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序論：在您撰寫船舶優(yōu)化設(shè)計時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
關(guān)健詞 船舶結(jié)構(gòu)；優(yōu)化；設(shè)計方法
中圖分類號 U66 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708（2013）103-0100-02
進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目的就是尋求合適的結(jié)構(gòu)形式和最佳的構(gòu)件尺寸，既保證船體結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)定性、頻率和剛度等一般條件，又保證其具有很好的力學(xué)性能、經(jīng)濟性能、使用性能和工藝性能。隨著計算機信息技術(shù)的發(fā)展，在計算機分析與模擬基礎(chǔ)上建立的船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，借鑒了相關(guān)的工程學(xué)科的基本規(guī)律， 而且取得了卓越的成效；基于可靠性的優(yōu)化設(shè)計方法也取得了較大的進(jìn)步；建立在人工智能原理與專家系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上的智能型結(jié)構(gòu)設(shè)計方法也取得了突破性進(jìn)展。
1經(jīng)典優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)規(guī)劃方法于1960年由L.A.Schmit率先提出。他認(rèn)為在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)把給定條件的結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計問題轉(zhuǎn)變成目標(biāo)函數(shù)求極值的數(shù)學(xué)問題。這一方法很快得到了其他專家的認(rèn)可。1966年，D.Kavlie與J.Moe 等首次將數(shù)學(xué)規(guī)劃法應(yīng)用于船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計，翻開了船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計的新篇章。我國的船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法研究工作始于70 年代末，已研究出水面船舶和潛艇在中剖面、框架、板架和圓柱形耐壓殼等基本結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法。
由于船舶結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的板梁組合結(jié)構(gòu)，在受力和使用的要求上也很高，所以在進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計時，會涉及到許多設(shè)計變量與約束條件，工作內(nèi)容很多，十分困難。船舶結(jié)構(gòu)的分級優(yōu)化設(shè)計法就是在這個基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，其基本思路是最優(yōu)配置第一級的整個材料，優(yōu)選第二級的具體結(jié)構(gòu)的尺寸。每一級又可以根據(jù)具體情況劃分成若干個子級。兩級最后通過協(xié)調(diào)變量迭代，將整個優(yōu)化問題回歸到原問題。分級優(yōu)化方法成功地解決了進(jìn)行船舶優(yōu)化設(shè)計中的剖面結(jié)構(gòu)、船舶框架和板架、潛艇耐壓殼體等一系列基本問題。
2 多目標(biāo)的模糊優(yōu)化設(shè)計法
經(jīng)典優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法是在確定性條件下進(jìn)行的， 也就是說目標(biāo)函數(shù)與約束條件是人為的或者按某種規(guī)定提出的，是個確定的值。但是在實際上， 在船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計過程、約束條件、評價指標(biāo)等各方面都包含著許多的模糊因素，想要實現(xiàn)模糊因素優(yōu)化問題， 就必須依賴于模糊數(shù)學(xué)來實現(xiàn)多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計。模糊優(yōu)化設(shè)計問題的主要形式是：
式中j 和j分別是第j性能或者幾何尺寸約束里的上下限。
