在船舶和浮体结构设计和分析方面电脑应用的挑战外文翻译资料

 2022-07-28 14:09:29

在船舶和浮体结构设计和分析方面电脑应用的挑战

关键字

边界元方法 计算流体动力学 计算机辅助船和浮动结构设计

计算机应用 有限元分析 流体动力学 生产 结构

摘要

本文综述了在船舶和浮体结构设计与分析研究的重要领域。计算机的主要应用领域是船舶/浮体结构设计与分析主要使用方法的选定，以及建模和集成的设计和分析过程。本文讨论了船和浮体结构设计与分析方面计算机应用的一些难点，并指出研究的趋势、设计方法和工业应用。

1.简介

船舶和浮体结构是为各种各样的目的服务的重要的工程结构物，例如运货物和乘客、油气矿产的勘探/生产/储存 、海岸防护和监视、军事防御等。竞争需求，如迫切需要小规模、高速度、低震动、在恶劣天气条件下能够保证操作能力，能源效率，清洁环境，使得现代工程设计越来越复杂和在材料科学上技术的跟进。船舶和浮体结构是一个相当复杂的工程结构，它的设计和分析时间长达数月，生产时间可能会需要几个月到几年。这在各种工程结构中的复杂性如图1所示。

计算机是一种可顺序地自动地执行一系列算术或/和逻辑运算的可编程状态机。它问世于二十世纪五十年代早期，由于其具有计算、存储和操纵大数据的能力、 可视化和模拟运动能力、能够互动、规范并指导学习的能力等。它深深的改变了数学设计分析方法的范围、类型和方式。目前现代工程设计和分析是与计算机运用紧密结合的。由于船舶的设计周期长，为了减少设计周期，造船工业成为第一个使用计算机和计算方法进行船舶结构建模、设计和分析的工业。典型的计算机辅助船舶设计过程如图2所示。

计算机是一个船舶/浮体结构设计与分析的辅助工具。虽然其自动化程度也在某些特定的设计和分析任务中取得了成果，但是整个过程仍严重依赖设计者/用户。例如人类设计师需要负责设计新奇的方案并且只能自己对设计的结果进行扬弃。它虽能辅助设计和分析船舶/浮动结构，但其最终的责任仅在人。

本文并不追求呈现出计算机应用在船舶和浮动结构设计和分析方面详细的难点列表。许多国际会议，尤其是国际船舶和海上结构物的会议(ISSC)、计算机应用在国际造船的会议(ICCAS)、国际海洋船舶设计会议(IMDC)，都探讨过船舶和其他浮体结构(雷达字母和数字显示系统）的实际设计情况，包括材料监测的整体研究和发展问题。在总结和回顾船舶和浮体结构设计和分析的重要研究领域基础上，我们认为计算机在船舶/浮体结构设计和分析的应用的主要领域中，原则上强调方法、建模、设计和分析过程的集成。我们讨论并呈现出一些关于船舶和浮体结构设计的电脑软件、新兴趋势的研究以及设计和工业应用。

2.在设计和分析方面的计算机应用

2.1 .设计理念

船舶/浮体结构是很复杂，并且本质上是参数相互冲突的产品。由于参数大、需求复杂，并且他们的基本性质是矛盾的，它一直追求在有界约束的设计和制造条件下最佳的性能(即被所有者,法定机构等约束设计,和造船厂的设施约束制造)。一些关于船舶/浮体结构设计的重要参考书是:[2 - 8]。

在船舶类型的有限选择中，有可能得到最佳设计。虽然这是一个活跃的领域研究（例如[9]），但仍有以下限制：

bull;设计和制造最佳船舶的经验是非常有限的，目前只有很少的船型进行了尝试。

bull;设计和制造最佳船舶的成本是非常高，并且能够承担费用的设计机构或造船厂也不多。

bull;虽然制造最佳的船舶是有可能的，但因为不稳定政治世界的关键因素（即石油的价格，需求和供应）影响船舶的设计做显着优化改变。此外，甚至海运货物（即石油和粮食谷物等）的消费方式也随着全球变暖的影响而改变（例如降雨会对作物产量和灌溉要求产生积极或消极影响;温度变化影响加热需求，因此能量消耗）。所以，关于船舶的最佳设计的定义是有限制的，并且一个最佳设计可能不是一个在改变参数，如石油的价格，需求和消费模式时良好的设计。

