高速三体船的快速性综合优化研究

Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｔ ｒ ｉ ｍａ ｒ ａ ｎ；ｒ ａ ｐ ｉ ｄ ｉ ｔ ｙ；ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉ ｖ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ；ｇ ｅ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ
三 体 船 是 当 今 造 船 界 研 究 的 优 良船 型 之
主体设计吃水 Ｔ ／ ｍ 重心高度 ｚ ／ ｍ 侧体长 Ｌ ． ／ ｍ 侧体宽 Ｂ ， ／ ｍ 侧体型深 Ｔ ｉ ｍ 侧体吃水 Ｄ ／ ｍ
当高 速 三 体 船 航 行 速 度 较 高 时 （ Ｆ ｒ＞ ０ ． ５ 时） ， 主要 选取 如 下 的公 式 为 高速 三 体 船 快 速 性 综
数值
３ ． ６ ４ ３ ． ６６ ０ ．２ ７ ０． １ ６ ２ １ ３ ０． Ｏ ８ ４ ０． ０ ９５
１ ． ０
快 速性 综 合优 化 目标 函数 ：
ｉｘ ｆ ＝ Байду номын сангаас
（ ２ ）
主体宽 Ｂ ／ ｍ
主体型深 Ｄ ／ ｍ 主体长宽 比 Ｌ ／ Ｂ
＝
坐一 ） ， 故其 物 理意 义就 变成 为 衡 准 船 舶 的快 速
ｒ ／ ｏ ＇ ｒ ／ Ｈ ｒ ／ ａ
｛ ｌ ， ２ ， ３ ， ４ ， ５ ， ６ ， ７ ， ８ ， ９ ， １ ０ ， ｌ １ ， ｌ ２ ，
性能 ， 包 括 线型 的优 劣 与 螺旋 桨 敞水 效 率 的优 劣 ， 它 是一 个综 合性 的衡 准 因子 ， 对船 舶设 计 工作 而 言 较 为实 用． 本次 优化 所使 用 的剩余 阻力 是 根据 三体 船 试验 所得 卜 ， 试验 船模 主 尺度 如表 １ 所 示．
ｉ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ｂ ｙ ｕｓ ｉ ｎｇ ｔ ｈ ｅ ｇ ｅ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ．ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ Ｃ＋ ＋ｌ ａ ｎ ｇ ｕ ａ ｇ ｅ ｉ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｄ ｕ ｒ ｅ ． Ｔｈ ｅ ｏ ｐｔ ｉ — ｍｕ ｍ ｓ ｔ ｅ ａ ｄ ｙ ｎ ｕ ｍｂ ｅ ｒ ｏ ｆ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｉ ｓ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ｅ ｄ；ｔ ｈｅ ｒ ａ ｐ ｉ ｄ ｉ ｔ ｙ ｉ ｎ ｄ ｅ ｘ ａ ｓ ａ ｆ ｕｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｌ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ｉ — ｍａ ｒ ａ ｎ ｉ ｓ ｏ ｂｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ Ｆｒ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ０． ３ ２ ａ ｎ ｄ ０ ． ４ ４， Ｔｈ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｏ ｆ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈｉ ｓ ｐａ ｐ ｅ ｒ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ａ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｔ ｒ ｏｒ ｆ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｅ ｌ ｉ ｍｉ ｎａ ｒ ｙ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｈ ｉ ｇ ｈ— ｓ ｐｅ ｅ ｄ ｔ ｒ ｉ ｍａ ｒ ａ ｎｓ ．
摘
要： 讨 沦了一种 高速三体船 的快速性综 合优化设计 问题 ， 在 对一 型三体船 进行系 列模型试 验 的基 础上建立 了快 速性
综合优 化设计数学模 型． 采用遗传算法作 为优化方法 ， 编制 了 ｃ＋ ＋优化 计算程 序 ， 基 于大 量的计算 ， 确定 了合理 的进 化代 数； 得 到了快速性指数在傅 汝德数 ｎ 为 ０ ． ３ ２～ ０ ． ４ ４之间 随速度 和船 长的变化 曲线． 文 中提 出的优化方法及计 算结果 可为 高速 三体 船初步设计提供技术 支撑． 关键 词 ： 三体船 ；快速性 ；综合优化 ；遗传算法
收稿 １ ３ 期： ２ ０ １ ２—１ ２—１ ５
１ 高速 三体 船 航行 性能 快速 性 综合 优化 数 学模 型
１ ． １ 设计 变量
舰 船快 速 性 综 合 优 化 涉 及 的船 型 参 数 Ⅲ ５ 较
多， 三体螺旋桨推进的排水型参数船包括： 船长 Ｌ 、
船 宽 、 吃水 、 方 型系 数 Ｃ 浮 心纵 向位置 、 螺
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ３—４ ８ ０ ７ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ４ ． ０ ０ １
高 速 三 体 船 的快 速 性 综合 优 化 研 究
杨 松林 ，潘亦鹏 ，李 密
（ 江苏科技大学 船舶 与海洋工程学院 ， 江苏 镇 江 ２ １ ２ ０ ０ ３ ）
性能 ， 文中选用一型三体船船模 ， 对其快速性进行 优 化 Ｉ ． 优 化 的方 法 主要 有 常 规 优 化 方 法 和 现 代 优化方法两大类． 常规优化方法常常会陷入局部最 优， 全局 寻优能力差 ， 一 般 不 适 合 于 多 目标 、 多 约 束、 多变量的复杂优化问题的求解． 相比之下 ， 现代 优化方法 中的遗传算法及其复合方法 ， 就具备很强
（ ３ ）
５ ４ ． ８
—
比较 上述 几 个 公 式 可 知 ： 海 军 常 数 因其 分 母
为有 效功 率 Ｐ ， 故 只能检 验 船舶 线 型 的 阻力 性 能 ； 而Ｃ 。 因 其 分 母 为 螺 旋 桨 收 到 功 率 Ｐ 。 （ Ｐ 。 ＝
ｎ 一
向量 表 示 ， 即可 采用 下列 向量 形式 表示 为 ：
