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重庆-上海江海直达船船型优化设计研究

重庆-上海江海直达船船型优化设计研究

作者：邓小兵重庆交通大学

学位级别：硕士

江海直达船作为一种可以同时航行于海上和内河的特殊船舶,具有绿色、节能、高效等诸多优点,在内河流域和特殊运营航线上具有广阔的应用前景。船舶阻力性能优化一直是船舶领域重点关注的问题之一,因此将江海直达船的阻力性能优化作为本... 详细信息

江海直达船作为一种可以同时航行于海上和内河的特殊船舶,具有绿色、节能、高效等诸多优点,在内河流域和特殊运营航线上具有广阔的应用前景。船舶阻力性能优化一直是船舶领域重点关注的问题之一,因此将江海直达船的阻力性能优化作为本文的重点研究内容。随着多学科的深入交叉融合,传统的船舶阻力性能优化设计方法逐渐被“基于仿真的设计”(Simulation Based Design,SBD)所取代。本文系统归纳了SBD技术的各项关键技术,构建了具有较高精度的船舶水动力性能数值预报方法的船型优化设计框架,并以阻力性能最优作为优化目标开展了江海直达船的船型优化设计。主要研究内容如下:(1)详细论述了船体几何重构方法、水动力性能数值预报方法、简约策略及优化算法等关键技术;以国际标准船型KCS集装箱船和江海直达船为研究对象,采用非定常黏流CFD方法作为船舶水动力性能的预报手段,通过与模型试验数据比较、网格不确定度分析和时间步长的无关性验证确定网格划分和时间步长选取策略,证实了数值计算的有效性。(2)基于三维建模软件,构建江海直达船船体几何模型,建立基于船舶总阻力最优为目标的船型比选系统,在低航速段和全航速段内研究分析了船舶艏艉线型对船舶阻力的影响,得出性能表现较优船型。(3)针对航行速度和作业航线等特点,以5号船(球鼻首-下凸艉)为优化对象,首部和尾部作为优化区域,总阻力为优化目标,采用本文构建的船型优化设计框架在单目标单点(设计航速)和单目标多点(双吃水)工况下进行优化设计。结果表明单目标单点最优设计方案总阻力收益高达7.19%;单目标多点最优设计方案总阻力收益均在2.0%以上,最大收益6.36%。(4)基于全航速段内总阻力系数变化规律,以6号船(直立艏-下凸艉)的艏艉为优化区域开展单目标多点(三航速)的艏艉线型优化设计研究,首先采用拉丁方方法对设计变量进行敏感性分析,接着采用遗传算法进行单目标多点寻优计算,优化结果表明:最优设计方案Opt1在三个航速下的总阻力收益有较大差异,最大差异4.19%,其中最大收益5.38%,最小收益1.19;最优设计方案Opt2在三个航速下的阻力收益差别不大,最大差异0.90%,其中最大收益3.88%,最小收益2.98%,整体减阻效果较为理想。

关键词：江海直达船船型优化 SBD技术船型变换技术最优化算法

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基于参数化表达法的船型优化分析

船舶物资与市场 2024年第3期32卷 17-19页

作者：祝慧钞威海海洋职业学院山东威海264300

船舶在海洋中作业,受波浪作用力影响会产生垂荡、横摇、纵摇等各种波浪响应。海上作业的工程船舶,如风电安装船、浮式生产储油平台等船型对作业环境往往要求较高,对波浪非常敏感,因此,工程船舶在设计过程中,针对波浪对船舶运动的影响开... 详细信息

船舶在海洋中作业,受波浪作用力影响会产生垂荡、横摇、纵摇等各种波浪响应。海上作业的工程船舶,如风电安装船、浮式生产储油平台等船型对作业环境往往要求较高,对波浪非常敏感,因此,工程船舶在设计过程中,针对波浪对船舶运动的影响开展系统研究非常必要。为了解决以上问题,以往的船舶设计使用传统方法进行船型优化,该优化方法的过程复杂且效率低,而结合现代计算机技术及参数化表达优化方法则可有效提高整个过程的优化效率。因此,采用参数化表达优化方法对工程船舶船型曲线进行优化设计,以船体阻力和耐波性能为船型优化目标,建立船型的优化模型,并运用遗传算法对模型进行优化选择分析,得到多个初始船型,后进行变异杂交,多次迭代得到耐波性能较好的船型。

关键词：船型优化耐波性能遗传算法

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小样本规模船型优化策略的选择研究

中国造船 2023年第4期64卷 248-257页

作者：陈骏喆姜栋张儒张明南京天洑软件有限公司南京210000

选择合理高效的优化策略进行小样本规模下的船型优化,以KCS船的阻力性能为优化目标,对比分析不同优化算法的优化效率和阻力性能提升结果。首先,利用CAESES软件参数化变形技术实现船型的自动变换,分别对球鼻艏、船体入流段与去流段、艉... 详细信息

