知识工程应用于船舶结构的优化设计研究

CCS 规定 水平 桁材 剖面 模数 约束
扶强 材、 桁材 局部 稳定 性约 束
垂直 、水 平桁 材材 工艺 性约 束
图 1 知识应用于结构优化设计流程示意图
图 3 集装箱船水密横舱壁结构示意图
3.2 结构优化设计问题 3.2.1 已知条件 该水密横舱壁结构主要包括平面舱壁板、垂直扶强材、垂直桁材和水平桁材等四部分， 结构设计如图 2 所示。 1）已知参数 该船水密横舱壁结构基本参数如下所示：船长 L：2142000 mm；船宽 B：32200 mm； 型深 D：18800 mm；吃水 d：12000 mm；水平桁间的平均距离：2604 mm；垂直桁材间距： 5086 mm；垂直扶强材间距：840 mm。 2）设计变量 本文中垂直扶强材使用的是国家标准角钢型材， 选择离散变量——角钢设计表配置参数 作为设计变量， 每个配置参数对应着一种标准角钢； 垂直桁材和水平桁材是由翼板和腹板焊 接形成的 T 型材，选择连续变量——腹板高度、面板宽度作为设计变量；桁材腹板、面板 和舱壁列板采用国家标准板材， 选择各构件板材配置参数作为设计变量， 对应着不同厚度的 标准板材。 3.2.2 目标函数 目标函数是评价设计方案优劣的性能指标。 本文以单个水密横舱壁结构的重量最轻为优 化目标， 可将优化过程中各构件的体积与相应的材料密度乘积求取各构件质量， 再累积求和，
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构建结构优化设计知识 库
1.采用CATIA-V5知识工程模块将 结构设计知识保存在知识模板 2.采用CATIA-V5 Catlog Editor 模块对各种知识模板管理和应用
创建结构参数化模型
采用CATIA-V5建模功能
提取结构模型特征参数
1.采用CATIA-V5知识工程模块 2. 根据需要，定义参数列表对 参数进行管理
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基金项目：国家自然科学基金（项目编号：51009093） ，教育部、财政部重大专项资助（200512）
第一作者简介：杨和振 男，1977 年生，副教授, 从事船舶与海洋结构智能化设计与分析。
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例证明 KBE 应用于船舶优化分析方法的可行性。 1 基本原理 1.1 基于知识工程的结构优化设计 知识工程是一种将某领域知识重复利用于新型设计的工程学理论， 其核心是一种将某领 域的相关设计经验和设计标准、 规范等知识嵌入设计软件中， 通过知识推理实现逻辑判断和 推理进一步实现产品的智能化设计[9]。 基于知识工程的结构优化设计是指通过捕捉、优化设计意图，如成本、面积、体积和时 间等， 使用户可以按目标函数进行优化设计的一种优化方法， 并利用参数的变化和约束条件 来得到设计的最佳结果[10]。 1.2 知识库的建立 知识库就是经验、规则、案例等知识的集合 [11]。将专家的知识、经验和各种文献资料 所包含的知识进行收集、整理、归纳成若干规则、分析方法和解决问题的策略，以一定的形 式放置在特定的数据库中，并为用户提供检索和利用知识的方法。 2 知识工程的结构优化设计流程 船舶是典型的复杂空间大型结构物， 其优化设计量多而且涉及骨材间距等连续变量以及 板材厚度、型材样式等离散变量，设计变量要涉及各种设计要求和多种约束条件。通过知识 工程技术将设计规范和专家经验等知识保存构建知识库， 并应用于结构优化设计过程， 解决 了离散和连续变量混合的问题， 实现结构参数化模型与数学优化模型的相互转化， 具体流程 如图 1 所示。 3 实例分析 下面以 3100TEU 水密横舱壁结构优化设计为例，对基于知识工程的船舶结构优化设计 过程进行说明。 3.1 结构优化设计策略 本文在不改变横舱壁结构形式的前提下， 舱壁板使用标准化板材， 从标准化板材库中选 取；垂直桁材和水平桁材采用焊接的 T 型材，其腹板的高度和面板的宽度是连续变量，腹 板厚度和面板厚度是从标准化板材库中选取； 扶强材使用标准化角钢型材， 从标准型材库中 选取。借助于知识工程技术，将知识库中设计规范、专家经验等知识用于计算型材的实际、 最小剖面模数和舱壁的最小厚度等。在满足 CCS 设计规范、型材局部稳定性和制造工艺等 约束情况下， 建立水密横舱壁结构参数化模型， 借助知识工程将结构参数化模型转化为优化 数学模型，采用模拟退火优化算法进行结构优化设计。
