并行计算求解运动船体上的甲板上浪问题
船舶操纵运动波浪力计算
船舶操纵运动波浪力计算2.1 不规则波入射力计算模型依据概率统计理论，不规则波的波面可以看作是由一系列具有不同的频率、波数、波幅、传播方向以及随机分布初相位角的规则波叠加而成。
在实际应用中寻求海浪的统计特性，通常采用“波能谱”的概念来描述海浪。
海浪形成的过程是风把能量传递给水的过程。
这一过程大致可分为两个阶段，第一阶段为波浪生长阶段，当风最初作用于海面上时，海面开始出现较小的波，随着时间的增长，风不断地把能量传递给水，波浪越来越大，显然这一阶段海浪是比较复杂，其统计特性随时间不断变化，这一阶段的海浪描述描述相当复杂。
但是，当波浪渐趋稳定时，波的能量达到一定值，其统计特征基本上不随时间变化，为了这一阶段海浪的数学描述，应用波谱密度函数，从大量观察分析结果表明海浪以及船舶在波浪中的运动等均属于狭带谱的正态随机过程，因此基于以下假设：1．波浪为弱平稳的、各态历经的、均值为零的正态(高斯)随机过程。
2．波谱的密度函数为窄带。
3．波峰(最大值)为统计上独立的。
由波的方向性谱密度，不规则波的波面可用下列随机积分表示来描述：⎰⎰-∞+-+=220),(2)],()sin cos (cos[),,(ππςθωθωθωεωθηθξηξςd d S t k t （2-1）其中，),(θωςS 为波谱密度函数，表示了不规则波浪中各种频率波的能量在总能量中所占的份量。
仅考虑波沿主浪向运动的情况，并将式（2-1）转化为随船坐标系下表示为：⎰∞+--=0)(2)]()sin cos (cos[),,(ωωωεωμμςςd S t y x k t y x e （2-2）为了方便计算，将波能谱密度函数进行离散，用求和形式代替上式的积分如下：∑=+--∆=ni i ei i i t y x k S t y x 1])sin cos (cos[)(2),,(εωμμωωςς （2-3）其中，相位角i ε可视为均匀分布在（0，2π）区间内的随机变量。
FPSO甲板上浪的数值模拟
Hu Changhong[ 16 ]建立了一个基于 C IP方法的非 线性自由面流动的模型 。流体和固壁之间的相互作 用通过多相流来描述 。通过求解交错网格上的一组 控制方程来模拟流动 。
动力的分析 [8 ] ,以估计甲板上浪问题 。然而 ,近来一 FLUENT中的动网格模块实现 ,自由面由 VOF 方法
些对 FPSO 实验的观察和描述表明 ,这种做法难以预 来捕捉 ,默认体积分数 F = 0. 5的地方为自由面 。由
报上浪的出现和上浪造成的载荷 。因为上浪是一个 于没有考虑船体运动的影响 ,模拟结果与真实海况中
法给出精确和详细的数值模拟 。
计算机的发展为上浪问题的直接数值模拟创造 了条件 。一些计算方法 ,特别是能够模拟自由面大变
图 1 计算区域几何简图
形 ,波浪破碎和翻卷的算法应运而生 。其中有 VOF 2 建立模型
方法 、SPH 方法 、C IP 方法 、标志点法 (MAC ) 、Level2
set方法等 。 Kleefsm an[ 15 ]给出了包含船体运动的甲板上浪的
强测量点 P4, P4距甲板的垂向距离为 0. 03 m 如图 4 力学黏性系数 , f1 = 0, f2 = 0, f3 = g, Fi 为 附 加 源 所示 。另外在船体中纵剖面所在平面的 x = 2 m 和 x 项 。 = 5 m 处设置水位测量 H4 和 H5。本文采用模型
VO F方法的基本原理是通过研究网格单元中流
A辑第 22卷第 2期 水 动 力 学 研 究 与 进 展 Ser. A , Vol. 22, No. 2 2007年 3月 JOURNAL OF HYDROD YNAM ICS M ar. , 2007
船体强度与结构设计-船体静置在波浪上的外力计算
使船尾倾力矩为: BH 0 sin
H 0 -纵稳性高
R H0 GC H0 MG
于是得
BR sin
R H0
R：纵稳心半径
船舶纵摇平衡时
W (xg xb ) BRsin
xg xb
R
为小量。
da
dm
( L /
2
xf
) xg
xb R
，
由da和df在邦戎曲线上作出水线，
df
dm ( L / 2 xf
) xg xb R
邦戎曲线
计算排水体积和浮心得纵向位置，得到
xb1
V1
比较排水体积和V0 ，比较 浮心纵向位置 xb1 和重心的纵向位置 xg ,
V1 V0 0.5%V0
xg xb1 0.1%L
当上述条件不满足时，说明船舶仍未达到受力和力矩的平衡，继续改 变首尾吃水，进行调整。 （4）第二次调整首尾吃水
分配到各站间重量叠加，得到各个站间的总重量，如下图所示： 图 船体站间重量分布结果
10 首部锚2只101#~106#
20
5.1
102.0
0.0
0.0 -27.6 -552.0
11 固定压载32#~48#
36
0.5
18.
8.4 302.4 10.8 388.8
空船重量重心合计
1165.92 2.253 2627.32 -0.005 -6.08 1.750 2040
1.965 1.965 1.965 5.1
1973.6
39.82 12.18 26.0
88.43
88.43 88.43 88.43 102.0
-0.3
-265.5
-9.29 -5.571 -6.0
甲板上浪船舶随机横摇响应的数值模拟
甲板上浪船舶随机横摇响应的数值模拟刘利琴;唐友刚;张若瑜【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2011(044)007【摘要】The rolling response of ship with water on deck in random beam wave was numerically simulated. The random rolling equation of ship was established considering random beam wave excitation and heeling moment caused by the trapped water on deck. The formula for calculating quality of water on deck was derived based on Bernoulli equation. Taking a trawl ship as an example, the rolling responses of ship in different wave heights were calculated and the effect of trapped water on deck to ship capsizing was investigated. It is found that, the rolling process of ship has two roll centers when considering the water accumulated on the factory deck, and the random jumping from one roll center to another occurs. When the water on the trawl deck and the water on the factory deck are considered separately , the ship rolls without capsizing even under high wave excitation. When the water on the trawl deck and the water on the factory deck are considered simultaneously, the water accumulated on the trawl deck increases suddenly in the process of rolling and ship capsizes accordingly.%数值模拟随机横浪中甲板上浪船舶的横摇响应.考虑随机横浪激励和甲板上浪引起的横倾力矩,建立船舶随机横摇运动方程.基于伯努利方程,推导船舶甲板上浪水质量的计算公式.以一条拖网渔船为例,计算不同波高作用下船舶的横摇响应,分析甲板上浪对船舶倾覆的影响.研究表明:考虑加工甲板上浪后,船舶有2个横摇中心,在响应过程中发生由一个横摇中心到另一个横摇中心的随机跳跃；单独考虑捕鱼甲板上浪或加工甲板上浪时,船舶可以承受大的波浪载荷而不发生倾覆；同时考虑捕鱼甲板上浪和加工甲板上浪时,横摇过程中捕鱼甲板上浪水量突然增大,导致船舶倾覆.【总页数】6页(P571-576)【作者】刘利琴;唐友刚;张若瑜【作者单位】天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】U661.3【相关文献】1.甲板上浪时船舶在横浪中的随机跳跃 [J], 刘利琴;唐友刚;李红霞2.船舶甲板上浪横摇的时域模拟 [J], 黄祥鹿;顾解忡3.甲板上浪与船舶横摇计算 [J], 黄祥鹿;董祖伟4.甲板上浪船舶随机横摇响应的数值模拟 [J], 刘利琴; 唐友刚; 张若瑜5.船舶甲板上浪的非线性横摇响应 [J], 刘利琴;唐友刚因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
自由运动船体迎浪状态下上浪问题的数值模拟
自由运动船体迎浪状态下上浪问题的数值模拟
梁修锋;杨建民;李俊;李欣
【期刊名称】《上海交通大学学报》
【年(卷),期】2010(44)6
【摘要】基于FLUENT软件进行二次开发,得到了一个用于求解甲板上浪问题的完整的数值模拟方案.该方案融合了动网格功能、数值波浪水池的消波和推板边界造波、船体运动的自动求解、捕捉自由液面大变形的流体体积分数法、高效的网格划分方案和稳定精确的时间步长方案,最终实现了波浪和船体运动的耦合,成功模拟了甲板上浪现象,并将该方案应用到自由运动船体在顶浪状态下的上浪问题研究中,模拟得到了物体在波浪上的运动及甲板上浪的过程,同时还得到了上浪产生的冲击压力.
