基于直接计算法的超大型油船整体舱段结构优化
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收 稿 日期 ： ０ ６０ — ０ ２ ０ — ７１
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中
国
造
船
学 术 论 文
（ ） 择 和设计 高效 的优 化算 法 。 舶 的结构 优化 实质 上属 于组 合优 化 问题 ， 多变 量 的整体 舱段 结构 ３选 船 对 优 化 而 言 ， 属 于 ＮＰ困难 问题 ， 又 而能够 解 决 ＮＰ困难 问题 的优化 算 法 目前 还 处于 发 展 阶段 ， 于特 定 对 的优化 问题 ， 般还 需要 加入 设计 经验 才能得 到 较好 的优化 结果 。 一 考虑 到上 述的 困难 ， 本文 提 出一种 综合有 限元 法 、 均匀 设计 、 经 网络 等 方法 和理论 的优 化方 案 ， 神 对 大型 油船 立体舱 段结 构优 化进 行 了研究 。
研 究 。建 立 了舱 段 结 构 强 度 评 估 的 参 数 化 有 限元 平 台 ； 建 了用 于 试 验 的均 匀 设 计 表 ， 计 了 １ １次 试验 ， 构 设 ７ 将 之代 入 有 限元 平 台进 行 计 算 ， 到 了用 于 神 经 网络 训 练 的样 本 对 ， 而 建 立 了设 计 变 量 和 目标 函数 及 应 力 响 得 从 应 的 神 经 网 络 响 应 面 。 按 照 一般 的优 化 流 程 ， 用 离 散 粒 子 群 算 法 ， 采 对某 ３ Ｏ万 ｔ 大 型 油 船 舱 段 整 体 结 构 进 超 行 了优 化 设 计 。优 化 结 果 表 明该 方 案 是 可 行 的 ， 理 的 ， 以 大 大 缩 短 直 接计 算 消 耗 的 机 时 。 合 可
一
项 有难度 的复杂 工作 。
（ ） 造合 理 的优化 方案 。 杂结 构 的多工 况有 限元 计算 是一 项非 常耗 时 的工作 ， ２构 复 而优 化过 程 又需
要大量的反复迭代 ， 一次优化 的完成可能需要几百个小时。所 以如何构造合理的优化方案 ， 使之既能减
少计 算 时间 ， 免 大量 的无效 迭代 ， 能保 证优 化结 果 的有效 性是 很有 意义 的 。 避 又
２ ．英 国 劳 氏船 级 社 上 海代 表处 ， 海 ２ ０ ０ ） 上 ０ ０ １
摘
要
基 于 有 限 元 法 的船 体 舱 段 整 体 结 构 优 化 优 于 分 块 优 化 ， 由于 其 实 现 存 在 很 多 困难 ， 但 目前 国 内研 究 较 少 。 提 出 一种 综合 有 限 元 法 、 匀 设 计 、 经 网络 等 方 法 和 理 论 的优 化 方 案 ， 大 型 油 船 立 体 舱 段 结 构 优 化 进 行 了 均 神 对
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４ ９卷 第 ２期 （ 总第 １ １ ） ８期 ２０ ０ ８年 ６月
中
国
造
船
Ｖｏ ． ９ Ｎｏ ２（ ｅ ｉ１Ｎｏ ８ １４ ． Ｓ ｒａ ．１ １）
Ｓ ＰＢＵＩ ＨＩ ＬＤＩ ＮＧ ０Ｆ ＣＨＩ ＮＡ
Ｊｎ ０ ｕ ｅ ２ ０８
文 章 编 号 ： ０ ０４ ８ （０ ８ ０ —０ １０ １ １ ０ ８ ２ ２０ ） ２０ ４ —１
基 于 直 接计 算 法 的超 大型 油 船整 体 舱 段 结构 优 化
邵 雄 飞 俞 铭 华 ， 郭 小 东 。 ，
（．江 苏科 技 大 学船 舶 与 海 洋 工 程 学 院 ， １ 江苏 镇 江 ２ ２ ０ ； １０３
ห้องสมุดไป่ตู้
以采 用直接 计 算法进 行 船体 舱段 结构 优化 设计 ， 不仅 符合 规范 的要 求 ， 而且顺 应 了 目前 结 构优化 越来 越
多地 包含 有 限元计 算 的趋势 。与 船体 舱段 分块 优化 相 比较 ， 体舱 段优 化更 全 面 、 理地 考虑 了各个 构 整 合
件 之 间 的联 系 ， 以及 各构 件尺 寸变 化后 的相 互影 响 ， 而有 可 能使得 优 化结果 更 加有效 、 加合 理 。 从 更
