内河成品油船结构优化设计

典型内河成品油船横剖面见图 1 ,货油舱主要结 构有 :甲板强横梁 、强肋骨、实肋板 、纵舱壁垂直桁等 横向强骨材。 甲板和底部纵骨 、舷侧纵骨和纵舱壁 水平扶强材等普通骨材 , 以及包括甲板、外板 、内壳 板和纵舱壁板等板材 。结构设计任务是在满足相关 规范[ 3] 的基础上 ,确定这些构件的间距及构件尺寸 , 使船体结构钢料消耗尽可能少 。
R2(s1 , d22)=min{r″1(s0 , d1 )+r 22 (s1 , d22 )} 也可以得到在输入状态 s1 情况下垂直板架结构 的优化决策 d22 ———纵骨间距 。
将两个分支的最轻结果对应累加 , 可得到总 体优化方案 , 通过向后追踪可以确定出具体设计 参数 , 即普通骨材间距和规格尺寸 、板厚度 、横向 强框架间距以及源自文库 T 型材尺寸 。
通过上述分析看出 , 内河油船结构设计可以 表达为 , 初始状态已知和最终状态未知 、带发散分 支的两阶段动态规划问题 。
3 优化设计
动态规划方法实际上是一种求解策略 , 不是 一种具体算法 , 因此本文较详细介绍内河 2 000 t 成品油船货油舱结构优化求解过程 。该船两柱间 船长78 .0 m , 船宽14 .8 m , 型深4 .1 m , 围井甲板高 出强力甲板1 .0 m , 舷舱宽度1 .0 m 。 该船为纵骨
收稿日期 2006-02-17 修回日期 2006-04-10 作者简介 刑金有(1946 -), 男 , 硕士 , 教授 。
法 , 不如说是一种解决大型 、复杂设计和管理问题 的系统化决策程序 。 由于动态规划问题没有标准 的数学表达式和算法 , 在实际问题中必须灵活运 用 , 结合具体问题特点推导有关算式[ 1] 。 因此本 文首先揭示内河油船结构设计过程中隐含序列决 策的特点 , 然后建立动态规划模型 , 最后还要详细 介绍计算过程及结果 。
在主尺度和货油舱长度已定的前提下 , 影响 结构重量的最主要因素是骨架系统及骨架间距 。 规范对骨架系统的选择有规定 , 如主尺度较大的 油船主要采取纵骨架式结构 。 根据力学概念和设 计规范可知 , 各构件设计相互影响 , 各孤立设计的 构件未必能组成总体优化方案 。 例如 , 纵骨间距
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内 河成品油船结构优化设计 ——— 邢金有 张宝吉
架式结构 , 结构形式参见图 1 所示的中剖面图 。 本船纵骨和纵壁扶强材采用角钢 , 甲板强横
梁 、强肋骨 、纵舱壁垂直桁采用组合 T 型材 。 货油 舱结构设计变量包括 :横向强框架间距 、甲板和船 底纵骨间距 、舷侧纵骨和纵舱壁水平扶强材间距 、 甲板和船底板等板材厚度 、纵骨和纵壁扶强材角 钢规格 、T 型材剖面尺寸 , 其中骨材间距均选为各 设计阶段的决策变量 , 共 3 个 。 决策变量取值范 围应根据该船主尺度 、规范要求和实船经验确定 : 普通骨材间距可 能取0 .50 、0 .55或0 .60 m 三种离 散值 ;货油舱长度已 定10 .8 m , 一个舱内 可能设 4 、5 或 6 道横向强骨材 , 即横向强骨材间距可取 2 .16 、1 .8和1 .543 m三种离散值 。 其他设计变量 : 板材规格按0 .5 mm间隔变化 , 角钢规格应符合轧 制型材标准 , 组合 T 型材板厚按1 mm 间隔变化 , 腹板高度和面板宽度可连续变化 。
1 结构设计分析
油船船型特点是结构简单 , 船体钢料成本在 结构成本乃至全船的造价中占有很大的比例 , 货 油舱结构是船体结构的主要部分 , 对全船钢料消 耗影响最大 。 因此 , 设计师在总体和结构设计中 应千方百计减轻结构重量 , 尤其对货油舱结构设 计应做深入细致的研究 。 本文只讨论一个典型货 油舱(但不包括横舱壁)的结构设计 。
1)确定强框架间距 , 分别设计甲板强横梁的 T 型材尺寸和肋板厚度 、内外舷强肋骨和纵舱壁 垂直桁的 T 型材尺寸 ;
2)确定甲板和船底纵骨间距 , 设计甲板 、内 36
