船舶结构优化方法
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组合法处理离散变量
分级优化 重量减轻17.6%
曾广武, 张维衡, 刘土光. 舰船舯剖面的优化设计. 船舶工程, 1980, (6):9-15
船舶结构优化设计典型实例—配墩优化
布局与尺寸优化问题
程远胜,曾广武.船舶坐墩配墩优化. 中国造船,1995, (1): 18-27 程远胜，游建军. 船舶坐墩墩木布局及尺寸优化设计 . 船舶力学, 2004, 8(2): 63-70
代理模型技术---动态代理模型（EGO）
期望提高值
第一次更新
第二次更新
Jowenku.baidu.comes D R, Schonlau M, Welch W J. Efficient global optimization of expensive black-box functions[J]. Journal of Global optimization, 1998, 13(4): 455-492.
有助于设计人员更好的理解设计空间 确定优化起始点，确定合适的初始候选策略 缩小优化空间、提高搜索效率
摸 清 地 型
数据挖掘技术
设计空间 数据挖掘
设计方案筛选规则
子设计空间
局部寻优方法
最优解
设计空间
数据挖掘
子设计空间
数据挖掘技术
三、船舶结构优化设计 典型实例
船舶结构优化设计典型实例——中剖面优化
求解函数条件极值问题
经典优化算法原理
优化算法的基本思路：确定搜索方向与步长
X
1
X
0
S
步长
新的设计点
搜索方向向量，使目 当前设计点 标函数值获得改进但 又不超出可行域
求解优化问题的总体思路
约束优化 无约束优化
依据目标函数函数值的优化方法：直接搜索法 依据目标函数导数值的优化方法：解析法
代理模型技术
样本点生成方法 正交设计 均匀设计 拉丁超立方 主要代理模型 多项式响应面 径向基函数 Kriging 神经网络 支持向量机回归
中心复合设计
代理模型技术---应用于优化设计
基于代理模型的优化设计
静态代理模型
优化过程
代理模型保持不变
动态代理模型
优化过程
代理模型动态更新
代理模型技术---静态代理模型
缺点 1.“早熟”问题。
2. 计算量大，耗时
代理模型技术
代理模型是利用已知点的响应信息来预测未知点响应值 的一类近似模型，其实质是一个以拟合精度和预测精度为 约束，利用近似方法对离散数据进行拟合的过程。
代替耗时的有限元仿真过程 提高设计效率
代理模型技术-----构造步骤
1. 利用试验设计方法生成样本点； 2. 用高精度分析模型分析获得样本点响应值； 3. 采用近似策略拟合样本数据，构造出代理模型； 4. 检验代理模型拟合精度。
孙利, 王德禹.支持向量机和遗传算法组合策略的VLCC船中结构优化 设计(英文). 船舶力学, 2007, 11(6): 913-923
船舶结构优化设计典型实例—平面耐压舱壁优化
24个设计变量
参数化建模 BP神经网络代理模型 结构重量减轻18.3%
程远胜, 孙莹, 闫国强等.基于神经网络与遗传算法的潜艇舱壁结构优 化. 中国造船, 2008, 49(4): 81-87
MPS(Mode-Pursuing Sampling method)寻峰值采样点法
Wang L, Shan S, Wang G G. Mode-pursuing sampling method for global optimization on expensive black-box functions. Engineering Optimization, 2004, 36(4): 419-438.
结构优化设计基本含义
船舶结构优化设计就是寻求合理的结构形式和适 当的构件尺寸，使船舶结构在满足强度、刚度、 稳定性及频率等条件下具有良好的力学性能、工 艺性能、经济性能及使用性能。 结构优化分成结构尺寸优化、形状优化和拓扑优 化三个层次。结构尺寸优化最容易，结构拓扑优 化最困难。
结构优化设计数学模型
谢谢大家！
代理模型技术---动态代理模型
EGO(Efficient Global Optimization)高效全局优化法
Jones D R, Schonlau M, Welch W J. Efficient global optimization of expensive black-box functions. Journal of Global optimization, 1998, 13(4): 455-492.
