4.6船舶優化設計

在船舶設計中,每項要素的確定都是在一定的技術條件或限制條件（也稱約束條件）之下，環繞著力求使新船達到最佳技術和經濟性這一總目標來進行的。這一工作，技術上稱為最優化設計。1標題添加點擊此處輸入相關文本內容點擊此處輸入相關文本內容總體概述點擊此處輸入相關文本內容標題添加點擊此處輸入相關文本內容

4.6.1船舶優化設計的要點

與其它工程設計優化一樣，船舶設計最優化問題主要由以下五部分組成。1.設計變量設計變量X是n維向量。原則上講，凡是對目標函數有影響的設計中可變的待定量，都應當是自變量，以便通過優化過程取得其最優值。但在實際問題中，這種量往往很多，若都定為設計變量，可能會使問題變得過于復雜。因此，剔除其中的一些非獨立變量以及對目標函數影響較小的變量，可以減少變量的個數，簡化優化問題。3

4.6.1船舶優化設計的要點

2.目標函數對任何一項工程或船舶所做出的設計總有優劣的標準，通?？捎梢豁椈蛉舾身椫笜藖肀硎尽Ｈ绻@些指標與變量間的關系能以一定的函數形式表達出來，則這些函數即可作為目標函數。船舶設計問題都是多目標問題，但我們希望目標盡量少些，最好是單目標問題，這可簡化求解過程。處理多目標問題時，應選擇對設計質量有重大影響的代表性指標作為目標函數，其它指標可處理為約束條件或暫不考慮，也可以對各個單目標加權相加，將多目標轉化為單目標問題。4

4.6.1船舶優化設計的要點

3.約束條件約束條件通常有以下兩類。一類是自變量的邊界約束，給出自變量取值范圍的上下限。另一類約束條件是性能指標約束，給出對技術指標或經濟指標的約束。4.設計數學模型一個具體的設計問題需建立相應的數學模型，其中包括對目標函數值及約束條件值的計算。5

4.6.1船舶優化設計的要點

5.選擇優化方法根據具體的問題選擇一個合適的優化方法，確定優化的具體步驟，提出優化的精度要求。在上述五個方面中，關鍵性的問題是建立起船舶設計過程中可靠的設計數學模型以及尋求最佳方案的優化方法的選擇。64.6.2把船舶設計問題歸納成最優化設計模型

船舶設計最優化問題與其它工程設計優化一樣，主要由三部分組成。1.設計變量設計變量X是n維向量，其形式為

在船舶設計中，設計變量X的各個不同分量在數值上可能相差很大，其變化范圍也可能相差很大，因此會給求解最優過程中步長的選擇帶來很大的不便，同時由于變量變化范圍在數值上的巨大差異使目標函數的等值面變得非常奇異，致使搜索過程的收斂速度變慢甚至不能收斂。為此，可以采用線性變換的辦法對變量進行標準化。74.6.2把船舶設計問題歸納成最優化設計模型一種最簡單的變換方法是通過矩陣C對X進行交換后的變量為YC陣中的X10,X20,…,Xn0分別是初始設計點X0的各分量的數值。84.6.2把船舶設計問題歸納成最優化設計模型這種變換方法的效果取決于初始設計點是否合適，如選擇不當，效果會受影響。另一種方法是，當變量的各分量的上下限都確定時，例如xiu及xil分別為變量X的第i個分量的上限下限，則變換后變量Y的第i個分量yi可以表示為：

按此法變換，可使搜索范圍成為在一個以各分量的上下限的中點為中心的超立方體內進行，故效果較前種為好。94.6.2把船舶設計問題歸納成最優化設計模型在搜索過程中，即以Y變量進行運算。由Y到X的變換只是上述變換的逆運算。

2.目標函數在解多目標問題時，由于不同目標函數的數值范圍相差很大，甚至可差幾個數量極，這在應用多目標最優化方法時，將會出現困難，因此相對目標函數也進行標準化?？刹扇∪缦碌淖鞣ǎ?04.6.2把船舶設計問題歸納成最優化設計模型若第i個目標函數fi(X)進行標準化后為Fi(X)，初始設計點為X0，則Fi(X)=fi(X)/

fi(X0)

