Holistic ship design optimization
Ship design is a complex endeavor requiring the successful coordination of many disciplines, of both technical and non-technical nature, and of individual experts to arrive at valuable design solutions. Inherently coupled with the design process is design optimization, namely the selection of the best solution out of many feasible ones on the basis of a criterion, or rather a set of criteria. A systemic approach to ship design may consider the ship as a complex system integrating a variety of subsystems and their components, for example, subsystems for cargo storage and handling, energy/power generation and ship propulsion, accommodation of crew/passengers and ship navigation. Independently, considering that ship design should actually address the whole shiprsquo;s life-cycle, it may be split into various stages that are traditionally composed of the concept/preliminary design, the contractual and detailed design, the ship construction/fabrication process, ship operation for an economic life and scrapping/recycling. It is evident that an optimal ship is the outcome of a holistic optimization of the entire, above-defined ship system over her whole life-cycle. But even the simplest component of the above-defined optimization problem, namely the first phase (conceptual/preliminary design), is complex enough to require to be simplified (reduced) in practice. Inherent to ship design optimization are also the conflicting requirements resulting from the design constraints and optimization criteria (merit or objective functions), reflecting the interests of the various ship design stake holders.
The present paper provides a brief introduction to the holistic approach to ship design optimization, defines the generic ship design optimization problem and demonstrates its solution by use of advanced optimization techniques for the computer-aided generation, exploration and selection of optimal designs. It discusses proposed methods on the basis of some typical ship design optimization problems with multiple objectives, leading to improved and partly innovative designs with increased cargo carrying capacity, increased safety and survivability, reduced required powering and improved environmental protection. The application of the proposed methods to the integrated ship system for life-cycle optimization problem remains a challenging but straightforward task for the years to come.
1. Introduction to holistic ship design optimization
Ship design was in the past more an art than a science, highly dependent on experienced naval architects, with good background in various fundamental and specialized scientific and engineering subjects. The design space was practically explored using heuristic methods, namely methods derived from knowledge gained through a process of trial and error, often over the course of decades.