模糊優(yōu)化設(shè)計方法大大的增加了設(shè)計者在選擇優(yōu)化方案時的可能性， 讓設(shè)計者對設(shè)計方案的形態(tài)有了更深入的了解。目前，模糊優(yōu)化設(shè)計法發(fā)展很快， 但是，還未實現(xiàn)完全實用化。多目標(biāo)的模糊優(yōu)化設(shè)計法的難點主要在于如何針對具體設(shè)計對象， 正確描述目標(biāo)函數(shù)的滿意度與約束函數(shù)滿足度隸屬函數(shù)的問題。
3 基于可靠性的優(yōu)化設(shè)計方法
概率論與數(shù)理統(tǒng)計方法首先在40 年代后期由原蘇聯(lián)引入到結(jié)構(gòu)設(shè)計中， 產(chǎn)生了安全度理論。這種理論以材料勻質(zhì)系數(shù)、超載系數(shù)、工作條件系數(shù)來分析考慮材料、載荷及環(huán)境等隨機性因素。早在50年代，人們就在船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中指出了可靠性概念，隨后，船舶設(shè)計的可靠性受到人們的重視，開始研究可靠性設(shè)計方法在船舶結(jié)構(gòu)建造中的應(yīng)用。
船舶結(jié)構(gòu)可靠性的理論和方法根據(jù)設(shè)計目標(biāo)的不同要求， 可以得出不同的結(jié)構(gòu)可靠性的優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則。大體分為以下3種：
1）根據(jù)結(jié)構(gòu)的可靠性R·，要求結(jié)構(gòu)的重量W最輕，即：
MinW（X），s.t.R ≧R·
2）根據(jù)結(jié)構(gòu)的最大承重量W·， 要求結(jié)構(gòu)的可靠性最大或者破損概率最小，即：
Min Pf（X ） ， s.t.W （X ） ≦ W·
3）兼顧結(jié)構(gòu)重量和可靠性或破損概率， 實現(xiàn)某種組合的滿意度達(dá)到最大，即：
Max[a1uw（X）+a2upf（X）]
式中， a1，a2分別代表結(jié)構(gòu)重量和破損概率的重要度程度， 而且滿足a1+a2≥1.0，a1，a2≥0；uw，upf分別為代表相應(yīng)的滿意度。
關(guān)于船舶結(jié)構(gòu)的可靠性優(yōu)化設(shè)計方法的研究越來越多， 逐漸成為船舶的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的重要方向。但是，可靠性的優(yōu)化設(shè)計方法除了在大規(guī)模的隨機性非線性規(guī)劃求解中存在困難外， 還有一個重要的難點在于評估船舶結(jié)構(gòu)可靠性的過程很復(fù)雜， 而且計算量大。
4 智能型的優(yōu)化設(shè)計方法
隨著人工智能技術(shù)（Al）和計算機信息技術(shù)的發(fā)展， 給船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了一個新的途徑，也就是智能型優(yōu)化設(shè)計法。
智能型的優(yōu)化設(shè)計法的基本做法為：搜索優(yōu)秀的相關(guān)產(chǎn)品資料，通過整理，概括成典型模式，再進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析、類比分析和敏度分析尋找設(shè)計對象和樣本模式間的相似度、差異性與設(shè)計變量敏度等，按某種準(zhǔn)則實施的樣本模式進(jìn)行變換， 進(jìn)而產(chǎn)生若干符合設(shè)計要求的新模式， 經(jīng)過綜合評估與經(jīng)典優(yōu)化方法的調(diào)參和優(yōu)選， 最終取得最優(yōu)方案。
智能型的優(yōu)化設(shè)計法法的優(yōu)點是創(chuàng)造性較強，缺點是可靠性較弱。所以在分析計算其產(chǎn)生的各種性能指標(biāo)時，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行多目標(biāo)的模糊評估， 必要時還應(yīng)當(dāng)使用經(jīng)典優(yōu)化方法對某些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
5 結(jié)論
通過本文對船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的研究，我們得出在進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的時候， 往往會涉及到很多相互制約和互相影響的因素， 這就需要設(shè)計人員權(quán)衡利弊， 進(jìn)行綜合考察， 不但要進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)與結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)選，而且還要針對具體情況對做出的方案進(jìn)行評估、優(yōu)選和排序。通過什么準(zhǔn)則對不同的方案進(jìn)行綜合評估，得出最優(yōu)方案， 成為專家和設(shè)計人員需要繼續(xù)研究的問題。
參考文獻(xiàn)
[1]郭軍，肖熙.基于可靠性的船體結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2010（1）.