3.約束條件不同的約束函數在數值上相差可能很大，當利用像混合法一類的方法把約束問題轉化為無約束問題求解時，在懲罰項或障礙項中將處于不同等的地位，使計算中出現某些約束很易滿足而另一些則不易滿足的情況，故應對約束條件進行規格化。114.6.2把船舶設計問題歸納成最優化設計模型若某量為v，vu為對該量的上限約束，vl為對該量的下限約束，則規格化的約束條件G可表示為：G=v/vu-1≤0及G=1-v/vl≤0

把一條船的設計變量、約束條件和目標函數確定以后，并把它們之間的關系用函數形式明確表示。其余的工作就是選擇一個合適的優化的具體步驟，提出優化的精度要求，最后編寫船舶優化設計程序。并在計算機上進行調試試算，直至達到目的。124.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

在船型論證中，技術分析與營運經濟分析是分別進行的，即在調查研究以后限定的范圍內，先設立若干船型方案，對每個方案都進行技術分析，選出較好的主尺度、主機功率等技術方案，再對這些技術方案配上航線，貨運條件，進行營運經濟計算分析，最后從經濟營運技術各方面進行全面的分析對比，選定一個可行方案。下面先介紹用“網格法”對16000t級標準干貨船的例子。134.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

一、16000t標準干貨船的基本要求16000t標準干貨船是遠洋干貨運輸的基本船型。本船為柴油機、單螺旋槳、兩層甲板的干貨船，航行于我國各大港口與日本、西北歐、地中海、東西非洲之間，主要裝運件雜貨、大宗貨，也裝運少批量散貨和重貨。任務書要求本船載重量16000t，包裝艙容20800，吃水9m，續航力12000nmile，要求服務航速不低于14kn，主機功率在5512.5kw左右。144.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

二、方案的設立由于規劃船型表中對船的噸位、艙容、吃水、航速、功率等參數作了規定，在船型論證中，就側重與不同主尺度方案。主尺度方案的選擇：根據調查研究，國內外同類型船的方形系數范圍大致在0.68~0.76之間,長寬比的范圍大致在6.4~7.0之間。三、主尺度的計算主尺度的計算是按圖框圖進行。15輸入載重量，方形系數，長寬比和吃水限度初穩性合格、干舷合格信號載重量系數初穩性合格根據所需艙容求H根據浮性方程求L,B根據所需艙容求HYNYN根據穩性要求的L/B和B/T求L,B,T排水量開始干舷合格根據干舷所需H/L求H16空船重量估算，載重量計算載重量與原要求是否相符初穩性不合格信號，增大B,減小H,T,算出L/B,B/T改變載重量系數初穩性估算結束YN干舷不合格信號,增大H,算出H/B干舷計算干舷是否符合要求初穩性是否符合要求YNNYY174.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

三、主尺度的計算1)由于大型干貨船的吃水都受港口、航道水深的限制，因此要定一個吃水限度。2）載重量系數E用下式作初次估算。E=0.685-0.0000034DW+0.244(CB-0.7)式中：DW——載重量（t）；CB——方形系數。排水量D=DW/E3）主尺度計算是按照穩性合格與否，干舷合格與否而采用不同的方法進行。184.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

（1）如穩性合格，則根據浮性方程D=γ1·L·B·T·CB

·K（t）和給定的長寬比L/B與吃水T而算出L和B。（2）如穩性不合格，則按所需的L/B和B/T值算出L、B、T。4）型深是按艙容的要求計算的。貨艙的包裝艙容是貨艙長度、船寬、艙深、方形系數、結構形式、艙口大小、舷弧大小等的函數，主要是前四項，因此采用下式估算。194.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

貨艙包裝容積Ca=(L-Lm-Lp)B(H-HD)KgKB(m3)式中:Lm——機艙長度；Lp——首尾尖艙長度之和；HD——雙層底高度；Kg——隨機艙位位置，根據方形系數、結構形式、艙口大小、舷弧大小等因素而變化的系數；KB——包裝艙容和散裝艙容的比值。Kg=C+1.08·CB式中:C——系數(對偏尾機艙船C=0.118,尾機艙船C=0.175)204.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