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具体如公式(1)所示。
M ( X ) li s j
i 1 j 1 n m
（1）
式中：M(X)——整个横舱壁结构重量(kg)；n——横舱壁结构上型钢数目；m——横舱壁 结构上板材数目；li——横舱壁结构上第 i 号型钢的重量(kg)；sj——横舱壁结构上第 j 号板 材的重量(kg)； 3.2.3 约束条件 水密横舱壁结构优化设计约束主要包括 CCS 规范对横舱壁各列板厚度、垂直扶强材剖 面模数、 水平桁材剖面模数和垂直桁材剖面模数的约束以及型材屈曲理论对型材局部稳定性 和工艺性约束，如图 3 所示。 3.3 知识工程应用于结构优化设计 3.3.1 标准件库的应用 船体结构设计过程中使用构件是标准构件，本文采用标准化构件进行船舶结构优化设 计， 创建的标准构件库主要包括标准角钢构件库和板材库， 通过设计表对一系列标准化构件 的创建和管理。 3.3.2 知识模板的创建和应用 根据 CCS 规范规定要求，对桁材、加强材最小剖面模数以及舱壁列板最小厚度进行约 束。在优化设计过程中，需要编写公式、规则和检查等计算船体构件的剖面模数、最小剖面 模数和最小厚度等。将这些知识和标准构件等保存在知识模板中，通过 Catlog 实现对知识 库和标准构件库进行管理和共享。 3.3.3 专家经验的应用 把专家积累的经验等知识应用在优化设计过程中，实现知识重用、保护，又能提高优化 设计的效率。 由于结构和载荷的对称性变形呈筒形，板的跨度与厚度之比=s/t<70~80，则板的挠度 较小，中面应力对板的弯曲影响可忽略不计，若板的跨度与厚度之比比=s/t>70~80，应考 虑中面应力对板的弯曲影响， 与刚性板相比将使挠度与应力减小。 据专家设计经验， 3100TEU 的集装箱船的舱壁厚度应该 12mm 左右， 把舱壁列板的厚度范围保守设置在 7mm 到 16mm， 可减少优化的迭代计算过程。 水密横舱壁结构垂直桁材和水平桁材结构比较复杂， 为减少优化设计规模， 提高优化设 计效率，结合专家经验，将优化设计主要集中在对结构优化设计影响大的舱壁列板厚度、垂 直桁材、水平桁材和垂直扶强材等构件的优化设计，可以减少优化设计迭代计算过程，提高 结构优化设计的效率。 4 优化设计结果 本文以 3100TEU 水密横舱壁结构优化设计为研究实例，通过结构设计规范、屈曲理论、 型材局部稳定性和制造工艺方面约束基于模拟退火算法，对水密横舱壁结构进行优化设计， 最优设计尺寸如表 1 所示。
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表 1 横舱壁结构最优化结果与原始数据比较
原 设计变量名称 原始/mm 优化/mm 设计变量名称 垂直桁 T1 腹 板高度 横舱壁列板 2 厚度 11 11.5 垂直桁 T1 腹 板厚度 横舱壁列板 3 厚度 12 14 垂直桁 T1 面 板宽度 垂直桁 T1 面 水平桁腹板高度 1450 1362.5 板厚度 垂直桁 T2 腹 水平桁腹板厚度 10 10 板高度 水平桁面板宽度 400 745.2 垂直桁 T2 腹 板厚度 水平桁面板厚度 15 13 垂直桁 T2 面 板宽度 垂直桁 T2 面 板厚度 15 13 550 732.2 15 10 1450 1362.5 高度 扶强材 2 腹板 厚度 扶强材 2 面板 宽度 扶强材 2 面板 厚度 12 12 90 90 9 9 15 11.5 厚度 扶强材 2 腹板 200 200 550 647.5 12 10 /mm 1450 始 优 /mm 1362.5 化 设计变量名 原 称 扶强材 1 腹板 高度 扶强材 1 腹板 厚度 扶强材 1 面板 宽度 扶强材 1 面板 10 10 90 90 10 10 /mm 150 始 优 /mm 150 化
知识工程应用于船舶结构的优化设计研究
