船舶优化设计第1篇

【关键词】船舶设计；模型；多学科；研究

全球制造业随着经济社会的发展，对我国的国民经济也得到了迅速的提升与发展。因此我国的造船业也迎来了比较适宜的发展契机，但是我国虽然是造船大国，但是却进入不了造船强国的行列。所以再这种背景之下，我国的造船工业急需创新与发展，但是面对技术密度高且周期又长的船舶设计工程，学习与借鉴分析国际上的先进方法与理论，深入了解其特点，优化设计方法，无论是有效控制周期、还是节省成本或提高设计质量而言，都是相关行业人员非常重要的任务。

一、船舶多学科优化设计的特点

（一）问题具有综合性特点

船舶本身就是一个复杂的综合物体，所以对其进行设计其方案也必定拥有较为复杂的综合性特点，这些问题包含了流体静力学、水动力以及结构等多方面的知识。只有把这些学科高度优化与融合在一起，才能完整的设计船舶，因此，对于船舶的设计而言，其设计问题是具有综合性的特点的。

（二）设计问题具有矛盾性特点

设计问题的矛盾主要存在于船舶的各项技术之间，这包括安全性与经济性特征。这就相当于对船舶的设计设置了一个矛盾点。又比如，在排水量一定的情况下船舶的载重量与航速及航程之矛盾，阻力与效率之间的矛盾，船舶操纵的稳定性与灵活性之间的矛盾等。因此在确定设计方案的时候，调整某一项设计因素，就会牵扯到别的因素，这就要做出合理的取舍，综合与全局考虑，才能使得整个设计方案呈最优化状态。

（三）各学科关系之间具有复杂性特征

船舶设计牵扯到的学科是方方面面的，因此随着设计者对船舶设计的不断深入，矛盾就会下显现，但是修改这些矛盾点，不是通过对某种学科的改变就能够改变的，多学科之间有着复杂的联系与分工，其耦合关系具有一定的复杂性特征。

二、船舶多学科优化设计建模分析

（一）设计初级阶段引入MDO

船舶设计的过程是复杂的，是逐步进行的，因此其设计过程也需要适应一种方法。因为其包括了初步构想、初级设计与完善设计几个方面，所以在不同的设计阶段设计知识和自由度也会呈现出不同的变化趋势。如下图（1）所示：

船舶设计的不同阶段对应相应的设计知识积设计自由度，设计阶段越靠后需要的设计知识越多，而设计的自由度却越低。由此也可以看出，传统的设计方法与概念以及相对应的周期也是比较短的，因此其是不能获得足够的知识的，这样一来就不利于设计工作的进行。因此为了获得最优的方案，就需要在设计初期考虑多学科因素，从船型、结构与推荐等方面得出变量关系。

（二）船舶的总体设计及学科划分析

总体设计是一项非常重要的工作，其综合性强，设计面也比较广，对船舶设计的总体质量保障也是相当重要的前提。一般来其包含了几个方面：1、船型的特征与布置构；2、尺度的考量与选择；3、技术性能的分析与估算；4、其他犹如法律法规的问题。

这些内容都是总体设计阶段需要着重考虑的问题，需要综合性考虑，且其中也包含了以下结果领域：船型、重量、船舱容量、速度与稳定性、操纵的灵活性、结构与经济性等。因此对不同类型的船舶进行多学科优化设计的时候，需要选择与其相适应的经验公式与统计公式模型。

（三）重量学科的模型分析

重量模型分析主要是为了使船舶的浮力与重力达到一个平衡的标准，让其准确的漂浮在吃水线上面。因此，如果重量计算的误差过大，船舶的下沉就会比较深，这样就会影响船舶的使用性能。所以正确的设计中心的位置，确定浮性与稳定性、耐波性与强度等因素。船舶的重心估算式如下：

（四）船舱容量学科分析

船舶的重量是基础，但是船舶的容量（舱容）也是比较重要的一部分，这是使用面积，包含了甲板面积，是用来转载货物与油水的空间。其是一项重要的使用性能，因为一旦舱容不够，就会影响使用效果，反之又容易造成浪费。因此在设计阶段，根据船舶的尺度，通过合理的重量与尺度比例计算出合理的容积，用以满足船舶运行的要求是非常具有必要性的。

（五）速度学科分析

快速性与经济性联系非常大，其实根据在一定的基础上，根据主机的功率来定的。而影响船舶航行速度的因素，无论是阻力还是排水量都需要科学的验证，船舶的总阻力取决于排水量、与尺度比等需要因素。另外，从推进方面来看，主要是螺旋桨的推进方式，螺旋桨的效率和符合系数有着直接的关联。因此从设计的角度来说，解决这些问题，主要在于如何选择适合的尺度由于主机功率，另外优化船型减少阻力也需要考虑。

（六）稳定学科分析

船舶的设计稳定性分为两部分，分别是初稳性与大倾角稳定性。其中影响因素包括船舶中心的高度，水线面系数以及型宽等。另外其还与干弦、上层建筑以及进水口的位置及受风面有着联系。因此，出于安全考虑，需要确定适宜的初稳性高下限值。初稳性高的近似估算值公式如下：

（七）耐波性学科分析

船舶的耐波性的好与差直接关系到船舶的使用性能与安全性能，在如今其已近成为衡量船舶性能的重要标准之一，通常在国际上也是通过耐波性来评判一艘船舶的质量。耐波性的学科分析模型如下：

（八）操纵性学科分析

传统的设计中，船型主要是根据尺度与快速性与稳性等方面的要求来决定的，其甚少考虑操纵性的要求。但是这并不代表其不重要。它也包含了三项内容：航向稳定性、回转性与转首性。因此在船舶设计的初级阶段，如果想使船舶具有最优的操纵性能，就必须要建立，操纵指标与其它参数之间的关系，航向稳定性的公式如下：

回转性的公式如下：

（九）经济学科分析

一搜船舶的设计必须要满足多学科的共同需求，最大限度的使用。然而现在公认的破坏船舶主要干扰因素是经济性。即在确定技术要素的同时，必须考虑经济性的因素。通俗来讲就是，在保障船舶航行安全的状态下，估算造价。整船估计具体公式如下：

经济学科分析模型如下：

三、结束语

船舶设计是一项非常复杂的系统工程，其周期长、学科多以及耦合关系复杂等，因此决定了学科分析需要采用精度更高的方法，然后利用响应面近似模型技术来完成整个设计优化过程。如今，多学科设计的优化方法已经被飞机甚至是导弹行业所应用，并且也取得了良好的设计结果。由此可以看得出来其是一项非常科学的、行之有效的方法。鉴于此，本文针对船舶多学科设计的优化建模研究，只是对船舶总体多学科设计工作的一个开始，希望经过船舶设计及制造业从业人员的不断努力，我国的船舶设计水平能够达到一个较高的水平，是我国快速迈向造船强国行列。

