有关船舶多学科设计优化建模的研究

张庭亚

南通中远川崎船舶工程有限公司江苏南通226005

有关船舶多学科设计优化建模的研究

张庭亚

南通中远川崎船舶工程有限公司江苏南通226005

船舶设计是一项技术复杂的工程，其周期较长，并且对技术精度的要求也是比较高的。对其的设计牵扯到的学科知识的范围也是比较广的，包括水动力与结构学等。且当前随着计算机技术在各个科学领域的运用程度不断加深，船舶设计也正采用计算机技术，用计算机进行高精度的模型进行分析与设计。但是，相比于其他学科而言，船舶科学的发展是比较缓慢的，虽然传统的设计方式，贯穿了串行设计的方法，其为船舶设计技术的发展做出了较大的贡献，但是也存在一定的问题的，比如无法估计各学科之间的耦合效应以及协同效应，又比如无法克服低效与耗时的不足。鉴于此，本文就针对船舶多学科的设计优化建模进行了研究，并得出了自己的一些见解和建议。

船舶设计；模型；多学科；研究

全球制造业随着经济社会的发展，对我国的国民经济也得到了迅速的提升与发展。因此我国的造船业也迎来了比较适宜的发展契机，但是我国虽然是造船大国，但是却进入不了造船强国的行列。所以再这种背景之下，我国的造船工业急需创新与发展，但是面对技术密度高且周期又长的船舶设计工程，学习与借鉴分析国际上的先进方法与理论，深入了解其特点，优化设计方法，无论是有效控制周期、还是节省成本或提高设计质量而言，都是相关行业人员非常重要的任务。

一、船舶多学科优化设计的特点

（一）问题具有综合性特点

船舶本身就是一个复杂的综合物体，所以对其进行设计其方案也必定拥有较为复杂的综合性特点，这些问题包含了流体静力学、水动力以及结构等多方面的知识。只有把这些学科高度优化与融合在一起，才能完整的设计船舶，因此，对于船舶的设计而言，其设计问题是具有综合性的特点的。

（二）设计问题具有矛盾性特点

设计问题的矛盾主要存在于船舶的各项技术之间，这包括安全性与经济性特征。这就相当于对船舶的设计设置了一个矛盾点。又比如，在排水量一定的情况下船舶的载重量与航速及航程之矛盾，阻力与效率之间的矛盾，船舶操纵的稳定性与灵活性之间的矛盾等。因此在确定设计方案的时候，调整某一项设计因素，就会牵扯到别的因素，这就要做出合理的取舍，综合与全局考虑，才能使得整个设计方案呈最优化状态。

（三）各学科关系之间具有复杂性特征

船舶设计牵扯到的学科是方方面面的，因此随着设计者对船舶设计的不断深入，矛盾就会下显现，但是修改这些矛盾点，不是通过对某种学科的改变就能够改变的，多学科之间有着复杂的联系与分工，其耦合关系具有一定的复杂性特征。

二、船舶多学科优化设计建模分析

（一）设计初级阶段引入MDO

船舶设计的过程是复杂的，是逐步进行的，因此其设计过程也需要适应一种方法。因为其包括了初步构想、初级设计与完善设计几个方面，所以在不同的设计阶段设计知识和自由度也会呈现出不同的变化趋势。如下图（1）所示：

船舶设计的不同阶段对应相应的设计知识积设计自由度，设计阶段越靠后需要的设计知识越多，而设计的自由度却越低。由此也可以看出，传统的设计方法与概念以及相对应的周期也是比较短的，因此其是不能获得足够的知识的，这样一来就不利于设计工作的进行。因此为了获得最优的方案，就需要在设计初期考虑多学科因素，从船型、结构与推荐等方面得出变量关系。

（二）船舶的总体设计及学科划分析

总体设计是一项非常重要的工作，其综合性强，设计面也比较广，对船舶设计的总体质量保障也是相当重要的前提。一般来其包含了几个方面：1、船型的特征与布置构；2、尺度的考量与选择；3、技术性能的分析与估算；4、其他犹如法律法规的问题。

这些内容都是总体设计阶段需要着重考虑的问题，需要综合性考虑，且其中也包含了以下结果领域：船型、重量、船舱容量、速度与稳定性、操纵的灵活性、结构与经济性等。因此对不同类型的船舶进行多学科优化设计的时候，需要选择与其相适应的经验公式与统计公式模型。