關(guān)鍵詞：船舶海洋工程管線優(yōu)化
中圖分類號：S611文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
前言
管道被廣泛地應(yīng)用于石油化工"水利工程"建筑"船舶等領(lǐng)域，其在不同的應(yīng)用環(huán)境下需承受不同的外力作用，大規(guī)模、全面地開發(fā)利用海洋資源和空間，發(fā)展海洋經(jīng)濟已列入各沿海國家的發(fā)展戰(zhàn)略。海洋開發(fā)和利用除了需要先進(jìn)的海洋工程技術(shù)，還需要各種海洋工程結(jié)構(gòu)物的支撐。這為與海洋工程裝備業(yè)關(guān)聯(lián)度極大的船舶工業(yè)提供了極好的機遇。作為未來世界經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，海洋工程和海洋開發(fā)潛力非常巨大。近幾年，全世界對浮式生產(chǎn)系統(tǒng)的新增需求達(dá)到約120座，全球浮式生產(chǎn)系統(tǒng)的年投資額以高速度遞增，其中FPSO船(浮式生產(chǎn)儲油裝置)仍將是全球浮式生產(chǎn)市場的建造熱點,該船型集生產(chǎn)、儲油、運輸多項功能于一身，是當(dāng)前國際海上石油開發(fā)生產(chǎn)設(shè)施的主流形式。隨著生產(chǎn)向深海的不斷進(jìn)入，F(xiàn)PSO船的優(yōu)勢將會更充分顯現(xiàn)出來。中國海洋石油開發(fā)總公司也需要較大數(shù)量的海洋平臺、多艘FP-SO平臺，用于海洋開發(fā)建設(shè)的資金達(dá)到了數(shù)百億元。船舶工業(yè)是海洋工程的天然“霸主”。隨著海洋油氣開發(fā)向深海發(fā)展，船舶工業(yè)與海洋工程的關(guān)系更加緊密，船舶工業(yè)在海洋油氣開發(fā)中的作用更加突出。這主要有兩方面的原因:一方面是技術(shù)上的因素。隨著作業(yè)水深的增加,固定式平臺海洋構(gòu)造物難以適應(yīng)深海作業(yè)，各種浮式海洋工程結(jié)構(gòu)物成為深海油氣開發(fā)的主角。船舶工業(yè)與其他專業(yè)平臺廠相比其優(yōu)勢正是在這類浮式結(jié)構(gòu)物上——海洋開發(fā)裝備具有船舶的屬性，它的基本要求是在水上能浮起來、穩(wěn)得住、移得動，這就與船舶有了相近的技術(shù)要求。這種天然優(yōu)勢為船舶工業(yè)迅速占領(lǐng)深海平臺市場創(chuàng)造了良好的條件。另一方面是開發(fā)周期的因素。由于海洋油氣開發(fā)競爭日趨激烈，國際石油商對從發(fā)現(xiàn)油氣到生產(chǎn)的時間要求越來越緊，而與船舶相近的海洋工程物恰恰可以以最快的時間迅速部署于生產(chǎn)現(xiàn)場， 從而大大縮短深海油氣的開發(fā)時間。正是由于這兩方面的原因，使船舶工業(yè)迅速成為深海油氣開發(fā)裝備生產(chǎn)的主要力量。船舶工業(yè)越來越深地融入海洋開發(fā)裝備領(lǐng)域，已成為當(dāng)前海洋裝備發(fā)展的一個重要特點。相對于已經(jīng)成熟的船舶工業(yè)來說，海洋開發(fā)裝備業(yè)是一個新興產(chǎn)業(yè)，正在發(fā)展過程中，據(jù)專家估計,目前及未來幾年,僅油氣開發(fā)生產(chǎn)一項，全世界就需要約100多艘FPSO船、200多座鉆井平臺，加上其他海洋產(chǎn)業(yè)的需求,海洋開發(fā)裝備甚至比整個國際船舶市場的需求還要高。因此未來船舶企業(yè)會參與更多的海洋工程結(jié)構(gòu)物的建造。
管線幾何優(yōu)化設(shè)計