由于设计和制造最优船舶的成本太高，要降低单位成本，可以采取一种替代方法。在给定的约束集合（即考虑造船厂的受限能力）的备选方法中;一艘船的设计不是为了“最佳”而是为了“接近最佳”。此外，由于航空航天工业中成功实施了模块化（即波音公司的747,767和787系列，是波音747设计的基本模块化变体，详情见[11]），可以采用类似的模块化方法来设计船舶。模块化设计被认为是新的逻辑产品和组织设计，因为它可以帮助设计和制造公司应对不断变化的环境。它承诺通过模块化设计产品，设计和制造公司可以负责设计和开发独立模块（即在不同模块之间实现网络和内部依赖关系的结合），并且新的创新设计可以便利的实现不同模块的联合。因此，新产品可以以更快的速度发展，作为整合新产品的通常不是联合，而是混合和匹配模块。通过使用关于组件交互的先进技术知识，可以认为组件可以装配成产品，每个组件的设计在标准化参数下“接近最佳”。模块化方法简化了设计和开发过程，因此允许跨制造公司进行明确的分工，这需要设计一个完整的，灵活的产品制造时间表。模块化架构的设计更适合通过标准化、规范和功能等数驱动的设计开发产品的变化组合。由于具有模块化设计的产品允许制造公司通过升级或添加不同模块来改变产品，而不改变其余部分（即基本的设计）或实施最小配置变化;因此能保证任何变化“孤立”到有限的领域。虽然一个模块化设计比一体化设计更难以设计，因为设计师需要更深入地理解标准化、规范和功能参数驱动的“内部工作原理”设计，以便分割和解耦设计任务;但在技术上，模块化设计意味着明确的划分，或更准确地说是在存在各种依赖关系的独立设计参数中进行耦合。

在其最简单的形式下，模块化设计方法已经慢慢开始在船舶设计中应用。例如船舶被设计为在整个船使用由水密舱壁隔开的标准剖面，然后通过改变部分数值，船舶可以拉伸或缩短[12]。最近成功的商业应用概念是：西格玛和执行者[13]。这种方法在主要设计的是只具有更高/更低的性能的新的船舶中是有效的，因为只是改变了船舶的平行中体。此外，这种方法在一些软件解决方案中也被采用，例如[14]。然而有的船舶不允许充分和创新地利用模块化方法，例如后部形状的变化（具有不同球艉），前部形状（具有不同的球鼻艏）和舱底半径（舱底半径影响阻力和平行中体的主体长度等）可以在模块化方法中设计具有不同配置的船舶。虽然，一些研究结果[15,16]是可用的，但是利用真实概念在船舶/浮体结构中设计，工业参与和应用中应用模块化方法仍然是一个挑战。

在第一阶段，在船舶/浮体结构设计中，参数是基于从成功设计的可获得的历史数据中获得的经验来估计的。虽然之间可以进行两种设计插值，在输入外（从过去的历史数据可获得）设计范围内的任何外展是要避免的。此外船舶/浮体结构应首先基于某些技术特征进行匹配。如果这些技术特征匹配或存在较小变化，则设计可以进行比较，并且可以内插数据。这些技术特征可以用于构建有效的知识库进行模块化标准设计。他们列在表1中。此外，由于现在的设计和生产过程平移的本质，这迫切的需要支持信息传播和专门促进流体研究和开发数据交换环境管理规模的方法，因此速度船舶运输能力和浮动结构在这一领域的挑战是：开发新的方法已便从以前的设计生产信息中提取设计，并在新的设计和生产方案中使用它们，开发全面的功能设计方法，开发在线资源的设计和生产教学，以网络友好的格式开发完整的设计和生产计划/时间表，并开发用户最终使用工具。

在船舶和浮体结构的设计中，主要尺寸，船体水下形状的方形系数Cb和傅汝德数（Fn = V /radic;g·L）通常用作主要的特征参数。这些参数能够估计重量容量和体积容量，并为具体市场建立一个最佳设计，通常意味着找到最佳尺寸，速度和容量。因此，设计问题没有很多设计变数。基于这个根本，可以认为作为优化问题，其范围相当有限。然而，主要系数影响设计的经济花费并且他们之间的关系实质上是冲突的，因此这使得研究这个问题变得有趣。一个基本船舶设计方法如图3所示。第一个在船舶设计中的应用计算机的机会是用于图3中定义的自动化的实施过程。一旦计算出基本尺寸，可以进行更详细的最佳设计。在船舶/浮体结构设计中，三个主要利益相关者：所有者，建设者和用户/租船人。主要输入是：所有者 - 主要规格；建设者- 船舶的详细设计，机械装置和建筑物； 和用户/承租人 - 在使用中的生存。恶劣环境下更好的稳定性和安全性；低船运动/响应：和遵守性能标准。传统上船舶/浮体结构优化受到所有者使用情况的严重的影响，例如通过最小化操作成本或最大化营业期间的潜力盈利达到经济优势。可以找到一些代表性的研究结果：[9,17-23]。 优化过程必须采取一个整体的方法，通过适当的输入三个主要利益相关者，例如所有者，建设者和用户。这是涉及船舶/浮体结构的技术，后勤，经济，操作分析的综合设计方案。总而言之，在优化过程中将存在以下主要方式：设计和生产模型；航运和岸上物流模型； 操作，服务和维护模型。