的约 束公 式来 构造 优化模 型 中 的约束 条件 ， 所有 的约 束信 息都 来源 于公 式 的计算 结果 。 这种 优化 方式 的
优点 是建 模 简便 ， 化效 率较 高 ， 前 提是 所 有 的相关 约 束公 式必 须 已知 。双壳油 船 共 同规范 （ＴＰ Ｅ 优 但 Ｊ ）ｌ ｉ
已于 ２０ ０ ６年 １ １日实施 。 于 船长 超过 １ ０ 的船 舶 ， 月 对 ９ｍ 规范 推荐 采用 有 限元 法进 行船 体强 度校 核 。 所
虽然 基于 有 限元 法 的船体 舱 段整 体结 构优 化优 于上述 的分块优 化 ， 由于其 实现存 在 很多 困难 ， 但 目 前 国 内的研究 较少 。存 在 的困难 主要 有 以下三 点 ： （ ）建立 通用 化 的舱段 有 限元模 型 。要实 现舱 段优 化 ， １ 必须 建立 通 用 的舱段 有 限元 模 型 ， 各设 计 在 参 数 改变 之后 ， 化程序 仍然 能调 用这 个模 型进 行有 限元 计算 。大型油 船 的舱段 结构 庞大 复杂 ， 优 一般 的 舱段 分析 模 型有 十万 个 以上 的单 元 和节 点 ， 计 参数 众 多 ， 设 载荷工 况 复杂 ， 因此 如何 建 立通 用 性较 强 的 有 限元分 析模 型 ， 应 于任何 优 化参 数 的改 变 ， 能 自动 实 现建模 ～加 载 一求解 一后 处 理 这些 功 能 ， 对 都 是
关 键 词 ：船舶、 舰船 工程； 整体舱段结构优化 ； 参数化有 限元平 台； 均匀设计； 神经 网络 ； 粒子群算法
中 图分 类 号 ： ６．２ Ｕ６１４
文献标 识码 ： Ａ
１ 引 言
油船 的舱段 结构 优 化大致 有 两种 策略 ： 分块 优化 和整体 舱 段优 化 。 分块优 化 即将整 个舱 段分 成纵 向 构 件 、 向构 件 和横舱 壁 三部 分 ， 别对 这些 结构 进行 优 化 ； 横 分 整体 舱段 优 化将 整 体舱 段 视 为一个 优 化 对 象 ， 立 相应 的优 化模 型 ， 而采 用适 当 的优化 方法 进行 优化 设计 。前 者一般 采 用规 范 中关 于构 件 尺寸 建 进
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（ ） 择 和设计 高效 的优 化算 法 。 舶 的结构 优化 实质 上属 于组 合优 化 问题 ， 多变 量 的整体 舱段 结构 ３选 船 对 优 化 而 言 ， 属 于 ＮＰ困难 问题 ， 又 而能够 解 决 ＮＰ困难 问题 的优化 算 法 目前 还 处于 发 展 阶段 ， 于特 定 对 的优化 问题 ， 般还 需要 加入 设计 经验 才能得 到 较好 的优化 结果 。 一 考虑 到上 述的 困难 ， 本文 提 出一种 综合有 限元 法 、 均匀 设计 、 经 网络 等 方法 和理论 的优 化方 案 ， 神 对 大型 油船 立体舱 段结 构优 化进 行 了研究 。
研 究 。建 立 了舱 段 结 构 强 度 评 估 的 参 数 化 有 限元 平 台 ； 建 了用 于 试 验 的均 匀 设 计 表 ， 计 了 １ １次 试验 ， 构 设 ７ 将 之代 入 有 限元 平 台进 行 计 算 ， 到 了用 于 神 经 网络 训 练 的样 本 对 ， 而 建 立 了设 计 变 量 和 目标 函数 及 应 力 响 得 从 应 的 神 经 网 络 响 应 面 。 按 照 一般 的优 化 流 程 ， 用 离 散 粒 子 群 算 法 ， 采 对某 ３ Ｏ万 ｔ 大 型 油 船 舱 段 整 体 结 构 进 超 行 了优 化 设 计 。优 化 结 果 表 明该 方 案 是 可 行 的 ， 理 的 ， 以 大 大 缩 短 直 接计 算 消 耗 的 机 时 。 合 可
一
项 有难度 的复杂 工作 。
（ ） 造合 理 的优化 方案 。 杂结 构 的多工 况有 限元 计算 是一 项非 常耗 时 的工作 ， ２构 复 而优 化过 程 又需
要大量的反复迭代 ， 一次优化 的完成可能需要几百个小时。所 以如何构造合理的优化方案 ， 使之既能减
少计 算 时间 ， 免 大量 的无效 迭代 ， 能保 证优 化结 果 的有效 性是 很有 意义 的 。 避 又