参考文献

船舶优化设计第2篇

关键词：船舶结构；有限元法；优化设计；浮态调整；自动加载

一、引言

在船舶结构直接计算中，外载荷(包括波浪压力、砰击载荷、货物压力、晃荡载荷、波浪弯矩、剪力和扭矩等)[1]的计算都依赖于经验公式，不管是采用全船的计算模型还是采用舱段的计算模型，目前情况下很难得到一个完全平衡的外载荷力系。由于船舶结构是一个复杂的空间结构，直接计算时，有限元模型中节点数、单元数十分庞大，载荷计算的累计误差使得寻求一个完全平衡的外载荷力系的工作更加困难。在这种情况下，施加合理、合适的边界条件变得十分重要，因为约束点产生的很大的反力严重地影响(改变)了结构的实际受力状态。边界条件对于计算的结果有重大的影响，而边界条件的确定取决于对结构受力和变形状态的判断以及分析者的经验，其中人为的因素较多。也许可以认为根据StVenant原理，由于约束点距离我们最关心的部位较远，对应力分布的计算结果的影响有限，但是这样得到的结果毕竟是不甚合理的。因此用有限元方法计算船舶结构强度时，为了得到比较准确的变形和应力结果，可能需要特殊的处理方法。目前的研究中有采用惯性释放的方法[2]，此方法用结构的惯性力来平衡外力，由于人为的施加外载荷，虽然在大多数情况下，都经过了节点力的调整，但作用在船体的力系仍然不是平衡力系，根据达朗贝尔原理，利用惯性力使整个力系达到平衡。也有研究整船有限元模型自动加载技术的[3]，这些研究都需要经过节点力的调整和惯性平衡力计算的多次叠代，对船舶要进行浮态调整，实现起来，比较繁琐。

本文基于优化设计的思想，提出了一种应用ANSYS优化设计分析功能进行船舶浮态的自动调整及加载的方法，使得施加在有限元模型的整个外载荷几近于平衡力系，约束点的支反力接近于零，通过算例证明了该方法的可行性。

二、ANSYS优化设计理论及其应用于船舶浮态自动调整及加载

ANSYS优化设计分为目标优化设计和拓扑优化设计两种。目标优化设计是一种通过迭代试算以确定最优化设计方案的技术[4]。所谓“最优设计”，指的是该种方案可以满足所有的设计要求（如应力低于许用应力，长度小于临界长度），而且目标量的支出（如重量、面积和费用等）最小。一般来说，设计方案的许多方面都可以优化，如尺寸、形状、制造费用、自然频率等。所有可以参数化的ANSYS选项几乎都可以做优化设计。ANSYS优化设计实际就是程序提供了一系列的分析―评估―修正的循环过程，这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。ANSYS优化模块中的三大变量是设计变量、状态变量和目标函数，设计变量为自变量，优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的，而实际上设计变量就是需要真正的进行设计的变量。状态变量是约束设计的数值，为因变量，是设计变量的函数。目标函数即为最后用以评估设计是否最优设计的量，一般来说是要尽量减小的量，它必须是设计变量的函数，也就是说目标函数的数值也必须随着设计变量的改变而改变。

本文的思路是基于ANSYS优化设计理论，我们将船舶首尾吃水定义为设计变量，也就是说将船舶模型的舷外水压力载荷作为我们设计的变量，再将单元的应力定义为状态变量，约束点处的支反力定义为目标函数，通过优化迭代设计，ANSYS优化设计程序将通过迭代试算自动寻找到船舶合理的也就是实际的吃水状态，使得目标函数值即约束支反力的大小接近于零，此时整个外载荷几近于平衡力系，得到的设计变量的解最接近船舶实际的吃水及浮态，这个解也就是我们所要寻找的最优解，寻找到最优解的这次迭代实际上也完成了船舶有限元模型合理的加载与计算。

整个优化程序设计的主要步骤为（1）用命令流参数化建立船舶有限元模型，船舶的吃水等设计变量用参数化的形式输入，并指定初始值，为了提取必要的状态变量以及目标函数，需要进行一次求解且用命令流提取并指定状态变量和目标函数，将船舶的吃水指定为设计变量，单元的应力指定为状态变量，约束处的支反力定义为目标函数，然后生成循环所用的分析文件，该文件包括整个分析的过程；（2）进行优化分析的设置，进入OPT，指定分析文件，声明优化变量，选择优化工具和优化方法，指定优化循环控制方式等。（3）运行优化程序，进行优化分析并查看设计序列结果和后处理。

三、算例

为了说明该方法的的可行性，本文对一柱体进行了基于优化设计的浮态调整。如图1所示，柱体的横截面为正方形，柱体上表面0-3000mm范围内的均布载荷为1/375 N/mm2，3000-7000mm范围内的均布载荷为3/800 N/mm2，7000-10000mm范围内的均布载荷为7/3000 N/mm2，首吃水的初始值B=300mm，尾吃水的初始值A=500mm，整个分析计算过程的APDL程序如下：

图1 柱体模型尺寸及载荷示意图（尺寸单位：mm）

/BATCH ASEL,A,LOC,X,10000

*SET,A,500! 定义设计变量初始值 ADELE,ALL,1

*SET,B,300 ASEL,S,LOC,Y,0

/PREP7！进入前处理建立有限元模型 ASEL,A,LOC,Y,1000

ET,1,SHELL63 ASEL,A,LOC,Z,1000

R,1,10, , , , , , AREVERSE,ALL

ET,2,LINK8 ESIZE,50,0

R,2,500, , MSHAPE,0,2D

MPTEMP,,,,,,,, MSHKEY,1

MPTEMP,1,0 ASEL,ALL

MPDATA,EX,1,,2.1E5 AMESH,ALL

MPDATA,PRXY,1,,0.3 N,0,-500,500

BLC4, , ,10000,1000 N,10000,-500,500

VEXT,all, , ,0,0,1000,,,, TYPE,2

VDELE, 1 MAT, 1

ASEL,S,LOC,X,0 REAL,2

ESYS, 0 D,NODE(0,0,500),,,,,,UX,,UZ,！施加约束

SECNUM, D,NODE(10000,0,500),,,,,,,,UZ,

TSHAP,LINE D,NODE(0,-500,500),,,,,,,UY,,

E,NODE(0,0,500),NODE(0,-500,500) D,NODE(10000,-500,500),,,,,,,UY,,

E,NODE(10000,0,500),NODE(10000,-500,500) ALLSEL,ALL

NSEL,S,LOC,X,0,3000 SOLVE ！第一次求解

NSEL,R,LOC,Y,1000 FINISH

FINISH /POST1！进入后处理

/SOL！进入求解器 SET,LAST

ANTYPE,STATIC ETABLE,STR,LS,1！提取状态变量值

SF,ALL,PRES,8000/(1000*3000) ！定义载荷 *GET,STR1,ELEM,ENEARN(NODE(0,-500,500)),E

TAB,STR

NSEL,S,LOC,X,3000,7000

NSEL,R,LOC,Y,1000 *GET,STR2,ELEM,ENEARN(NODE(10000,-500,50

0)),ETAB,STR

SF,ALL,PRES,15000/(1000*4000)

NSEL,S,LOC,X,7000,10000 *SET,C,ABS(STR1)

NSEL,R,LOC,Y,1000 *SET,D,ABS(STR2)

SF,ALL,PRES,7000/(1000*3000) *SET,W,500*（C+D） ！提取目标函数值

ALLSEL,ALL FINISH

*DIM,P1,TABLE,2,3,1,X,Y, LGWRITE,'OPT','lgw', ！生成优化分析文件

*SET,P1(0,1,1) , 0 /OPT ！进入优化处理器

*SET,P1(0,2,1) , B OPANL,'OPT','lgw',' '！指定分析文件

*SET,P1(0,3,1) , A OPVAR,A,DV,300,700, , ! 定义设计变量

*SET,P1(1,0,1) , 0 OPVAR,B,DV,200,600, ,

*SET,P1(1,1,1) , A/100000 OPVAR,C,SV,0,100, , ！定义状态变量

*SET,P1(1,2,1) , (A-B)/100000 OPVAR,D,SV,0,100, ,

*SET,P1(2,0,1) , 10000 OPVAR,W,OBJ, , ,10, ！定义目标函数

*SET,P1(2,1,1) , B/100000 OPSAVE,'OPT',' ',' '