【总页数】6页(P763-767)
【关键词】甲板上浪;数值波浪水池;流体体积分数法;动网格
【作者】梁修锋;杨建民;李俊;李欣
【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】U661.7
【相关文献】
1.穿浪双体船迎浪纵向运动和阻力增值数值分析 [J], 徐野;董文才;姚朝帮
2.弧形防浪墙的迎浪面波压力数值模拟 [J], 于龙基;杨森;张华昌;董胜
3.船舶迎浪垂荡纵摇运动数值模拟 [J], 杨宗默;李晓松;干伟东;张磊
4.迎浪时基于非线性运动方程的船舶RANS数值模拟 [J], 杨艳萍
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MPS方法研究进展及其在船舶水动力学问题中的应用
MPS方法研究进展及其在船舶水动力学问题中的应用陈翔;张友林;万德成【摘要】移动粒子半隐式方法(moving particle semi-implicit, MPS)是基于Lagrangian观点来描述流体的运动,具有能够灵活处理自由面的大幅度变形及物体的运动变形等优点,近年来受到越来越多研究人员的关注.本文对MPS方法的研究进展及其在船舶与海洋工程水动力学问题中的应用现状进行介绍.从计算精度方面,介绍了研究人员为提高压力场的光滑性及稳定性,对粒子间相互作用模型做出的多种改进.从计算效率方面,介绍了提高MPS方法计算速度的主要技术手段,同时从扩展MPS方法在实际水动力学问题中应用范围的角度,介绍了研究人员在数值边界条件和多相流方面做出的贡献.本文回顾了MPS方法在船舶与海洋工程典型水动力学问题中的应用成果,对该方法在数值格式改进、与其他方法耦合及三维复杂实际工程应用方面的发展空间进行了展望.%The moving particle semi-implicit (MPS) method, a recently introduced meshless method based on La-grangian description,has drawn increasing attention from researchers owing to its advantages in handling flows char-acterized by a violent free surface. In this paper,we focus on the development and application of the MPS method to marine hydrodynamic problems. To ensure computational accuracy, we introduce various improvements on the particle interaction model to enhance computation stability and pressure smoothness. We then present some compu-tational acceleration techniques for increasing computational efficiency. To apply the MPS method to hydrodynamic problems,researchers must address a number of issues relating to the boundary conditions and multiphase flow model. We review some of thelatest naval architecture and ocean engineering applications using the MPS method and evaluate its potential developments with respect to its numerical format, combination with other methods, and application to three-dimensional problems.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2018(039)006【总页数】18页(P955-972)【关键词】无网格粒子法;移动粒子半隐式方法;并行加速技术;重叠粒子技术;多分辨率粒子技术;多相流;流固耦合【作者】陈翔;张友林;万德成【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240【正文语种】中文【中图分类】O35;U663移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit, MPS)是一种基于Lagrangian系统描述流场的无网格粒子类方法，采用任意分布的粒子对流场进行空间离散，基于预估-修正(半隐式)的方式来求解流体控制方程，通过核函数表征的相互作用模型实现粒子间质量、动量、压力等信息的传递。
船舶甲板上浪的非线性横摇响应
第27卷 第3期 应 用 力 学 学 报 V ol.27 No.3 2010年9月 CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS Sep.2010基金项目：国家自然科学基金 (50809048)；高等学校博士点基金 (200800561093) 来稿日期：2009-11-29 修回日期：2010-09-15第一作者简介：刘利琴，女，1977年生，博士，天津大学建筑工程学院港口与海洋工程教育部重点实验室；研究方向——船舶与海洋结构动力学。
E-mail: l *******************.cn.文章编号：1000- 4939(2010) 03-0565-05船舶甲板上浪的非线性横摇响应刘利琴 唐友刚(天津大学 300072 天津)摘要：考虑甲板上浪引起的横倾力矩、非线性阻尼和非线性恢复力矩，建立了规则横浪中船舶横摇运动方程；基于伯努利方程，推导了船舶甲板上浪水质量的计算公式。
以66.01米长的拖网渔船为例，计算了不同波浪扰动力矩作用下的横摇响应，并构造了响应的分岔图和庞加莱截面。
结果表明：甲板上浪后船舶横摇运动包括混沌运动和周期二、周期三、周期四等多周期运动；随着波浪扰动力矩幅值的增大，横摇响应发生从周期运动到混沌运动或从混沌运动到周期运动的阵发性分岔、正向及反向倍周期分岔。
关键词: 甲板上浪；船舶横摇；混沌；多周期运动；分岔 中图分类号：U661.3 文献标识码：A1 引 言甲板上浪后船舶的运动非常复杂，涉及船舶的大幅非线性运动、船舶与波浪之间的非线性耦合运动以及海洋环境的随机因素。
国内外学者应用数值模拟的方法研究甲板上浪后船舶的运动，主要方法是将甲板划分成网格，用浅水波理论描述甲板上浪水的运动，计算每一个网格处的水压力，将该压力值代入船舶运动方程，数值求解船舶响应。
文献[1]最早在时域中数值模拟了甲板上浪船舶的横摇、横荡耦合运动。
文献[2]将浅水波理论与切片理论相结合，分析比较了甲板上浪和无上浪两种情况船舶的横摇运动，结果表明甲板上浪会导致具有小初稳性高的船舶倾覆。
基于协同进化和并行计算的船舶管路布置方法
第56卷第4期2016年7月大连理工大学学报J o u r n a l o fD a l i a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g yV o l .56,N o .4J u l y 2016文章编号:1000-8608(2016)04-0367-08基于协同进化和并行计算的船舶管路布置方法董宗然1, 林 焰*2(1.大连理工大学电子信息与电气工程学部,辽宁大连 116024;2.大连理工大学运载工程与力学学部,辽宁大连 116024)摘要:为解决船舶管路协同布置问题,提出一种适合求解多管路或分支管路协同布置的算法框架.通过为每条管路或分支生成对应的进化种群,将管路间的协同布置转换为种群间的协同进化.基于提出的路径连接点概念,生成管路接口间的候选路径种群,并对种群进行交叉㊁变异操作.使用A *算法作为寻路算子,提高了生成路径的质量,同时保证了路径的有效性.为了提高运算效率,引入并行计算策略对算法框架和A *算法进行改进.最后,两个仿真实例验证了所提出方法的可行性和有效性.关键词:船舶管路;A *算法;协同进化;并行计算中图分类号:U 662.9文献标识码:Ad o i :10.7511/d l l gx b 201604007收稿日期:2015-11-30; 修回日期:2016-01-30.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51209034);国家公益性行业科研专项(201003024);辽宁省教育厅科研项目(L 2012018).