计算机辅助船体设计的50年外文翻译资料

 2022-09-04 20:08:56

计算机辅助船体设计的50年

摘要

本文将回顾计算机辅助船舶设计成立50年来的关键性的发展成果。当中的里程碑事件和重大创新将在船舶设计应用程序的方法、建模和船舶设计的集成过程中得到体现。本文将讨论解决在船舶设计基于人工和基于计算机在同一平台实现决策过程中的许多特定的子设计任务。

关键词:计算机辅助船舶设计 设计方法 系统分析 优化 产品建模 流程建模

1简介

在设计和计算中，CAD这个特殊的技术满足了在当前状态和未来趋向有着许多现代化发展和未知改革的计算机辅助船舶设计（CASD）要求。我的文章给了我机会回顾这个领域的关键性发展从50年前至今已相当先进，无论哪一方面都已大为不同。在电脑使用的半个世纪里已经深深影响了我们生活的方方面面，并且已经对工程设计产生深远影响。基本上我们的方法、标准和解决方案的范围在过去的那几十年得到了丰富和快速增长。本文将立足于长期的眼光去研究在电脑的支持和影响下，船舶设计所发生的变化。因此会问：对于CASD,从哪里来？实现了什么？并且还需要做什么？

我将作为一个积极的观察者报告我选择性的发现，即：在那些发展当中的某些部分作我为一个目击者和参与者。我自己的第一步计算发生在大约50年前,并且涉及船舶水动力分析,而CASD还仅仅是刚刚萌芽。但是如果我们包括早期的前兆,公正的来说CASD从大约1960年就已出现。这些开端将在2.1节中详细描述。

Joseph Weizenbaum (19232008), 我相信是一位重要的的计算机科学家和历史学家。他曾经说过，人类一旦解决了没有电脑的问题，就仅仅会使用它来执行任务。在广义上，这本质上是真实的，并且它无疑适用于船舶设计。船舶设计和建造在电脑到来前已经有几千年。因此, 电脑带来的创新本质上不在于我们解决什么任务,而是我们如何执行它们。计算机的使用导致的船舶设计方法的创新，并且有时从根本上改变了早期的设计过程。本文将讨论这些变化的性质，并说明对于船舶设计的新方法，实际上是一种在设计决策中的思想新途径，在船舶设计的各个应用领域。这个重新定位已经导致更加理性,更加透明,更好量化设计决策,有时为创新设计的解决方案铺平了道路。本文将通过例子寻求证明。

计算机辅助设计,包括船舶,声称使用电脑只作为设计决策的辅助工具。因此,人类设计师仍然是负责提出合理和某些时候创造性配方设计问题和批判性审查结果。即使某些标准化的子任务执行几乎用过电脑，但有自动计算机支持的船舶设计仍然是一个人工任务。但全人类的责任方向已经维护了整个CASD的历史。

本文目的不在于提出CASD的完整记录历史。许多国际会议的议程，尤其是ICCAS（自1973年）和IMDC（自1982年），包含材料监测这一学科的逐步发展。我会专注于那些对船舶设计方法和计算机实现有显著意义和持续影响的里程碑事件。参考文献，其中包括一些我们自己的出版物，目的是在于某些趋势的特性，而不是系统地认为我们不得不信每个第一次出现新的思路。幸运的是CASD的短暂历史有很多比我能在这里列举的更有创意的贡献。

2综述

2.1起源

计算机辅助船舶设计（CASD）的学科有几个根据和历史的前身。比如，在其他工程学科分析和船舶设计它属于从数字时代到来时算起出现最早的计算机应用，并在1960年被确定下来。我认为所有CASD后来的发展都是在由于之前的三个根源：数字媒体在数控的制造业自动机的需求;船舶产品几何模型的数字表达取代繁琐并且容易出错的船型定义图形化流程；为了船舶设计中计算密集，耗时的任务的计算机应用，比如船舶的稳定性，水动力和结构分析。

在的姊妹学科，CAD为机械工程在用于零件数控加工的编程语言APT（自动编程工具）的发展提供了可能。麻省理工学院1955年到1959年D.T.罗斯的指导下进行零件的数控加工 [1]是一个历史性的里程碑事件。它的真实不仅是因为数字媒体在制造控制上适用，也因为数字产品模型的想法，这个产品的几何造型的诞生从该切削刀具的几何路径可以得出的想法被引入。这是CAD和CAM产品的几何造型的诞生。

在造船业类似地，尽管稍迟一些，在部分生产中火焰数控割矩从钢板造成过渡到数字媒体的一部分定义。挪威AUTOKON系统[2]是一个为船体型表单定义功能的开拓发展，切割轮廓确定和数字火焰切割控制形状的产生。因此，它在船舶型线上包含对船舶几何建模能力的核心。

