《船舶总体设计和多目标优化方法》外文翻译资料

 2022-08-23 16:05:45

英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

《船舶总体设计和多目标优化方法》

Apostolos Papanikolaou，George Zaraphonitis

摘要

本文介绍了船舶总体设计和多目标优化方法，它整合了可以用于在船舶设计的早期阶段同时评估关键绩效指标的方法和软件工具。已经实施的方法适用于Aframax油轮的设计，此设计在综合的多目标设计和优化程序中考虑了与有效载荷，钢重量，强度，出油量，稳定性和流体力学的多种有关因素。确定主机余量所需的成本运费率（RFR），机油流出指数（OOI），能效设计指数（EEDI）和最大速度，以便对设计替代方案排名。通过正式的探索和开发策略调查设计空间，随后，将竞争性设计方案朝着某些方向推进，如最大的能源效率，可达到的速度和发生事故时的环境保护。本文着重于设计的方法，相关软件工具和优化方法的综合，并且以某油船为详细示范的例子来说明这个已经采用的方法的整体观点。

1．介绍

在过去，船舶设计被认为是一个按次序完成的过程，用经典的设计螺旋图1来描述(Evans, 1959)。尽管这代表了实际设计过程的理想化，但传统的工作流程确实确实是一次研究一个问题并逐步推进设计，进行修改和迭代地完善。特别是当考虑一个复杂的系统，像船舶设计，这种有许多关系和依赖性的系统，要记住并考虑所有选项及其优缺点和后果，这超出了任何一个人的能力。

一种现代的，总体的船舶设计方法，如图1右侧所示，将设计任务的所有关键方面同时汇集在一起，建立计算机辅助工程（CAE）的综合模型，综合了技术经济型数据库，计算和优化算法，现代GUI和信息交换系统，可以在更大程度上探索设计空间并带来新见解和有希望的新设计替代方案。

本文介绍了这种总体设计软件平台的重要的特征，并通过查看加勒比海贸易的Aframax油轮设计论证了其在实践中的实现。建立了发达的CAE环境，为了同时审查众多设计替代方案的关键优点：通过复杂的模拟代码计算得出的载荷，钢重量，强度，出油量，稳定性和流体动力学。确定了给定发动机输出所需的成本运费率（RFR）、能效设计指数（EEDI）和最大可达到速度，以评估和排序变量。

图一

2. 船舶设计优化

设计优化与设计过程本质上联系在一起，即设计优化，即根据一个准则或一组准则从许多可行方案中选择最佳解决方案。一种用于船舶设计的系统方法可以将船舶视为集成了多种子系统及其组件的复杂系统。子系统用于货物存储和处理，能源/发电和船舶推进，船员/乘客的住宿以及船舶导航。独立地，考虑到船舶设计应真正解决整个船舶的生命周期，可以将其分为传统上由概念/初步设计，合同和详细设计，船舶建造/制造过程，船舶营运和报废/回收的各个阶段组成。显然，就其整个生命周期而言，最佳船舶是整个超大型船舶系统生命周期整体优化的结果。

船舶设计优化的内在条件也是由设计约束和优化标准（优缺点或目标功能）产生的相互矛盾的要求，反映了各个船舶设计利益相关者：船舶所有者/经营者，船舶建造者，船级社/海岸警卫队，假设有一组特定的要求（通常是船东对商船的要求或对海军舰艇的任务说明），则需要对船舶进行优化以实现船舶有最低建造成本，最高运营效率或最低所需的成本运费率（RFR），以实现最高的乘客/乘员安全性和舒适性，以令人满意的方式保护货物和船舶本身，并将其作为硬件，最后但也很重要的是，对环境是最小的影响，尤其是发生事故涉及海洋污染的油船。最近，在优化船舶设计和运行中甚至需要考虑船舶发动机排放和空气污染的各个方面。这些要求中有许多显然是矛盾的，因此需要合理地做出关于最佳船舶设计的决定。

3. 示范实例

最近一段时间，航运业的主要生态问题与能源/燃料消耗以及相关的温室气体排放有关。长期以来，人们一直对意外油污（尤其是原油运输公司）造成的污染感到担忧。 文献[11]提出的EEDI的引入既提高了人们的意识，也为提高能效起作用，而燃油价格居高不下继续给运营商带来经济压力。 最近对大型油轮风险的综合研究表明，潜在的货物损失主要是由接地和碰撞事故以及火灾和爆炸引起的（文献[10]）。 如Papanikolaou等人所述，扩大的双船体宽度和双底高度，增强的分隔性和使用不同尺寸的油箱可以改善环境保护，而不会损害船舶的效率。

根据劳氏船级社数据库进行的分析显示，到2012年，现有Aframax型油轮的五分之一将超过15年。即使目前的油轮容量似乎超过了预期的石油运输需求，该船队的老化也有可能引起船舶更换。