底和船底板厚 , 然后设计甲板和船底纵骨 , 即确定 这些普通骨材的规格尺寸 ;
3)确定内外舷侧纵骨和纵舱壁水平扶强材 间距 , 设计舷侧外板 、内舷侧板和纵舱壁板厚度 , 同时确定内外舷侧纵骨和纵舱壁水平扶强材的规 格尺寸 。
R1(s1 , d12)=min{r′1(s0 , d1 )+r 12 (s1 , d12 )} 通过递推关系式 , 可以得到水平板架结构在输入 状态 s1 情况下的优化决策 d12 ———纵骨间距 。
第 2 阶段第 2 分支 :2-2 阶段输入状态也是 s1 , 决策变量 d22 是舷侧纵骨 、纵舱壁水平扶强材 间距 。令决策 d22 为一系列可能的设计值 , 设计舷 侧外板 、内舷板 、纵舱壁板厚度以及纵骨 、水平扶 强材规格尺寸 , 从而也可计算出这部分构件重量 r22 (s1 , d22 )。通过将 2-2 阶段效益函数 r22 与第 1 阶段构件重量 r″1 对应累加 , 并求最小值 , 建立递 推关系式
动态规划是一种处理多阶段决策问题的优化 方法 , 它不是孤立地追求每一个阶段决策都是该 阶段最优决策 , 而是通过各阶段一系列决策 , 最终 使整体设计或管理方案最优[ 1] 。 另外 , 动态规划 特别适合处理整数或离散设计变量优化问题 。工 程设计和管理以及企业经营管理中 , 许多设计或 管理问题可以转化成多阶段序列决策问题 , 因而 动态规划方法在这些领域得到广泛应用[ 2] , 文献 [ 3] 给出了在船舶结构优化设计中应用实例 。
船海工程 2006 年第 4 期(总第 173 期) 文章编号 1671-7953(2006)04-0035-04
内河成品油船结构优化设计
邢金有 张宝吉
大连理工大学船舶工程系 大 连 116024
摘 要 将 2 000 t 内河成品油船货油舱结构设计 过程表 达为两 阶段两个 分支的 动态规 划问题 , 并且 用 动态规划方法进行优化设计 , 实例表明 , 动态规划方法能有效处理离散设计变量优化问题 , 为中小型船舶设计 提供 一个逻辑框架 , 设计者只要按照 动态规 划原理 , 按部 就班地 分别设计 各构件 , 就能 得到结 构优化 设计 方 案。
关键词 船舶设计 结构设计优化 动态规划 内河成品油船 中图分类号 674.13 文献标识码 A
Structural design optimization of a river product-oil tanker
XING Jin-you ZHANG Bao-ji Dept.of Naval Architecture Dalian University of Technology Dalian 116024 Abstract This paper describes that structural design optimization of a 2 000 DWT river product-oil tanker as a sequential divergent branched sy stem and optimize it by dynamitic programming (DP).The example shows that DP is well suited to the discrete-variable optimization and provides a logical framework for the structure design of small and mid-sized ships so that a designer can find the optimum structure design by systematic decision- making . Key words ship design structural design optimization dynamitic programming river product-oil tanker