２ ．英 国 劳 氏船 级 社 上 海代 表处 ， 海 ２ ０ ０ ） 上 ０ ０ １
摘
要
基 于 有 限 元 法 的船 体 舱 段 整 体 结 构 优 化 优 于 分 块 优 化 ， 由于 其 实 现 存 在 很 多 困难 ， 但 目前 国 内研 究 较 少 。 提 出 一种 综合 有 限 元 法 、 匀 设 计 、 经 网络 等 方 法 和 理 论 的优 化 方 案 ， 大 型 油 船 立 体 舱 段 结 构 优 化 进 行 了 均 神 对
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４ ９卷 第 ２期 （ 总第 １ １ ） ８期 ２０ ０ ８年 ６月
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Ｖｏ ． ９ Ｎｏ ２（ ｅ ｉ１Ｎｏ ８ １４ ． Ｓ ｒａ ．１ １）
Ｓ ＰＢＵＩ ＨＩ ＬＤＩ ＮＧ ０Ｆ ＣＨＩ ＮＡ
Ｊｎ ０ ｕ ｅ ２ ０８
文 章 编 号 ： ０ ０４ ８ （０ ８ ０ —０ １０ １ １ ０ ８ ２ ２０ ） ２０ ４ —１
基 于 直 接计 算 法 的超 大型 油 船整 体 舱 段 结构 优 化
邵 雄 飞 俞 铭 华 ， 郭 小 东 。 ，
（．江 苏科 技 大 学船 舶 与 海 洋 工 程 学 院 ， １ 江苏 镇 江 ２ ２ ０ ； １０３
ห้องสมุดไป่ตู้
以采 用直接 计 算法进 行 船体 舱段 结构 优化 设计 ， 不仅 符合 规范 的要 求 ， 而且顺 应 了 目前 结 构优化 越来 越
多地 包含 有 限元计 算 的趋势 。与 船体 舱段 分块 优化 相 比较 ， 体舱 段优 化更 全 面 、 理地 考虑 了各个 构 整 合
件 之 间 的联 系 ， 以及 各构 件尺 寸变 化后 的相 互影 响 ， 而有 可 能使得 优 化结果 更 加有效 、 加合 理 。 从 更
的约 束公 式来 构造 优化模 型 中 的约束 条件 ， 所有 的约 束信 息都 来源 于公 式 的计算 结果 。 这种 优化 方式 的
优点 是建 模 简便 ， 化效 率较 高 ， 前 提是 所 有 的相关 约 束公 式必 须 已知 。双壳油 船 共 同规范 （ＴＰ Ｅ 优 但 Ｊ ）ｌ ｉ
已于 ２０ ０ ６年 １ １日实施 。 于 船长 超过 １ ０ 的船 舶 ， 月 对 ９ｍ 规范 推荐 采用 有 限元 法进 行船 体强 度校 核 。 所
虽然 基于 有 限元 法 的船体 舱 段整 体结 构优 化优 于上述 的分块优 化 ， 由于其 实现存 在 很多 困难 ， 但 目 前 国 内的研究 较少 。存 在 的困难 主要 有 以下三 点 ： （ ）建立 通用 化 的舱段 有 限元模 型 。要实 现舱 段优 化 ， １ 必须 建立 通 用 的舱段 有 限元 模 型 ， 各设 计 在 参 数 改变 之后 ， 化程序 仍然 能调 用这 个模 型进 行有 限元 计算 。大型油 船 的舱段 结构 庞大 复杂 ， 优 一般 的 舱段 分析 模 型有 十万 个 以上 的单 元 和节 点 ， 计 参数 众 多 ， 设 载荷工 况 复杂 ， 因此 如何 建 立通 用 性较 强 的 有 限元分 析模 型 ， 应 于任何 优 化参 数 的改 变 ， 能 自动 实 现建模 ～加 载 一求解 一后 处 理 这些 功 能 ， 对 都 是
关 键 词 ：船舶、 舰船 工程； 整体舱段结构优化 ； 参数化有 限元平 台； 均匀设计； 神经 网络 ； 粒子群算法
中 图分 类 号 ： ６．２ Ｕ６１４
文献标 识码 ： Ａ
１ 引 言
油船 的舱段 结构 优 化大致 有 两种 策略 ： 分块 优化 和整体 舱 段优 化 。 分块优 化 即将整 个舱 段分 成纵 向 构 件 、 向构 件 和横舱 壁 三部 分 ， 别对 这些 结构 进行 优 化 ； 横 分 整体 舱段 优 化将 整 体舱 段 视 为一个 优 化 对 象 ， 立 相应 的优 化模 型 ， 而采 用适 当 的优化 方法 进行 优化 设计 。前 者一般 采 用规 范 中关 于构 件 尺寸 建 进