浅析船舶多学科设计优化建模

浅析船舶多学科设计优化建模

姓名：姚伟 学号：102010041

1. 多学科设计优化技术理论

1.1 定义

船舶设计是一项周期长、技术密度高、涉及学科广的复杂工程，它的设 计涉及到水动力、结构等诸多学科的知识。 传统的船舶串行设计方式在过去的十几年发挥了极其重要的作用，为船舶设计技术的发展作出了巨大的贡献。然而，它没有考虑到各学科之间的相互耦合而产生的协同效应，割裂了各学科之间的相互影响，无法得到系统整体最优解，且低效、耗时。面对传统设计思想在船舶总体设计中所遇到的问题，引入多学科设计优化技术成为一种现代设计理念。 多学科设计优化(Multidisciplinary Design OPtimization ，MDO) )是一种充分探索和利用系统中相互作用的协同机制来设计复杂工程系统和子系统的方法论， 它能够充分考虑各因素之间的相互影响，协调各方利益，获得较和谐的设计结 果。船舶设计优化具有明显的多学科特点，将多学科设计优化方法引入到其设 计领域也必将具有十分广阔的发展空间和现实意义。

MDO 作为一个独立的研究领域，于20世纪80年代后期逐渐形成。其创始 人是美籍波兰人J.Sobieszczanski-Sobieski 。是一门充分利用系统中的协同作用，设计具有耦合关系的复杂工程系统和子系统的方法学。

特点

多学科设计优化最主要的两个特点就是分析与综合(优化)。复杂工程系 统由于其复杂性，学科(子系统)之间通常存在着复杂的交叉耦合关系，只有 经过分析才能进行恰当的学科分解，获得所需的设计信息。学科分析是进行多学科综合(优化)的基础和前提条件。系统性能是学科分析基础上综合(优化)的外在表现。只有经过分析、综合(优化)、决策的反复迭代，才能最终设计出满意的产品。

主要研究内容及方法

一般地，对于N 个学科的多学科优化问题可以描述为：

min ：

(,)f x y

.:s t

(,)0(1,2,.....i g x y i m

≤= 1 1(,)0(1,2,......,)j h x y j m ==

其中，f 为设计目标，x 为设计变量，y 为状态变量，(,)0i g x y ≤是不等式约束，(,)0j h x y =是等式约束。

多学科优化设计技术包含的研究内容丰富多彩，主要包括：系统的数学建模、面向设计的分析、近似方法、MDO 方法、系统灵敏度分析、优化算法、人机界

面。

多学科优化设计方法致力于将工程系统涉及的多个学科综合起来进行优化，目前国际上普遍认可的MDO 方法有：多学科可行方法（(Multidiseiplinary Feasible Method MDF.)、单学科可行方法（Individual Discipline Feasible Method IDF ）、并行子空间优化法（(Concurrent Subspace Optimization CSSO ）、协同优化算法（Collabrative Optimization CO ）。协同优化方法是一种有效的多学科设计优化方法，其思想与船舶的设计组织形式相吻合，因此本文主要介绍船舶总体多学科协同设计优化。

2. 船舶多学科优化分析

2.1 学科划分

根据船舶设计的任务和流程，结合多学科设计优化模型建立的要求和准则，从船舶设计的角度出发将船舶设计划分为：船型、重量、舱容、快速性、稳性、耐波性、操纵性。总布置、结构、经济性。基于目前的研究水平，结构、总布置学科还没有得到具体的学科分析模型，所以暂不讨论。

2.2 学科分析模型

1）船型：在确定了船舶主尺度后通过静水力计算得到中剖面系数、水线面系数Cw 、浮心纵向位置Lcb 、排水量△船体湿表面积S 等重要参数。对船型参数的计算采用相似型船的统计资料和经验公式估算，主要有以下估算公式：

0.9950.125(0.80)m b C C =-⨯-

2/30.364W b C C =⨯+

1.8(0.49)b S L C =⨯⨯+ (0.21670.512)cb b L C =⨯-

b L B T C ∇=⨯⨯⨯

k ρ∆=⨯⨯∇

以上各式中：

ρ——水的质量密度；

∇——排水体积；

k ——附体体积系数；

L B T 、、——船长、船宽、吃水；

综上，船型分析模型如下：

2）重量：船舶在某一载况下的总重量由各部分重量组成，在船舶设计中通常将船舶重量划分为空船重量LWT 和载重量DWT 两部分，空船中来那个又分为船体钢料重量H W 、木作舾装重量O W 、机电设备重量m W 三大部分,以油船为例，根据经验公式：

1.7240.3860.0282(d /D )H B

W KL B C = 1 K 为船体结构形式对钢料重量的影响系数；

O W ()O pp C L B D =+

式中 1.4950.34280.0886O C DW -=+

0.5m (/0.7255)

M D W C P = 1 式中D P ——主机功率MCR （kW ）;

M C ——系数，中速船M C =5～6；对于低速机MCR 在10000KW 以上时M C =7～8，MCR 在10000KW 以下M C =8～9。

重量重心的估算式为;

40.989[0.2288(10)0.4905]g Z DWT D --=⨯+⨯

重量学科的设计要满足浮力平衡方程的要求，即:排水量

，综上，重量学科分析模型如下：

3）舱容：新船所需舱容为供布置货油舱、专用压载水舱、污油舱、首尖舱 等其它舱所需要的体积，可按以下公式进行计算

()(1)O C B OW A CV V V V r V =++⨯++