最小阻力参数化船型自动优化设计方法研究

摘要

随着海洋环境保护日渐受到大家的重视，世界各国及各相关组织相继推出并实施了各种针对航运业在船舶航行过程中燃油排放以及能效设计指数的严苛规则，使得一直以来都是船舶行业永恒话题的最小阻力船型优化设计变得愈发重要。与此同时，因船型阻力优化设计在新船型获得、阻力预报、约束控制等各方面的复杂性，各国船舶设计工作者都在不断探索船舶优化设计中更为快捷智能且高效的新方法。由此，本文对最小阻力参数船型自动优化设计方法开展了分析和研究。 在船型优化设计过程中，本文建立了参数化船型自动优化系统。并针对参数化船型优化设计中的船型建立、优化方法及优化路径等关键问题进行了讨论分析，主要内容如下： 首先，本文建立了基于参数化船型的自动优化系统。该系统在实现船型自动优化设计的基础上，在船型优化过程中的各阶段分别提供了多种选择，如各种优化目标选择、不同优化方法选择以及各类约束控制选择。通过不同优化阶段中各种选择的有机结合，让整个船型优化设计体系变得更加方便智能，提升了船型优化设计的多样性及适用性，同时也大大提高了船型优化设计效率。 其次，在参数化船型模型建立方面，本文提出了一种船型参数分层模型，并基于此模型论述了全参数化及半参数化船型构建方法。与此同时，因初期船型建立完成之后，设计者往往还需针对排水量、浮心位置等进行船型二次调整，本文还提出了一套基于设计目标参数的船型变换方法。 最后，针对参数化船型在优化过程中特征参数较多以及参数化船型无法任意调整局部船型的缺陷，本文提出了两种参数化船型优化设计路径。第一种是基于参数敏感性分析的船型优化设计方法，在对一艘常规船型开展优化之前，先对其建模中的特征参数进行敏感性分析，从而淘汰对船舶阻力无显著影响的参数，接着对该船型进行基于SOBOL算法及TSM（Tangent Search Method）优化算法的优化设计。第二种是全参数与半参数船型组合优化方法，首先基于NSGA-Ⅱ（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm）优化算法对一艘小水线面双体船SWATH（Small Waterplane Area Twin-hull Ship）全参数船型的船艏、船尾及支柱开展优化设计，之后在前期优化船型的基础上利用半参数船型建模方法对船艏形状进行几何重构获得新船型，并再次通过NSGA-Ⅱ优化方法对半参数船型进行优化设计从而获得最终优化船型。 总的来说，本文以最小阻力参数化船型优化设计方法为主要研究内容，给出了全参数船型及半参数船型的建立方法、船型自动优化设计系统的建立方法以及基于参数化船型的两种优化设计方法，有助于后续船舶设计者设计出阻力更小的船型，同时也使船型优化设计变得更加智能而高效。

目录

声明

1 绪论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 国内外研究现状及发展

1.2.1 船型参数化设计

1.2.2 船舶阻力预报

1.2.3 船型优化设计方法

1.3 论文研究内容及结构

2 参数化船型自动优化设计

2.1 引言

2.2 参数化船型自动优化系统

2.3 小节

3 船型参数化建模及变换

3.1 引言

3.2 船舶全参数化模型构建

3.2.1 参数化船型构建基础

3.2.2 船型参数化构建

3.3 船型半参数化模型构建

3.3.1 基于特征变形曲线的船体几何重构

3.3.2 基于FFD变形模块的船体几何重构

3.4 基于设计目标的参数化船型变换

3.4.1 设计目标参数计算原理

3.4.2 参数化船型变换

3.5 小节

4 船舶阻力预报

4.1 引言

4.2 船舶阻力预报理论基础

4.2.1 控制方程

4.2.2 湍流模型及自由液面模拟

4.3 网格划分及参数设置

（1）网格划分

（2）参数设置

4.4 小节

5 优化设计模型建立及求解

5.1 引言

5.2 优化设计模型

（1）目标函数

（3）约束条件

5.3 参数化优化前处理

5.3.1 正交试验设计

5.3.2 SOBOL算法基础

5.4 优化求解算法

5.4.1 TSM优化算法

5.4.2 NSGA-II优化算法

5.5 小节

6 船型参数化建模及优化设计算例验证

6.1 引言

6.2 基于参数敏感性分析的参数化船型优化设计方法

6.2.1 常规船型参数化建模

6.2.2 船型特征参数敏感性分析

6.2.3 基于SOBOL算法及TSM优化算法的组合优化设计

6.2.4 优化结果及分析

6.3 全参数与半参数船型组合优化设计方法

6.3.1 SWATH船型参数化建模

6.3.2 基于特征参数的全参数化船型优化

6.3.3 基于特征变形曲线的半参数化船型优化

6.3.4 优化结果及分析

6.4 小节

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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