作者简介:董宗然(1981-),男,博士生,E -m a i l :d o n g z o n g r a n @163.c o m ;林焰*(1963-),男,教授,博士生导师,E -m a i l :l i n y a n l y @d l u t .e d u .c n .0 引 言船舶管路设计是船舶详细设计阶段中最繁杂的工作之一.现代船舶需要大量的管路以完成油㊁气㊁水㊁电等的输送.管路需要连接指定的设备接口,同时需要满足诸多约束条件,包括管路长度㊁弯头数目等经济性约束,还包括易安装性㊁易维护性㊁美观性㊁安全性等高级需求.船舶设计具有非批量的特点,除了少量姐妹船以外,每条船都有各自的设计需求.因此,船舶管路设计的工作量巨大,难度较高.当前船舶管路设计主要由管路设计师完成,除了要考虑管路的连接性和相关约束外,当布置多条管路和带分支管路时,还要考虑管路间的协同,以使管路整体布置最优.研究船舶管路自动布置方法,可以减轻管路设计人员的工作量,实现管路设计方案的标准化,缩短船舶生产的交付周期.近年来管路布置问题逐渐得到研究者的关注,出现在工业设计的不同领域,包括船舶管路设计㊁机械管路设计㊁航天器管路设计等.在使用的优化技术方面,可以分为确定性算法和非确定性算法.确定性算法在初始状态相同的情况下具有结果的可重复性和运算时间的确定性.基于D i jk s t r a [1]㊁最短路径快速算法[2]㊁A *算法[3]㊁直线探索法[4]的管路布置研究均归属于确定性算法.非确定性算法依赖控制参数设置,寻优过程依赖随机策略,结果不具有可重复性,而且算法收敛时间也不确定.采用群进化技术的管路布置方法可归属于非确定性算法[5-12].其中,J i a n g 等[9]将遗传算法的交叉和变异操作嵌入蚁群算法的运算流程以提高布管算法性能;在文献[10]中又提出将机舱设备布置与船舶管路布置相结合的优化思路,并使用粒子群算法和蚁群算法分别求解设备布置和管路布置.王运龙等[11-12]将爬山算法引入遗传算法的迭代过程,用以改进算法的收敛性,并基于人机结合思想设计布管算法,通过在算法不同阶段加入人工个体提高布置效果.以上方法都使用了不止一种优化策略,但仍然属于非确定性方法.确定性算法和非确定性算法各具优势,将两者有机结合可以发挥确定性算法的高效率和非确定性算法的全局寻优能力,A s m a r a 等在文献[13]中提出利用确定性的D i j k s t r a 算法完成管路生成,利用非确定性的粒子群算法优化布管序列,该方法从整体上考虑管路布置顺序对结果的影网络出版时间：2016-07-26 16:34:36网络出版地址：/kcms/detail/21.1117.N.20160726.1634.020.html响,但其顺序优化和管路布置分别由不同模块实现,不满足管路间的协同设计要求.范小宁等在先期工作中将每条管路的布置对应一个蚂蚁种群的路径寻优,利用多蚁群间的协作来实现管路间的协同敷设,该方法的主要不足是蚁群算法存在局部搜索能力较弱和收敛速度较慢等问题,且求得的路径存在较多折弯[5-6].本文对范小宁工作做出几点重要改进,包括提出路径中间连接点概念,并基于确定性A*算法生成候选路径,设计协同布置算法框架统一处理多管路和带分支管路的布置,以及对算法和框架做并行化改进以提升布管效率等.1空间模型及布管约束布管问题本质上类似于静态环境中的路径寻优,首先要对布置空间做预处理,采用的经典方法是网格分解法[1-3,5-8,11-13].网格分解法先将布置空间分解成网格集合,将设备㊁过道㊁维修空间等占据的网格标记为障碍网格,障碍网格禁止管路通过;将布管需要满足的几何约束转化为网格能量值,即将期望管路经过区域(舱壁附近㊁可依附设备周围㊁希望成束敷设的管路周围)的网格设置为低能量值,将希望管路远离布置区域(如锅炉周围㊁配电设备上方)的网格设置为高能量值,进而管路对应的能量值可描述其对布置空间几何约束的适应情况.网格分解法的优势在于方便寻路算法的实现和布置约束的表达;劣势在于网格数目随着布置空间增大而增多,需占用大量内存,同时因为搜索空间变大,导致寻路算法性能下降.船舶管路的布置空间往往很大,如果不对空间做预处理和选择高效算法,网格分解法难以应用于实船管路布置.空间预处理先根据船舶结构将舱内空间分成不同工作区(各工作区内的布管任务相对独立),再对独立工作区空间进行网格分解完成自动布管,为了提高布管效率,还需要设计高效的网格寻路算法.实船设计中不同管路系统的布置要求往往不同,本文主要讨论船舶管路布置的共性需求,包括:①管路与管路之间或是管路与设备之间不发生干涉;②管路能够连接到指定的设备接口点;③管路走势尽量与钢结构件平行;④管路长度尽可能短;⑤管路弯头数目尽可能少;⑥最小管段长度尽量满足加工限制以降低生产成本;⑦管路满足便于安装和维护的几何约束.其中①~③作为必须满足的需求可以由布管算法和网格分解模型保证,④~⑦作为期望满足的目标可以通过评价机制从众多可行解中选择优解满足.本文采用寻路算法中最为高效的A*算法进行布管,所得路径可避开设备和已敷设管路,因此评价管路时不必再考虑管路穿过障碍物的惩罚值.基于以上模型和布管约束,管路敷设质量的评价函数(F)需包括管路长度(P l),它是在管径确定时,影响管路用料成本的主要因素;管路折弯数目(P b),它表示布管过程中使用的弯头个数和对管路进行弯曲加工的次数;管路对应的能量值(P p o),它量化了对管路安装位置优劣的评价;管路不满足最小管段长度约束的惩罚值(P p u),它代表管路布置中违反管路加工工艺限制的程度.评价函数的形式化描述如下式:m i n F(x)=aˑP l+bˑP b+cˑP p o+dˑP p u(1)式中:x代表一条管路,a㊁b㊁c㊁d为各代价的权重系数.以上目标函数的设计源自实际工程需求,主要考虑布管的经济成本,属于可量化㊁非硬性的优化目标.在无法满足全部约束和目标时,可适当牺牲经济性目标(例如增加管路长度和弯头数目或改进加工工艺等)以求找到可行布管方案.目标函数权重系数选择具有一定的随机性和经验性,不同的系数设置方案会产生不同的优化结果.因此选择权重系数时可遵循以下方法,包括:①结合船型特点分析管路布置需求,根据各目标的重要程度设置初始权重系数;②估算各优化目标的数值范围,进一步调整权重系数,使经过权重系数调整后的各目标值处在可比较的数量级;③根据仿真结果的反馈,微调权重系数;④将有效的系数设置方案存入系统,积累经验数据,为将来的权重系数选择提供参考.2船舶管路协同布置方法协同进化由P o t t e r在1994年提出,它是自然界物种进化的一种现象.生物进化往往不是单一生物种群的进化过程,而是要受到同一生态环境中其他种群的影响.根据其他种群对当前进化种群影响的不同,协同进化可分为协作式协同进化和竞争式协同进化两种类型.协作式是指各种群会从其他种群的进化中受益,种群的进化促使与其他种群配合较好的个体有更大的生存机会;竞争式是指其他种群的进化会抑制当前种群的进化,当前种群必须做出相应的反应以便获得生863大连理工大学学报第56卷存[14].船舶管路设计规范要求按照管子尺寸,由粗到细依次布管,但仍然存在一些管径相同或接近的管路,此时布管顺序会影响布局结果,需要协同布置.管路设计的目标是使整个管路系统布局最优,各管路更多是一种合作关系,因此本文采用协作式进化算法框架解决此类管路的协同布置问题.2.1管路协同布置算法框架在布置实船管路时,对于接口点位置靠近㊁管路性质相似的多条管路,往往期望能够将其成束敷设,以方便管路的支撑和维护,且符合布置的整齐性[5];对于一类等径带分支管路,其布置要使各分支接口点连接到指定设备,同时各分支管路的总长度最短,弯头数目最少,可以将此类管路的布置看作同时布置几条具有相同终止接口点的单管路,要求这些单管路间能够有尽可能多的重叠部分[6].文献[5]和[6]使用多蚁群协同进化算法求解多条管路和带分支管路的布置,验证了协同布置的有效性,主要不足是蚁群算法作为布管算法收敛速度较慢,得到管路折弯较多,且算法效果依赖较多的控制参数.分析两类问题的区别和共性,提出一种求解两类问题的协作式进化算法框架,并将管路布置封装成可替换的模块,使其不再局限于特定算法.同时,因为多核心处理器已经广泛应用,提出对算法做并行化改进以提升求解效率.算法框架如图1所示.以上框架统一了多管路和分支管路的算法布置流程,主要区别在于设置协同布置环境W i 时,需要根据管路类型采取不同策略.对于多管路布置,为了引导管路并行成束敷设,需将其他种群的管路代表所在网格设置为障碍区,管路代表周围的网格设为低能量区;对于分支管路布置,为了能让管路分支间有更多的重合以使管路最短,需将其他种群的分支管路代表所在网格设置为低能区.此外,在计算迭代解S c u r r e n t 的评价值时,多管路的长度计算包括各代表管路的长度总和,而分支管路的长度计算对分支间的重叠部分只统计一次.2.2 管路种群的生成及进化在两个连接点之间生成多条候选路径(即路径种群)是管路协同布置框架对管路生成算法的功能需求.范小宁等[5]使用蚁群算法在构建路径时根据转移规则随机选择周围网格,因此每次找到的路径都会不同.但A *算法属于确定性算法,当搜索方式确定之后,每次运行找到的两个连接点间的路径都相同.