的选取不仅决定骨材本身规格尺寸 , 也影响相连 板的厚度 。理论上 , 骨材间距小 , 骨材尺寸小 , 板 也可薄一些 , 但骨材数量要增加 , 反之则相反 。实 际上 , 由于型材 、板材规格以及骨材数量只能离散 变化 , 它们之间的影响并不是这样简单 、直接 。同 样 , 横向框架间距的选取不仅决定横向框架(如甲 板强横梁 、强肋骨 、底肋板等)尺寸 , 也影响纵骨的 设计 。如何权衡各构件设计 , 使结构总重量最轻 , 骨材间距的确定大有文章可做 。
图 1 内河 2 000 t 成品油船中剖面
在结构优化设计中不能仅着眼于降低船体钢 料重量 , 而且还要考虑建造工艺性和以后营运中 的经济性 , 即所设计的结构形式应简单 , 便于建造 和营运维护 、检修 。 在决定骨架系统和骨架间距 时 , 某种程度上已经考虑到这些因素 。
根据船舶结构特点可知 , 甲板强横梁 、肋板 、 强肋骨和纵舱壁垂直桁等 , 大多采用组合 T 型材 , 由这些强骨材组成的横向强框架应位于同一横剖 面 , 它们的间距应该相同 。 水平板架(甲板 、内底 和船底)上的纵骨应该上下对应 , 即它们间距应该 相同 , 垂直板架(内外舷侧和纵舱壁)上的纵骨或 水平扶强材间距应该相同 ;但是 , 水平板架纵骨间 距可以与垂直板架纵骨或水平扶强材间距不同 。 纵骨和扶强材等一般选取轧制角钢或球扁钢 。在 骨架系统已确定的前提下 , 该船结构规范设计过 程如下 。
图 2 内河 2 000 t 成品油船结构设计的 动 态规划模型
第 1 阶段 :输入状态变量 s1 是横剖面结构布 置 、货舱长 度 , 决策变量 d1 是横向强 框架间距 。 由于制定了决策 d1 , 现在可以按照规范要求设计 各构件剖面 , 从而计算出各构件重量 。 这一阶段 的结构重量本来应是强框架的总重量 , 但是由于
船海工程 2006 年第 4 期(总第 173 期)
下一阶段决策将要分出两个分支 , 因此对于可能 的决策 d1 , 应分别计算甲板强横梁和肋板重量之 和 r′1 (s0 , d1)、强肋骨和纵舱壁垂直桁重量之和 r″1(s0 , d1 )。第 1 阶段的输出状态变量是强框架 间距 , 即状态转移式为 s1 =d1 。
按照规范进行船舶结构设计 , 经验丰富的设 计师往往能得到较好的设计 , 但是采用优化设计 后发现 , 很多基于经验的设计还是有节约潜力 , 例 如可降低钢料重量几个百分点 。实际应用结构优 化也有一定困难 , 如骨材间距 、型材规格等大部分 设计 变量值离散变化 , 许多 数学方法难以处理 。 本文将 2 000 t 内河成品油船结构设计问题表达 为带两个分支的两阶段序列决策模型 , 因而可运 用动态规划方法解决 。动态规划与其说是一种算
由于规范设计法的特点 , 水平板架和垂直板 架设计相互影响小 , 可以认为相对独立 , 在 1)步 之后 , 2)和 3)步可分别独立进行 。
强框架构件(肋板除外)剖面为 T 形 , 有关的 设计变量是腹板高度与厚度 、面板宽度与厚度 , 另 外还有强框架间距 ;纵骨和舱壁水平扶强材相关 的设计变量是其间距和标准型材规格 ;板的设计 变量是板的厚度 , 该设计问题总共有 30 个变量 。 约束条件主要是规范对各构件的强度要求 , 这些 要求在规范中常简化为各种必要的参数算式 。
第 2 阶段第 1 分支 :1-2 阶段输入状态变量 1 , 决策变量 d12 是甲板和船底纵骨间距 。 d12 集合 根据具体问题的可能取值确定 。制定决策 d12 后 , 可以分别设计甲板 、船底板 、内底板厚度 , 以及甲 板 、船底和内底纵骨规格尺寸 , 从而计算出与该阶 段决策有关的构件总重量 r12 (s1 , d12 )。 对于可能 的决策 d12 , 可得到一组 r12 值 , 将 1-2 阶段总重量 r12 与第 1 阶段构件重量 r′1 对应累加 , 并求最小 值 , 即递推关系式为
2 动态规划模型
应用动态规划方法解决实际问题的前提是 , 具体问题应具有序列决策特征 。 为此 , 首先要揭 示出内河油船结构设计中的序列决策特征 , 即应 用动态规划模型表示该问题 。 通过以上分析可以 看出 , 按照现行规范进行的船舶结构设计过程隐 含序列决策特征 。
该问题的动态规划模型由带两个分支的两阶 段串联系统组成 , 见图 2 。