在初中数学教学中，如果学生学会运用逻辑思维思考问题，可以让学生在面对数学问题的时候，运用合理分析、推理及论证等方法，对数学知识进行有效判断，以找出更清晰、明确的解题方法。

（三）重量学科的模型分析

重量模型分析主要是为了使船舶的浮力与重力达到一个平衡的标准，让其准确的漂浮在吃水线上面。因此，如果重量计算的误差过大，船舶的下沉就会比较深，这样就会影响船舶的使用性能。所以正确的设计中心的位置，确定浮性与稳定性、耐波性与强度等因素。船舶的重心估算式如下：

（四）船舱容量学科分析

船舶的重量是基础，但是船舶的容量（舱容）也是比较重要的一部分，这是使用面积，包含了甲板面积，是用来转载货物与油水的空间。其是一项重要的使用性能，因为一旦舱容不够，就会影响使用效果，反之又容易造成浪费。因此在设计阶段，根据船舶的尺度，通过合理的重量与尺度比例计算出合理的容积，用以满足船舶运行的要求是非常具有必要性的。

（五）速度学科分析

快速性与经济性联系非常大，其实根据在一定的基础上，根据主机的功率来定的。而影响船舶航行速度的因素，无论是阻力还是排水量都需要科学的验证，船舶的总阻力取决于排水量、与尺度比等需要因素。另外，从推进方面来看，主要是螺旋桨的推进方式，螺旋桨的效率和符合系数有着直接的关联。因此从设计的角度来说，解决这些问题，主要在于如何选择适合的尺度由于主机功率，另外优化船型减少阻力也需要考虑。

船舶的设计稳定性分为两部分，分别是初稳性与大倾角稳定性。其中影响因素包括船舶中心的高度，水线面系数以及型宽等。另外其还与干弦、上层建筑以及进水口的位置及受风面有着联系。因此，出于安全考虑，需要确定适宜的初稳性高下限值。初稳性高的近似估算值公式如下：

（七）耐波性学科分析

船舶的耐波性的好与差直接关系到船舶的使用性能与安全性能，在如今其已近成为衡量船舶性能的重要标准之一，通常在国际上也是通过耐波性来评判一艘船舶的质量。耐波性的学科分析模型如下：

（八）操纵性学科分析

传统的设计中，船型主要是根据尺度与快速性与稳性等方面的要求来决定的，其甚少考虑操纵性的要求。但是这并不代表其不重要。它也包含了三项内容：航向稳定性、回转性与转首性。因此在船舶设计的初级阶段，如果想使船舶具有最优的操纵性能，就必须要建立，操纵指标与其它参数之间的关系，航向稳定性的公式如下：

（九）经济学科分析

一搜船舶的设计必须要满足多学科的共同需求，最大限度的使用。然而现在公认的破坏船舶主要干扰因素是经济性。即在确定技术要素的同时，必须考虑经济性的因素。通俗来讲就是，在保障船舶航行安全的状态下，估算造价。整船估计具体公式如下：

经济学科分析模型如下：

三、结束语

船舶设计是一项非常复杂的系统工程，其周期长、学科多以及耦合关系复杂等，因此决定了学科分析需要采用精度更高的方法，然后利用响应面近似模型技术来完成整个设计优化过程。如今，多学科设计的优化方法已经被飞机甚至是导弹行业所应用，并且也取得了良好的设计结果。由此可以看得出来其是一项非常科学的、行之有效的方法。鉴于此，本文针对船舶多学科设计的优化建模研究，只是对船舶总体多学科设计工作的一个开始，希望经过船舶设计及制造业从业人员的不断努力，我国的船舶设计水平能够达到一个较高的水平，是我国快速迈向造船强国行列。

［1］冯佰威.基于多学科设计优化方法的船舶水动力性能综合优化研究［D］.武汉理工大学，2011.

［2］郑宏涛，蔡志浩，彭晓源.虚拟样机多学科设计优化问题建模研究［A］.中国系统仿真学会.中国系统仿真学会第五次全国会员代表大会暨2006年全国学术年会论文集［C］.中国系统仿真学会：，2006：5.