因此提出路径中间连接点概念,将路径分成子段,把随机性引入路径生成过程,方法如下.设S 和G 为某管路的两端网格连接点,假设在S ㊁G 之间生成的管路需要经过T 个中间连接点,记为V 1,V 2, ,V T -1,V T .则S 到G 的路径由S -V 1,V 1-V 2, ,V T -1-V T ,V T -G 构成的各子路径段组成.如果中间连接点位置按启发式规则随机生成,连接点间的路径用A *算法生成,则可按需要生成S 和G 之间的多条候选路径.图1 协同布管算法框架F i g .1 A l g o r i t h mf r a m e w o r k f o r c o o p e r a t i v e p i p e r o u t i n g963 第4期董宗然等:基于协同进化和并行计算的船舶管路布置方法基于上述方法可生成各管路所对应的初始进化种群(步骤2),并在后续迭代进化过程中(步骤7c)对种群做进化操作,包括交叉和变异.交叉操作从种群中随机选择两条路径作为父代个体,随机产生一个1到T 之间的序号,根据此序号交叉父代个体的中间连接点以形成两个新的子代个体.变异操作从种群中随机选择一条路径作为父代个体,随机产生一个1到T 之间的序号,重新生成此序号位置上的连接点以形成一个新的子代个体.进行交叉和变异操作的个体是从父代中选出的,生成的子代个体将替换对应父代个体进入下一代进化,以此保证进化种群的稳定性和多样性.交叉和变异操作的示意如图2.子代路径中虚线表示的子段路径要用A *算法重新生成.图2 交叉和变异F i g.2 C r o s s o v e r a n dm u t a t i o n 按启发式规则生成路径中间连接点可以提高初始路径种群的质量.提出如下启发规则:①连接点不能位于障碍物之内,以免产生非法路径;②在期望空间(包含路径两端连接点的外包络矩形空间)内产生连接点,避免路径向外过度延展;③协同布置多条管路时,按概率(R c o n t r o l )在已布置管路周围生成连接点,以引导管路成束布置;④协同布置分支管路时,按概率(R c o n t r o l )在已布置分支管路上生成连接点,以引导各分支路径更多重合.2.3 种群进化的并行处理从算法框架看出,步骤7c 的任务是对种群做进化操作,这是计算代价最高的子任务.该任务需要在每代进化中为每一进化种群生成连接点间的候选网格路径,并按照评价函数计算每条路径的适应值.对该过程做并行化改进,可以提高算法效率.该策略简述为将总任务按C P U 逻辑内核数目分解,使每个C P U 内核都运转起来,完成部分计算任务,所有内核的计算任务完成对应总任务的完成.使用该并行策略的前提是子任务间不存在依赖关系,步骤7c 中生成的尝试路径虽然有多条,但生成每条路径时基于的布置环境相同,生成各尝试路径的过程也不会改变布置环境,满足任务分解的前提条件.当前主流C P U 均为多核架构,要使各个逻辑内核并行工作,在实现上需借助多线程技术,例如,总的计算任务为生成两个管路连接点之间的M 条候选路径,当前C P U 逻辑内核数目为N ,如果不使用多线程,那么所有计算将在1个内核上完成,而其他N -1个内核处在闲置状态,若将总任务分成N 份,每份子任务为生成M /N 条候选路径,创建N 个计算线程对应N 份任务,并分配到不同内核执行,则全部内核并行工作,完成总任务的时间会大为减少.随着多核并行编程技术的发展,可以借助O p e n M p 技术,它提供了对并行算法的高层抽象,通过在代码中加入p r a g m a 指明并行意图,编译器可以自动将程序并行化.借助O p e n M p 技术不需要人为创建线程㊁分配计算任务,优化了程序结构,基于O p e n M p 技术的候选路径生成及评价方法如下.方法名:G e n e r a t e A n d E v a l u a t e P a t h _OM P {1. #p r a g m a o m pp a r a l l e l f o r2. f o r (i =0;i <P s i z e ;i ++){3. t =ʒʒo m p_g e t _t h r e a d _n u m ();4. G e n e r a t e P a t h (i ,t );5. E v a l u a t e P a t h (i);}}此方法根据当前C P U 负载情况自动为每条路径的计算分配合适的内核资源.第1行为O p e n M p 指令,用于定义以下f o r 循环为多线程并行处理代码块;第2行中P s i z e 为要生成的候选路径条数,i 为循环控制变量;第3行为O p e n M p 方法,从可用计算线程组中返回一个分配给此次计算任务的线程编号,如4核C P U ,则t 在0,1,2,3中取值,由系统根据各核计算负载状态分配;第4行为生成第i 条路径的方法,该任务在第t 号线程上执行,因为路径生成算法需要修改网格单元状态,而网格单元为线程间的共享资源,为了避免访问冲突,对算法用到的网格状态值按内核73大连理工大学学报第56卷数目生成副本,每个线程在自己对应的副本状态上做修改,进而提高了计算并行度,将线程号t传入方法,以决定路径生成时使用哪个副本;第5行为评价第i条路径的方法,该任务在第t号线程上执行.2.4基于A*算法的子段路径生成框架图中的特定算法(A l g o r i t h m)用于生成管路接口间的候选路径,2.2节方法通过引入中间连接点把原始路径生成分解成各子段路径的生成,所以生成子段路径的过程会被反复调用,生成子段路径的效率和质量对布管结果影响很大,本文选择A*算法实现子段路径生成.2.4.1 A*算法原理及复杂度 A*算法最早由H a r t等提出,其不是单纯的深度优先或广度优先搜索,而是基于最优优先策略的搜索[3].A*算法在每一步迭代搜索过程中会从当前顶点的邻接候选顶点中选择评价函数值最小的顶点n,评价函数表示为f(n)=g(n)+h(n),其中g(n)代表从路径起始顶点到任意一个顶点n的实际代价, h(n)代表从任意一个顶点n到达目标顶点的估计代价.A*在搜索过程中不断更新g(n)和h(n),因此每个网格路径点的选择考虑了已形成路径代价和剩余路径代价,使搜索更具目的性.A*算法与D i j k s t r a算法都是寻找最短路径的经典方法,复杂度同为O(|V|2),V为顶点数,因为在最坏情况下A*仍然需要访问所有顶点,但启发函数h(n)会引导搜索向目标顶点有效进行,使实际搜索的顶点数比D i j k s t r a算法少很多.当使用F i b o n a c c i堆作为算法优先队列时,A*算法复杂度可降低到O(V l o g V),这是目前求解有向图单源最短路径的最好算法.2.4.2基于A*算法的子段网格路径生成结合三维网格空间的数据结构和布管约束,将使用A*算法生成两点间网格路径的过程说明如下.(1)数据结构空间网格的数据结构包括当前网格点标号C i d,前继网格点标号P i d,网格中心点坐标(x,y, z),网格边长L,网格所在行号r㊁列号c㊁层号l,网格所在位置的势能E,A*算法记录网格点路径代价的变量f㊁g㊁h.两个表结构:O p e n表和C l o s e表,O p e n表用于保存有待考察的网格点(即可能构成路径的网格点);C l o s e表用于记录所有已访问过的网格点.(2)算法流程图A*算法生成管路子段的流程如图3所示.图3基于A*算法的子段路径生成F i g.3 P a t hs e g m e n t g e n e r a t i o nb a s e do nA*a l g o r i t h m算法中的O p e n表为基于F i b o n a c c i堆的优先队列.其中,当前网格点n到n0之间的已生成路径代价g不单纯表示管路长度,而是按路径评价函数(参见式(1))计算出的综合代价,它考虑了n到n0间的管路长度㊁弯头数目㊁管路对应的能量值和管路不满足最小管段长度约束的惩罚值;同理,m和n之间的 距离 也代表了m与n之间的综合代价;m和目标网格点(记为t)之间的 估计距离 定义为网格点之间的M a n h a t t a n距离,该距离与从m到t需要沿行㊁列㊁层经过的网格数相关(只考虑水平或竖直方向,且忽略障碍物影响),m和t之间的M a n h a t t a n距离计算如下式: F M a n h a t t a n(m,t)=(a b s(t.r-m.r)+a b s(t.c-m.c)+a b s(t.l-m.l))ˑL(2)式中:a b s()为绝对值计算函数,L为网格边长.(3)算法并行化修改2.3节提到种群进化过程中路径生成需要支173第4期董宗然等:基于协同进化和并行计算的船舶管路布置方法持并行计算,其实质就是指此处的A *算法在同一时刻会运行在N (N 为内核数)个线程上,网格作为线程间的共享资源,需要支持多线程并发访问,因此对算法中用到的网格状态值需按内核数目生成副本,使各线程在自己对应的副本状态上做修改,以提高运算并行度.