多目标优化
单目标优化
转换成一个单目标优化问题的优化方法：各种加权和法等 转换成多个单目标优化问题的优化方法：宽容排序法等
复杂系统优化
若干个简单系统优化
分级优化方法、多学科设计优化方法、协同优化方法
船舶结构优化设计发展历程
Kavlie D. Kowalik J, Lund S and Moe. J. Design optimization using a general nonlinear programming method. European Shipbuilding, 1966, (4):57-62 曾广武, 张维衡, 刘土光. 舰船舯剖面的优化设计. 船舶工程, 1980, (6) : 9-15 肖熙，于宝海. 油轮纵向构件最优设计. 上海交通大学学报，1981， 32(2)：15-23 刘土光，谭林森，曾广武. 受局部强度约束的船舶框架和板架结构
选择设计变量
满足约束条件 并使目标函数
X ( x1 , x2 ,...xn ) g j ( X ) 0, j 1, 2,..., J lk ( X ) 0,k 1, 2,...., K f ( X ) min 或 max
min f ( X ), X R n s.t. g j ( X ) 0, j 1, 2,..., J lk ( X ) 0,k 1, 2,...., K
程远胜, 夏兴隆, 田旭军等.厚板削斜和纵筋加强非轴对称锥柱结合壳 优化. 中国造船, 2011, 52(3): 36-45
船舶结构优化设计典型实例—复杂板架结构优化
复杂板架参数化表征 （三维、开口、支柱） Kriging代理模型 重点采样空间动态代理模型 数据挖掘技术
郑少平, 陈静, 程远胜等.代理模型技术及其在船舶板架强度和稳定性计算中 的应用[J]. 中国造船, 2013, 54(1): 40-51
船舶结构优化设计技术 研究进展
程远胜 教授
华中科技大学船舶与海洋工程学院
2014年6月7日
主要内容
一、结构优化设计概述
二、结构优化设计先进求解技术 三、船舶结构优化设计典型实例
四、船舶结构优化设计热点问题
一、结构优化设计概述
工程优化设计的基本含义
根据选定的目标（质量指标），遵循某 些规定的限制（约束），用数学的方法， 主动的，有步骤地探求最优设计方案。
郑少平.基于数据挖掘和代理模型技术的船舶板架结构轻量化设计研究[M]. 华中科技大学,2013（指导老师：程远胜）
四、船舶结构优化设计热点问题
热点问题1—大型复杂结构的优化设计
基于规范优化设计
基于有限元整舱整船优化设计
参数化建模
智能优化算法
热点问题2—代理模型技术
多代理模型
动态代理模型
热点问题3 数据挖掘技术
代理模型技术---动态代理模型（MPS）
采样点
更新样本点
初始样本点
真实模型
代理模型技术-动态代理模型（重点采样空间）
彭磊, 刘莉, 龙腾. 基于动态径向 基函数代理模型的优化策略. 机 械工程学报, 2011, 47(7): 164-170.
数据挖掘技术
数据挖掘是海量数据中通过特定的算法在可接受的计算效率 限制内生成特定模式或获取有用信息的过程。
智能优化算法—遗传算法
开始 初始化群体的生成 编码 杂交、变异 新一代种群 淘汰
劣
评价 （选种） 优 迭代次数 达到？ 是 否
繁殖
停止
智能优化算法----优缺点
优点
1. 只需用到目标函数值的信息
2. 全局搜索能力强，不依赖初始点的选取。 3. 处理高维高非线性优化问题的能力强。
4. 更适应于求解离散设计变量优化问题。
船舶结构优化设计典型实例—平面耐压舱壁优化
6个设计变量：6类加强桁(筋)带附连 翼板的最小剖面模数
参数化建模 方案库+有限元
孙莹. XXX耐压平面舱壁结构优化设计. 华中科技大学硕士学位论文， 2007（指导老师：程远胜）
船舶结构优化设计典型实例—锥柱结合壳优化
复杂结构参数化建模 遗传算法+有限元分析
船舶结构优化设计技术发展趋势
经典优化方法
智能优化方法
简单结构优化
复杂结构优化
基于规范设计
规范+直接计算
二、结构优化设计先进求解技术
智能优化算法
代理模型技术
数据挖掘技术
智能优化算法
• 遗传算法（Genetic Algorithms, 1975，Holland）
• 禁忌搜索（Taboo Search，1977，Glover） • 模拟退火算法（Simulated Annealing, 1983, Kirkpatrick) • 蚁群算法 (Ant Colony Optimization, 1990s, Dorigo等） • 粒子群算法（Particle Swarm Optimization, 1995, Kennedy, Eberhart) • 捕食搜索（Predatory Search，1999，Linhares）
船舶结构优化设计典型实例—油船中剖面优化
396个设计变量 40万次规范校核 重量下降了2.6%
朱稣骥, 顾学康, 胡嘉骏.遗传算法的改进及其在超大型油船结构优化 中的应用. 船舶力学, 2007, 11(2): 237-249
船舶结构优化设计典型实例—三维舱段结构优化
三维舱段有限元模型
支持向量机回归代理模型
重点采样空间法
彭磊, 刘莉, 龙腾. 基于动态径向基函数代理模型的优化策略. 机械工程学报, 2011, 47(7): 164-170.