船舶和浮体结构的设计变量相互联系并影响主要系统的优化过程（即设计和生产模型；航运和岸上物流模型；操作，服务和维护模型）。对主要设计变量的任何更改可能会导致其它设计变量的改变，反之亦然。所有主要变量在优化过程中的相互影响增加了设计选择的复杂性。基于仿真的设计是模拟“基本”设计手段过程的估值和核实过程。 “基于仿真的设计（SBD）”的复杂系统是一种重要的技术，可以有效地用于改善时间密集型工业设计问题。 SBD基于精细计算并结合复杂的仿真代码网格和算法的数值优化。例如在流体 - 结构 - 动力效应支配的结构设计中，其形状受到技术参数的限制，而且它的关键作用及其详细分析往往需要解决方案的非线性偏微分方程（PDEs）Navier-Stokes方程来实现，在现实的三维几何形状的情况下，其在计算上是昂贵的。高性能计算平台的有效利用使得解决SBD中的这些方程组的数值计算的代码有效运行。然而模拟中计算成本的一个可靠的评估指标是CPU耗时。

一个典型的使用NS方程的船舶/浮体结构设计分析，在任何地方的三维网格的函数评价耗时8到12小时;其它应用程序可能需要更多的时间。虽然计算昂贵，但是开发出了结合分析工具和优化算法的船/浮体的SBD框架，能够提供解决实际问题的可能性方案的设计。这种局部优化技术的应用方法克服了以下问题：

- 通常典型的目标函数是不规整，不平滑并且不包含足够平滑和可微分的导数的，这意味着是很难计算局部最小值与进行局部优化。

- 通常优化问题的可行设计空间是非凸/凹的，因为存在非线性几何和强制执行的功能约束（以船舶为例，每个站的空间和体积）以防止产生不切实际的结果并提供有意义的设计。

- 有关实验和计算结果的良好知识库有助于计算最佳配置。局部优化方法在其作用范围上受到限制，结果从知识库中得知。

具有优化技术的SBD的挑战是：将学科仿真工具集成到CAD / CAM / CAE / FEM / CFD的复杂工程环境中；并分析和发展高效计算框架；不同几何模型的集成；并开发灵敏度分析方法。 一旦这些挑战被定义，具有优化技术的SBD的真正潜力将实现并且有可能设计出完整的集成设计方法，如图4所示。

2.2. 几何表示法

从根本上说,船舶被定义的几何图形，它的体积或空间或两者都至关重要。典型表面建筑输入是点，例如从图纸或偏移中测量。它对于船舶科学中的表面设计是重要的，设计表面在每个部分所需的空间和沿着几何体的长度所需的体积（即例如对于船舶横截面积曲线及其分布在船的整个长度上是非常重要的）。 调节和整理船舶偏移数据绘制线是一个完整的船体设计程序的开端。这些任务的计算是昂贵的，直到现在仍然是设计的瓶颈。在这种环境下进行几何建模系统，高度期望其可以有效地将数据装配在预定的内公差水平和可以直观公平的几何中。

2.3. 流体动力学

流体动力学在船舶和浮体结构的设计和分析中起着重要的作用。例如需要确定船的阻力在特定的速度下所需的发动机功率从而降低燃料消耗。 因此设计流体动力最小化的经济船舶变成船体设计中至关重要的问题。此外波改变船舶运动的模式不仅引起波浪阻力，还因海岸附近的环境因素限制速度。 由于沿海保护问题日益变得重要导致这也必须在船舶设计中考虑。一些关键船舶/浮体结构流体动力学参考书是：[40-52]

2.4. 结构

船的结构可以设想为三个模块：板结构，简单梁结构和复杂梁结构。板结构主要从局部和全局视角两方面进行评估，例如底板可与当地海域施加在横向限制的板上的压力，载荷框架和纵向扶强材以及来自局部的应力，振动和屈曲一起分析；并且如果船由于总体应力而弯曲，则底部板受到总体应力和偏转。 简单使用一维分析来分析梁结构局部应力，例如在两个纵梁之间的甲板梁被分析为具有均匀的一维固定端压力负载。 关于船舶/浮体结构结构分析的一些关键参考书有：离岸结构的动力学的第二版；海洋结构设计的第1版；甲板结构的极限状态设计；舶结构设计:以理性为基础、计算机辅助优化的方法；船舶上的扭力和剪切应力的第1版；船舶结构的分析和设计。

2.5. 生产

给定几何形状的结构体表面需要加工。在造船工业中，曲面形状是通过将金属板弯曲成为复合体而生产出来。在工程科学中，表面可以是单一弯曲（可展曲面）或双重弯曲（不可展曲面）。在金属工业中，可以是单个弯曲表面通过轧制、弯曲或二者结合制造。对于双曲面，轧制后板材在加热的线/面沿较长边缘收缩。确定线/面加热过程的参数只是基于经验和教学。因此加热是比轧制更昂贵和难以控制的过程。一些关于船舶/浮体结构生产主要的参考书有：《船舶设计和施工》;《船舶生产》第二版；

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