NSEL,S,LOC,Y,0,1000 OPTYPE,FIRS！定义一阶方法

NSEL,U,LOC,Y,1000 OPFRST,8, , , ！最大8次迭代

SF,ALL,PRES,%P1% ！定义水压力载荷 OPEXE！开始优化分析

ALLSEL,ALL

程序在第3次迭代计算的时候，找到了最优解，此时设计变量A=320.84mm，B=279.07mm，目标函数W=4.2832 N，本次迭代同时也完成了模型合理的加载与计算。设计变量A、B对迭代次数的函数曲线见图2所示，目标函数W对迭代次数的函数曲线见图3所示。

理论计算结果为A=321.001mm，B=278.999mm，优化程序计算表得到的A值的相对误差为0.519%，B值的相对误差为0.025%，误差非常小，可见程序的计算是有效的。

图2A、B对迭代次数的函数曲线 图3W对迭代次数的函数曲线四、结论

有限元方法在船舶结构分析中已经得到广泛应用，由于船舶结构的复杂性，浮态的调整和舷外水压力的计算及加载要花费大量的精力，从算例可见，基于ANSYS优化设计分析可以用来自动处理这些工作，并能较好地接近理论计算的结果，因此该方法在船舶结构的直接计算中，具有一定的实用性。

参考文献

[1]王杰德，杨永谦. 船体强度与结构设计[M].北京：国防工业出版社，1995.

[2]张少雄，杨永谦. 船体结构强度直接计算中惯性释放的应用.中国舰船研究，2006，1（1）：58~61.

[3]朱胜昌，陈庆强. 整船准静态分析的有限元模型自动加载及载荷修正技术.船舶力学，1999，3（5）：47~54.

船舶优化设计第3篇

[关键词]船舶；螺旋桨；优化；设计

中图分类号：F407.474 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）15-0355-02

在船舶设计领域，针对船舶的稳性、快速性、操纵性及耐波性等分别具有一套理论完善、实用有效的设计方法。因此，随着航运业的高速发展，船舶的经济性、环保及安全性日益受到重视，对船舶的综合性能提出了更高的要求。螺旋桨作为主要的船舶推进装置，其综合性能直接影响着船舶的快速性、安全性与舒适性。同时，随着船舶向高速化、大型化发展，螺旋桨负荷日益加重，而丰满型船尾容易导致伴流场的不均匀程度增加，使得单纯考虑效率的螺旋桨设计方法无法满足现代螺旋桨的性能要求，必须发展新的设计方法，从推力、效率、空泡及激振等多方面对螺旋桨进行综合优化。

1 优化设计方法

1.1 优化问题

螺旋桨螺距与拱度的优化设计问题主要是在给定桨叶负荷的面分布形式时对螺距与拱度的配合进行优化设计。优化过程中，桨叶径向负荷的分布形式被指定的归一化形式限制，叶剖面采用 NACA a=0.8 拱弧线或其他形式，通过调整螺距与拱度的匹配，使桨叶负荷的弦向分布形式与给定形式的方差最小。采用升力面理论涡格法程序计算桨叶负荷及水动力，优化问题的提法如下：

其中：Γmn、Γ0mn分别为桨叶附着涡强度的计算值和要求值，依次根据计算得到的负荷弦向分布及给定的负荷弦向分布形式来确定。M、N 分别为桨叶径向和弦向涡格数，本文取 M=15，N=10。

限制条件式（2）中，Tσ为推力系数计算值TK与设计要求值T0K 之绝对误差，Tε为误差限，本文取Tε=0.025%。另外

式（5）中Γ0m为给定的桨叶负荷径向分布形式，归一化方法同Γm。rε为rσ的允许误差，本文取rε=0.05%。

选择桨叶各半径剖面的螺距比PDi和最大拱度与相应的弦长的比值0Mif为优化变量，为了减少计算量，可根据设计条件限定优化变量的取值范围，本文取DLP=0.5、DUP=1.3，0ML

f=0.0、0MUf=0.1。在优化过程中，发现桨叶梢部对径向载荷的变化特别敏感，而负荷径向分布很难在叶梢部完全与指定负荷分布形式保持一致，所以优化得到的螺距比在叶梢部极易出现突变，这在螺旋桨设计中是不允许的，因此，根据螺旋桨设计经验引入式（7）作为限制条件，以控制叶梢附近螺距沿径向的变化趋势：

其中：LPD=-0.05，UPD=0.0，该限制条件用来使叶梢部的螺距比沿径向递减。

螺旋桨设计中，首先必须满足推力要求，限制条件（2）的第1式即为此而设；第2式用于限制负荷的径向分布形式，这是影响效率的一个主要因素，本文仅考虑负荷的径向分布形式给定的情况，并不进行效率优化，也就是说，保持原桨负荷径向分布不变，改变其弦向分布，通过优化桨叶螺距比与拱度的配合，使桨叶表面压力分布趋于均匀，从而改善桨叶的空泡性能。需要说明的是，上述误差限的取值是为了使相应误差尽可能小，在优化过程中实际的误差常常大于误差限，如限制条件中要求σr≤εr=0.0005，在实际优化计算中常常不能严格满足这一限制要求，而相应的最终优化结果却达到了设计要求，因此这种情况下可认为此限制条件是满足的。同样，σT≤εT的限制出现类似情况时，也不做严格要求。

2 优化案例

2.1 优化对象及其性能分析

本章以某集装箱船五叶螺旋桨为原型，在保持或提高原桨的敞水效率的前提下，以改善桨叶负荷分布为目标，对桨叶螺距与剖面最大拱度的径向分布进行优化。五叶桨的主要参数见表1。

按照上述螺旋桨优化设计流程，得到的优化结果需要通过SPROP（VLM方法）及FLUENT（

CFD 方法）软件从数值计算的角度进行验证，以确定优化目标是否实现。表2比较了原桨在设计工况下的敞水性能的试验结果与数值计算结果。

从表2可知：SPROP 软件预报值的相对误差为：推力-1.5%、扭矩-5.0%、效率+3.7%；FLUENT

预报值的相对误差为：推力+1.0%、扭矩+0.4%、+0.6%。SPROP 软件预报的扭矩与试验差别较大，可能是由其尾涡模型对叶梢卸载桨的适用性差以及粘性阻力估算误差较大引起；而 FLUENT 软件预报值与试验值非常吻合。假定SPROP 软件的计算误差在优化过程中不S设计方案的改变而改变，在优化设计中，设定推力目标值时需按原型桨的预报误差预先给与补偿。

3 优化结果

表3为A桨与B桨的目标函数及限制条件的满足情况。可以看出：与负荷径向分布相比，在整个拱弧面上满足给定的负荷弦向分布相对比较困难；因为B桨负荷的弦向分布形式不同于A桨，而拱弧线形式与A桨相同，所以σs、σr的误差均比A桨大；控制叶梢螺距变化的限制条件则有效地使叶梢的螺距沿径向呈递减趋势，限制了叶梢部螺距的数值波动，使之具有工程实用性。

螺距与拱度的优化结果与原桨之比较分别如图3.1、3.2所示。螺距与拱度的分布趋势表明：当螺距与拱度作为离散变量各自独立变化时，最终得到的螺距与拱度分布难以保持光顺。其原因可能是：负荷径向分布无法精确满足给定值，负荷弦向分布形式与给定的形式也存在一定的误差，以及数值计算的随机误差。因此本章从工程的实用性要求出发，在保持优化结果的分布趋势及满足推力要求的前提下，对优化结果进行光顺处理，并以光顺后的结果为最终优化设计方案，利用FLUENT 对其进行CFD计算分析。