选择合理高效的优化策略进行小样本规模下的船型优化,以KCS船的阻力性能为优化目标,对比分析不同优化算法的优化效率和阻力性能提升结果。首先,利用CAESES软件参数化变形技术实现船型的自动变换,分别对球鼻艏、船体入流段与去流段、艉封板以及船体其他位置进行组合变形,同时考虑排水体积和浮心纵向位置的约束;其次,采用船舶水动力专用CFD软件SHIPFLOW对船型的总阻力性能进行评估,与模型试验数据对比验证预报方法的精度;另外,分别采用CAESES软件集成的多种主流优化算法和自研优化算法Silverbullet的不同优化策略进行最优值的探索,对比分析不同样本规模下的优化效果。结果表明,在样本规模百次左右的情况下,Silverbullet算法的优化效果优于CAESES软件中集成的主流算法,当Silverbullet算法开启智能边界突破技术后,能够进一步获得总阻力性能的提升。

关键词：船型优化数值模拟参数化变形优化算法阻力性能

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自适应采样方法在船型优化中的应用

上海交通大学学报 2022年第7期56卷 937-943页

作者：欧阳旭宇常海超刘祖源冯佰威詹成胜程细得武汉理工大学高性能船舶技术教育部重点实验室武汉430063 武汉理工大学船海与能源动力工程学院武汉430063

为了解决船型优化中仿真计算复杂耗时的问题,基于自适应采样的近似模型技术的应用日益广泛.基于Kriging近似模型和留一法误差,发展了一种基于均匀设计的最大熵自适应采样方法.通过与基于增量拉丁超立方方法进行对比,所提方法得到的自适... 详细信息

为了解决船型优化中仿真计算复杂耗时的问题,基于自适应采样的近似模型技术的应用日益广泛.基于Kriging近似模型和留一法误差,发展了一种基于均匀设计的最大熵自适应采样方法.通过与基于增量拉丁超立方方法进行对比,所提方法得到的自适应样本分布更加均匀,并且其全局近似模型精度更高.将所提方法应用于S60的船型优化中,很好地验证了该方法的有效性.

关键词：船型优化自适应采样均匀设计最大熵采样

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改进的径向基插值方法在船型优化中的应用

华南理工大学学报（自然科学版） 2022年第3期50卷 57-64页

作者：冯佰威王首茗冯梅武汉理工大学高性能船舶技术教育部重点实验室湖北武汉430063 武汉理工大学船海与能源动力工程学院湖北武汉430063 国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心湖北武汉430063

船体曲面变形是实现船型优化的前提条件,基于径向基函数插值的曲面变形方法适合于船型水动力性能优化的需要。文中主要对径向基插值中的支撑半径求取方法进行了改进,提出了支撑半径的动态求取方法,重点考虑了可变点的分布和坐标变化量... 详细信息

船体曲面变形是实现船型优化的前提条件,基于径向基函数插值的曲面变形方法适合于船型水动力性能优化的需要。文中主要对径向基插值中的支撑半径求取方法进行了改进,提出了支撑半径的动态求取方法,重点考虑了可变点的分布和坐标变化量对支撑半径的影响。在此基础上,将改进的径向基插值方法运用到本团队开发的船舶水动力性能多学科综合优化平台,以Series 60船型为研究对象,完成给定约束条件下的船型优化研究,证明该方法的可行性。

关键词：径向基函数插值支撑半径船型优化

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蟹塘双体投饵船行驶阻力分析及船型优化

上海海洋大学学报 2022年第1期31卷 269-277页

作者：李俊朱逸凡陈雷雷胡庆松上海海洋大学工程学院上海201306

采用双体投饵船是实现蟹塘遍撒投饵的可行方案之一。在航道存在水草的情况下,为减小巡航阻力、提升投饵船续航能力,设计尖底和圆棱底2种新型船底型线,并基于雷诺平均方程,构建船体在不同吃水深度和速度下的动力学计算模型。以平底船为... 详细信息

采用双体投饵船是实现蟹塘遍撒投饵的可行方案之一。在航道存在水草的情况下,为减小巡航阻力、提升投饵船续航能力,设计尖底和圆棱底2种新型船底型线,并基于雷诺平均方程,构建船体在不同吃水深度和速度下的动力学计算模型。以平底船为对照船体,对比分析CFD数值计算与水池试验阻力,数据误差在9.6%以内,显示了计算模型的有效性。计算结果表明:圆棱底船在船速0.50~2.00 m/s时具有更好的减阻效果,与平底船相比减阻率在3.92%~16.27%;圆棱底船能减小底面与水草的滑动摩擦阻力;投饵船经济船速应小于1.50 m/s,经济吃水深度应小于0.18 m。所研发的圆棱底船的进一步测试结果表明了所提优化方案的有效性。