因此可以安全地假设在不久的将来会寻求新的油轮设计。但是，尚不清楚要采用的主要驱动力是什么。

·在发生事故的情况下，通过控制或减少油的流出来确保运输安全

·通过减少每吨货物造成的排放量来实现更绿色的运营

·通过增加回报（提高货运量和降低燃油消耗）来实现更智能的业务。

根据利益相关者的具体情况和偏好，优先考虑合理的组合。可获得的高质量设计数据越多，越容易做出合理的判断并选择最佳折衷方案。

图2

3.1 AFRAMAX油轮设计

在不影响所利用的CAE平台的适用性的前提下，我们将重点放在圣尤斯塔西乌斯（转运），阿鲁巴和马拉开波（货源）与美国墨西哥湾地区（汇集）之间贸易的Aframax油轮的设计上（图3）。这不仅可以创建和证明集成CAE方法，而且还可以为即将产生商业利益的船型提出有趣的新颖设计。现行运输路线，美国主要港口设施和美国排放控制区（ECA）的限制规定了重要的限制条件，其中最主要的限制是最大长度，横梁和吃水深度，以及对运输船用瓦斯油（MGO）的油箱的额外需求。考虑了活跃于该行业的船舶经营者的要求。一个突出的要求是获得相对较高的速度。此外，应避免进行重大的结构修改，以免偏离公认的阿芙拉型油轮设计原则，如无漏斗板的货舱。使用传统的6x2坦克布局，图2；然而，应该注意的是，当优化油流出指数和货物容量/钢重量时，6x3布局对于Aframax设计也非常有实用性（请参见图4，Papanikolaou等人文献[12]）。这里的挑战是确定不会偏离常规设计太多但仍能带来重大改进的设计。

图3

图4

3.2设计方法

该过程是在FRIENDSHIP-Framework（FFW）中建立的，结合了POSEIDON，NAPA和SHIPFLOW模拟。 计算了以下关键指标：

·满载和设计载荷条件下的液货舱容量

·液货舱区钢重量

·设计，压载吃水深度时的最高船速

·用IMO的出油指数（OOI）衡量事故发生时漏油的可能性。

总体流程图如图5所示。对于每种变体，FFW内均会生成船体形式以及其他油箱配置。 然后，由POSEIDON根据《双壳油轮共同结构规则》（CSR）的规定确定货舱区域的结构设计。 通过使用CFD代码SHIPFLOW的先验流量模拟构建的响应面模型（RSM），结合潜在的流量代码（XPAN）和粘性（CHAPMAN）分析，确定设计替代方案的水动力性能。 接下来是执行NAPA的批处理模式，以获取稳定性和修整特性，以及生成的替代油箱配置和船体形状的机油流出的可能性。 在FRIENDSHIP框架中，该过程得到了一些附加功能的补充，这些功能使从所有进行的外部仿真中收集，综合和分析各种结果成为可能。

根据确定的液货舱容量，钢重量和船速值，得出了生态和经济方面的两种综合性能指标：

·通过能效设计指数（EEDI）衡量的运营影响，结合IMO的发动机功率，载重量和船速

·以所需运费率（RFR）衡量的财务吸引力，将通过资本、燃料和其他运营成本进行的年度运输成本与每年往返的次数乘以货物质量相结合

总体研究的自由变量是控制船体形式（外壳），油箱布局和几何形状以及内部结构的参数，见表I和图2。

在确定了最佳的主要细节参数、货舱布置和货舱尺寸后，在一个全局优化程序中，该船的后机身随后在尾流质量和总阻力方面进行了微调。 此外，还进行了系统的更改，以研究所选功绩指标对特定参数的依赖性（敏感性研究），例如 通过进一步增加最前面的油箱的双底高度来改变出油概率。

4.参数模型

4.1船型

一个完全参数化的船体模型是在FFW内开发的，用于典型的油轮船型，如图6所示。该模型将船体分为前体、平行中体和后体。前体和后体是使用元曲面创建的，而平行中体是用于连接的简单直纹曲面。

点、切线和积分值的基本曲线用于定义船体表面的形状。基本曲线取决于全局变量，例如垂直长度（LPP）和仅影响小区域的局部变量。基本曲线的形状通过分别指定其起点和终点位置的切线以及曲线和参考轴之间的特定区域来控制。在特殊情况下，例如aftbody中的水线，中间的附加点与相关的切线信息一起使用。

前体由一个具有旋转截面的单元面实现，旋转中心位于前体尾部、船中平面和船底平面的交点处。在后体区域中，将多个曲面片组合在一起，使用截面（x常数）作为元曲面的输入，但后体除外，后者具有基于水线（z常数）构建的曲面，以确保过渡到相邻曲面时的切线连续性。