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上海交通大学 海洋工程国家重点实验室 上海 200240 杨和振 陈金峰 马宁 王德禹
摘 要 针对船舶结构优化设计变量多种约束条件的离散变量，造成结构优化的高度非线性、多峰性等问题， 而且设计过程中需要设计规范和专家经验等知识支持，结合其具有很强的综合性、模糊性等特点，本文提 出了基于知识工程的船舶结构优化设计方法。该方法利用知识工程与结构优化相结合，将获取的设计知识 构建知识库应用于船舶结构优化设计，并通过知识工程技术实现参数化结构模型与优化数学模型的相互转 化，降低结构优化设计对用户知识水平的要求。水密横舱壁结构的优化设计算例表明：满足约束要求的情 况下，其结构重量在优化后比优化前降低了，保证结构性能合理的同时实现重量最轻的目标，为设计经验 少的设计者提供了一种结构设计的捷径，降低优化设计过程对知识和经验的依赖。 关键词：知识工程
船舶结构优化 知识库 模拟退火算法
0 引言 船舶结构优化设计是一个涉及多个设计变量、 多种类型和多种约束条件的复杂过程， 造 成优化设计的高度非线性、多峰性等特点，解决问题的关键是提高离散型变量的有效性。针 对船舶结构设计具有很强的综合性、经验性、模糊性等特点，将结构工程特点、现代数学优 化理论以及计算机技术结合起来应用于船舶结构设计有着广阔的前景。 国外把研究的重点放 在优化算法的开发上， 而忽略了对设计过程中积累的设计规范、 设计数据和专家经验等知识 的应用，若通过知识工程(Knowledge-based Engineering, KBE)技术实现知识应用于结构优化 设计过程中， 减少结构优化计算量和降低优化设计对用户知识和经验的要求， 促进结构设计 能力的提高。 蒋如宏等人[2]采用多目标模糊优化设计方法结合多种船舶主尺度方案选择出合 适的方案；柳存根等人[3]在遗传算法机理的基础上提出遗传进化算法，提高优化算法寻求最 优解效率；La Rocca 等人[4]将知识工程技术应用于飞机结构的多学科设计优化分析过程中； Curran 等人[5]提出以知识工程基础的框架下的多学科工程知识的融合， 对现有结构优化算法 进行改进并应用于当前工程设计过程；Zhou 等人[6]提出知识工程为基础的遗传优化算法， 实现经验等知识应用于全局数值优化过程中；Jie 等人[7]提出知识工程结合粒子群智能优化 算法；Hu 等人[8]提出将知识工程技术结合稳健性最优化应用于金属成型领域。尽管知识工 程在飞机、 模具等领域的结构优化设计中有了很大的发展， 而知识工程技术在船舶优化设计 研究相对较少， 侧面反映亟待合适的工具实现将知识、 经验性数据应用于船舶优化设计过程。 本文提出了知识工程应用于船舶结构优化设计方法， 将获取的设计知识构建知识库应用于船 舶结构初始设计参数和优化后设计方案的选择， 通过知识工程技术实现参数化结构与优化数 学模型的相互转化，并满足设计规范、工艺性和型材稳定性等约束，水密横舱壁结构优化算
约束条件
定义构件设计表与配置
产品模型定义约束设计 要求和设计变量范围
结构优化设计
CCS 规定 水密 横舱 壁各 列板 厚度 约束
CCS 规定 桁材 和加 强材 腹板 高度 约束
CCS 规定 桁材 腹板 厚度 和舱 壁厚 度约 束
CCS 规定 桁材 腹板 厚度 和舱 壁厚 度约 束
CCS 规定 垂直 扶强 材、 桁材 剖面 模数 约束
定义结构模型约束公式
1.采用CATIA-V5知识工程模块 2. 根据需要，从知识模板调用 或定义公式
定义结构模型参数规则
1.采用CATIA-V5知识工程模块 2. 根据需要，从知识模板中调 用或定义参数规则
图 2 水密横舱壁结构约束条件示意图
定义模型特征参数约束 检查
1.采用CATIA-V5知识工程模块 2. 根据需要，从知识模板中调 用或者定义参数检查知识 1.采用CATIA-V5知识工程模块 2.Hale Waihona Puke Baidu根据需要，从知识模板中获 取标准构件设计表或定义构件设 计表与配置 1. 根据需要，将保存在知识模 板的设计规范、专家知识应用于 定义设计要求约束和设计变量范 围 1.采用CATIA-V5知识优化模块 2. 根据模型需要，选取合理的 优化设计方法对模型进行优化