优化设计中，A、B 桨及原桨负荷的径向分布形式保持不变，原桨通过增加叶梢拱度，以弥补叶梢螺距卸载（指叶梢螺距相对于0.7R处螺距的减小量）所损失的负荷。根据图3.1、

3.2中对螺距与拱度分布的定性分析可知A、B桨的螺距与拱度配合能够产生与原桨相同的负荷径向分布形式。

图3.3、3.4分别为SPROP软件计算的A、B桨的负荷弦向分布与A桨相比，B桨负荷的弦向分布在导边附近有所卸载，但卸载程度远小于原桨。与三种负荷弦向分布对应的螺距与拱度配合如图 3.1、3.2所示，其中A桨螺距最大、拱度最小，原桨的螺距最小、拱度最大，

B 桨螺距与拱度均居于A桨与原桨之间。这一结果充分说明负荷的弦向分布形式对螺距与拱度配合的影响。在设计工况下，从三种螺距与拱度配合下的桨叶性能进行分析，A、B 桨各半径处的剖面比原桨剖面更接近翼型的设计状态，可能对桨叶效率有利；但原桨剖面的工作状态更接近于面空泡界限，而A、B 桨偏向背空泡界限，因此原桨在轻载工况下应该容易发生面空泡。

4 结语

通过对弦向负荷分布形式的比较，认为常用的a=0.8的负荷分布形式不太适合于高速、重载的现代船舶螺旋桨设计，该形式使桨叶导边附近的负荷过重，容易在叶背侧的导边附近形成负压峰，进而诱发桨叶背空泡。导边卸载的负荷分布形式（如 a=0.8 & b=0.1）可能是一种更好的选择。

参考文献：

[1] 干洪： 计算结构力学[M].合肥：合肥工业大学出版社，2004.

[2] 岳珠峰， 李立州， 王婧超等： 航空发动机涡轮叶片多学科设计优化[M].北京： 科技出版社， 2007.

船舶优化设计第4篇

关键词：船舶管理系统；弹性支撑；位置优化设计

在战争中，船舶经常会受冲击作用造成内部部件损坏，进而产生严重的故障问题。随着科学技术的发展，加强了船舶管路系统的研究力度，主要利用随机输入对弹性支撑参数及位置等进行了分析，但没有对冲击荷载及位置优化等进行分析。本次主要采用直梁模拟船舶管路系统，并利用模型计算、控制等一系列操作，对不同位置的弹性支撑进行了验算，可以得到各种动态响应参数，确定了弹性支撑位置。

一、构建数学模型

本次主要对船舶弹性支撑管路系统进行研究，结合弹性支撑情况，将管路系统中的一部分作为了直梁模型。通常可以将管路系统划分为两个阶段进行分析：第一阶段，受冲击荷载影响，系统可得到初始速度。但是此阶段冲击荷载作用的实践较短，产生的冲击较大，所以可忽略不计。第二阶段是冲击后阶段，该阶段中获得的冲击初始速度，在周期与随机作用下会发生强迫运动，产生的振动强度较大。

本次分析中将其运动分为三步，第一，运动方程：

其中ρ表示航渡，E表示拉压弹性模量，I表示断

面关心矩，x表示激振位移，y（x，t） v表示梁挠度， 为激振位移，Cm为粘性系数，lci表示弹性支撑位置。

第二，冲击运动方程。船舶受到较大冲击力之后，可以将运动时间曲线表示成：

其中参量V表示衡量攻击强

度的速度；T1表示冲击运动非振荡与风量衰减时间，一般随着船舶运动、类型等情况变化；时间T2为主震荡衰减时间；时间T3为主震运动分量周期，随着船位置变化变化，t表示冲击所耗费的时间。

第三，冲击完成后进行的运动方程：

，其中， 是标准白噪声。

对系统冲击后实施控制时，必须从四种情况进行分析：第一种，进行自由振动，d2=d3=0；第二随机振动，d2=1，d3=0；第三，周期振动，d2=0，d3=1；第四一般情况，d2≠0，d3≠0。

二、探索最优控制问题

（一）制定最优控制方程

一般采用模态分析可以将运动方程表示为状态方程，此时梁应力就可以表示为：

，其中 。

（二）了解目标函数

为了了解系统在冲击后的振动控制，本次研究中主要将其分为四种不同状态下，分被是自由振动、纯随机输入、纯周期输入与一般情况四种情况。

（三）控制方程的解

将运动过程进行模态分析后，将其表示为 ，其中 为振向量矩阵，q=[q1，q2，q3…qN]T。

第一，如果不计冲击状态影响，可得到冲击阶段运动解为

，位移与速度为qi0=qi0（t）、qi0=qi0（t）。位移与速度均为初始位移速度。第二冲击后阶段。冲击后主要分为两部分求解，一种为连续梁所读初始速度是自由振动在随机输入与周期输入下所进行的强迫运动，一般从自动振动、纯随机输入与纯周期输入等三方面进行计算。

三、实例分析

本次将系统参数设置为E=2×1011Pa，Cin=2×108NS/m2，l=10m，Z Zb=5×10-6m3，I=5.1×10-7m4，ρ=8.34kg/m。进行管路系统弹性支撑布置时，必须要对各种运输情况进行分析，在不同输入下设置1、2、3个弹性支承，采用对称方法设置。上述均为梁冲击后在不同情况下所产生的弹性支承位置减振变化，图中横坐标是lc/l0，纵坐标是σ/σ0。l0表示梁长；c为弹性支撑位置；当设置1到2个弹性支撑时，σ0是系统不加载弹性支撑时承受荷载下的平均弯曲应力，当布置知三个弹性支撑时，σ0只表示加一个弹性支撑所受荷载的平均弯曲应力；σ表示加载弹性支撑系统后，在荷载作用下所产生的平均弯曲应力。

第一，分析自动振动情况。如上图1所示，当布置一个弹性支撑时，形成的最佳位置恰好在管路终端；布置两个弹性支撑时，恰好在0.33l0和0.67l0位置；布置三个弹性支撑时，最优位置在0.25l0、0.50l和0.75l0三个位置。

第二，随机振动情况。耐2可知，对于弹性支撑的最优位置，一般布置一个弹性支撑时，恰好在管路中点；布置两个时恰好在0.35l0、0.65l0；布置三个弹性支撑时，最佳位置是0.27l0、0.50l0和0.73l0。

第三，了解周期运行情况。从图3可知，一个弹性支撑时，最佳位置恰好在管路中点；布置两个弹性支撑时恰好位于0.37l0、0.63l0；布置三个是最佳位置是0.00l0、0.50l0和1.00l0。

第四，分析随机与周期联合运行状况。图4展示了周期输入及书记输入情况下弹性支撑位置变化的减振图，在此种操作中充分考虑了两种不同参数的位置变化。布置一个弹性支撑时，恰好为管路中点；布置两个时，最佳位置是0.37l0，0.63l0与0.39l0，0.61l0；布置三个弹性支撑时，最佳位置是0.00l0，0.50l0，1.00l0与0.33l0，0.50l0与0.67l0。

四、结果分析

结合上述分型与计算结果等分析可知，第一，弹性支撑位置影响着减振效果，图中所表示的最小值为弹性支撑最佳位置；第二，但弹性支撑参数相同时，弹性支撑位置的合理布置不仅影响系统振动及随机振动，而且减振效果较好，但对系统周期减振效果影响较大；第三，使用不同参数弹性支撑，所得的最优位置也会发生很大变化。第四，同一个系统中，一旦谈弹性参数给定，就必须对弹性支撑个数进行选择。从图例可知，随着弹性支撑数量的增加，不一定可得到较好的弹性支撑减振效果。以上结论在管路系统设计弹性支撑时，具有较大作用，可以及时进行考虑分析。

结束语

随着科学技术的发展，爆炸量与冲击持续时间不断延长，危害性也不断增加，造成了严重的设备损害问题。经过分析可知，设备冲击隔离与抗冲击能力影响着船舶的使用寿命。因此本次利用构建模型方式系统全面的分析了弹性支撑冲击下位置优化设计问题，得到的实际应用效果较理想。在今后分析中，还要从数据计算精确性、计算方法等进行探究，选择一种高效、便利的方式保证船舶安全，减少不良损害。

参考文献：

[1]盛世伟. 管路支撑参数对液压管路系统振动特性影响研究[J].燕山大学，2015，（03）.