船体的几何形状的以数字形式的几何造型是捕捉复杂的，弯曲的，自由的船线，并且船体形态分析的所有目的是使之成为平面。早期的开创性工作仍然坚持通过弹性样条装置[3]模拟的手动绘图。这些概念被很快扩展和推广是基于贝塞尔曲线[4]，B样条[5]和NURBS[6]在CAD的其他分支。延期曲面造型逻辑如下套装[4-7]。从图形到数字几何定义媒体的转变在不到十年的时间达到。船舶设计计算密集型应用也很早就开始了。计算静压曲线，船舶稳定性，船舶的一些结构和水动力分析20世纪60年代蔓延相当迅速[8,9]。

在这个阶段，一种新的意识兴起了认为整个设计过程的所有阶段，它作为一种可行的整合，尽管认识遥远的目标。1960年D.T.罗斯在麻省理工学院[10]发布了一个备忘录，在那里他定义他所谓的``计算机辅助设计远距离目标。``计算机辅助船舶设计”（CAD）的说法，据我所知，显然首先在美国海军研讨会[11]于1966年在华盛顿举行时使用。这个名称很快被学术所接受。1968年在，我参与了CASD[12]举办的暑期强化课程。在1969年[13]，我受邀请在密歇根大学接受第一个CASD研究生课程。几个我的感怀报告的是从那段经历中得出的。许多我们长远的志向源于早年时候，那些激情澎湃的日子。

最初，在船舶设计电脑支持仍局限于几个独立的应用程序。早期的承包系统或大多是独立的应用程序家族的程序包初步设计源于1970年，例如，PRELIKON[14]，BRITSHIPS[15]，FORAN[16]和WAERTSILAE[17]。但是，尽管在所有的计算机系统中依然盛行技术限制和在设计方法中存在知识差距，我们已经设想了一个完整的，通过未来的CASD系统完全集成支持的设计过程。因此这个目标和CASD的基本思路是有理由从那个时期确定。

2.2年表

只有几十年的数字计算的短暂历史一直是持续不断地技术变化导致计算机能力、计算的功能和形式迅速发展。因此可以区分几代硬件和软件系统已具有明显不同的计算性能和不同类型的人机交互。

表1.

表1给出了连续的硬件代及其相关软件取向的概述。在设计中电脑的使用无疑经历了这些变化产生的后果。横跨几十年的总体趋势显示功能人类的设计活动在计算机支持下的稳步增长在以下几点：

  1. 从支持大，中，慢的电脑任务转向更短、中小并且人工干预更为频繁的工作。
  2. 从批处理计算转向高度互动的设计工作
  3. 转向越来越多结果图形可视化和图形互动
  4. 对于普通产品型号从单机任务转向更多持续集成
  5. 独立分散、分布式计算、网络等过程。
  6. 先进的模拟和可视

很明显，CASD在支持设计的潜力基本上随着每一个新技术的产生大幅增长。同舶设计的方法发展迅速并且经验深刻变化。设计方法的要求和计算机技术的能力已经在CASD系统互相影响对方。这些将在第3节通过实例进行详细说明。

2.3范围

船舶设计过程中的作用是提供一个完整的产品定义，适用于所有后续的性能和安全性评估，并提供投入来规划和实施船舶生产。为此，在设计过程中必须生成一个完整的产品模型定义了所有必需的船舶性能以便后续的评估。

图.1显示了这个过程，结构分成许多生成和评估步骤，并导致越来越多的完整的数字化船舶产品模型的范围中所载的现代CASD系统。历史上的产品型号各部分发展，并且只有逐渐成熟，但今天，电脑表征存在绝大多数的这些特点，这从而定义CASD船舶设计过程中的当前范围。

图1.

3计算机辅助船舶设计方法学的发展

3.1 系统分析方法

工程设计和今后船舶设计都是一个做决策的过程，这个过程导致了从一个给定的需求到产品定义，这个定义包含了有关性能评定和船舶生产的所有相关信息。船舶设计任务及其结果可以用以下建模元素项目（图2）来描述：