从流程图3看出,网格状态中的P i d ㊁f ㊁g ㊁h需要支持并发修改,当算法支持多线程并发计算时,需对以上状态生成副本,使用P i d [t ]㊁f [t ]㊁g [t ]㊁h [t ](0ɤt <N )替换P i d ㊁f ㊁g ㊁h 参与运算,其中t 为此次执行该算法的线程号.2.5 算法成本分析2.5.1 空间成本 算法内存需求主要包括:①存储布置空间的网格状态,A *算法的寻路及路径评价需要在网格空间进行;②存储表示管路的各种群内个体,协同算法需要基于种群个体进行迭代.因为网格空间划分及种群个体生成均在算法初始化阶段完成,所以算法运行时内存(M c o s t )随时间变化波动不大,可基于下式估算:M c o s t =O (S g r i d ˑN g r i d +S p a t h ˑP s i z e ˑN p i p e )(3)式中:S g r i d 为网格结构大小,N g r i d 为网格数目,S p a t h 为路径个体结构大小,P s i z e 为一个种群内的个体数目,N p i pe 为管路或分支对应的种群数目.2.5.2 时间成本 群进化算法的时间复杂度可通过对种群的更新和评价次数来估计,因此本文算法的时间复杂度(T c o s t )可以用下式估算: T c o s t =O ((C e v o l v e +C e v a l u a t e )ˑP s i z e ˑN p i p e ˑN i t e r )(4)式中:C e v o l v e 为对路径个体执行进化操作的代价,C e v a l u a t e 为对协同解方案的评价代价,N i t e r 为迭代次数.3 仿真实验通过两个实例验证提出方法的有效性.实验机器配置:操作系统为W i n d o w s 732位,内存为2G B ,C P U 为I n t e l (R )C o r e (T M )i 3M 3902.67G H z㊁支持双核4线程.算法参数设置:最大迭代次数G m a x =200,种群规模P s i z e =80,种群进化的交叉概率R c =0.7,变异概率R m =0.3,连接点控制概率R c o n t r o l =0.5,连接点个数N =3,管路评价函数调节系数a =10,b =10,c =20,d =100,最小管段长度为2倍网格边长.3.1 多管路协同布置3.1.1 模型空间 模型空间为一立方体,其中包括设备M 1~M 4㊁虚拟障碍R 1~R 5(R 1用来控制管路避开工作空间中心位置,R 2㊁R 3为设备M 3提供维修空间,R 4为防止管路从M 4上方通过,R 5为一禁止区).待布置管路有3条,管路1㊁2连接设备M 2和M 3,管路3连接设备M 1和M 3.关于设备㊁障碍物㊁管路的更多信息参见文献[5].3.1.2 布置结果 图4为本文方法迭代15次得到的一个布置结果.协同算法使3条管路更好地成束敷设,且路径不与障碍物相交,管路之间不干涉,在满足管路安装约束和管段最小折弯长度约束的情况下,使管路长度尽可能短,折弯数目尽可能少.未采用并行算法时,全部计算任务在一个内核上进行,进程的C P U 利用率仅为25%;采用并行算法时,线程在不同逻辑内核同时工作,进程的C P U 利用率约为75%.统计10次独立计算结果,非并行算法平均耗时315s,并行算法平均耗时156s ,采用并行布管算法可使效率提升约50.5%,10次计算中有5次收敛到实验最优解(实验最优解指实验过程中获得的满足布管约束的最好解).图4 多管路协同布置F i g .4 T h e c o o p e r a t i v e l a y o u t o fm u l t i p l e p i pe s 3.2 分支管路协同布置3.2.1 模型空间 模型空间为一立方体,在其内部有7个立方体障碍物,关于布置空间和障碍物的详细信息请参见文献[6],要求敷设一条具有4个连接点的分支管路,分支管路起点坐标为(4,10,10),终点坐标为(15,30,20),(32,38,15),(45,30,30).3.2.2 布置结果 本文方法迭代15次时的一个优化结果如图5所示.由结果可以看出分支管路在绕开障碍物,弯头尽可能少的情况下,可以与其他分支管路重合敷设,使分支管路的总路径较短,273大连理工大学学报第56卷且分支管路能较多地沿物体表面敷设.统计10次独立计算结果,非并行算法平均耗时214s ,并行算法平均耗时97s ,效率提升约54.7%,10次计算中有6次收敛到实验最优解.图5分支管路协同布置F i g .5 T h e c o o p e r a t i v e l a y o u t o f b r a n c h p i pe 按分支路径重合思想敷设多分支管路,虽然不必在敷设前确定分支点的位置,但该方法可能形成实际布管中不允许出现的分支点形状,如图6(a)所示,实际布管中要求使用T 型分支点,如图6(b )所示.因此在评价带分支管路质量时,对存在不可行分支点的布置方案要加以惩罚(在式(1)中引入惩罚项),使其不被选入迭代优解.图6 分支点F i g.6 B r a n c h p o i n t 从实验结果看出,应用本文方法可以得到满足协同布置多管路或分支管路需求的布管方案.统计多次实验,算法收敛到实验最优解的概率较高,使用并行策略改进算法能有效缩短布管时间.验证了提出方法的可行性和有效性.4 结 语本文提出一种适合求解管路协同布置的算法框架,统一解决了多管路和带分支管路的协同敷设问题.使用确定性A *算法生成管路路径,相比之前采用非确定性蚁群算法生成管路,布管质量更好,且算法参数更易配置.结合协同布管问题特性,提出使用并行计算技术对协同进化过程和路径生成算法做并行化改进,使求解效率提升50%以上,说明将并行计算引入布管系统具有实用性.仿真实例验证了应用本文方法可生成更为合理的管路协同布置方案.后续研究包括:(1)将更高级的专家经验形成布管规则,引入自动化布管算法;(2)研究协同进化算法的调优理论,为改进算法框架和设置算法参数提供指导;(3)探索基于多主机网格系统的复杂管路并行优化.参考文献:[1]A n d oY ,K i m u r aH.A n a u t o m a t i c p i p i n g a l go r i t h m i n c l u d i n g e l b o w sa n db e n d s [C ]//P r o c e e d i n g so f t h e 15t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n C o m p u t e r A p p l i c a t i o n s i nS h i p b u i l d i n g.T r i e s t e :R I N A ,2011:153-158.[2]董宗然,林焰.基于最短路径快速算法的船舶管路自动敷设方法[J ].计算机集成制造系统,2014,20(12):2962-2972.D O N G Z o n g -r a n ,L I N Y a n .A u t o m a t i cs h i p p i pe r o u t i n g m e t h o d b a s e d o n s h o r t e s t p a t hf a s t e r a lg o r i th m [J ].C o m p u t e rI n t e g r a t e d M a n u f a c t u ri n g S ys t e m s ,2014,20(12):2962-2972.(i nC h i n e s e )[3]李纯军.基于A *算法的多管线通道化自动敷设方法研究[D ].武汉:华中科技大学,2011.L IC h u n -j u n .S t u d y o n t h e c h a n n e l i z e da u t o -r o u t i n g m e t h o d o fm u l t i -p i p e l i n eb a s e do nA *a l go r i t h m [D ].W u h a n :H u a z h o n g U n i v e r s i t y of S c i e n c e a n d T e c h n o l og y,2011.(i nC h i n e s e )[4]K i mSH ,R u y W S ,J a n g BS .T h e d e v e l o pm e n t o f a p r a c t i c a l p i p e a u t o -r o u t i n g s ys t e m i n a s h i p b u i l d i n g C A D e n v i r o n m e n t u s i n g n e t w o r k o pt i m i z a t i o n [J ].I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f N a v a l A r c h i t e c t u r ea n d O c e a n E n g i n e e r i n g,2013,5(3):468-477.