[2]王朝.典型管路系统抗冲击性能分析方法新型抗冲击元器件设计研究[J].江苏科技大学，2013，（04）.

[3]白欢欢.基于变刚度弹性支承的液压管路流固耦合振动的数值分析[J].燕山大学，2014，（02）.

船舶优化设计第5篇

Abstract： Inland ship standardization is important to improve China's inland shipping transport efficiency and energy conservation. Article describes the development status of standardization inland ship of Yancheng， and puts forward relevant countermeasures， development of standardized ship provides a reference.

关键词： 内河航运；船舶；标准化

Key words： inland shipping；ship；standardization

中图分类号：F552 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）36-0023-02

1 概述

盐城地处里下河水网地区，市内河流纵横交错，数量众多，境内现有航道287条，总里程4488.94公里，约占江苏省内河航道总里程的五分之一。近年来，随着内河航运的发展，内河船舶密度越来越大。为了提高盐城地区内河航运运输效率，促进地区经济的发展和节能减排，交通主管部门做了大量的工作，其中包括航道、船闸等大量的投入建设。船型能否实行标准化，能否与航道、船闸实现一体化影响着我国内河航运的进一步发展[1]。

2 发展现状

2.1 国家政策

近年来，交通运输部为推动内河船型标准化开展了一系列的工作，内河船型标准化工作也取得了一定的成绩。所谓标准船型是指在给定的航运环境下，通过技术经济论证而确立的技术性能和经济性能优良的船型[2]。为了推进内河运输船舶船型标准化工作，提高我国内河航运效率、节能减排，交通运输部于2012年12月25日在总结和分析前期推进京杭运河船型标准化工作以及已有标准船型研发成果的基础上，充分考虑航道、船闸等因素，经多方案技术经济优化论证，研究了京杭运河、淮河水系过闸运输船舶标准船型主尺度系列。

2.2 发展现状

盐城地区目前营运船舶约有13000多艘，由于历史原因盐城地区的船型千差万别，其中绝大部分为非标准化船型，且很大一部分船舶为200总吨以下小船。而对于盐城地区的新造船舶的尺寸基本上是按照船东的要求来，即船东想要什么尺寸的船，船厂就造什么样的船，导致船型复杂，直接影响到盐城地区船型标准化工作。近来，财政部和交通运输部针对航运发展受到运力过剩的问题，鼓励老旧船舶提前报废更新，以提高航运企业船舶技术水平、优化船队结构，促进节能减排、加强环境保护。盐城地区可以以财政补贴报废老旧船舶为契机，鼓励船东和航运公司建造标准化船型。

3 研究对策

船东要建造一艘新船首先要经过设计公司的设计，设计公司会根据船东的要求设计出满足现行法规、规范要求的图纸，图纸设计好后设计公司会把图纸送给图纸审查机构审查，图纸经过审图机构审核符合相应的法规、规范后，船厂根据设计好的图纸建造船舶。不管是船舶设计公司还是船舶建造厂、船舶检验机构，最终的用船部门为船东，船东要建造的船舶是为自己营运的需要。下面主要从设计公司、船舶检验机构、船厂三方面考虑，鼓励建造标准化船型。

3.1 设计公司

标准化船型是在分析和总结近年来的经验基础上总结出来的优秀船型，图纸设计人员要充分认识到船型标准化是内河航运发展的需要，也是节能减的需要。设计公司是标准化船型推进的第一道关口，设计人员要推荐标准化的优良船型给船东，并把相关的国家政策提供给船东，使船东了解相关的政策和标准化船型的诸多优势。由于标准化船型的图纸相对比较成熟，设计公司减轻了工作量，可以对船东的标准化船型设计费给与优惠。对于设计的非标准化船型，由于主尺度、主机等主要参数需要重新设计，增加了设计单位的设计负荷，设计公司可以适当增加图纸设计费用，从而最终鼓励船东建造符合国家标准化的船型。

3.2 船舶检验机构

图纸要经过船舶检验机构审查才可以申请建造新船，而且新船必须经过船舶检验机构检验合格才可以发放相关证书。对于验船机构，可以从以下两点入手：

①对于设计公司申请审查的标准化船型的图纸，由于船型标准、工作量较小，检验机构可以给与审图费适当优惠，且审图人员可以给与标准化船型的图纸优先审查。对于非标准化船型，船舶检验机构可以对相关国家政策贯彻，并且不予相关的优惠。

②对于船厂申请建造的标准化船型船舶，由于标准船型图纸比较完善，建造工艺比较成熟，给现场检验带来了便利，船舶检验机构可以给与检验费用优惠，并提供相当的奖励，鼓励船厂建造符合国家要求的标准化船型，而对于非标准化船型，船舶检验机构不予优惠。

船舶检验机构是船舶进入内河航行的最重要的一关，船舶检验机构可以联合海事、运管等相关机构给与政策上的支持共同保证国家船型标准化的实施。船闸管理机构可以对满足《主尺度系列》的标准化船型给与优先过闸，过闸费减免等利好政策。运输管理机构对于不满足《主尺度系列》的标准化船型给与营运证营运范围的缩减等相关政策。

3.3 船厂

船舶的建造成本和时间成本是船厂最关注的，标准化船舶由于船型的标准化，相似度较高，有利于船厂节省建造成本，有利于提高船厂的生产效率，有利于船厂的节能减排。具体表现在，一是减少开工准备时间和费用，二是避免建造过程中的返工，三是工人较为熟练，工作效率较高。对于建造标准船型，由于船厂的建造成本的降低，船厂可以减低船舶报价提高船厂和标准化船型的竞争力，从而鼓励船东建造标准化船型。

4 标准化船型实例

某船东建造一艘44.8m干货船（见图1），该船为单底、单舷、单甲板、单机、单浆型普通干货船，主要航行于京杭大运河。中部货舱区域用于载货，主要用于载运积载因素≥0.45m3/t的一般干杂货物。其主要量度如下，布置图如图1所示。

京杭运河、沙颖河-淮河干线过闸内河干散货船、液货船标准船型主尺度中京淮货-3标准船型主尺度的要求如表1所示。

设计吃水和载货吨级为参考值，对比表1船型主尺度可以看出该船主尺度满足京淮货-3标准船型主尺度要求。该船和另一艘44.8m相似干货船建造费用如表2所示。

相比于非标准化船型，由于是标准化船型，设计公司不需要重新设计，节省了大量的人力和时间，设计费相对较低；由于船型标准化，船厂在建造新船时熟练程度、建造速度、施工质量、成本控制等方面具有强大的优势，生产效率骤增，成本骤降，为船东节省了成本。

该船在以后的营运过程中，标准化船型由于可以优先过闸等优惠条件，将大大提高船舶的运输效率，为船东增加经济效益。

5 结束语

内河船型标准化是现代化内河水运体系的必备要素，也是内河水运节能减排的重要内容。文章主要从经济效益方面考虑鼓励设计公司、船厂、船东建造标准化船型，推进船型标准化工作。船舶检验机构作为推进船型标准化工作的重要部门，并应当联合相关部门出具相应的法律法规给予保障和推进。

参考文献：

[1]常浩.京杭运河船型标准化研究 [D].大连海事大学硕士学位论文，2004.