代理模型技术---动态代理模型（EGO）
Kriging predictor True function
Kriging predictor
Jones D R, Schonlau M, Welch W J. Efficient global optimization of expensive black-box functions[J]. Journal of Global optimization, 1998, 13(4): 455-492.
1. 事先构造代理模型，检验精度达到要求； 2. 优化迭代过程由代理模型计算响应值，得到最优解。 3. 用有限元校核最优解。
第一步
第二步
代理模型技术---静态代理模型优缺点
优点
大大减少有限元分析次数，减少优化设计时间。
不足
1. 样本点数目多。为保证全局精度，必须布置大量样本点。 2.样本资源的浪费。最优点附近有相当精度，远离最优 点精度不需考虑。
的优化设计. 武汉造船, 1984,(5):1-12
船舶结构优化设计发展历程
曾广武, 孙苏明.船舶板架结构多目标模糊优化设计. 中国造船, 1989, (4):64-74 曾广武, 程远胜, 郝刚.船舶结构优化设计方法的研究进展.计算结构 力学及其应用, 1994, 11(1):99-106 徐昌文.船舶结构优化设计的研究进展.上海交通大学学报, 1998, 32(11): 118-120 俞铭华, 谢祚水, 吴剑国.船舶中剖面结构优化设计研究进展. 华东船 舶工业学院学报, 1998, 12(3): 36-41
船舶结构优化设计发展历程
俞铭华, 嵇春艳, 管义锋.大型油船结构优化设计研究进展.江苏科 技大学学报(自然科学版), 2006, 20(2): 1-6 秦洪德,王艳艳.船舶结构优化设计的研究进展. 船舶力学学术会 议暨《 船舶力学》 创刊十周年纪念学术会议. 银川, 2007. 赵留平, 詹大为, 程远胜等.船舶结构优化设计技术研究进展. 中国 舰船研究，2014（已录用）
分级优化 重量减轻17.6%
曾广武, 张维衡, 刘土光. 舰船舯剖面的优化设计. 船舶工程, 1980, (6):9-15
船舶结构优化设计典型实例—配墩优化
布局与尺寸优化问题
程远胜,曾广武.船舶坐墩配墩优化. 中国造船,1995, (1): 18-27 程远胜，游建军. 船舶坐墩墩木布局及尺寸优化设计 . 船舶力学, 2004, 8(2): 63-70
代理模型技术---动态代理模型（EGO）
期望提高值
第一次更新
第二次更新
Jowenku.baidu.comes D R, Schonlau M, Welch W J. Efficient global optimization of expensive black-box functions[J]. Journal of Global optimization, 1998, 13(4): 455-492.
有助于设计人员更好的理解设计空间 确定优化起始点，确定合适的初始候选策略 缩小优化空间、提高搜索效率
摸 清 地 型
数据挖掘技术
设计空间 数据挖掘
设计方案筛选规则
子设计空间
局部寻优方法
最优解
设计空间
数据挖掘
子设计空间
数据挖掘技术
三、船舶结构优化设计 典型实例
船舶结构优化设计典型实例——中剖面优化
求解函数条件极值问题
经典优化算法原理
优化算法的基本思路：确定搜索方向与步长
X
1
X
0
S
步长
新的设计点
搜索方向向量，使目 当前设计点 标函数值获得改进但 又不超出可行域
求解优化问题的总体思路
约束优化 无约束优化
依据目标函数函数值的优化方法：直接搜索法 依据目标函数导数值的优化方法：解析法
代理模型技术
样本点生成方法 正交设计 均匀设计 拉丁超立方 主要代理模型 多项式响应面 径向基函数 Kriging 神经网络 支持向量机回归
中心复合设计
代理模型技术---应用于优化设计
基于代理模型的优化设计
静态代理模型
优化过程
代理模型保持不变
动态代理模型
优化过程
代理模型动态更新
代理模型技术---静态代理模型
缺点 1.“早熟”问题。
2. 计算量大，耗时
代理模型技术
代理模型是利用已知点的响应信息来预测未知点响应值 的一类近似模型，其实质是一个以拟合精度和预测精度为 约束，利用近似方法对离散数据进行拟合的过程。
代替耗时的有限元仿真过程 提高设计效率
代理模型技术-----构造步骤
1. 利用试验设计方法生成样本点； 2. 用高精度分析模型分析获得样本点响应值； 3. 采用近似策略拟合样本数据，构造出代理模型； 4. 检验代理模型拟合精度。
孙利, 王德禹.支持向量机和遗传算法组合策略的VLCC船中结构优化 设计(英文). 船舶力学, 2007, 11(6): 913-923
船舶结构优化设计典型实例—平面耐压舱壁优化
24个设计变量
参数化建模 BP神经网络代理模型 结构重量减轻18.3%
程远胜, 孙莹, 闫国强等.基于神经网络与遗传算法的潜艇舱壁结构优 化. 中国造船, 2008, 49(4): 81-87
MPS(Mode-Pursuing Sampling method)寻峰值采样点法
Wang L, Shan S, Wang G G. Mode-pursuing sampling method for global optimization on expensive black-box functions. Engineering Optimization, 2004, 36(4): 419-438.
