船舶总体性能优化设计研究

张 昊，高 迪

（烟台派格船舶设计有限公司，山东 烟台 264000）

0 引言

国内外研究人员对船舶设计优化做了大量的研究，基于此，本文将根据现有的调查和文献，分析了现有船舶总体设计性能的相关特点，以及总体设计优化中存在的问题、可以运用哪些相关理论和方法来保证现有船舶的总体性能。最后，提出了在优化船舶总体设计过程中必须注重理论研究和探索的一些关键问题，从而为我国船舶设计和性能优化的总体思路提供借鉴。

1 船舶总体性能和优化系统设计的主要特点

1.1 矛盾错综复杂

由于各种船舶设计及其结构产生了许多复杂的内部结构矛盾，未来与各种船舶整体性能改进设计相关的船舶结构优化改造设计技术将更加尖锐和复杂。例如，在坚持总排水量基本控制原则确定的三个基本控制前提下，船舶重量水平的控制与满足船速要求的能力之间的各种内在矛盾，综合考虑了船舶耐波性水平与船舶初始稳性水平控制之间的内在矛盾，船舶稳性控制与船舶航向和操纵方向灵活机动能力水平之间的内在矛盾。在应用现代内河船舶总体性能参数的总体设计及其优化配置的优化设计研究方法时，要认真、妥善地分析和处理这些设计中的局部复杂因素之间的一系列内在矛盾，我们不应机械地研究和解决这种优化问题，而应采用有效的设计方法[1]。重点坚持和遵循以下应用原则：局部因素服从整体结构要素；次主体的局部矛盾尽可能服从主体的内部矛盾；船舶的总成本设计和能耗定额必须充分以船舶设计及其经济效益为准，力求以尽可能计算成本获得合理的效益。

1.2 问题具有多解性

对于新设计、研制成功的船舶，其各项总体性能方案也应确保在设计其研发任务书时，能最大限度地有效满足各项重要要求和各项技术性能指标的具体要求。因此，对于追求相同总体设计目标的方案，往往需要设计和筛选各种候选方案，这些方案可能不能完全满足同一设计总体目标的要求。因此，还需要反复比较、分析或评估这些多个备选方案。决策设计部门还可以根据工作任务的特点和项目的实际设计情况进行决策，从待选方案的最终设计目标方案中选择最佳方案，并选出一个“最佳方案”项目。

2 船舶总体性能结构优化和设计方法

船舶总体性能和结构的综合优化分析与试验设计与开发研究阶段，是指综合系统或复杂系统的工程开发和开发过程，需要经过逐步的研究和设计，以近似优化系统结构和性能实现重复循环和迭代测试方案，技术研发和设计阶段一般分为三个阶段：综合系统方案初步理论设计、初步测试方法设计和详细实验研究设计。为了便于对船舶总体性能评估方案的整体系统进行综合评估，该评估方案针对具有多个总体系统性能设计指标的系统方案进行，并得出了船舶总体系统评价方案设计的总体系统效率的最优解，合理，经济实用的最佳实践是，在尽可能对整个船舶性能系统进行初步和阶段性设计和研究的同时，对整个系统进行综合设计，并考虑各个系统的船型、推进、布置和方案等多个综合指标因素，给出了各子系统相应性能要素的设计，主要是指各影响系统变量的设计、约束或控制环境条件要素与各船舶系统设计相关的各子系统要素变量之间的约束关系，即认为整个设计船的整体性能优化评估和设计活动应视为类似于线性循环的连续或串行系统优化设计模式的演化过程，由一个子系统持续进行和深化，系统优化设计过程的基本模式可用螺旋线性表示为：船舶的主尺度、排水量、浮性和稳性、快速性、操控性、兼容性。下文对船舶总体性能结构优化和设计方法进行了介绍。

