船体线型优化设计方法及最小阻力船型研究

摘要

在满足一定的装载和布置要求条件下，船体最佳线型的确定是船舶设计过程中既繁复而又关键的设计技术之一，因为它直接影响到船舶快速性(阻力和推进)、操纵性和耐波性等重要性能。而最小阻力船体线型的确定又是船舶设计者首先要追求的目标。以往的船舶线型设计，主要是通过参考成功的母型船、依据设计者的经验和进行船模试验来完成，这要花费大量的时间和费用，而且具有很大的局限性。随着船舶流体力学理论的不断进步，计算机技术的飞跃发展，基于流体力学理论的船体线型最优化设计已经被欧美、日本、韩国等造船技术先进的国家用于实际的船型设计中，而我国目前的船舶设计部门仍主要采用传统的经验设计法来进行船体线型设计。当今，我国的造船能力已居世界前列，但船舶设计和建造技术却存在较大差距。为了提高我国造船业在国际市场的竞争力，提高我国造船企业的新船型开发能力，迫切需要研究快速生成阻力性能优良的船体线型最优化设计方法，开发具有自主知识产权的船体线型最优化设计软件。 监于以上的迫切要求，本文研究的目的是探讨快速生成阻力性能优良的船体线型最优化设计方法，开发自主知识产权的船体线型最优化设计软件。优化设计对象不仅局限于船体首部和前半体，还包括后半体在内的船体水线下整体形状。为此，本文以数值计算功能强大的Fortran语言为设计平台、以Tecplot为程序的后处理软件、以CAD为显示工具，把势流兴波理论、粘性理论、最优化技术和CAD技术有机结合，研究船体线型最优化设计方法及开发船体线型最优化设计程序。在优化计算过程中把降低兴波阻力作为主要目标，兴波阻力分别采用Michell积分法和数值计算精度较好的Rankine源法来计算，同时考虑尾部粘性分离的影响，利用简易湍流分离判断式来确定改良船型粘性阻力的变化，设计船的船体型值利用母型船型值和船型修改函数来表达。最优化计算方法分别采用在船型优化中应用较为成熟的传统优化方法(非线性规划法)和智能优化方法(基本遗传算法和小生境遗传算法)。其研究成果对船体线型理论设计法是一项新贡献，可为船舶设计及航运部门提供优化船体形状的理论基础和技术支持，可以期待产生较大的经济效益，提高我国造船业在国际市场中的竞争力。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1选题的科学依据及意义

1.1.1选题必要性

1.1.2选题可行性

1.2船舶阻力

1.3 国内外研究概况

1.3.1 兴波阻力理论

1.3.2船型优化方法

1.4论文研究内容

1.5论文结构与安排

2基于兴波阻力理论的数值计算

2.1 Michell积分法简介

2.2 Rankine源法基本原理

2.2.1 Rankine源法数学模型

2.2.2 自由面条件的线性化

2.2.3 自由面条件的求解方法

2.2.4计算兴波阻力

2.3 Rankine源法网格划分

2.4 Rankine源法计算程序流程

2.5算例

2.5.1 Wigley船型

2.5.2 S60船型

2.6 小结

3基于非线性规划法的船型优化设计

3.1 最优化方法理论

3.1.1 非线性规划法简介

3.1.2序列无约束最优化方法

3.1.3 梯度法

3.2基于Michell积分法的最小阻力船型优化

3.2.1建立船型优化模型

3.2.2 Michell积分法的船型优化数据文件

3.2.3算例

3.3基于Rankine源法的最小阻力船型优化

3.3.1建立船型优化模型

3.3.2船型优化流程

3.3.3算例

3.4不同设计条件下的船型优化设计

3.4.1 不同设计变量和约束条件下的最小兴波阻力船型优化设计

3.4.2不同设计航速下的最小阻力船型优化设计

3.5基于非线性规划法的实用船型首部优化设计

3.5.1建立船型优化模型

3.5.1船型优化流程

3.5.3 算例

3.6小结

4基于遗传算法的最小阻力船型优化设计

4.1 基于基本遗传算法的最小阻力船型优化

4.1.1建立船型优化模型

4.1.2基于基本遗传算法的船型优化

4.2基于小生境遗传算法的最小阻力船型优化设计

4.2.1小生境遗传算法

4.2.2基于小生境遗传算法的船型优化

4.3 算例

4.4.非线性规划法和遗传算法优化计算结果比较

4.5 小结

5考虑粘性分离的最小阻力船型优化研究

5.1粘性水阻力

5.2建立船型优化模型

5.3船型优化流程

5.4分离判断法

5.4.1 二维简易分离判断条件

5.4.2流线跟踪法

5.4.3算例

5.5小结

6结论与展望

6.1全文工作总结

6.2最优船型实用性讨论

6.3展望

参考文献

附录A差分算子

攻读博士学位期间发表学术论文情况

攻读博士学位期间参与的科研项目

创新点摘要

致谢

作者简介