图6

动力分析见第4.2节，系统地改变了长度、横梁、浮力中心（XCB）的纵向位置和位移体积。当船型的长度和梁是全参数模型的全局参数时，XCB和位移的变化是通过部分参数修正的广义Lackenby来实现的。在水动力微调过程中，定义后体基本曲线形状的局部参数发生了变化。在这一阶段，12个局部参数发生了变化，例如前间隙点的对角线起点的满度、螺旋桨的前间隙和船中平面的后曲线的充满度。

Papanikolaou等人先前研究的现有几何模型。文献[13] 作为设计任务的良好起点，对参数化模型进行了调整，使其与现有的船体形状非常相似。生成一个新的变量就意味着更改选定的参数集。

4.2舱室布置

货舱是在FFW中使用特征技术生成的，例如[4]。所产生的油箱使得在确保与船体形状的最小距离（例如2m）的同时实现最大货物体积。该特征以船体形状、内部结构与船体（外壳）的最小距离和机舱舱壁的纵向位置为输入。防撞舱壁的位置是根据国际海事组织的规则计算的。

在全局优化过程中，改变了甲板高度边壳宽度、船中部双底高度、漏斗板的角度和宽度以及双底向最前舱的台阶。舱壁位置根据框架位置离散移动。通过指定每个水箱的帧数来控制总帧数。第一个舱（COT1）和最后一个舱（COT6）的长度是灵活的，允许舱壁位置向前或向后移动一帧距离，如图2所示。与特定设计变型相关的储罐被表示为FFW内的平面组件，如图7所示，并通过舱壁和漏斗板的边缘点转移到NAPA。

图7

4.3结构模型

对于结构设计和强度评估，需要一个包含所有CSR相关规则信息的计算模型。该模型必须包括有关船舶主要细节、主要和次要构件的板分布和加强筋布置、舱室布置和荷载定义的信息。这是通过GL的POSEIDON软件在外部生成主要结构设计来实现的。针对该代码的接口，开发了一个与钢结构自由变量相关的模板数据库。该模板数据库规定了阿芙拉型油轮货舱区域的钢结构，6x2布局，板布置和加强筋分布符合常规设计，图8

图8

使用POSEIDON数据库的Python接口，模板模型会根据每个生成的设计的特征不断更新。 FFW提供了一个ASCII文件，其中包括以POSEIDON的特定偏移格式对船体形式的一种修改，实际的舱室分隔以及内部结构的自由变量，例如每个货舱的帧数。

5．分析和模拟

5.1结构和强度

为了评估生成的设计方案的结构设计，采用了双壳油轮的通用结构规则（CSR），并对其进行了不同程度的评估。CSR从基于梁理论的规定性规则开始，然后对一次构件和二次构件进行有限元分析，最后对结构细节进行详细的有限元疲劳评估。

在这里，只有CSR的规定部分被用于确定结构的强度。从这个意义上说，提出的综合方法产生了一种“预先确定尺寸”的油轮设计，需要在随后的步骤中得到批准并稍加调整，以完全符合企业社会责任。这背后的原因是，有限元分析的模型生成本身是一项相当复杂的工作，相应的仿真需要相当多的资源。因此，决定在优化过程中根据变量的总体属性利用规定部分对变量进行排序。每个设计变量都是根据满足强度要求所需的钢质量进行测量的。钢的质量计算是通过POSEIDON在给定的容器横截面上的自动定板能力来完成的。选择特征框架横截面，如主框架或横舱壁（图9），以获得整个货物区域的钢质量。

图9

5.2流体动力学

由于计算流体力学（CFD）模拟是设计任务中所有分析中资源最密集的，因此响应面模型（RSM）被用来捕捉不同速度和吃水深度下的阻力和推进特性。换言之：在整体优化过程中，不是对每个变量进行非常耗时的完整CFD模拟，而是预先计算流体力学，然后用合适的模型代替。

选择了四个自由设计变量，即总长度（LOA）、最大横梁、纵向浮力中心位置的相对变化（Delta XCB）和位移体积。如表二所示，这些变量允许在一般限制条件（如墨西哥湾的相关港口设施）、纯粹的水动力因素和预期总位移估计值产生的有意义范围内变化。

同时考虑了设计吃水（静止时为13.7m），压载吃水（FP为6m，AP为8m）时的水动力性能。 完全参数化的船体模型（图6）用于全局改变自由变量。

势流和粘性计算都是使用流动求解器SHIPFLOW中提供的分区方法进行的。进行了一系列计算：整个船体的无自由面势流计算（XPAN）、前体的薄边界层计算（XBOUND）和后体的RANSE计算（CHAPMAN）。螺旋桨被建模为一个力驱动盘，为所有计算理想化了一个主动螺旋桨。所有粘性计算均在全尺寸雷诺数下进行，模型自由下沉。对于每个有效变量，粘性流计算提供了螺旋桨平面内的摩擦阻力和粘性压力阻力以及尾流场。在自由面上进行了包括非线性边界条件在内的附加势流计算，以获得波型等。在势流分析中，使用了1150个面板的体网格和7175个面板的自由表面网格。

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[236730]，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