缩写：

R =要求，即，具有满足使用功能的性能，法律法规要求和安全性的限制，业主和用户的需求，业务场景和约束。

S =解决方案的空间，即，域的限制解决方案应在的概念和设计变量的变化范围来查找的。

DA=设计评估中，一个提出解决方案建议，它的所有要求将被描述在功能特征和性能指标方面。

SP =船舶所有物，一份达到设计性能的装备清单。这份清单是一个完整的产品说明和作为生产的基础。

这个信息可以被分类为计算机建模的下列类别：

D =设计变量的集合，设计人员控制下的自由变量，例如，主要尺寸。

P=不设计者控制之下的，但是由特定的情况下，从而事先不知道情况决定的参数、变量，例如，路由，范围，货物可用性，港口水深等。

M =优异的指标，例如，经济指标。

C =约束、等式和不等式，例如，关于稳定性，干舷，能力等。

对于D和P的任何给定的状态在设计过程评估M和C的相应状态，在寻找解决办法的设计变量D是多种多样的，而参数P的暂时保持固定。研究一直继续，直至发现一个可行的设计，即一个没有违反任何约束，或是优化的设计，即允许的最优M指标（如果没有指定优异的指标，那么所有的设计被视为同样令人满意，使得任何可行的设计是可以接受的）

设计是一个综合的过程。一个真正的设计任务有更自由的设计变量而非相等的限制，以便有一个仍然自由变化的可行空间。因此，许多可行的解决办法通常是存在的，除非冲突的约束阻止某个允许的解决方案。设计者通过直接选择或者说明对比设计质量后的优异衡量指标声明最好的设计方案。这会把设计问题转化为优化问题，通常都会有一个非常好的解决方案，或有偏向有利的方案。

图2.

因此，根据图2设计问题的的提法，它为一大类的设计问题提供了一个统一的视角，并且因此可以作为绝大多数的船舶设计问题的一个共通之处。这一提法也通过优化策略手段本身借给计算机建模和基于计算机的船舶设计软件实施使用。

然而，在图2用于船舶设计问题描述的类型也有一个更广泛的解释，因为它也构成系统分析的更一般方法的基础。因此，如果我们接受这一类问题的提法作为型船设计的原型，那么我们能将这个大类的设计问题作为系统分析方法中的一种特殊情形。

系统分析法是一个相对一般的决策方法，适用性系统一般包括物理，运营或只是逻辑组件。这种方法在二战期间可能起源于军事行动的决策，但它很快就在战争之后蔓延全球，至今已应用到许多学科，尤其是包括工程设计。系统分析提供了一个系统的方法来制定问题的提法和一个因此而统一的基础问题的解决方案。

系统分析工作在决策问题还是设计问题时需要一个相当严格的纪律，包括以下步骤：

  1. 系统目标和要求的明确声明
  2. 所有的约束列举
  3. 在约束条件下，为达到目标所有可能策略
  4. 明确优异的指标规范
  5. 决策变量和优异指标/每个方案引起的约束（该系统的数学模型）之间相关连的定量模型

这个问题的格式为定义问题的提法提供了一个相当一般过程。同时，它完全实现了图2中所表示的系统设计过程中问题提法的元素。此外，该系统分析提法也可被视为一个优化问题的陈述。因此，一旦一个设计问题已在系统分析方法的元素方面已经说明，它可以被视为一个系统优化问题。这就解释了为什么这种做法很快就变得非常流行，并在船舶设计和它的子问题中被广泛接受。

在1970年之前的一些年里，另一项发展出现了，它对系统分析适应性和商船设计优化有很大的贡献，即，设计决策的重新定向到一个明确的经济基础。传统的商用船舶设计总是在船东和船舶建造者的利益下实施建造。但是，在商务谈判中这几乎是暗中或闭门造车，在设计室很少公开。但来自船东的，也受到政府机构资助造船及船舶营运压力，越来越想想通过比较其预估经济表现去量化的船舶在设计阶段的经济性。起初在美国，后来在其他国家，传播着一种意识，那就是在以足够的精度进行合理比较早期的设计阶段，估计船的成本和效益切实可行。这样的经济评估的基础在很大程度上是由Benford[18]演示如何可以在实践中进行的。

显然，基于系统分析对商船最佳选择的船舶设计研究，很快成为经济成本效益的措施。一些早期的论文提出这种方法[1921]。但它很快传播到世界各地并成为系统的船舶设计比较的主要平台直到今天。在海军舰船设计采用有效性的一些非经济的措施[22]，但成本效益的考虑，仍然提供相关标准。系统分析方法已经对船舶设计方法产生了深远的影响，它在船舶设计中作为合理问题提法的手段和协调子任务目标与结果的一个平台，即集合设计团队成员的贡献去完成目标。这种方法有助于开发创新性方案和通过合理的标准判断方案的优劣。很多好的概略的文章和教科书，对于船舶设计都有这一新的方向的描述和应用的出现（例如[23-28]）。

3.2优化，非线性规划

优化问题可以通过以下数学形式来描述（在一个单一的优异条件的情况下）：

找到一组决策变量的D*（设计变量的集合），对于给定参数P*，使优

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[147334]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章