Inherently coupled with the design process is design optimization, namely the selection of the best solution out of many feasible ones on the basis of a criterion, or rather a set of criteria. A systemic approach to ship design may consider the ship as a complex system integrating a variety of subsystems and theircomponents, for example, subsystems for cargo storage and handling, energy/power generation and ship propulsion, accommodation of crew/passengers and ship navigation. They are all serving well-defined ship functions. Ship functions may be divided into two main categories, namely payload functions and inherent ship functions (Fig. 1). For cargo ships, the payload functions are related to the provision of cargo spaces, cargo handling and cargo treatment equipment. Inherent ship functions are those related to the carriage of payload safely from port to port with certain speed.
To make things more complex but coming closer to reality, even the specification of a set of design requirements with respect to ship type, cargo Independently, considering that ship design should actually address the whole shiprsquo;s life-cycle, it may be split into various stages that are traditionally composed of the concept/preliminary design, the contractual and detailed design, the ship construction/fabrication process, ship operation for an economic life and scrapping/recycling. It is evident that the optimal ship with respect to her whole life-cycle is the outcome of a holistic[1] optimization of the entire, above-defined ship system for its life-cycle. It is noted that, mathematically, every constituent of the above-defined shiprsquo;s life-cycle system itself evidently forms a complex nonlinear optimization problem for the design variables, with a variety of constraints and criteria/objective functions to be jointly optimized. Even the simplest component of the ship design process, namely the first phase (conceptual/preliminary design), is complex enough to be simplified (reduced[2]) in practice. Also, inherent to ship design optimization are the conflicting requirements resulting from the design constraints and optimization criteria (merit or objective functions), reflecting the interests of the various ship design stake holders: ship owners/operators, ship builders, classification society/coast guard, regulators, insurers, cargo owners/forwarders, port operators, etc. Assuming a specific set of requirements (usually the shipownerrsquo;s requirements for merchant ships ormission statement for naval ships), a ship needs to be optimized for cost effectiveness, for highest operational efficiency or lowest Required Freight Rate (RFR), for highest safety and comfort of passengers/crew, for satisfactory protection of cargo and the ship herself as hardware and, last but not least, for minimum environmental
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
船舶设计优化