2.1 逐步改进方法

在现代船舶总体性能试验设计的工作流程中，逐步研究和完善试验的基本方法是非常普遍的。同时，有必要将测试分析结果的估计方法作为重要的方法依据。其中，要注意在开发技术任务书中对各项任务内容进行详细论证和分析，注意在所有备选项目的总体设计和方案优化中合理选择最佳技术方案，并对方案的可实施位移、不同受力部位的性能特点、主要几何应力比例系数等参数进行了科学估算。已多次进行重复的系统验证研究，以确保试验能够如期获得理想和准确的技术结果[2]。如果数据内容相对丰富，这些逐步改进的研究方法可以推广和利用，以较少的工作量获得优化设计和优化结果。然而，就具体应用技术而言，这也是最困难的。主要问题是无法充分确认设计和方案应用的可行性。

2.2 变值方法

变值计算法又称数值网格法和参数分析法。在我国船舶总体性能分析、设计和开发过程中，往往采用两种主要的计算方法来确定最优系统方案的性能。根据对我国船舶总体设计优化有重大影响的各种主要尺度参数组的系统设计变更方案理论，可在每个可能方案的范围内分别选择相应数量的性能数值组，并可编制一系列完整的系统方案，对上述各组方案的性能数值组合进行各种必要功能的组合计算。当通过计算得出相应的设计结果时，可以首先完全放弃不适用的方案，在剩余的备选方案中，船舶主体结构的尺度参数和影响船舶整体性能特性的相关基本数学规律可以进行综合分析和重新考虑。经过必要的分析或比较计算，可以初步确定最佳方案，并直接作为最终设计结果的最终结果[3]。

2.3 最优化方法

重要的优化设计方法主要依靠数学方法和理论应用，多目标变量的求解和约束目标函数最小值的求解，最终得到最简洁的，理想可行的优化设计方案。在有限的优化环境下，用一种比较容易找到最优解和变步长的优化方法，可以有效地避免在有限的优化环境下求解变步长和变步长的优化问题。在这种复杂的环境下，它可以自动获得更快更接近实际需求变化的最优设计优化方案，优化并解决耗时较长的瓶颈问题。一般来说，船舶总体性能设计优化模型的设计方法属于工程优化数学问题的范畴。设计人员需要提前设计并使用优化数学公式进行数学表达，即设计并建立一个船舶整体性能数学模型，逐一准确描述其设计中的变量、目标函数值、设计约束和条件，最后，对各目标函数的最小值进行逐项分析求解，最终得到最成熟、最理想、最实用的船舶总体性能模型设计方案。

2.4 智能优化算法

这种系统优化设计方法主要是通过模拟自然界中特定的自然现象或社会过程而设计和构建的系统优化设计方法。在应用和推广全局智能优化算法的实际过程中，可以有效地避免传统的分步优化求解难以直接找到全局算法最优解的瓶颈问题[4]。就我国大型内河船舶总体性能目标耦合优化设计系统的设计求解方法而言，其内容主要属于多船系统的耦合优化总体性能。因此，耦合优化设计系统中的优化计算过程将相对更加复杂，目标之间将存在许多复杂程度不同的总体性能耦合或优化关系。如果子系统只有一个目标性能，且同时没有显著变化，则很容易导致系统（包括所有其他子系统）的总体目标性能显著下降。在中国船舶目前的特殊情况下，为了确保最终的选择能够最终得到最接近的相似方案的最优解，我们应该关注如何最终确定和选择中国船舶现有的主航标方案，同时，我们应该进一步考虑其他一些次目标因素，在方案与方案的主要次导航目标之间的关系趋于良好的理想条件下，确保每个次总体目标与中国船舶没有实际性能需求目标的基本结论一致。现阶段，船舶总体性能设计和智能优化船体设计研究体系及其算法集成概率在现有船舶智能设计优化算法平台上的综合应用和集成设计不断完善，集中优化的成果主要体现在遗传算法和神经网络智能优化设计算法的集成及其应用上。

3 船舶总体性能和优化系统设计工作要点阐释

3.1 确定设计变量

参数变量应用于提高大型内河船舶整体性能和优化设计中，要求我国船舶专业设计的专业技术人员，首先要保证能够在充分明确优化设计总体目标和原则的前提下，选择和研究一些真正达到最佳、合理、高效的指标，直接或有效地反映了中国内河船舶的特征参数，以及在最合理的范围内能够独立运行的一些设计参数变量，设计能力评估和与设计参数相对应的船舶优化目标要求之间的直接或有机关联选择数量并确定为几个优秀的设计参数变量值，同时，经过综合计算比较处理和综合分析计算验证处理，通过分析计算方法，对多个设计参数变量的值进行了相应、适当的优化处理和参数调整，通过变量与之前确定的几个设计参数之间的关系，以及设计参数力工况值，可以实现对船舶整体性能的分析、综合优化处理和系统设计。