中图分 类号 ：Ｕ ６ ６ １ ． ３ １ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ：１ ６ ７ ３— ４ ８ ０ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４—０ ３ ０ ７— ０ ５
Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｎ ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉ ｖ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｒ ａ ｐ ｉ ｄ ｉ ｔ ｙ
三体 船船模 在 快速性 方 面进行 优化 ， 得 到一个 最优 解， 从 而确 定 了快速 性综 合优 化 的船型 ．
得 这种 船 型 的稳 性 很 好 ， 在 高 速 时 兴 波 阻 力 也 很 小， 从 而 减小 了对 推 进 系统 等 各 方 面 的要 求 ． 三 体 船 的快 速 性是 三体 船各 项 性 能 中非 常重 要 的一 个
基金项 目：国家 ８ ６ ３计划基金资助项 目（ ２ ０ ０ ６ Ａ Ａ１ ｌ ｚ ２ ２ ０ ）
作者简 介： 杨松林（ １ ９ ５ ６ 一） ， 男， 教授 ， 研究方 向为船舶综合优化 ． Ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ： ｙ ｓ １ ５ ６ ０ ５ １ ６ ＠ｖ ｉ ｐ ． １ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ
表 １ 船 模 主 体 尺 度
Ｔａ ｂ ｌ ｅ １ Ｍａ ｉ ｎ ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｓ ｈ ｉ ｐ ｍｏ ｄｅ ｌ
１ ３， １ ４， Ｘ１ ５｝
Ｘ ＝｛ ， Ｂ， ， Ｃ Ｒ ， ， Ｊ ｃ Ｂ ， ＤＰ ， Ａ Ｅ ｏ ， Ｐ ／ ＤＰ ， Ⅳ， ， Ｃ 。 ， 口 ， ｂ ， Ｃ ， ｍ｝ 。
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｈ ｉ ｓ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｓ ａ ｈ ｉ ｇ ｈ — ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｔ ｒ ｉ ｍａ ｒ ａ ｎ ｒ ａ ｐ ｉ ｄ ｉ ｔ ｙ ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ． Ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ ａ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｉｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｔ ｉ ｒ ｍａ ｒ ａ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ｒｅ ａ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄ ｏ ｕ ｔ ，ｔ ｈ ｅ ｎ ａ ｍａ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｇ ｈ — ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｔ ｉ ｒ ｍａ ｒ ａ ｎ
的 全局 寻优 能力 ｊ ． 近 年来 ， 遗 传算 法或 模 糊 遗 传
由于其 优 良的性能 而得 到重视 和广泛研 究． 与一般 单 体船 相 比 ， 三体 船 的 ３个 瘦 长 船 体 使
一
＿ １ － ２ ｊ
，
等算法已被用于求解复杂船舶工程中的优化问题． 所以本文采用 了遗传算法作为寻优的主要算法 ， 对
江苏科技大学学报 （ 自然科学版 ）
２ ０ １ ３焦
旋 桨 直径 Ｄ 、 盘 面 比 ／ 、 螺距 比 Ｐ ／ Ｄ 、 螺 旋 桨 转 速 Ⅳ、 设 计航 速 、 菱 形 系数 ｃ 、 侧 体 纵 向 间距 ａ 、 侧 体 横 向问距 ６ 、 设 计 水线 面 系数 Ｃ 、 加 载 后 重 量 ｍ． 为 描述 简单起 见 ， 将这 １ ５个 设计 变量 用 一个
第２ ７卷 第 ４期 江 苏科 技大 学学 报 （ 自然科 学 版 ） Ｖ ｏ １ ． ２ ７ Ｎ ｏ ． ４ ２ ０ １ ３年 ８月 Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ（ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ｌ ａ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ） Ａ ｕ ｇ ・ ２ ０ １ ３
ｆ ｏ ｒ ｈ ｉ ｇ ｈ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｔ ｒ ｉ ｍａ ｒ ａ ｎ
Ｙａ ｎ ｇ Ｓ ｏ ｎ ｇ ｌ ｉ ｎ，Ｐａ ｎ Ｙｉ ｐ ｅ ｎ ｇ，Ｌｉ Ｍｉ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｎ ａ ｖ ａ ｌ Ａｒ ｃ ｈ ｉ ｔ ｅ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ Ｏ ｃ ｅ ａ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｚ ｈ ｅ ｎ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ ２ １ ２ ０ ０ ３， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
合优 化 目标 函数 ：
ｆ （ ｘ ＝— Ｒ／ｒ ／ ｏ ＇ Ｏ ｒ （ ｒ ／ ｔ 一 （ ｒ ／
ｔ
０． ０ ４ ０．１ １ ４ ０． ０５ ２． ３ ４
４１ ． ８
ｓ
侧体排水量 Ａ １ ／ ｋ ｇ
设 计 总排 水 量 Ａ ２ ／ ｋ ｇ 重 载总排水量 Ａ ３ ／ ｋ ｇ
１ ． ２ 目标 函数
（ １ ）
为 了评 定排 水 型高速 船舶 快速 性 的优劣 ， 选 取
与 海军 系 数 相 类 似 的快 速 性 衡 准 因 子 Ｃ 作 为 快 速 性指 数 的 目标 函数 ． 可选 如 下 的公 式 为 船 舶
主尺度 主体设计 水线长 ／ ｍ
主体重载水线长 Ｌ 。 ／ ｍ