宜的初穩(wěn)性高下限值。初穩(wěn)性高的近似估算值公式如下：

（七）耐波性學科分析

船舶的耐波性的好與差直接關系到船舶的使用性能與安全性能，在如今其已近成為衡量船舶性能的重要標準之一，通常在國際上也是通過耐波性來評判一艘船舶的質量。耐波性的學科分析模型如下：

（八）操縱性學科分析

傳統(tǒng)的設計中，船型主要是根據尺度與快速性與穩(wěn)性等方面的要求來決定的，其甚少考慮操縱性的要求。但是這并不代表其不重要。它也包含了三項內容：航向穩(wěn)定性、回轉性與轉首性。因此在船舶設計的初級階段，如果想使船舶具有最優(yōu)的操縱性能，就必須要建立，操縱指標與其它參數之間的關系，航向穩(wěn)定性的公式如下：

回轉性的公式如下：

（九）經濟學科分析

一搜船舶的設計必須要滿足多學科的共同需求，最大限度的使用。然而現(xiàn)在公認的破壞船舶主要干擾因素是經濟性。即在確定技術要素的同時，必須考慮經濟性的因素。通俗來講就是，在保障船舶航行安全的狀態(tài)下，估算造價。整船估計具體公式如下：

經濟學科分析模型如下：

三、結束語

船舶設計是一項非常復雜的系統(tǒng)工程，其周期長、學科多以及耦合關系復雜等，因此決定了學科分析需要采用精度更高的方法，然后利用響應面近似模型技術來完成整個設計優(yōu)化過程。如今，多學科設計的優(yōu)化方法已經被飛機甚至是導彈行業(yè)所應用，并且也取得了良好的設計結果。由此可以看得出來其是一項非?？茖W的、行之有效的方法。鑒于此，本文針對船舶多學科設計的優(yōu)化建模研究，只是對船舶總體多學科設計工作的一個開始，希望經過船舶設計及制造業(yè)從業(yè)人員的不斷努力，我國的船舶設計水平能夠達到一個較高的水平，是我國快速邁向造船強國行列。

參考文獻

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