[5]范小宁,林焰,纪卓尚.多蚁群协进化的船舶多管路并行布局优化[J ].上海交通大学学报,2009,43(2):193-197.F A N X i a o -n i n g ,L I N Y a n ,J IZ h u o -s h a n g.M u l t i a n t c o l o n y c o o p e r a t i v ec o e v o l u t i o nf o ro pt i m i z a t i o n o f s h i p m u l t i p i p e p a r a l l e l r o u t i n g [J ].J o u r n a lo f S h a n g h a iJ i a o t o n g U n i v e r s i t y,2009,43(2):193-197.(i nC h i n e s e)[6]邬君,林焰,纪卓尚,等.基于协同进化的舰船分支管路系统路径优化研究[J ].船海工程,2008,37(4):135-138.WUJ u n ,L I N Y a n ,J IZ h u o -s h a n g ,e t a l .O pt i m a l 373 第4期董宗然等:基于协同进化和并行计算的船舶管路布置方法。
甲板上开始的防卫
甲板上开始的防卫
C．D．霍夫鲍伊尔新闻军士;曹丰;蔡芳
【期刊名称】《外国海军文集》
【年(卷),期】2002(000)005
【摘要】最近在美国发生的“9·11”事件改变了众多美国人的日常生活。
现在任美国，无论你住在哪埋或是从事什么样的工作都很容易受到恐怖分子的袭击。
【总页数】1页(P25)
【作者】C．D．霍夫鲍伊尔新闻军士;曹丰;蔡芳
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】U674.7
【相关文献】
1.并行计算求解运动船体上的甲板上浪问题 [J], 梁修锋;杨建民;李俊;李欣
2.船舶上浪预报中甲板上浪的统计分析 [J], 贺五洲
3.桅杆与螺旋桨——甲板上迎风破浪与甲板下默默推进 [J],
4.江苏科大:
矢志把论文写在船舶建造的甲板上 [J], 夏纪福;吴秀霞
5.防滑涂料在直升机飞行甲板上的应用研究 [J], 陈东;叶志华
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内河双尾船甲板上浪统计特性影响因素介绍
内河双尾船甲板上浪统计特性影响因素介绍摘要：为了保证船舶可以实现安全运行，需要对船舶的载重线进行明确，而船舶的载重线会受到船舶的船舷的影响，具有不同类型的船舷的船体的载重线的设置程度也不同，在对最小干舷进行研究与设置的时候，需要对几种基本要求进行明确，包括浮力数值、对乘客与船员进行保护，对甲板上浪这种情况进行控制，在开展甲板控制之前，首先需要对影响上浪情况的因素进行控制，本文借助在内河进行使用的双尾船作为分析案例，对其耐波浪的性能及悉尼歌厅分析，并对甲板位置的上浪次数进行统计，以便对影响上浪情况的因素进行了解。
关键词：内河双尾船；干舷；相对运动；甲板上浪概率我国给船舶的运行状态提出了规定，尤其对于船舶的最小干舷做出了规定，这种规定既符合我国当前常规船舶的主体特点，同时也符合我国内河区水域的基本特点，如果船舶中的船员想要保证船体在内河领域之中安全运行，同时还能将优秀的装载能力展现出来，就必须要对甲板在航行之中受到的影响进行明确，一般影响甲板上浪情况的主要把包括素包括船型的基本特征、主体尺度、甲板开口处的密性程度以及舷弧高度数值等。
本文将内河中常见的双尾船作为计算案例，对其甲板上浪的次数以及基本概率进行分析。
为船舶安全运行的条件进行分析。
1 计算原理以及计算方法分析甲板上浪问题是以船首和波面垂向相对运动为基础，所以研究工作的第一步是船舶在不规则波中航行时五个自由度运动预报，其中相对运动预报是重要内容之一。
如果把相对运动位移Zr（t）看成是一个随机过程, 那么甲板上浪问题就是一个随机过程过阈特性的统计问题，这个阈值就是干舷高。
本文基于三维线性势流理论得到船舶相对运动，进而预报与上浪有关的各种统计特性。
1.1 相对运动预报基于三维线性势流理论，以船舶首垂线吃水为波高监测点，监测其相对波面的位移，计算其在规则波中时间历程，通过傅利叶变化，得到相对运动的位移幅频响应函数：2 计算方案设定上浪严重程度取决于多项因素，这些因素包括水文条件、浪向角、船型、干舷高等，本文的重点在于考察这些因素各自对甲板上浪的影响。
规则波中船舶甲板上浪模型试验研究
ｎ ｏ ｎ ｗａ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｄ ｄ ａ ｔ ａ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｖ ａ ｉａ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｓ ｅ ｉｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｃ ｉ ｄ ｅ ｎ ｔ
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FPSO甲板上浪试验研究
ｂ ｅｋｎ ）所模 拟 的情 形非 常相似 。船艏 形状 以及 外飘 角 的 大 小对 于 甲板 上 浪水 的流 动有 着 较 大 的影 响 。 ｒａ ｉｇ
浪的研究 大多都 集 中在模 型试 验方面［ ８ 。 ‘ Ｂ ｃ ｎ ｒ 挪威 的 ＭＡＲ ＮＴ Ｋ 水池进 行 了一系 列 的 Ｆ Ｓ ｕ ｈ ｅ￣ 在 ” Ｉ Ｅ Ｐ Ｏ上 浪试验 。试 验分别在 规则 波和不规则
波中进行 。Ｆ Ｓ 模型 的艏柱外飘 角分 别为 ０ 、０ 、０和 ５ 。 ＰＯ 。 １ 。３ 。 Ｏ。试验 中分别研 究 了船体与 波浪之 间的非线 性 相 对运 动 、 海水 涌上 甲板过程 的物理 机制 以及 作用 在 甲板 结构 上的 冲击载荷 等 ， 对上浪 的水 流速 度 、 并 高度 、
随着船 艏外飘 角的增大 ， 水流速 度也 随之增大 ， 但水 层 的高 度则 会 随着外 飘角 的增大 而 减小 。因此 ， 上浪 载 荷 与船艏形 状之 间存在着 较为 复杂 的关 系 。Ｓ ａ ｂ ｒ ｔｎ ｅｇ和 Ｋａｌｅ ＿ ｒ ｎ１ ｓ 也在 ＭＡＲ ＮＴ Ｋ水 池 中对一 艘 Ｆ Ｓ Ｉ Ｅ ＰＯ
（ 海交通 大学 ， 海 ２ ０ ３ ） 上 上 ０ ０ ０
摘 要 ： 绍 了 在 风 浪 流 水 池 中 对 一 艘 １ 万 ｔ级 ＦＰ Ｏ 进 行 的 甲 板 上 派 模 型 试 验 ， 计 了 介 ０ Ｓ 设
一
套运动限位机构， 只保 留 Ｆ Ｓ 纵 摇 、 沉 运 动 。试 验 在 规 则 波 和 不 规 则 波 两 种 环 境 条 件 下 ＰＯ 升
船舶静止在波浪上的外力计算
船舶静止在波浪上的外力计算一、整体计算过程（计算思路）两个假设：1、假设船舶以波速在波浪的前进方向上航行，即船与波的相对速度为零；2、假设船体是在重力和浮力作用下静平衡于波浪上的一根梁。
计算思路：1、船舶外力计算的目的是进行强度校核，应保证：[]max σσ≤其中，max σ为船体断面最大正应力，[]σ为许用应力。
2、应力计算根据梁的弯曲理论由下式给出：M Z Iσ=⋅ 其中，M 为计算断面的弯矩；I 为横断面绕水平中和轴的惯性矩；Z 为计算应力点到中和轴的距离。
3、船体梁在载荷作用下纵纵弯曲产生的弯矩有两部分构成：静水力弯矩和波浪附加弯矩：s M M M ω=+整体计算步骤：1、计算不同装载状态下静水弯矩和波浪附加弯矩以及静水剪力和波浪附加剪力；2、计算总纵弯矩；3、计算船体断面的最大正应力；4、根据许用应力进行强度校核。
波浪要素和装载状态：1、计算波浪附加弯矩时，标准波浪的波形取为坦谷波；2、应考虑四种装载状况：满载出港、到港，压载出港、到港二、各部分计算过程详解1、静水弯矩计算两个必要条件：1）船体浮力等于重力；2）重心和浮心在同一铅垂线 静水弯矩计算核心公式：()()()()()()()00x x q x x b x N x q x dx M x N x dx ω=-⎧=⎪⎨⎪=⎩⎰⎰ 静水力弯矩计算步骤：1) 绘制重量曲线；2) 绘制浮力曲线；3) 求出重量曲线和浮力曲线的差值()q x ，作为船体梁的载荷强度；4) 根据上面的公式计算静水弯矩。
重量曲线绘制方法：绘制重量曲线时，必须根据静力等效原则合理分布，满足以下四个要点：重量不变，重心不变，范围一致，均匀分布围长法：核心是假设船体结构单位长度重量与剖面围长成比例；抛物线法：核心是假定船体与舾装品总重量构成的重量曲线可以用抛物线和矩形之和来表示；梯形法：将船体重量近似地用梯形曲线表示；局部性重量：根据静力等效原则进行合理分布。
