基于遗传粒子群算法的长江水系多用途船中剖面结构优化研究

摘要

长江干线贯穿中国七省二市，长江航运承担了沿江流域的主要大宗性货物的运输，长江航运的发展对长江经济带的建设和发展起到重要的促进作用，长江黄金水道的绿色发展是长江航运可持续发展的重要支撑。降低船舶对流域环境的影响，以更少的燃料消耗运输更多的货物，是长江航运绿色发展进程中对船舶的基本要求。因此，运用优材减重等结构优化技术对长江水系标准船型进行结构优化设计，将绿色基因引入到船舶结构中，使得船舶结构产品达到节能、减材、安全的设计目标，这是长江水系船舶结构设计势在必行的关键技术之一。
　　多用途船作为长江干线上的三大主力船型之一，针对其标准船型的船体结构进行结构优化具有重要的工程应用意义。本文选取一艘长江水系货-37(Ⅰ)多用途船作为研究对象，结合本船的结构特点，为了降低多用船货舱段结构的重量，通过对船舶结构优化基本理论分析，选取了本船货舱段的中剖面结构进行尺寸优化。为了提高优化算法对结构优化的求解性能，本文将具有局搜索性能的遗传算法和快速收敛性能的粒子群算法相结合，然后将改进后遗传粒子群算法和双种群遗传粒子群算法应用到多用途船的结构优化中，最后基于Patran&Nastran建立有限元模型进行强度计算，校核优化后船体结构的强度，验证优化结果的有效性。本文的主要研究内容如下:
　　(1)基于遗传算法和粒子群算法的基本理论及其特点，结合混合算法和多种群的改进策略，提出具有较好寻优性能的遗传粒子群混合算法和双种群遗传粒子群混合算法;
　　(2)建立长江水系货-37(Ⅰ)多用途船中剖面结构尺寸优化的数学模型，以单位长度货舱段的重量最轻作为优化目标，选取中剖面上纵向骨材的剖面积和板厚作为设计变量，结合《钢制内河船舶建造规范》建立优化模型的约束条件，然后分别将遗传算法、遗传粒子群算法、双种群遗传粒子群算法进行结构优化，三种优化算法分别使目标函数下降了5.11％、5.90％和6.70％，通过对三种算法的优化结果分析得出，双种群遗传粒子群算法在船舶结构优化问题的求解过程取得较好的优化结果较快的收敛速度，遗传粒子群算法次之;
　　(3)运用MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN有限元软件，根据相关规范，对多用途船整个货舱段优化前及采用双种群遗传粒子群算法优化后的舱段强度进行计算校核，计算结果表明，优化后的货舱段结构强度满足规范要求，说明了双种群遗传粒子群算法对求解船舶结构优化问题的适应性和有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 船舶结构优化研究现状

1．4 主要研究内容

第二章 船舶结构优化设计基本理论

2．1 船舶结构优化设计的概念

2．2 船舶结构优化的层次

2．2．1 尺寸优化

2．2．2 形状优化

2．2．3 拓扑优化

2．3 船舶结构优化数学模型

2．3．1 目标函数

2．3．2 设计变量

2．3．3 约束条件

2．4 船舶结构的优化方法

2．4．1 经典优化算法

2．4．2 智能搜索优化算法

2．4．3 基于代理模型的优化方法

2．5 本章小结

第三章 遗传粒子群算法的研究分析

3．1 智能搜索算法在最优化问题中的应用

3．2 遗传算法的基本原理

3．2．1 遗传算法基本思想及特点

3．2．2 遗传算法基本操作和流程

3．2．3 船舶结构优化遗传算法操作设置

3．3 粒子群算法的基本原理

3．3．1 粒子群算法的基本思想及特点

3．3．2 粒子群算法基本操作和流程

3．4 粒子群算法与遗传算法结合的改进算法

3．4．1 遗传算法与粒子群算法的结合思想

3．4．2 遗传粒子群算法的设计

3．4．3 遗传粒子群算法的基本操作和过程

3．5 双种群改进策略与遗传粒子群算法结合的混合算法

3．5．1 双种群改进策略与遗传算法粒子群算法的结合思想

3．5．2 双种群遗传粒子群算法的设计

3．5．3 双种群遗传粒子群算法的基本操作和流程

3．6 本章小结

第四章 长江水系货-37(Ⅰ)多用船货舱结构优化设计分析

4．2．1 目标函数建立

4．2．2 设计变量选取

4．2．3 约束条件确定

4．3 优化算法编码设计

4．4 遗传算法仿真分析

4．4．1 遗传算法基本操作流程修改

4．4．2 遗传算法仿真

4．5 遗传粒子群算法仿真分析

4．6 双种群遗传粒子群算法仿真分析

4．7 仿真结果对比分析

4．8 总纵强度校核

4．9 本章小结

第五章 长江水系货-37(Ⅰ)多用船舱段结构有限元强度分析

5．1 船型资料

5．2 货舱段有限元模型建立

5．2．1 有限元模型坐标系

5．2．2 模型范围的确定

5．2．3 有限元划分

5．2．4 材料参数

5．2．5 边界条件

5．3 计算工况

5．4 计算载荷

5．4．1 货物载荷

5．4．2 舷外水压力

5．4．3 端面弯矩

5．5 计算结果校核

5．5．1 许用应力

5．5．2 应力计算结果

5．5．3 位移计算结果

5．6 计算结果分析

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 不足与展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间所发表的学术论文