船舶设计是一项复杂的工作，需要多门学科的成功协作。技术性与非技术性是有价值的设计方案的本质区别，设计过程实际上是设计优化，即在一个标准的基础上，选择最佳的解决方案，或者说是一套标准。一个系统化的方法来设计可以把船作为一个整合，包括各种子系统及其部件、复杂的系统，对货物的存储子系统和处理，能源/电力船员/旅客和船舶航行的产生与船舶推进。独立地，考虑到船舶设计应该实际上解决整个船舶的生命周期，它可能会被拆分为各种阶段，通常由概念/初步设计、合同设计和详细设计，船舶建造工艺流程，和船舶营运经济生活和报废回收。很明显，一个最佳的船舶是一个整体优化的结果。但即使是最简单的组成部分在上述定义的优化问题也是很复杂的，需要在实践中简化。固有的船舶设计优化的设计约束和优化标准反映了不同的船舶设计的要求。
本文提供了船舶设计优化的整体方法的简要介绍，定义了通用的船舶设计优化问题，利用先进的显示解决方案，先进的优化技术的计算机生成，探索和优化设计的选择。在一些典型的船舶设计优化问题的基础上，探讨该方法建议的多重目标，以使改进的部分创新设计，增加载货量，提高安全性和生存能力，减少所需的动力和改善环境。近年来，将所提出的方法应用到集成的船舶系统的生命周期优化问题仍然是一个具有挑战性的任务。
- 船舶整体优化设计
船舶设计是在过去的一门艺术，而不是一门科学，它高度依赖于具有良好的背景的经验丰富的海军建筑师。美国的设计空间实际上是在各种基础和专门的科学和工程学科中探讨使用启发式的方法，即知识获得的方法。这往往在几十年的试验和错误的过程中。
船舶设计过程中的设计优化，是在一个标准的基础上，选择最佳的解决方案，而不是在一个标准的基础上，换一种标准。一个系统的船舶设计的方法，可以把船舶视为一个复杂的系统，将各种子系统视其组成部分，例如，货物储存和处理，能源/发电系统子系统操作和船舶推进，机组人员、乘客和船舶导航的住宿。它们都是服务于明确定义的船舶功能。船的功能可分为两大类，即广泛的功能和内在的船的功能（图1）。对于货船，有效载荷的功能与提供货物的空间，货物装卸和货物处理设备有关。
图1
独立地，考虑到船舶设计应该实际上解决整个船舶的生命周期，它可能被拆分成不同的阶段，传统上组成的概念/初步设计，合同和详细设计、船舶建造工艺流程，经济生活的运行和报废回收船。很明显，对它来说，最佳的船的生命周期是整个整体的优化结果，上述定义为其生命周期的船舶系统。它指出，在数学上，上述规定船舶的每一个组成部分循环系统本身显然构成了一个复杂的非线性优化问题，设计变量，具有各种约束条件和标准/目标函数进行联合优化。甚至是他简单的船舶设计过程的组成部分，即第一阶段（总体设计）。同时，固有的船舶设计优化是设计和优化准则所产生的矛盾的要求（价值或目标函数），反映了各种船舶设计的利益相关人船舶船东/经营者，船舶建造商，船级社/海岸警卫队，监管机构，保险公司，货物拥有者/承揽者，港口运营商，港口运营商等承担一组特定的要求，船舶需要成本效益优化，对作业效率最高或最低必要运费率，为旅客、船员最高的安全性和舒适性，对货物满意的保护和船舶自己的硬件。第二，最后但并非不重要，至少对环境的影响，特别是有海洋污染事故的石油运营商，现在，船舶的设计和运行的优化需要考虑船舶的排放和空气污染方面的问题。许多这些要求是明确的关于最优船舶设计的冲突与决策需要合理地进行。
为了让其更贴近现实，有一套关于船舶类型、货物的能力、速度、范围的设计要求规范，足够复杂的要求一个的优化过程，较好地考虑所有利益相关者的利益。事实上，船舶设计要求的初步设计是一个妥协的结果，经验丰富的决策者，主要是在船舶设计和造船方，他们以理性的方式权衡客户的要求。
从1960年中期以来，随着电脑的发展，计算机硬件和软件也随着发展，尤其是重型船舶设计。同时，Murphy等人首先对计算机辅助设计软件系统进行了初步的介绍，并对其在设计空间上进行了数学参数化的探索，为特定类型船舶或基于梯度的技术和特定的经济标准设计变量的优化提供了经验。随着计算机硬件和软件工具的进一步快速发展，以及它们与强大的硬件和软件设计系统的集成，未来的发展方向是整体的船舶设计优化，及通过设计优化以提高船舶的生命，至少在设计施工和运作阶段。我们应该也了解详尽的多目标和多约束的船舶设计优化程序。
利用遗传算法，结合基于梯度搜索技术在微尺度的探索与设计评价的实用功能的技术。在目前是用先进的NT文件作为一个通用的生成，通过大规模的有效探索确定优化设计型优化技术，非线性的设计空间和众多的评价标准。这个通用的几种应用，船型优化设计方法采用NTUA船舶设计实验室设计的软件平台，结合我们要建立与优化的软件包与各种应用的方法和软件工具，如稳定性，性能。
对于一般的概念和细节的多目标优化和替代的程序，参考了卢卡斯，钼的艺术报告的综合状态现代船舶设计方法和计算机辅助设计程序，最近由安德鲁斯等人提出的。
总之，本文提供了一个简单的介绍，船舶设计优化的整体方法，定义了通用的船舶设计优化问题，并演示了它的解决方案及相关用于设计、勘探和选择技术。在典型的多目标优化设计方法的基础上，探讨了船舶设计优化方法问题，即高速船船型优化降低供电，由于产生的波浪、滚上滚下的优化环境影响，在碰撞损坏的情况下，最小结构重量的渡船/提高运输能力和增强生存能力。
- 通用船舶设计优化问题
一个全面的船舶设计优化中，我们应该详尽的多目标多约束简优化程序符号问题。一般船舶设计优化问题，其基本元素可以被定义为如下
图2
- 优化标准（优点功能，目标）：这是指一个数学上定义的性能/效率指标，可以最终减少到一个经济标准，即它的初始投资的公共关系的列表。独立的，有可能是优化准则（价值函数或目标），可以配制无经济指标直接引用；例如，优化对于一个特定的功能性研究X船，像平静的水和海上航道，船舶性能船舶安全，船的强度包括疲劳等，船优化设计准则是通用的设计参数的复杂非线性函数（设计变量的向量），并在计算机辅助设计过程中的算法的一般定义。
- 约束：这主要是指数学定义的标准的列表（在数学不等式或等式的形式）从有关安全监管框架产生的（PS主要国际SOLAS和MARPOL规则）。此列表可扩展的一组标准的标准，其实际值是不确定的，依赖确定的市场条件（对商船的需求和供给的数据），通过主要材料成本（船舶：钢铁、燃料、工艺成本），由预期的财务条件（成本单，利率）和其他具体情况的限制。应该指出的是，后者的标准通常被视为一组输入数据的优化问题，并可能在不确定性概率评估模型的基础上进行评估。
- 设计参数：这是指在优化中一个参数列表（设计变量）特征的设计；船舶设计包括船舶主尺度，除非特殊情况由船东的要求（长度、梁、侧深、吃水），可以扩展到包括船体形式，空间的安排，结构元素和网络元素（主要）（管道、电气等），优化是可用性有关的船舶设计参数到一个通用的船舶模型。
