基于多学科集成的舰船冷藏系统设计模块开发

王良武，王泉斌

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



基于多学科集成的舰船冷藏系统设计模块开发

王良武，王泉斌

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

摘要：考虑到传统的各系统独立、串行的设计模式难以获得全局优化，且设计周期冗长，为此引入多学科优化设计(MOD)方法对舰船辅助系统与其他学科之间的相互作用关系进行设计优化。以冷藏系统为例，介绍舰船辅助系统MOD的系统参数计算、设备选型的逻辑关系，利用Visual Basic程序语言，将MOD的迭代过程程序化，从而提高设计效率，为舰船总体学科综合集成设计相关系统模块化设计提供借鉴与支持。

关键词：舰船；多学科优化设计；冷藏系统；软件开发

由于舰船辅助系统的设计往往是根据舰船总体设计需求进行保障配备，而目前舰船总体的设计大多采用母型改造的方法，是一种反复循环、螺旋式前进的过程。每一次循环都需要做大量的协调工作，这些协调工作主要是依据设计者的经验、直觉或者有限的分析和试验决定的。并且这种以经典设计为主导设计思想的舰船设计与优化问题是以顺序方式处理的，前面的优化结果将构成后续优化问题的一种约束，这将导致最后一个优化问题实现的可能性就很小。这种优化设计并没有充分考虑系统之间存在着的相互作用关系，所以传统的舰船辅助系统设计优化往往需要进行大量的协调工作，耗时耗力且最终得到的并非全局最优解。因此，为改变这种系统独立、串行设计的状况，有必要引入多学科综合集成设计方法，对舰船辅助系统与其他学科之间的相互作用关系进行设计优化，从而有效控制设计周期、提高设计质量、节约设计成本[1-2]。

1多学科综合集成设计平台简介

实际工作中所遇到的大多数优化问题都会涉及到同时优化多个具有不同量纲并且往往是相互竞争的目标函数。带有m个目标函数的MOP的数学表达式如下[3-4]。

舰艇多学科设计优化技术基于舰艇设计中的多学科、多目标、多特性，将MDO中的多种理论和方法贯穿于舰艇设计中，面向舰艇各个系统的复杂耦合关系，而追求综合平衡过的可行解和较优解，敏捷、高效地得到优质的设计方案。

目前我国在舰船研制领域对船型的优化主要采用单学科或单目标的优化方法，对各学科的考虑非常不均衡，在确定方案时常根据设计的需要以追求单个性能指标最优为主，而其他的性能指标作为约束条件，这种方式不能有效综合集成各学科进行协同优化，因此无法获得整体优化的设计。

为此，在舰船设计过程中引入基于并行设计理念上的多学科设计优化理论MDO时，需要各系统形成设计输入输出间相互约束和优化迭代的功能模块，其中舰船总体设计的重要系统之一，在多学科集成设计平台中囊括了空调通风模块、冷藏冷冻模块、舰船保障人员及构成模块等主要影响因素，分析探讨其与各学科之间的相互作用关系，并在此基础上建立舰船辅助系统的多学科设计优化模型框架[5-6]。

2冷藏冷冻模块分析

2.1系统组成及功能

舰船食品冷藏系统用于贮存食品，使冷库能维持在设计库温范围内，防止食品腐烂及变质。系统的主要组成包括冷藏机组、冷风机、保鲜装置、冷却水泵、阀板、管路及阀件等。

2.2系统设计依据

根据GJB4000-2000，食品冷藏系统冷库的温湿度按表1选取[7-8]。

表1　食品冷藏系统冷库设计参数

2.3模块接口数据分析

影响食品冷藏系统模块设计的主要因素有舰船自给力时间、舰上人员编制数量、冷库库容(面积)及其布置、环境温湿度、冷藏机组及冷风机型号参数等，其接口数据如下。

1)根据舰船自给力时间和舰上人员编制数量，计算确定食品装载量及其所需的冷库库容(由总体提供)。

2)根据冷库库容(面积)及其布置、环境温湿度，计算确定冷库渗入热。

3)根据食品装载量及环境温湿度，计算确定食品装载的货物热。

4)根据冷库渗入热、食品装载货物热，再加上冷库开门操作热、风机热等热量，计算确定食品冷藏系统的总热负荷。

5)根据冷库总热负荷，计算确定冷藏系统的制冷量需求，对冷藏机组与冷风机进行配置选型。

6)对冷库在冷却工况和维持工况下的冷却、运转时间进行计算校核。如不符合要求，则重新对冷藏机组和冷风机进行配置选型。

3软件开发

3.1软件模型

3.1.1热负荷

1)舱室渗入热Q1及渗入热QF。

(1)