结构优化设计基本含义
船舶结构优化设计就是寻求合理的结构形式和适 当的构件尺寸，使船舶结构在满足强度、刚度、 稳定性及频率等条件下具有良好的力学性能、工 艺性能、经济性能及使用性能。 结构优化分成结构尺寸优化、形状优化和拓扑优 化三个层次。结构尺寸优化最容易，结构拓扑优 化最困难。
结构优化设计数学模型
谢谢大家！
代理模型技术---动态代理模型
EGO(Efficient Global Optimization)高效全局优化法
Jones D R, Schonlau M, Welch W J. Efficient global optimization of expensive black-box functions. Journal of Global optimization, 1998, 13(4): 455-492.
多目标优化
单目标优化
转换成一个单目标优化问题的优化方法：各种加权和法等 转换成多个单目标优化问题的优化方法：宽容排序法等
复杂系统优化
若干个简单系统优化
分级优化方法、多学科设计优化方法、协同优化方法
船舶结构优化设计发展历程
Kavlie D. Kowalik J, Lund S and Moe. J. Design optimization using a general nonlinear programming method. European Shipbuilding, 1966, (4):57-62 曾广武, 张维衡, 刘土光. 舰船舯剖面的优化设计. 船舶工程, 1980, (6) : 9-15 肖熙，于宝海. 油轮纵向构件最优设计. 上海交通大学学报，1981， 32(2)：15-23 刘土光，谭林森，曾广武. 受局部强度约束的船舶框架和板架结构
选择设计变量
满足约束条件 并使目标函数
X ( x1 , x2 ,...xn ) g j ( X ) 0, j 1, 2,..., J lk ( X ) 0,k 1, 2,...., K f ( X ) min 或 max
min f ( X ), X R n s.t. g j ( X ) 0, j 1, 2,..., J lk ( X ) 0,k 1, 2,...., K
程远胜, 夏兴隆, 田旭军等.厚板削斜和纵筋加强非轴对称锥柱结合壳 优化. 中国造船, 2011, 52(3): 36-45
船舶结构优化设计典型实例—复杂板架结构优化
复杂板架参数化表征 （三维、开口、支柱） Kriging代理模型 重点采样空间动态代理模型 数据挖掘技术
郑少平, 陈静, 程远胜等.代理模型技术及其在船舶板架强度和稳定性计算中 的应用[J]. 中国造船, 2013, 54(1): 40-51
船舶结构优化设计技术 研究进展
程远胜 教授
华中科技大学船舶与海洋工程学院
2014年6月7日
主要内容
一、结构优化设计概述
二、结构优化设计先进求解技术 三、船舶结构优化设计典型实例
四、船舶结构优化设计热点问题
一、结构优化设计概述
工程优化设计的基本含义
根据选定的目标（质量指标），遵循某 些规定的限制（约束），用数学的方法， 主动的，有步骤地探求最优设计方案。
郑少平.基于数据挖掘和代理模型技术的船舶板架结构轻量化设计研究[M]. 华中科技大学,2013（指导老师：程远胜）
四、船舶结构优化设计热点问题
热点问题1—大型复杂结构的优化设计
基于规范优化设计
基于有限元整舱整船优化设计
参数化建模
智能优化算法
热点问题2—代理模型技术
多代理模型
动态代理模型
热点问题3 数据挖掘技术
代理模型技术---动态代理模型（MPS）
采样点
更新样本点
初始样本点
真实模型
代理模型技术-动态代理模型（重点采样空间）
彭磊, 刘莉, 龙腾. 基于动态径向 基函数代理模型的优化策略. 机 械工程学报, 2011, 47(7): 164-170.