浮力曲线绘制方法：浮力曲线由邦戎曲线得出，由于船舶并非处于平浮状态，所以必须进行纵倾调整，调整方法为解析法和逐步近似法，其中逐步近似法计算过程： ● 按给出的平均吃水m d ，浮心纵向坐标b x ，水线面漂心f x 以及纵稳心半径R ，计算首尾吃水：22g b f m f g b a m f x x L d d x R x x L d d x R -⎫⎛⎫=+- ⎪⎪⎝⎭⎪⎬-⎛⎫⎪=-+ ⎪⎪⎝⎭⎭● 确定首尾吃水后，利用邦戎曲线求出对应吃水线时的浮力曲线，可计算出排水体积1V 和浮心纵向坐标1b x 的第一次近似值；● 将求的的两个数值与给定的排水体积0V 及重心纵向坐标g x 比较，相差较大时，必须作第二次近似计算，由下式确定新的首尾吃水：'01'0122g b fm f g b a m f x x V V L d d x A R x x V V L d d x A R -⎫-⎛⎫=++- ⎪⎪⎝⎭⎪⎬--⎛⎫⎪=+-+ ⎪⎪⎝⎭⎭ 校核误差在下式范围内时，即可停止近似计算，由邦戎曲线得出最终的浮力曲线：0.05%~0.01%g bx x L -≤在得出重量曲线和浮力曲线后，由重量曲线和浮力曲线之差得出载荷曲线，应满足以下性质：()()()()()()0000000L L L L L Lg b q x dx x dx b x dx W B xq x dx x x dx xb x dx W x B x ωω=-=-==-=⋅-⋅=⎰⎰⎰⎰⎰⎰2、波浪附加弯矩计算船舶在波浪中的浮力曲线()b x ω是由静水中的浮力曲线()s b x 与波浪中由吃水变化引起的浮力变化量()b x ∆之和构成：()()()s b x b x b x ω=+∆船舶在波浪中的浮力变化量必须满足下列两式：()()0000LL b x dx x b x dx ⎫∆=⎪⎬⎪⋅∆=⎭⎰⎰ 船舶在波浪中的附加弯矩可以得出： ()()()()()0000xx x x N x b x dxM x N x dx b x dxdx ωωω⎫=-∆⎪⎬⎪==-∆⎭⎰⎰⎰⎰ 由于坦谷波波形因素，船舶在波浪中要有一定的下沉或上升，距尾垂线x 下沉量由下式给出： 0x x ζζψ=+⋅利用麦卡尔法，基于船侧直壁假设，可以得出：Bi Ai Ci Ai i Ai i ωωωωωωζε-=+∆=+⋅ ()0Bi Ai Ci Ai i x ωωωωζψε-=+⋅+ 根据以上条件，即可以得出波浪中附加弯矩的计算式：()()()()000xx x N x x dxM x x dxdx ωωγωγω⎫=-∆⎪⎬⎪=-∆⎭⎰⎰⎰ 3、总纵弯矩计算及强度校核将静水弯矩和波浪附加弯矩之和记作总纵弯矩，再由应力校核公式进行强度校核： s M M M ω=+[]max σσ≤。
基于CFD的高速船甲板上浪载荷的工程计算方法
基于CFD的高速船甲板上浪载荷的工程计算方法龚丞;朱仁传;缪国平;范菊【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2014(000)005【摘要】结合势流理论计算和CFD技术各自的优势，给出了一种快速方便的再现甲板上浪现象的数值模拟方法。
针对航行中船舶的甲板上浪现象，建立了运动的局部船艏上浪计算模型，计算模拟并分析了甲板上浪的现象及其对甲板结构的冲击作用。
计算中船体的运动通过移动网格技术实现，其运动规律由势流理论给定，并通过Fluent软件进行CFD计算模拟再现船舶的甲板上浪。
文中对迎浪状态下航行的S175集装箱船甲板上浪现象进行了数值模拟，结果表明能够比较准确地模拟甲板上浪过程，上浪对甲板及甲板上结构物的冲击载荷与试验吻合良好，该方法能够分析预报甲板及甲板上结构物所受的载荷，为工程应用提供良好的途径。
【总页数】8页(P524-531)【作者】龚丞;朱仁传;缪国平;范菊【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，海洋工程国家重点试验室，上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，海洋工程国家重点试验室，上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，海洋工程国家重点试验室，上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，海洋工程国家重点试验室，上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TV139.2;O242.1【相关文献】1.Wigley船的大幅运动与甲板上浪的时域模拟 [J], 何广华;张子豪;王正科;漆池2.某船上天线所受甲板上浪载荷模型试验 [J], 谢楠;邱强;周德才;陈瑞章;戴仁元;邵建南3.核定敞口集装箱船干舷的甲板上浪评估方法研究 [J], 孙安林; 李传庆; 刘东旭; 周耀华; 董国祥4.基于船波相对运动的砰击压力和上浪载荷预报方法 [J], 黄强;任慧龙;李辉;张楷红;彭亚康5.浮体升沉和纵摇运动对甲板上浪载荷影响数值研究（英文） [J], K.Ravindra Babu;R.Datta;A.Bhattacharyya因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
并行计算在船舶动力系统中的设计
第38卷第4A 期2016年4月舰船科学技术SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol．38，No．4A Apr．，2016并行计算在船舶动力系统中的设计方斌1，2（1．郧阳师范高等专科学校，湖北十堰442000；2．华中科技大学，湖北武汉430074）摘要：在海上船舶航行中，其方位控制能力是整个船舶动力系统的关键，作用是利用自身的动力系统获得航行最大的前进动力。
在航行过程中，由于船舶受到来自海浪、海风及海流不同方向的力矩作用力，其船舶动力系统中的方位控制器用来抵抗这些作用力。
本文研究海浪、海风等力矩作用在航行船舶中的作用力数学模型，在此基础上，构造基于并行空间的船舶空位能力的计算规则，分析船舶在航行过程中的对抗力，并给出分析结果。
关键词：动力定位；控位能力；并行计算中图分类号：U664．8文献标识码：A文章编号：1672－7649（2016）4A －0031－03doi ：10.3404/j.issn.1672－7649.2016.4A.011Parallel computing design on dynamic positioning system of vesselsFANG Bin 1，2（1．Yunyang Teachers College ，Shiyan 442000，China ；2．Huazhong University of Science and Technology ，Wuhan 430074，China ）Abstract ：In the navigation of vessels ，the dynamic positioning system is the key component of theship power system ，the aim is to make the voyage of the ship in accordance with the established direction．In navigation process ，ships received force from the waves ，the ocean current ，the dynamic positioning system is designed to resist these forces．This paper studies the waves of the sea ，the sea wind force mathematical model ，and proposed the dynamic positioning algorithm based on parallel computing．Key words ：dynamic positioning ；control capability ；parallel computing收稿日期：2016－01－07作者简介：方斌（1970－），男，硕士，副教授，研究方向为计算机网络和计算机辅助设计。
船舶电力系统计算机仿真中并行算法及其MPI实现的研究
船舶电力系统计算机仿真中并行算法及其MPI实现的研究曲立平;丛望
【期刊名称】《船电技术》
【年(卷),期】2001(021)004
【摘要】本文采用节点电压法对某大型船舶电力系统的一个电站(2台发电机)和部分负载(多台异步机和静负载)进行仿真.首次在船舶电力系统仿真中引入
MPI(Message-PassingInterface)消息传递接口标准对并行算法进行实现,取得了比较理想的仿真效果.该方法在系统建模上不需要人工的等效处理,不仅节省了建模的时间,同时使仿真结果更接近于系统实际运行结果.此方法尤其适用于中、大型船舶电力系统的仿真研究.