- 输入数据：包括传统的业主的要求，为商船所要求的货物的能力（自重和载荷），服务速度、范围等，并可以补充各种更进一步的数据，影响船舶设计和其经济生活，如金融数据（利润预期，利率），市场状况（需求和供给数据），共同STS的主要材料（钢材和燃料等），输入的数据集可能包括除数字量也更普遍的知识类型的数据，如图（船舶总布置S），需要正确的翻译为计算机辅助优化程序包。输出：这包括整个一组设计参数（向量的设计变量），其中指定的优化标准/优点函数获得数学极值（最小值或最大值）；多目标优化问题的最优设计方案是在所谓的帕累托解集，决策者/设计师在权衡的基础上探索和最终选择帕累托设计解决方案。
- 在数学方面，多目标优化问题可以归结为民[micro;1（X），micro;2（x），hellip;，micro;n（x）]，受G（x）le;0和H（x）= 0和Xlle;Xle;Xu，micro;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X是优化设计变量的矢量。解决的方法上述问题是一套帕累托的解决方案，即解决方案，在一个目标的改善不能实现至少一个其他目标恶化。因此，而不是一个独特的解决方案一个多目标优化问题（理论上）有无限的解决方案，即帕累托解集。
- 遗传算法的多目标使用，结合微观尺度的探索与设计评价的效用，函数技术基于梯度搜索技术，本文提出了一种通用的优化设计方法，通过有效地探索大规模，非线性设计空间和识别优化设计船舶设计中出现的多种评价标准。这个通用的几种应用，船型优化设计方法采用设计软件系统，集成目前海军建筑软件优化软件和各种应用软件的工具，（见图3，对一般船舶设计优化问题的一般方法示意图）。介绍了通用的船舶设计优化过程–NTUA SDL的几个典型应用实例介绍和简要评论如下。
- 典型船舶设计优化问题
3.1高速船用动力的设计优化
3.1.1问题的相关概述
船舶的水动力性能方面的速度、动力、耐波性、操纵性是非常重要的，尤其是对高速艇（HSC）。洗涤波产生不是设计师或船舶运营商所担心的直到最近。它是引进的众多大型高速船舶，目前驾驶海事当局考虑申请在一定程度上能够合理的清洗标准HSC的操作，由于对海洋环境和沿海地区活动的安全性的影响。因此，至少对HSC的设计随着其他传统的水动力目标，洗减量已成为船舶水动力性能的主要要求。
从概念的角度来看，细长的船体形式被公认为他们的良好的阻力和清洗特性。增加了双壳船的分离距离一般波阻和洗波还原。不幸的是，选择一个容器的主要细节受一个妥协的许多因素的约束，从而不能决定只有低洗要求。因此，在设计过程中的洗涤最小化方法的整合，优选在第一阶段，当容器的主要细节被定义和船体形式的发展，是成为一个先决条件，以减少影响的监管速度的限制，将极大地损害了船舶的最终经济潜力。然而这样的一个方法技术是有效的、可靠的清洗具有可预测的数值方法。虽然洗波的预测并不是一个简单的问题，特别是在半规划的船只规划条件，在CFD的进展导致了软件工具的发展，基于开尔文或Rankine源分布可以用一个良好的置信度。将这样的数值工具在一个集成的设计环境中的主要目标是本文提出的工作。在一个多目标框架的船舶设计程序的编制有效的优化问题，在那里洗减少是一个客观的功能，允许正式的优化方法的应用得到最佳船体受业主的要求方法、技术和法规约束。其他的目标函数可能是船舶的总阻力、适航性、动态稳定性等，提供足够的计算工具可为他们的可靠和有效的计算。此外，优化标准反映了船舶的经济潜力，如建设和运营成本，运输能力，净目前的价值或所需的运费率，也可使用。
在NTUA–SDL研究目前主要集中在供电和过度洗波引起的环境影响最小化。因此，选定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，对船舶推进系统的影响，水射流或螺旋桨上产生的浪，不作为客观功能，部分原因是由恒定的运输能力所施加的条件反映了船舶的经济性能。在实践中，这是确定的对规定的最低滚装货物甲板面积和恒定位移的要求。
选定的目标已接近如下：
总电阻是由波浪阻力和摩擦阻力组成，采用ITTC摩擦阻力系数计算公式。一个著名的商业CFD软件对该，采用波阻抗和洗波计算。非线性迭代计算，因为它被认为是必要的考虑到下沉的影响和对波运行阻力的波浪。
第二目标函数，一个合适的测量标准应选择为每个特定的应用程序，这取决于洗的效应进行评估。在现在研究，基本上是为了证明优化概念的潜力，一个简单的清洗措施已经被采用，在一个平均波高度沿纵向波切割的形式从船舶中心线的某些距离。在（x，y）是zeta;波高，而X1和X2是出发，沿波把积分区间端点替代洗标准。可以很容易地引入的优化氮程序，如最大发生局域波高度。还介绍了波浪周期和波浪长度，并结合波浪高度来获得一种表达局部波浪能量的洗涤标准密度。对于此优化问题的解决方案，在图2中概述的一般程序已被应用。
3.1.2参考船
上述船舶模型试验进行s在1:30的模型规模的项目内，在拖曳水池用一束5米和3米深度的对应一个深度弗劳德数MBER FNH = 0.641。由于拖槽的窄束，预计显着的反射影响测得的洗波。因此，计算已经在自由的容器限制水的宽度和90米的深度（全尺寸）并在一个通道的宽度和深度对应的水池尺寸。预测结果与实测结果的比较在0.25L和0.5L横向距离中心线。
在第一部分的波浪切割和约三船的长度，从有限的通道宽度的影响的数值预测是比较弱。再后，这与实验测量结果相比，在通道中的容器的预测效果显著增加。一个非常陡峭的波峰，大约两船舶长度，可以在0.25L波把观察到的实验结果。这个波峰是高约50%，比的数值预测。同样的现象是可见的在0.5L波切割，在陡波观察实验测量300米和400米之间明显偏低的数值结果。他选择的第二容器的高速双体船的红色喷流III，由FBM。该船的主要技术特点是在表2。长度为0.97，这艘船是在规划区域。上述船舶模型试验进行了MARINTEK，在1的比例模型：12.5，一个速度范围从10到33千牛和水深等于3.75米，7.5米，15米和37.5米。
令人满意的是协议之间的数值结果和实验测量得出到船头距离为5.5。进一步后，两者之间的差距相当大，可能是由于靠近自由表面的拼板区后限造成的。
开发的优化过程是基于替代船型参数生成利用NAPA R。仔细识别最合适的设计参数，以及它们的适当的变化范围，是必要的，以确定一代可行的和有效的船体形式。对于单体的船型生成是由一组控制点和斜槽离子角。通过这些点，一个网格被创建，它定义了船体。在图3中，一个典型的船体形式的透视图，在网格和定义点显示。
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[150522]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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。