船舶优化设计第6篇

关键词：船舶舾装；设计优化；模块化

中图分类号：U662 文献标识码：A

船舶舾装工作在整个船舶制造过程中起着至关重要的作用，主要包括主体设备和舾装管件的安装、电气设备安装、船舶室内设备安装、油漆涂装、敷料绝缘敷设等。在现代船舶制造行业中，规范船舶舾装制度，制定标准化舾装流程，利用科学的舾装方法、建立严格的监管制度必定会使船舶舾装行业效率更高，质量更优，成本更低，综合性能更好。本文就以下几个方面探讨船舶舾装的优化与设计。

1.国内船舶舾装设计现状

我国船舶舾装历史悠久，伴随着对船舶制造的需求不断变化，船舶制造工艺也日趋完善。但仍与发达国家差距比较大，尤其是在舾装行业标准方面，目前我国的舾装标准仅相当于日本20世纪末的水准，落后的技术决定其标准相对较低，从而制约了我国船舶制造的发展步伐。我国传统造船技术模式为系统导向型造船模式和系统区域导向型造船模式。第一种模式包括船台散装、码头舾装和整船涂装，第二种模式包括分段制造、预舾装和预涂装。我国现代造船技术模式包括区域、类型及阶段型造船模式和中间产品导向型阶段模式。前一种模式包括分段建造、区域舾装和区域涂装，后一种模式主要为壳舾涂一体化。随着我国对造船行业需求的变化，国内舾装发展逐渐呈现模块化、标准化和数字化趋势。自20世纪70年代左右便提出了模块化设计理念，后来在船舶的设计、制造、管理及维护各个方面都起着重大作用。模块化技术是将控制系统、机电装置系统、舾装设备系统及自动化系统等从整体划分到部分，从而优化整个建造周期，也使舾装过程更加标准、规范。目前我国造船的突出问题主要为生产周期长、效率低、成本大、工作环境差，这些因素制约了我国船舶舾装的发展。

2.船舶舾装的模块化创新设计思路

2.1船舶舾装模块化的设计特点

船舶舾装包括内舾装和外舾装两个部分。

2.1.1船舶外舾装的工程进度会受到总体装配进度的影响，因此，船舶外舾装就要完善设备的配套功能模块化，严格按制度执行。舾装设备的详细设计布置比较分散，且外舾装影响着船体的整体美观性，在设计的过程中需重点考虑。详细设计的布置图按不同的系统来分，主要有锚、系泊、舵系统、桅樯信号系统和救生消防系统等，不同的系统有不同的配备设备和布置方法。

2.1.2船舶内舾装模块化设计时一般考虑主甲板以下的舱室多为机械处所，不做内装，这样可在一定程度上控制重量，保证设备及管通的净空高度。但需对大型设备及高声源处所进行减振降噪、防火和隔热处理；主甲板上的居住区舱室、医疗间、公共处所等以内装围壁分隔，可采用复合棉板或铝质蜂窝板作为装饰材料；厨房及潮湿处所一般采用不锈钢或防潮型内装板。传统的现场拼装方法在生产节点和成本及质量上严重制约了船舶舾装的发展。因此，设计一种新的模块化建造方式来适应船舶舾装的发展是非常有必要的。

2.2船舶舾装模块化设计的方法和应用

舾装设备模块化的设计首先要考虑设备功能方面。子系统的设计是其中的重点。对于子系统的设计，首先要了解各个系统原理、功能、包括部件及与其他部件协同构成成体系统成分的方法，设计几个可行性方法，通过各个方案在系统功能、质量、协同性、成本预算方面进行比较，综合选择最优方案。在船舶舾装的设计中有着几个子系统的设计，主要包括：管通设计、电器设计、舱室布置设计和铁舾装件模块设计。在模块实施过程中，也包括多系统模块化设计、整体式单元模块化设计和集控室单元模块化设计等。

管系设计分为3个模块，分别为：管系原理设计模块、管路建模模块和生产信息提取模块。三维模式的应用极大地促进了船舶舾装设计的发展，设计时可应用Tribon软件进行三维建模。管系原理设计要综合考虑设计过程中的管材、阀门零部件等因素，管路建模模块主要是对综合管线的布置，使之具有立体直观感，使设计思路更为清晰，减少施工图纸的同时又缩短施工的周期，使效率大大提高。生产信息模块主要为生产信息的生成和输出，便于管路建模后的查看与编辑，同时，可以从模型中直接导出图和生成表格，对各种信息进行管理。电缆设计模块主要为电缆原理图设计和电缆放样。电缆原理图设计过程可以方便调出电缆布放图及相关配套设施的列表，在对电缆进行放样的过程中，电缆的具体路径及托架布置中可以调入船体分段、电器设备等，在检查线路联通性过程中非常方便。舱室布置设计过程中，通过软件进行绘制，设计将每个房间作为一个单位进行，同时各个设备的配套参数，重量重心一应齐全。各种铁舾装件的模块设计，是使之能够与相关模块信息能够共享，主要包括铁舾装件、扶梯及设备支架等的模块设计。以上每项模块设计都具有独立性，但又需设计相应的输入和输出接口。通过模块的组合配置来满足优化设计的目的。

2.3船舶舾装标准设计

由于船舶设计工程复杂，各个系统结合紧密，专业综合性要求较高，因此在设计相关研究的标准也显得相对复杂，包括相应的舾装托盘数据标准（其管理流程如图1所示）、舾装设计图纸目录标准、和舾装图纸编码标准。

结语

船舶的发展是社会经济发展的一个重要部分，在一定程度上体现出综合国力的强弱，在未来将会发挥更为重要的作用。船舶舾装的研究对整个船舶制造行业有着决定性作用。健全船舶舾装设计标准，完善舾装技术技术指导手册，采用合理的管理方式，必定会使我国船舶制造行业更为精进一步，进而逐渐缩短与发达国家在船舶设计与建造上的差距。

参考文献

[1]董炜.船舶外舾装模块化设计应用研究[D].江苏科技大学，2013.