式中：K——传热系数，kJ/(m2·℃·h)；

F——传热面积，m2；

Δt——库内外温差，℃。

2)货物热Q2。

冰点以上货总热量

Q′=WC(t1-t2)

冰点以下货总热量

高温库货物热

Q2=Q′/Z+We

低温库货物热

(2)

式中：W——进货量，kg；

C——货物比热容，取C=0.9 kJ/(kg·℃)；

t1——进货温度，取t1=30 ℃ ；

t2——库温，取t2=2 ℃；

i1——进货含热量，取i1=61.5 kJ/kg；

Z——完全冷却时间，取Z=48 h；

e——呼吸热，取e=0.12 kJ/(kg·h)。

3)开门操作热Q3。

(3)

式中：q1——换气热，kJ/h，q1=VaγaΔia；

q2——人体热，kJ/h；

q3——照明热，kJ/h，q3=0.86ND；

其中：Va——开门换气量，m3/h；

γaΔia——空气的冷却热量，kJ/m3；

ND——电灯的装接功率，W。

改革开放40年，是中国共产党领导亿万人民艰辛进行伟大实践的40年。其历史成就、历史功勋、历史价值、历史意义，不仅得到了中国人民的认可，而且得到了全世界广大人民的普遍认可。经过了40年，我们每一个中国人，对自己的生活与事业，对党、国家、民族的进步与未来，更加充满了必胜的信心！

4)风机热Q4。

(4)

式中：NF——风机功率，kW；

η——电机效率。

5)通风换气热Q5。

Q5=0.01VρnCBΔt

(5)

式中：V——库容，m3；

ρ——空气密度，ρ=1.293 kg/m3；

n——每天换气次数(蔬菜库5次，鱼、肉库2次)；

CB——外部空气热容量，CB=1 kJ/(kg·℃)；

Δt——外部空气与库内温差，℃。

6)冷库热负荷计算汇总。

冷却工况热负荷：

(6)

维持工况热负荷：

(7)

3.1.2冷库制冷量计算

冷却工况制冷量：

QC=1.15QA

(8)

维持工况制冷量：

(9)

3.1.3冷库冷却工况冷却时间校核。

1)冷库可利用的制冷量。

(10)

式中：QB——冷库可利用的制冷机组冷量，kW；

QC——制冷压缩机制冷量，kW；

ηE——可利用系数0.96；

裕度系数取1.15。

2)高温库完全冷却时间。

(11)

3)低温库完全冷却时间。

(12)

3.1.4冷库维持工况运转时间校核

冷库维持运转时间为

(13)

3.1.5冷藏机组及冷风机数据库

结合目前舰船食品冷藏系统常用的冷藏机组及冷风机类型，建立冷藏机组及冷风机选型数据库，数据包括设备型号、制冷量、风量、总功率、外形尺寸、重量、冷却需求等，将其制作为Excel数据表。

编码读取Excel数据表功能语句，可通过软件读取Excel数据库表格的形式，将数据读取至软件，并通过编码将数据转换另存为二进制数据存储，以免认为操作失误造成数据丢失或更改，并有利于后续对Excel数据的补充、修改以及二进制数据库的更新，其中读取、另存数据代码如下(冷藏机组数据库打开、存储)：

Public Sub Read_LCDatas()

Dim i As Long

Dim j As Long

Dim OpenFileName As String

Dim CancerOrNot As Boolean

Dim TempName As String * 10

Dim tempRows As Long

Dim tempCols As Long

Dim tempData() As String * 30

On Error GoTo ErrHandOne

OpenFileName=App.Path+" LengCangDatas.in"

CancerOrNot = False

If OpenFileName = "" Then Exit Sub

Open OpenFileName For Binary As #1

Get #1, , TempName

Get #1, , tempRows

Get #1, , tempCols

ReDim tempData(tempRows, tempCols)

ReDim LCDatas(tempRows, tempCols)

For i = 1 To tempRows

For j = 1 To tempCols - 1

Get #1, , tempData(i, j)

Next j

Next i

Close #1

LCDataRows = tempRows

LCDataCols = tempCols

For i = 1 To tempRows

For j = 1 To tempCols

LCDatas(i, j) = TrimMYM(tempData(i, j))

Next j

Next i

ErrHandOne:

End Sub

3.1.6冷藏机组及冷风机选型

根据计算得出的冷库制冷量需求、冷库类型和冷藏设备数据库进行冷藏机组和冷风机的选型配置，并使其满足：

QF≥QP≥QC

(14)

m——冷风机数量；

n——冷藏机组数量；

fi——单台冷风机制冷量，kW；

pi——单台冷藏机组制冷量，kW。

3.2软件设计

根据蔬菜库、鱼肉库计算所需参数，设定冷藏模块所需库容面积、货物装载量等由总体提供的输入，并向总体布置、重量分析、电力需求提供设备配置及外形、重量、电力负荷等输出。冷库(蔬菜库、鱼肉库)在软件中的逻辑流程见图1，主要是通过计算获取冷库制冷量需求，利用软件在数据库中的自动筛选完成设备配置。

3.3软件实现及计算实例

图1　冷库冷藏模型逻辑流程

软件采用面向对象编程语言Visual Basic，根据数学模型进行程序编制分为蔬菜库模块和鱼肉库模块两部分，可通过单击窗口底部的“蔬菜库模块”和“鱼肉库模块”进行切换，见图2、3。其中每个模块分为左右两部分，分别为参数计算、冷藏机组型号和冷风机型号。通过输入冷库相关参数，计算得出的冷库制冷量需求、根据冷库类型和冷藏设备数据库进行冷藏机组和冷风机的选型配置[9]。

图2　冷藏模块

图3　冷冻模块

以某船蔬菜库为例，舱室面积48.8 m2、蔬菜库装载量6 000 kg、蔬菜库净容积为94 m3、传热系数为0.2、温度差为38 ℃，计算得蔬菜库渗入热1 933.2 kJ/h、蔬菜库货物热16 137.9 kJ/h、蔬菜库开门热为3 943.2 kJ/h、蔬菜库风机热为806.9 kJ/h，程序自动选用冷藏机组为JZL(S)-14和冷风机为HVST711，提供两型设备的制冷量、风量、重量等以及冷却水、电力负荷需求(见表2)，将其作为多学科设计优化计算的设计输入，以便迭代运行。

表2　软件计算选型结果输出

3结束语

通过对学科综合集成设计理念的介绍，将舰船总体设计中的辅助系统纳入多学科参数化迭代设计之中。以冷藏系统设计开发为例，介绍了舰船冷藏系统中蔬菜库、鱼肉库设计参数的计算方法和设备选型流程，根据现有设备参数构建冷藏设计模块所需数据库，利用Visual Basic程序语言，将设计过程中的计算和设备帅选的过程进行程序化，并通过实际计算验证软件在系统设计计算的正确性、方便性，并可实现向总体学科综合集成设计平台提供输出的方式完成多学科迭代，从而所见设计周期，提高了设计效率。

参考文献

[1] 邓秭珞.舰船总体多学科设计优化及实现保障[C]∥国家国防科技工业局信息中心，2015年军工制造业数字化技术交流会，中国福州，2015.

[2] 周奇，陈立，许辉，等.舰船总体设计中的多学科优化技术[J].船舶与海洋工程，2013(3):6-9.

[3] 周巍,杨向晖.舰船总体多学科优化设计系统分解[J].中国舰船研究，2014,9(1):14-19.

[4] PAN B B, CUI W C. Multidisciplinary design optimization methods for ship design[J]. Journal of Ship Mechanics，2008，12(6)：914-931.

[5] 林锐，宋一淇，张博，等.基于多学科的大型船舶概念设计平台技术[J].船舶标准化工程师，2013(6):33-35.

[6] 叶琏,曹岳辉.基于多学科设计优化技术的飞机概念设计软件平台[J].航空计算技术,2007(2):91-94.

[7] 海军规范所.GJB 4000-2000舰船通用规范[S].北京：总装备部军标出版社，2000.

[8] 陈可越.船舶实用设计手册[M].北京：中国交通科技出版社，2007.

[9] 王良武，周瑞平，胡义.ATB船装载计算软件及应用[J].船舶，2009(1):56-60.

Software Development of Ship's Refrigeration System Based on Multidisciplinary Design Optimization

WANG Liang-wu, WANG Quan-bin

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The traditional self-governed and series-wound design mode can not obtain overall optimization, which results in interminable periods. So the multidisciplinary design optimization (MOD) is introduced to optimize the relationship between the ship's assistant system and other systems. Taking the refrigeration system as an example, the parameter calculation and equipment choice of ship's assistant system MOD is introduced. The MOD is program by Visual Basic, which improves design efficiency. That will be used for reference to the correlative system software development of ship overall design.

Key words:ship; multidisciplinary design optimization; refrigeration system; software development.

中图分类号：U664.5

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)02-0090-05

第一作者简介：王良武(1985-)，男，硕士，工程师E-mail:wxhylq@163.com

基金项目：国家部委基金资助项目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.024

修回日期：2016-01-21

研究方向:舰船系统工程的研究和设计