這五個參數是經過分析現代雜貨船的有關資料而確定的，從式中可求得：型深

5)主尺度算出后要進行空船重量LW計算并校核載重量。LW=WS+W0+WM式中:WS——鋼船體重量；W0——木作舾裝重量；WM——動力裝置重量。

214.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

采用下列兩列估算WS和W0：式中，WSO是特殊的木作舾裝重量，如船上有重吊，雙排艙口或有旅客設備等則需增加重量。動力裝置重量WM分為主機和輔機機電設備重量兩項計算。WM是輸入數據。這樣載重量DWT=D-LW（t）如DWT與要求的載重量DW之差大于10t，用諾曼系數法修正，則須重新決定載重量系數224.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

應用新的E值確定排水量D，再用上述方法計算主要尺度L、B、T、H，反復循環計算，直到DWT和DW相符合為止。6)干舷是根據我國海船載重線規范,并作一系列的簡化計算求得,主要的有:(1)基本干舷F0采用下列近似計算:F0=-785+20.67L(mm)(2)假定設計船沒有舷弧和僅有首樓。如干舷不足，程序根據指定的信號，并把234.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

型深自動增加到所需的數值，算出H/B比值。再進行下一步計算（載重效核）。四、初穩性計算滿載出港和壓載出港兩個情況的初穩性。1)壓載排水量DB用下式近似地估算：DB

=D

–0.9

DWT+BW(t)式中:BW為壓載水重量(t)是給定的。這個公式假定載貨量為總載重的90％。壓載情況的平均吃水TB用下式估算：244.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

式中：CW——水線面面積系數。2)現在雜貨船的型線大多是中V形，因此采用以下兩式計算CW值：滿載情況CW=0.408+0.577CB壓載情況CWB=0.165+0.89CB3)初穩心高度GM=KC+CM-KG(m)式中:KC、CM、、KG分別為浮心距基線高，穩心半徑和重心距基線高。KC和CM用下列各式計算：254.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

滿載情況:壓載情況:264.6.3

計算機輔助船舶初步設計中主尺度

同類型船的α=KG/H比較穩定，因此一般均用這個比值估算重心高度KG。統計分析了現代雜貨的資料，大多數船的值在下列范圍內：滿載情況:α=0.62~0.65,平均值為0.636。壓載情況:α=0.52~0.59,平均值為0.562對經濟型雜貨船，這個α值在滿載和壓載情況下分為0.613和0.542。4)如初穩心高度GM小于原要求的數值GM0,則用下式計算所需的B/H比值:274.6.3

計算機輔助船舶初步設計中主尺度

從上式求得的B/H值,連同為了保證貨艙艙容不變(B(H-H0)=常數)的關系求得H值。船寬B則從以上求得的H和B/H值求得。吃水T則由求得的B值，連同為了保證載重量（或排水量）不變BT=常數（船長L，方形系數CB不變）的關系求得。284.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

在調整B、H、T的同時，還算出L/B和B/T比值，這兩個比值在進一步計算中是要用到的。（或排水量）不變BT=常數（船長L，方形系數CB不變）的關系求得。已調整的主要尺度還要進行重量校核，如果不合要求，就調整載重量系數E，重新估算排水量，再一次計算主尺度。這時計算尺度就要用到以上計算的L/B和B/T比值。這項計算反復進行到DWT和DW相符合為止。294.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

初穩性計算中還包括橫搖周期和共振橫搖角的計算，這兩項計算根據我國海船規范所提供的計算方法進行的。五、航速計算服務航速一般假定為試航速度的94％，或假定服務航速比試航速度減少0.8~1kn。（也有用假定主機額定功率PB及轉速N時的航速為試航速度，而用85％PB的功率，94.7％N的轉速時的航速為服務航速)

304.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

計算三個航速的主機功率是為了最后用插值法求得航速,船用主機功率PB可用下列方法估算:1)用海軍常數法求主機功率式中：CA——海軍常數（從母型船求得）。這一方法對于新設計船與母型船的大小、尺度比、方形系數相差不大，主機類型也相同時，其計算結果較為準確。314.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

2)用單一近似公式計算主機功率式中：N——主機轉速（r/min）K9——系數（高速船，K9=1.04;低速船，K9=1.08)。324.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