【总页数】4页(P15-18)
【作者】曲立平;丛望
【作者单位】哈尔滨工程大学自动化学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学自动化学院,哈尔滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】U66
【相关文献】
1.船舶电力系统建模及其并行算法实现 [J], 叶树江;刘金波;刘勇
2.基于MPI的OBC三维多波多分量地震观测正演模拟并行算法实现 [J], 周丽;顾汉明;成景旺;刘春成;刘志斌;杨小春
3.基于MPI的电力系统潮流的并行算法研究及其实现 [J], 刘耀年;艾吕泽;禹冰;于晶;张伟民
4.基于MPI的Welch功率谱估计并行算法的实现 [J], 熊齐;陈南晖;方霞
5.Mandelbrot集并行算法的MPI实现 [J], 吕奇辰
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考虑空气卷入效应的甲板上浪数值模拟
考虑空气卷入效应的甲板上浪数值模拟
徐岑;唐文勇
【期刊名称】《船海工程》
【年(卷),期】2018(047)001
【摘要】利用大型CFD商业软件StarCCM+,针对甲板上浪试验进行三维尺度下的数值模拟,考虑空气的可压缩性,分析卷入空气泡对甲板上浪载荷的影响,结果表明,数值计算值和试验值符合较好,并且较二维尺度下的数值模拟更加精确,卷入的空气泡会影响其附近的压力场,在空气泡的前进方向前后端分别形成低压区和高压区.可压缩空气的空气垫的效应会使上浪砰击载荷得到缓和,峰值压力减小,作用时间变长.【总页数】5页(P6-10)
【作者】徐岑;唐文勇
【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240
【正文语种】中文
【中图分类】U661.4
【相关文献】
1.甲板上浪问题的二维数值模拟 [J], 林兆伟;朱仁传;缪国平
2.甲板上浪2D数值模拟与试验研究 [J], 张照钢;朱仁庆;缪泉明;邹康;尹赟凯;徐俊凌
3.甲板上浪时船舶在横浪中的随机跳跃 [J], 刘利琴;唐友刚;李红霞
4.船舶上浪预报中甲板上浪的统计分析 [J], 贺五洲
5.畸形波作用下船舶甲板上浪的数值模拟研究 [J], 刘殿勇;李福祯
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甲板上浪过程中水流运动规律数值研究
甲板上浪过程中水流运动规律数值研究
梁修锋;杨建民;李俊;杨驰;李欣
【期刊名称】《海洋工程》
【年(卷),期】2010(28)2
【摘要】甲板上浪发生时产生的巨大冲击载荷可以对海洋结构物造成严重破坏,其发生时的海况比较恶劣,带有较强的非线性特点。
采用CFD软件Fluent中的动网格功能造波结合软件中的VOF模块捕捉自由液面再现了单个极大波浪的生成过程,继而对固定甲板情形下的上浪问题进行了考察,波浪遭遇甲板后产生了流动的分离,甲板上下的水体表现出了完全不同的流动特点。
通过可视化计算结果和深入细致的速度剖面分析,更好地加深了对这一复杂流动过程的理解。
最后还将模拟结果与实验结果在定性和定量上进行了对比,表现出了良好的一致性。
【总页数】8页(P29-36)
【关键词】甲板上浪;数值模拟;水流运动;极大波
【作者】梁修锋;杨建民;李俊;杨驰;李欣
【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200030;George Mason University, Fairfax 22030, USA
【正文语种】中文
【中图分类】U661.7
【相关文献】
1.甲板上浪2D数值模拟与试验研究 [J], 张照钢;朱仁庆;缪泉明;邹康;尹赟凯;徐俊凌
2.畸形波作用下船舶甲板上浪的数值模拟研究 [J], 刘殿勇;李福祯
3.浮体升沉和纵摇运动对甲板上浪载荷影响数值研究（英文） [J], K.Ravindra Babu;R.Datta;A.Bhattacharyya
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中图分 类 号 ：Ｕ６ １３ ６ ．２ 文献 标 识 码 ：Ａ
Ｐａ ａ ｌｌｃ ｍ ｐ ａ ｉ ｎ ｆｇ ｅ ｎ ｗａ ｅ ｎ ａ ｍ ｏ ｉ ｈｉ ｒ ｌｅ ｏ ｕｔ ｔｏ ｏ ｒ ｅ ｔ ｒ ｏ ｖ ｎｇ ｓ ｐ
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并行计算求解运动船体上的 甲板上浪 问题
梁修 锋 ，杨建 民 ，李 俊 ，李 欣
（ 海 交通 大 学 海洋 工 程 国 家重 点 实验 室 ， 海 ２ ０ ３ ） ｋ 上 ００ ０ 摘要 ： 甲板 上 浪 是危 害海 洋 浮式 结 构 物 的重 要 因素 。 文 章采 用 模 型 试 验 方法 对 一 艘 Ｆ Ｓ Ｐ Ｏ的 甲板上 浪 现 象 进 行
ｐ ｐ ｒ ｘ ｅ ｉ ｎａ ｔ ｄ ｓ ｃ ｎ ｕ ｔ ｄ ｔ ｎ ｅ ｔ ａｅ ｔ ｅ ｇ ｅ ｎ ｗａｅ ｈ ｎ ｍｅ ｏ ｎ ａ Ｆ Ｓ ａ ｅ ，ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌｓｕ ｙ ｉ ｏ ｄ ｃｅ ｏ ｉ ｖ ｓｉ ｔ ｈ ｒ ｅ ｔ ｒｐ ｅ ｏ ｎ ｎ ｏ Ｐ Ｏ．Ｃ ｍｂ ｎ ｄ ｇ ｏ ｉｅ ｗｉ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｅ ｕ ｔ， ｅ ｌｒ ｅ ｓ ａｅ ｐ ｒ ｌ ｌｃ ｍｐ ｔ ｔ ｎ ｔｃ ｎ ｑ ｅ ｔ ｅ ｒ ｄ ｃ ｈ ｉｈ ｙ ｎ ｎ ｌ ｅ ｒ ｔ ｅｐ ｒ ｈ ｍｅ ｔｌｒ ｓ ｌ ｔ ａ ｇ — ｃ ｌ ａ ａ ｌ ｏ ｕ ａｉ ｅ ｈ ｉ ｕ ｏ ｒ ｐ ｏ ｕ ｅ ｔ ｅ ｈ ｇ ｌ ｏ － ｉ ａ ｓｈ ｅ ｏ ｎ ｇ ｅ ｎ ｗ ｔｒｐ ｅ ｏ ｎ ｎ ｉ ａ ｏ ｔｄ Ｔ ｒ ｕ ｈ ｔ ｉ ｗａ ， ｈ ｏｔ ｎ ｃ ｏ ｅ ｙ ｃ ｍｐ ｔ ｔ ｎ ｌ ｉ ｓｅｆ ｒ ｅ ａ ｅ ｈ ｎ ｍｅ ｏ ｓ ｄ ｐ ｅ ． ｈ ｏ ｇ ｈ ｓ ｙ ｔ ｅ ｂ ｔ ｅ ｅ ｋ ｐ ｓ ｄ ｂ ｏ ｕ ａ ｉ ａ ｍｅ ｉ ｆ － ｌ ｏ ｔ ｉ
第ｌ 第１ ４卷 ０期 ２１ ０ ０年 １ Ｏ月
文 章 编 号 ：１ ０ — ２ ４（ ０ ０）０ １ ８ —１ ０ ７ ７ ９ ２ １ １～ ０ ４ ０
船 舶力学
Ｊ ｕｎ ｌｏ ｈｐＭｅ ｈ ｎｃ ｏ ｒ ａ ｆＳ ｉ ｃ ａ ｉｓ
Ｖｏ． ４ １１ Ｎｏ １ ．０ Ｏｃ．２ ０ ｔ １
ｃｅ ｔ ｖｒ ｏ ． ｎ ｔｅｎ ｍｅｉａ ｉ ｌｔ ｎ ｐ ｒｍｅｅｓｃｏｅｙｒｌｔｄ ｔ ｒ ｅ ａｅ ｕ ｈ ａ ａｅ ｅ ｉｎｌ ｏ ｅｃ ｍｅ Ｉ ｈ ｕ ｒ ｌｓｍｕａｉ ， ａａ ｔｒ ｌｓｌ ｅａｅ ｏｇｅ ｎ ｗ ｔｒｓ ｃ ｓｗ ｔｒｂ — ｙ ｃ ｏ
方案 和 时 间步 长 。 由数 值 模 拟得 到 的上 浪 细 节相 当详 尽 ， 由 Ｖ Ｆ方 法 进 行 液 面 捕 捉得 到 的波 浪 沿船 艏爬 升 、 如 Ｏ 变 形 、 后 冲击 船 艏 结构 物 破 碎 的过 程 与试 验 相 比很 为 接 近 。计 算 实践 表 明 采用 大 规 模 并 行计 算 是 解 决 上 浪等 最
了考察 。 结合 模 型试 验 的结 果 ， 采用 大 规模 并 行 计算 技 术 成 功再 现 了甲板 上 浪 这 一非 线 性极 强 的 物 理现 象 ， 效 有 地 克服 了计 算 时 间 的 限制 。 值 模 拟 中对 与上 浪 密 切相 关 的 物理 参 数 如水 体 流 动 ， 体 的运 动 ， 数 船 冲击 载荷 进 行 了 记 录 。 了保 证数 值 模 拟 的精 确性 ， 中开 展 了 网格 试验 和时 间 步长 试 验 ， 到 了适 合 甲板 上浪 模 拟 的 网格 划分 为 文 得