数据挖掘技术
数据挖掘是海量数据中通过特定的算法在可接受的计算效率 限制内生成特定模式或获取有用信息的过程。
智能优化算法—遗传算法
开始 初始化群体的生成 编码 杂交、变异 新一代种群 淘汰
劣
评价 （选种） 优 迭代次数 达到？ 是 否
繁殖
停止
智能优化算法----优缺点
优点
1. 只需用到目标函数值的信息
2. 全局搜索能力强，不依赖初始点的选取。 3. 处理高维高非线性优化问题的能力强。
4. 更适应于求解离散设计变量优化问题。
船舶结构优化设计典型实例—平面耐压舱壁优化
6个设计变量：6类加强桁(筋)带附连 翼板的最小剖面模数
参数化建模 方案库+有限元
孙莹. XXX耐压平面舱壁结构优化设计. 华中科技大学硕士学位论文， 2007（指导老师：程远胜）
船舶结构优化设计典型实例—锥柱结合壳优化
复杂结构参数化建模 遗传算法+有限元分析
船舶结构优化设计技术发展趋势
经典优化方法
智能优化方法
简单结构优化
复杂结构优化
基于规范设计
规范+直接计算
二、结构优化设计先进求解技术
智能优化算法
代理模型技术
数据挖掘技术
智能优化算法
• 遗传算法（Genetic Algorithms, 1975，Holland）
• 禁忌搜索（Taboo Search，1977，Glover） • 模拟退火算法（Simulated Annealing, 1983, Kirkpatrick) • 蚁群算法 (Ant Colony Optimization, 1990s, Dorigo等） • 粒子群算法（Particle Swarm Optimization, 1995, Kennedy, Eberhart) • 捕食搜索（Predatory Search，1999，Linhares）
船舶结构优化设计典型实例—油船中剖面优化
396个设计变量 40万次规范校核 重量下降了2.6%
朱稣骥, 顾学康, 胡嘉骏.遗传算法的改进及其在超大型油船结构优化 中的应用. 船舶力学, 2007, 11(2): 237-249
船舶结构优化设计典型实例—三维舱段结构优化
三维舱段有限元模型
支持向量机回归代理模型
重点采样空间法
彭磊, 刘莉, 龙腾. 基于动态径向基函数代理模型的优化策略. 机械工程学报, 2011, 47(7): 164-170.
代理模型技术---动态代理模型（EGO）
Kriging predictor True function
Kriging predictor
Jones D R, Schonlau M, Welch W J. Efficient global optimization of expensive black-box functions[J]. Journal of Global optimization, 1998, 13(4): 455-492.
1. 事先构造代理模型，检验精度达到要求； 2. 优化迭代过程由代理模型计算响应值，得到最优解。 3. 用有限元校核最优解。
第一步
第二步
代理模型技术---静态代理模型优缺点
优点
大大减少有限元分析次数，减少优化设计时间。
不足
1. 样本点数目多。为保证全局精度，必须布置大量样本点。 2.样本资源的浪费。最优点附近有相当精度，远离最优 点精度不需考虑。
的优化设计. 武汉造船, 1984,(5):1-12
船舶结构优化设计发展历程
曾广武, 孙苏明.船舶板架结构多目标模糊优化设计. 中国造船, 1989, (4):64-74 曾广武, 程远胜, 郝刚.船舶结构优化设计方法的研究进展.计算结构 力学及其应用, 1994, 11(1):99-106 徐昌文.船舶结构优化设计的研究进展.上海交通大学学报, 1998, 32(11): 118-120 俞铭华, 谢祚水, 吴剑国.船舶中剖面结构优化设计研究进展. 华东船 舶工业学院学报, 1998, 12(3): 36-41
船舶结构优化设计发展历程
俞铭华, 嵇春艳, 管义锋.大型油船结构优化设计研究进展.江苏科 技大学学报(自然科学版), 2006, 20(2): 1-6 秦洪德,王艳艳.船舶结构优化设计的研究进展. 船舶力学学术会 议暨《 船舶力学》 创刊十周年纪念学术会议. 银川, 2007. 赵留平, 詹大为, 程远胜等.船舶结构优化设计技术研究进展. 中国 舰船研究，2014（已录用）