3)用有效功率與推進系數估算主機功率(1)有效功率(2)推進系數

式中：w、t——分別為伴流系數和推力減額系數；33式中：ES

——軸系效率(一般ES=0.97)；

ER

——相對旋轉效率(一般ER=1.01)；EP

——螺旋槳敞水效率；

BP

——螺旋槳計算系數；4.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

344.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

這一方法由于考慮到船舶主尺度的所有參數以及主機功率與轉速等,因此可以得到比較準確的結果,同時也可用來比較各種主機的推進性能。當已知船舶主機功率的情況下，船舶的航速可用下述方法估算：假定三個航速，即v1、v2、v3，然后算出對應的主機功率P1、P2、P3。據此可畫出P=f(v)的曲線，從圖中可求出已知主機功率下的航速v。354.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

六、經濟指標計算評價船舶經濟性指標的選擇，對船型方案的論證極為重要，采用不同的評價指標，會導致不同的選擇方案。遠洋貨船設計中，常采用以下六個經濟性指標作為評價船舶方案的主要指標，即船舶的造價P；投資回收年限TK；凈現值NPV；航速v；噸成本S；貨運費率RFR。364.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

1.各經濟指標的計算方法(1)營運計算a.年貨運量為

Q=n·∑QC

(噸/年)式中:n——年往返航次數；

b.年貨運周轉量為Q·YJ=n·∑QC

·YJ(噸海里/年)式中:∑QC·YJ

——往返航次貨運周轉量(噸海里)；YJ——運距(海里)374.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

c.對于多港?？壳闆r,貨運量計算為∑QC

=

QC1+QC2+QC3+…+QCnd.相應的貨運周轉量為Q·YJ=n·∑QC

·YJ(噸海里/年)∑QC

×YJ=

QC1·YJ1+QC2·YJ2+QC3·YJ3+…+QCn·YJn式中:QC1,QC2,…,QCn——分別為各航段載貨量(t);YJ1,YJ2,…,YJn——分別為各航段運距(kn)。384.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

e.年往返航次數n

=

Tn/TwfTn=365×營運率Twf=∑Th+∑Twf式中:Tn——年營運期(天);Twf

——往返航次時間(天);

Th——航行時間(天);Twf——停泊時間(天);394.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

(2)經濟計算a.造價

船體、舾裝、機電和其它。b.年運輸成本CMZ=(FCY+FRR+FW+FGK+FZ)×1.05式中:FCY——船員工資；FRR——燃潤料費；FW——修理、保險、稅金；FGK——港口費；FZ——折舊費；404.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

c.年營運收入FR=RYF1·Q1+RYF2·Q2式中:RYF1、RYF2——往返貨運價(美元/噸)；Q1、Q2——往返貨運量(t)；d.年利潤AP=FR

-CMZe.單位成本CDY=CMZ/Q414.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

(3)經濟指標計算a.貨運費率RFR=AAC/Q式中:AAC——平均年度費用AAC=FNY+P·CR；Q——年貨運量(t)；b.凈現值NPV=SPW-(FR-FNY)式中:FR——年收入FNY——年營運開支;42

SPW——系列現值因素,SPW=1/CR；RI——貸款利息；CR——資金回收因數,；b.回收年限4.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

式中:AP——年利潤;RI——年利率。434.6.3計算機輔助船舶初步設計中主尺度

以上凈現值是假定船價是一次投資，每年營運支出與貨運收入都不變的情況下才能計算。當船價是分期付款，每年的營運支出和貨運收入都不同，則需分年合算，然后再算凈現值之和。444.6.4船舶初步設計的方案優化

初步確定16000t干貨船的主要尺度范圍。但在遠洋干貨船的優化設計中，自變量的取定，約束條件范圍，多目標帶約束轉變為單目標無約束優化方法等內容上，下面就此再作一些介紹。1.設計變量根據遠洋干貨船特點取長寬比L/B，寬吃水比B/T和方形系數CB為設計變量較為適合。則：454.6.4船舶初步設計的方案優化

在求解過程中，采用標準化變量Y進行運算：464.6.4船舶初步設計的方案優化

其中帶角標u表示上限值，帶角標l表示下限值。在計算船的技術經濟性能時，還應以X為變量進行運算，由Y到X的逆變換為474.6.4船舶初步設計的方案優化

二、約束條件尺度與性能的約束條件如下：G1=LBL/150-1≤0；G2=B/22-1≤0G3=T/9-1≤0；G4=1-CB/