船舶优化设计第7篇

传统意义上的船舶档案标准化管理已经无法满足船东后续修船要求，特别是大型化船舶使用了高强度钢以后，该类问题极其凸显。2002年希腊油轮威望号在西班牙海域发生断裂，造成大面积油污，特别是对葡萄牙沿海造成巨大影响与损失。海洋事故调查发现：威望号油轮事故与图纸管理具有相关性，为了避免此类问题再度发生，国际海事组织相继出台了通函与国际公约修正案。2010年国际海事组织在会议议题上讨论了档案管理的相关议题，并通过了相关议题。随着国际组织对船舶类图纸标准化管理的强制性要求，船舶工业界面临着众多亟待解决的问题。

1. 图纸通过何种方式给船东一方提供？

2. 图纸如何保证传输过程中的安全性？

3. 图纸如何有效的提供，又不损害图纸设计方专利利益？

4. 图纸在提供给船东方时，造船方是否有详细与标准化的提供列表？

5. 提供的图纸是否能满足国际第三方检验机构认可？

6. 图纸委托保管机构如何选定与约束？

以上为几点核心问题，船舶工业界要解决问题的不止于此，每个考虑项稍有不妥之处，会给船舶工业界带来巨大经济与是否合规的影响。

二、船舶档案标准化管理现状

目前我国的船舶类图纸档案管理属于无标准化阶段，比如某些国内造船厂的设计、建造等对标日本造船企业，图纸档案的标记与归档就是按照日本船企的标准进行存放的。全球船舶类图纸档案趋于标准化管理，势必影响船舶工业界对每套图纸的定义有详细的描述与设定范围，例如型线图、施工图、强度计算书与疲劳计算书等都没有设定明确的范围。国内船舶工业界也无独立非营利性机构负责管理与保管档案图纸，也无相关图纸档案标准化约束船舶类档案管理。随着我国船舶工业的发展，建造超大型油轮（VLCC）、液化天然气船（LNG船）等已经进入新常态阶段，新形式下的船舶类图纸档案管理方式呼之欲出，也势在必行。国内船舶业界几家知名船厂、设计院、船级社以及高校积极对船舶档案研究展开相关研究，想通过对船舶图纸档案管理的课题深入研究来推动国内船舶工业界的船舶档案管理。经过几年的深度研究，初步研究成果已经显现。

三、船舶档案标准化管理与通用档案管理区别

本文所谈的船舶档案标准化管理是建造与营运过程中的船舶图纸文件的管理，而非通用的档案管理，主要区别在于通用档案管理在一次性输入完毕后，档案的保管周期内只有输出物，而船舶档案标准化管理是不断的查询、更新、删除、增加，将数字信息交互。鉴于本文所提到船舶档案标准化管理有别于通常意义上的档案管理，主要不是体现档案的原始性、档案的历史性与档案的社会性特性，所以有必要探索出一条新的图纸管理方案来满足与实现国际公约与通函要求，进而满足船舶工业界对船舶档案管理的需求。

船舶档案标准化管理应该具备以下几点特征。

1. 信息的准确性：通过不断迭代更新信息保证图纸信息的准确性；

2. 信息的安全性：建立安全保护机制，保护图纸专利；

3. 管理机构的公正性：能够有效的保护好图纸档案，并加以管理与保护；

4. 管理系统的友好型：船舶档案标准化管理是将要全球性服务的，势必要考虑到各国用户的习惯与人文环境。

四、图纸档案标准化管理对船舶工业的影响

分析船舶图纸档案管理对船舶工业的影响，首先要分析利益相关方，包括船东、船东代表、船舶设计院、管理中心、船厂、船旗国、行业协会等相关方。任何相关方对图纸档案管理标准的意见，都会影响船舶工业，主要体现在管理成本、专利保护、以及事后追责等事宜。而船东作为船舶工业主要利益相关方，因为船东是船舶工业制造的主要客户，他们的强势意见会深刻的影响工业界。

其次分析船东推动船舶图纸档案标准化管理的目的与考虑，船东主要目的是船舶维修与对再建造姊妹船舶成本的考虑。造船厂将经过试航的船舶交付给船东后，船舶运营到一定年限，会根据船舶的疲劳或破损状况进行判定是否维修。而修理厂与原造船厂就不一定是同一家公司，如果不采用标准化管理，就修船厂得到的图纸有缺失或者标准不一的情况，可能会产生船舶破损的情况，甚至严重到沉船。船东会基于经济利益的考虑对造船厂施压得到图纸，因为船东选择购买特定船厂船舶主要目的是为了船舶设计，有了图纸没必要再委托特定船厂建造，转而寻求不需要支付设计专利的船厂建造更为经济。所以，船东一方热衷于推动图纸标准化的管理。

再次分析船舶档案标准化会对船厂一方带来如何的影响。船舶档案标准化可以推动设计最优，比如建模工具有TRIBON、CATIA、ABAQUS、MARC、ANSYS、NASTRAN、AutoCAD等，没有统一的模型会导致设计无法实现无缝衔接，丢失一定量的参数数据，工程软件计算结果出现偏驳，最终可能导船舶设计不是最优，造成产能过剩。同样建模工具标准化是一把双刃剑，既会推动船舶设计最优，但是也会影响拥有设计专利的船厂公司。这种问题特别突出在某些没有完善设计能力的船厂，他们的船舶设计完全依靠外部船舶设计输入，一旦使用非正常手段获取优秀的船舶设计模型，将很快的运用到生产中，会对持有船舶设计专利的船厂一方造成严重后果。简而言之在保护好自身船舶设计专利的基础上，不断提高设计模型共享性。

船舶优化设计第8篇

【关键词】模糊化；隶属函数；线性规划

近几年来，全球“温室效应”加剧，导致世界各地重大灾害频繁发生，人们逐渐意识到环境保护的重要性，并不断地改善各种场合的能源利用效率，而作为温室气体排放大户的航运业，实现运营船舶的节能减排目标具有现实的重大意义。尤其是燃油价格近年来大幅度上涨，，燃油费用所占的成本比例越来越高，为了应对此种局面，减少燃油消耗已成为最优先考虑的问题，而某些情况下航运时间具有不确定性， 因此考虑对船舶航速优化问题进行模糊化处理.，以期找到一种能体现节能减排的优化模型，使船舶航行成本降低。

1.最优调度模糊规划模型

1.1模型假设

内河船舶航速优化过程中，最终的目的是船舶燃油消耗最少。在解决船舶燃油优化的问题前，做出如下模型假设：

假设1：船舶内河航行航道分成了若干小水道，船舶在每个水道的不同转速已获得，且不同的转速均能保证船舶正常行驶。

假设2：风速、设备状态、污底等情况对油耗的影响忽略不计。

假设3：船舶不同转速之间转换的缓冲时间忽略不计。

1.2模型建立

根据船舶航行的起点和终点找出其航行过的水道编号，设编号集合为A，对于每个i∈A，其转速的集合Ni={ni1，ni2，···，nij，···}，油耗率的集合Gi={gi1，gi2，···，gij，···}，航速的集合Vi={vi1，vi2，···，vij，···}，其中每个转速nij对应油耗率gij、航速 （l/km）。假设第i水道长度为Si（km），当船舶以转速nij通过第i水道时，所需要的时间T=（h），船舶要求达到的时间大致为t（h）。

求解每个水道i最优转速ni*模型为minS=xSg （1）

模型中x为0-1变量，若第i水道选择第j个转速，则x=1，否则x=0。目标函数（1）的目的是船舶燃油消耗最少，约束（2）中 表示“近似小于等于”，表明船舶通过所有航道的时间弹性约束，约束条件（3）（4）要求船舶以每个水道转速集合中的某个转速通过水道。

1.3模型求解

求解模糊线性规划问题的最优解，首先将模糊线性规划问题转化为普通线性规划问题，即先分别求解以下两个普通线性规划：

得到两个模型的最优解S0，S1，然后求出新的伸缩指标d0=S0-S1>0，进而将求 的问题转化为求解如下混合线性规划问题

2.数值模拟探究

以某船舶的航运为例，已知它在 5个航段上油耗、时间、航速、水道距离等数据，如下表述。

G=[123 115 120 119 102；120 147 125 255 152；171 190 163 184 186；198 185 204 176 153；162 126 137 174 180]；V=[14 11 13 12 10；11 14 12 16 15；17 21 16 18 19；20 19 22 17 15；15 11 13 16 19]；S=[24 35 40 53 46]

