基于知识工程的集装箱船结构设计及优化

摘要

随着计算机技术和人工智能技术的不断发展，计算机辅助船舶设计在船舶设计中起到了越来越重要的作用，计算机辅助船舶设计可以大大地提高船舶设计效率，缩短设计周期，并且能够保证设计准确性。知识工程作为人工智能最为活跃的分支之一，已经在模具、汽车制造等行业取得了巨大的成功，而其在计算机辅助船舶设计中的发展应用也处于起步阶段。本文将知识工程应用于集装箱船的结构设计之中。船舶结构设计是一个多学科、多目标和多约束的复杂课题，主要依赖资深专家的经验以及设计规范等关键知识，通过对专家经验的有效继承和对设计规范的准确实施，知识工程大大提高了结构设计的准确度和效率。本文主要进行的工作分为以下部分：
　　(1)基于知识工程和大型船舶设计软件Tribon对集装箱船典型结构，例如典型肋板开孔和中横剖面进行了设计和检验程序开发，且能自动生成检验报告，且通过程序接口方便地进行模型转换，使得设计结果能够在Tribon中进行3D展示，便利了初始设计的推进。
　　(2)通过原创程序开发，并且构建设计规范库、标准件库以及母型船数据库等多个数据库，实现了集装箱船基于母型船的舱段结构的设计。该方法得到了两种设计方案：规范设计法和插值设计法。二者均自动满足 CCS规范要求并符合真实设计规则，并且可以方便地转换为Tribon模型。
　　(3)通过接口程序自动生成有限元模型，并依据规范定义计算工况，最终完成了直接强度分析。通过屈服强度和屈曲强度分析表明，两种设计方案均为可行解，验证了设计思路的正确性，两种设计方案体现了不同的侧重点和设计理念。并且在直接强度约束下，通过多岛遗传算法对结构重量进行了优化设计。通过有效的将原创程序的设计结果、Tribon以及MSC.Patran等进行数据沟通，实现了设计、建模、分析等流程的无缝连接，省去了重复建模的麻烦，从而使得设计流程得以优化。
　　(4)根据实际航行中，船舶结构所遭受的腐蚀折损，对通过灵敏度分析得到的多个设计变量（板厚）施加单向高斯分布模型。借助Monte Carlo模拟方法对设计方案进行了基于直接强度的可靠性分析，并指出了关键受腐蚀构件及其对应的强度指标，以及规范设计法和插值设计法两种设计方案的不同。
　　(5)基于高斯过程（GP）的假设推导公式，构建有限元分析的代理模型，对腐蚀折损下船舶结构的强度响应进行模拟，并且通过原创的多岛遗传算法程序，结合多模态自适应要点抽样法，对规范设计方案和插值设计方案对应的结构进行了考虑腐蚀影响下的结构可靠性优化设计，并且比较了两种方案的差异。
　　(6)结合Pareto front概念，并以GP作为FEM的代理模型，通过原创的多目标多岛遗传算法程序对集装箱船货舱段纵向结构进行了布局优化，力求降低货舱重量和外表面积，并且以直接强度为约束。最终得到一系列非劣解，根据与理想解的最小距离法确定最优设计方案。此外，对水平集方法进行了算法改进，得到对于设计步长无限制的隐式算法且通过一系列改进和简化大大降低了计算量，并将其应用于船舶结构典型肘板的拓扑结构优化设计，考虑两种不同的边界条件，分别得到了相应的形状优化和拓扑优化方案。
　　(7)研究了基于谱分析的疲劳强度评估方法，将其应用于集装箱船舱口围面板相交处的结构疲劳损伤计算中，结合了多种修正因子进行了比较说明，并与IACS R56推荐的简化方法进行了比较，验证了该方法的可行性和正确性。此外，本文还指出了长峰波和短峰波的不同，证实了翘曲应力引入的必要性，并研究了不同操船方式、不同入射角度以及不同波高下结构的疲劳累积损伤。
　　本文主要创新点为：
　　(1)成功将知识工程原理应用于船舶结构设计并获得两种可行解，即规范法和插值法，大大减少了设计工作的时间，实现了设计、建模与分析的一体化。
　　(2)根据高斯过程的假设，获得了不受学科限制的多变量函数的代理模型，并结合多模态自适应要点抽样法，极大提高了可靠度计算的精度和效率。
　　(3)基于随机权重法及受启发于Pareto阵面的劣解剔除方法，自主开发了针对多目标优化问题的多岛遗传算法程序，通过将优化设计中的解逐渐推送到代表约束条件的Pareto阵面，得到一系列非劣解。
　　(4)对基于水平集的拓扑优化方法进行研究，通过采用Delta函数、边界影响传递函数以及相应的截断处理等对算法进行了改进，并通过约束条件对目标函数进行修正，最终得到了一种隐式算法，从而降低了优化过程中对步长的限制，保证了解的收敛性，且消除了最终结果对初始解的依赖。
　　(5)对基于谱的结构疲劳强度评估方法进行研究，对扭转所引起的翘曲应力对于疲劳的影响进行了研究，结果表明在集装箱船中翘曲应力对疲劳强度的影响是不容忽视的,文中还指出不同船舶操纵方式等参数对于结构的疲劳损伤具有较大影响。

目录

封面

答辩决议书

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 本文主要研究内容

第二章 知识工程原理介绍

2.1 知识工程的定义

2.2 知识的表示

2.3 知识的推理

2.4 知识获取与繁衍

2.5 知识的集成与管理

2.6 知识库的构建

第三章 基于知识工程的集装箱船典型节点设计与分析

3.1 Tribon简介

3.2 基于Tribon的集装箱船典型节点设计及强度校核程序开发

3.3 集装箱船中剖面的设计、优化及模型转换

3.4 本章小结

第四章 基于知识工程的集装箱船舱段设计与分析

4.1 基于知识工程的集装箱船舱段设计流程

4.2 集装箱船结构强度直接计算规范要求

4.3 设计实例分析

4.4 本章小结

第五章 基于尺寸和载荷不确定性的结构设计及优化

5.1 基于高斯过程的响应函数模拟

5.2 多模态自适应要点抽样法

5.3 GP-MAIS方法算例验证

5.4 考虑腐蚀的集装箱船结构可靠性优化设计

5.5 本章小结

第六章 集装箱船结构拓扑优化设计

6.1 拓扑优化背景介绍

6.2 基于水平集方法的结构拓扑优化

6.3 集装箱船舱段结构多目标布局优化

6.4 本章小结

第七章 基于波浪谱的结构疲劳强度评估方法

7.1 风浪谱密度公式

7.2 响应幅值算子（RAO）以及响应谱

7.3 基于谱分析的结构疲劳强度评估方法

7.4 结果及讨论

7.5 本章小结

第八章 结论与展望

8.1 研究结论

8.2 进一步研究

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表或录用的论文

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