关键词：双体投饵船行驶阻力船型优化平底船尖底船圆棱底船

基于信息矩阵的动态嵌套Kriging模型在船型优化中的应用研究

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船舶力学 2023年第8期27卷 1139-1149页

作者：欧阳旭宇常海超冯佰威刘祖源詹成胜程细得高性能船舶技术教育部重点实验室(武汉理工大学) 武汉430063 中国船舶科学研究中心江苏无锡214082 武汉理工大学船海与能源动力工程学院武汉430063

本文提出一种基于信息矩阵的动态嵌套Kriging模型的构建方法。该方法利用高斯函数信息矩阵,提取加点子空间,利用增量拉丁超立方进行自适应采样,同时为应对采样过程中因样本分布密集而造成的全局近似模型在某些局部空间过拟合的问题,在... 详细信息

本文提出一种基于信息矩阵的动态嵌套Kriging模型的构建方法。该方法利用高斯函数信息矩阵,提取加点子空间,利用增量拉丁超立方进行自适应采样,同时为应对采样过程中因样本分布密集而造成的全局近似模型在某些局部空间过拟合的问题,在加点子空间中构建局部近似模型,用于准确地描述局部目标解空间。最后通过数学函数对该方法的有效性与鲁棒性进行验证和分析,并将其应用于S60船型优化中。

关键词：船型优化 Kriging 信息矩阵

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62000 DWT多用途船的船型优化

船海工程 2023年第6期52卷 90-93页

作者：马雪泉张立蒋曙晖苑志江吕明冬上海船舶运输科学研究所有限公司航运技术与安全国家重点实验室上海200135 上海船舶运输科学研究所有限公司航运技术交通行业重点实验室上海200135 哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001 上海船舶研究设计院上海201203 海军大连舰艇学院辽宁大连116013

在母型船的基础上对一艘62000 DWT多用途船进行船型优化,以使其在设计吃水和结构吃水状态下获得更加优良的性能。分析母型船的船身压力和兴波,对压力梯度变化较大的区域变化船体局部几何形状;对艏部的进流角度和艉部的去流段长度进行优... 详细信息

在母型船的基础上对一艘62000 DWT多用途船进行船型优化,以使其在设计吃水和结构吃水状态下获得更加优良的性能。分析母型船的船身压力和兴波,对压力梯度变化较大的区域变化船体局部几何形状;对艏部的进流角度和艉部的去流段长度进行优化,以降低兴波阻力和减小船艉的流动分离。使用Star ccm+对最终的优化线型进行计算,并与母型船的结果对比,结果表明,优化船型与母型船相比,在设计吃水和结构吃水的阻力下降明显,船身表面压力梯度分布和螺旋桨盘面处的伴流分布更为均匀,达到了优化目的。结构吃水状态下的模型试验表明,阻力数值计算结果准确。线型优化使得船型具有更优良的性能,达到能效指数的要求,满足节能减排的目标。

关键词：多用途重吊船船型优化数值计算模型试验

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基于修正函数法的双燃料散货船船型优化

舰船科学技术 2022年第10期44卷 6-9页

作者：沈冠之冯君郑安燃宗涛中国船舶科学研究中心上海200011

随着绿色节能要求的提高,对船型优化工作的质量和设计周期提出了新要求。针对传统的船型优化方法在船体变形阶段耗时长、效率低的特点,基于修正函数方法,开发了船体自动变形程序。利用该程序,实现了21万吨双燃料散货船船体线型的自动变... 详细信息

随着绿色节能要求的提高,对船型优化工作的质量和设计周期提出了新要求。针对传统的船型优化方法在船体变形阶段耗时长、效率低的特点,基于修正函数方法,开发了船体自动变形程序。利用该程序,实现了21万吨双燃料散货船船体线型的自动变形。结合CFD线型优化经验,开展船首、船尾的线型优化,通过对优化过程中各线型方案的CFD结果进行分析,最终得到综合性能最优的优化船型。此外,在静水中对最终得到的优化船型进行快速性模型试验验证。结果表明,优化船型的螺旋桨收到功率较初始线型降低约3%。该方法成功实现了船体几何的快速变形,与传统的手动修改线型相比,节省大量时间,能获得更多数量的线型方案,提高了船型优化效率的同时达到性能指标要求。

关键词：修正函数自动变形 CFD 船型优化