3.2 构建目标函数

在完成设计目标变量函数的优选和判断后，设计实施者仍应根据具体设计的目标结构仔细构造最优设计。建立了确定相应优化的设计目标函数，从而可以更准确地评价、选择和判断具体设计实施后提出的相应优化选择方案。在构建日标准功能体系时，还应注意如何从以下几个方面综合考虑，使日常目标函数体系能够全面地评价技术经济，可行性，以及是否在许多综合维度（如实用性）中对其进行了更准确的评估我们仍然主要以船舶操纵性指标综合优化设计为例。在这个阶段的设计中，作业指导人员将使用（×、L 和look（ω）分别表示与船舶操纵性能指标相对应的三个子性能指标，并采用线性加权求和设计方法，实现多目标到单目标函数的优化转换，从而实现全船操纵性能的整体优化性能控制只需要优化某个目标函数。最后得到目标函数：H（f（W）a（×+a（2+ag（×），其中是隶属度，a（k1，2.3.）它指的是目标重量数。目标函数的值越大，越有可能表示船舶具有更好的船舶操纵和控制性能。因此，在该目标函数下，设计人员只需从众多优化设计方案中选择函数值范围最大的优化方案。

3.3 表达约束条件

在设计和研究过程中，船舶总体性能指标优化中常用的各种设计和研究参数变量之间的相对独立性通常不强，但其自由度之间的独立性较小。小，通常还需要考虑一些其他条件下的特定条件下的动作，如其他船舶的各种特殊技术特性的约束。例如，我们刚才说，在船体长度的设计长度比和船体宽度的设计长度比方面，我们需要考虑尽可能多地控制7 和11 之间的设计长度宽度比，或者说我们需要尽可能多地考虑CNC 04到05G 之间的设计力系统。设计从两个方面避免设计变量超过设计长度比，从而严重影响设计优化和设计的整体性能。此外，在一些关键技术方面，大多数在最优设计性能状态模式下设计开发的船舶总体性能方案也需要同时满足船舶各种具体技术指标的船舶最优设计工况要求，如最高设计速度要求、初始稳定性要求等，如果优化设计的整体性能方案能够充分、有效、合理地同时满足上述所有技术设计条件约束和设计条件，这意味着其方案设计具有一定的优化性和高度的工程可行性。相反，这只能意味着其优化设计方案难以实施只有这样，我们才能真正了解项目的真实情况。

3.4 建模仿真优化

为了最终能够在实践中进一步分析验证船舶总体性能与优化设计优化方案结合的整体真实性，可行性以及实现最终预期的船舶优化方案效果，还得需要人们通过学习充分利用一些当前较先进实用的现代计算机技术，模拟伤真技术软件等，通过计算根据船舶之前已选择确定的优化设计方案参数、目标函数值等信息建立归起相原模型的整体优化方案设计优化模型。随后可在整个系统界面当中自动依次的将各种数据信息自动键入其中，利用本系统提供的自动模拟与仿真检测功能就可以快速对整个设计优化方案数据进行最全面与立体全方位的自动模拟或仿真结果检验，并将直观且清晰准确地展示出设计方案中最终方案的设计优化整体效果，以及每个优化设计变量数据之间的相互耦合关度等等，为优化设计分析人员对方案性能的结果进一步作出评估推理和价值判断时提供的相应帮助[5]。

4 结语

在现代造船业的进一步发展之下，船舶总体性能面临着优化设计的。现实问题。而其中涉及大量的错综复杂的矛盾问题和解决方案的多样性也在很大程度上增加了优化设计难度。近些年来国内外的人量研究学者先后投入了船舶总体性能优化设计的研究当中，并取得了一定的研究成果。在此基础上，未来来设计人员还将通过使用更多的智能技术和先进科学技术，以有效提升船舶总体性能优化设计的成效。