G表示油耗矩阵，其中G（i，j）表示船舶在第i水道以第j转速航行时每公里的耗油量。V表示航速矩阵，其中V（i，j）表示在第i水道时采用的第j航速。S表示距离向量，其中S（i）表示船舶在第i水道航行的距离。

假设船舶走完这5条水道总的时间大致为12h，时间伸缩性参数 t0=1，在MATLAB上编程实现，分别用普通线性规划及模糊线性规划模型计算出船舶航行时所用总油耗，两种方法结果分别为30.108，29.849 l，两者相差0.259 l，可见在时间相差不大的情况下，利用模糊线性规划计算出来的油耗量比普通线性规划计算的结果低，船舶燃油成本相比较降低了，符合船舶燃油消耗量与转速之间的关系。对于时间伸缩性参数，需根据具体的情况设置。

3.结论

由于船舶运行时间的不确定性，文章中对船舶约束条件进行模糊化处理，并运用隶属函数，在求解过程中将模糊约束条件转化成一般约束条件，最终化为混合线性规划问题求解。以某船舶的航行为例，选择了5个水道的油耗值、航速、航行时间、水道的距离，采用文中模型与一般线性规划模型计算比较时间、油耗，结果表明，模糊线性模型计算的油耗更低，可见适当改变船舶航行时间，优化选择船舶转速，船舶燃油成本也将改变。

【参考文献】

[1]郑守岩.浅析船舶节能减排之有效途径[J].天津航海，2009（3）：12-13.

船舶优化设计第9篇

【关键词】绿色；船舶；低耗；减排

1绿色船舶的概念

绿色船舶，是指在船舶全寿命周期中（包括设计、制造、营运、和报废拆解），通过采用先进技术，满足用户功能和使用性能的要求，并节省资源和能源，减少环境污染，且对生产者和使用者具有良好保护的船舶。

绿色船舶的设计应当从产品需求、设计、制造、营运到再生整个寿命周期一起考虑，把产品、环境和人类三者集合起来，主要考虑的因素包括：（1）氮氧化物和硫化物的排放；（2）CO2排放；（3）合理的结构设计（低阻力线性的设计及合理的节能装置的应用）；（4）绿色环保材料的使用及有害材料的控制；（5）生活垃圾、舱底水和生活污水的处理；（6）压载水处理装置；（7）安全环保的涂装材料；（8）节能减排新技术的应用。

2发展重视绿色船舶只争朝夕

随着EEDI（船舶能效设计指数）和SEEMP（船舶能效管理计划）被正式纳入MARPOL公约负责VI修正案。IMO温室气体减排框架下的的三个关键步骤，即：EEDI、SEEMP、MBM（市场机制）中已有两项列入强制要求。这意味着航运业、造船业及相关产业所面临的减排冲击将全面进入实质性阶段。而有专家认为，正在全球范围内推进的这场以节能减排为焦点的绿色革命，其影响将不亚于19世纪船舶动力由风帆到蒸汽机的重大变革。在“绿色浪潮”趋势影响下，公约规范已经发生了重大变化，从而将引发造船、航运生态的重大变革。

目前，同为造船大国的韩国和日本。在研究和建造EEDI船舶上已有所建树。2009年韩国大型造船企业STX海洋造船就表示，该公司开发的船舶节能成套技术已经准备好接受订单。而日本则是积极推动IMO温室气体法规进程的主要力量。日本企业从对新技术潜力的研究入手，对包括三大主力船型和液化气船、滚装船、杂货船在内的各类船舶进行了EEDI改进的案例分析。通过多种新技术结合的办法达到节能减排的目的。

3增强绿色船舶设计理念

正如绿色船舶的概念一样，其设计和制造中具体理念分析包括：

（1）环境协调性：指在船舶设计、建造、营运、回收等过程中对能源、资源利用程度及对自然环境以及劳动者的影响；

（2）技术先进性：指船舶在设计、制造、运行操作以及报废回收中采用先进科学技术；

（3）经济高效性：指船舶制造成本的经济合理性，运行高效性以及高回收利用等方面。

绿色船舶代表着船舶的高能效、低排量、低污染、安全健康、并贯穿于船舶生命周期的各环节中。设计是先导，设计人员的环境意识决定了船舶产品的绿色度。

首先，设计人员必须具备良好的环境意识。在材料、线性设计、浆叶设计、浆舵-浆机匹配、结构布置、降阻、燃料、燃烧、排放、再生循环利用、风力助航、能效等方面着重研究能效设计指数（EDDI）及其基线。使其满足环保要求。

绿色船舶建造时力求船舶制造过程对环境影响最小，对资源利用率最高的生产技术。在船舶建造过程中，废弃物和有害排放物最少，以减少对空气、水和土地的污染并节约资源，从而提高制造活动的经济效益和社会效益。

在船舶的运营中，减少二氧化碳，氮氧化物、硫氧化物等温室气体的排放；防止燃料油、有害液体等的泄露；合理进行垃圾、污水处理；严格控制舱底污油水和压载水的排放等。

4抢占绿色船舶设备和新能源装备的制高点

结合我船舶行业自身优势：首先，应抓住三大主力船型节材、节能、减排的优化设计。进一步降低同一排放量船舶的用钢量和船型阻力，提高推进效率，优化装船机电设备的系统配置和参数选择，降低能耗；开发余热和废气能量回收利用技术和设备；收集和积累三大主力船型船舶的设计与运营能效指数等数据，在新船设计制造中不断改进。

其次，以节能减排为主要指标之一，有计划地实施船用动力与配套设备技术的更新改造。利用船舶市场尚未全面复苏及国际船舶排放技术要求进一步提高的转机时机，力争在船舶配套技术和产业领域有所进步。

第三，通过和国内船舶研究、制造、船检和航运部门合作，争取把“绿色船舶技术”列为国家重大科技工程专项。推动我国船舶技术的跨越发展和船舶工业的结构调整，完成从造船大国向造船强国的过渡。

5国际规则推动的“绿色冲击”

近年来密集出台的国际海事规范彻底改变了传统船舶设计和建造理念。对于船型研发、船舶设计、制造、拆解以及船用配套设备都提出了日益严格的技术要求。尽管面临着成本和市场的强大阻力，国际海事组织及区域性组织仍然积极推动这些标准和规范，使船舶行业向低碳绿色的方向发展。

温室气体减排最早于IMO海洋环境保护委员（MEPC42）会第43次会议上提出，在MEPC57会议上明确提出了减排基本框架，即采取技术措施包括采取新船能效设计指数和船舶能效营运指数；市场机制主要包括采取排放权交易，碳税等手段。在MEPC60会议上通过了将国际防止船舶造成污染公约MARPOL负责VI作为制定船舶能效强制性要求的手段。

IMO在2004年通过了《国际船舶压载水和沉淀物控制和管理公约》。对未来船舶的压载水提出了更高的要求。

海洋安全委员会第81次（MSC81）会议正式批准“所有类型船舶专用海水压载舱和散货船双侧处所保护涂层性能标准”（压载舱PSPC）。

6结语

做绿色船舶、绿色航运的先行者，对各造船、航运企业来说需要勇气与坚持。为了提高国际竞争力，争取行业技术和经营的话语权，维护我国航运大国和造船大国的形象。各企业今后几年大力发展绿色高效船舶的努力需不断坚持完善，造船和航运业节能减排工作需要进一步提速。谁能把握先机尽早推出适应未来发展需要的绿色船舶技术，谁就会在新的竞争中获得优势。

参考文献：

[1]史婧力.绿色航运的发展方向.中国船检.2012（11）.

[2]殷毅.绿色航运只争朝夕.中国船检，2012（11）.