管道隔振支座最佳布置設(shè)計優(yōu)化需確定隔振支座的類型"數(shù)量及位置!由于支座類型的選擇難以依靠程式化優(yōu)化計算來得到，本研究僅針對支座力學(xué)與隔振性能參數(shù)給定情況下，研究管線支座的數(shù)量與幾何位置優(yōu)化問題涉及到的約束條件包含強度( 應(yīng)力) "剛度( 位移和變形) "穩(wěn)定性( 屈曲) 和動力學(xué)特性( 管線固有頻率和管線響應(yīng)振幅) ，同時考慮工藝安裝方面的特殊要求( 某些位置無法安裝支座) 針對上述約束，細(xì)化為優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中考慮應(yīng)力"位移"固有頻率"穩(wěn)定性和評價點在指定頻率區(qū)間的振級落差等約束條件簡化的支座布局幾何優(yōu)化設(shè)計模型見圖所示，通常選取支座數(shù)目和支座位置為設(shè)計變量本模型假定支座總數(shù)目事先已知( 通常按照工藝要求確定，但適當(dāng)增加一定數(shù)量) ，通過確定各支座的幾何位置坐標(biāo)實現(xiàn)布局優(yōu)化!當(dāng)相鄰兩個支座的位置坐標(biāo)非常接近或重合時，代表其中一個支座可以取消。
支座布局幾何優(yōu)化模型
2.管道隔振支座布置設(shè)計優(yōu)化模型迭代解法
上面給出的支座布局優(yōu)化模型仍為基于連續(xù)與離散設(shè)計變量的混合數(shù)學(xué)規(guī)劃問題，常規(guī)優(yōu)化算法較難解決，可采用迭代優(yōu)化算法
進(jìn)行求解!考慮到計算效率的問題，需采用變步長的迭代優(yōu)化算法!
該迭代算法依據(jù)約束條件的滿足情況及變步長的臨界間距值來確定支座數(shù)量的減少與增加，然后通過
常規(guī)優(yōu)化方法得到支座的幾何位置坐標(biāo)，最終得到較優(yōu)的支座數(shù)目及間距!迭代流程見圖采用迭代算法求解該支座布局優(yōu)化模型時，其計算效率有賴于迭代步長的選擇!對于特定的管道結(jié)構(gòu)，當(dāng)假定的支座初始數(shù)目與最優(yōu)支座數(shù)目相接近時，即使迭代步長為常數(shù)，依然能夠獲得較好的計算效率，但假定的支座初始數(shù)目與最優(yōu)支座數(shù)目相差較多時，則必須選擇逐步增加的迭代步長才能獲得較為理想的計算效率。
支座布局優(yōu)化模型迭代解法
由管線各目標(biāo)函數(shù)下的優(yōu)化結(jié)果可知，三種目標(biāo)函數(shù)下的優(yōu)化模型，優(yōu)化后滿足約束要求，支座最優(yōu)數(shù)目均為6個，各支座位置接近，優(yōu)化結(jié)果基本相同，三種方法迭代次數(shù)均為 5-6次，計算效率較為理想，但以關(guān)聯(lián)支座造價為目標(biāo)函數(shù)下的優(yōu)化模型與其他兩個模型相比迭代次數(shù)較多，將幾何優(yōu)化設(shè)計方法所得優(yōu)化結(jié)果與規(guī)范設(shè)計方法優(yōu)化結(jié)果比較可知，以管線結(jié)構(gòu)應(yīng)變能和管線最大下垂為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型，幾何方法和規(guī)范法所得優(yōu)化結(jié)果接近!以關(guān)聯(lián)支座造價為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型，采用幾何方法時，盡管迭代次數(shù)較多，但仍然取得了滿足約束條件的優(yōu)化結(jié)果，其計算過程較規(guī)范設(shè)計方法更為穩(wěn)定，結(jié)果更為可靠!
總體來看，兩種設(shè)計方法所得優(yōu)化結(jié)果是相一致的，幾何優(yōu)化設(shè)計方法是可行的!在幾何優(yōu)化設(shè)計方法中，由于支座初始數(shù)目通過假定得到，且往往與最優(yōu)數(shù)目相差較大，因此迭代次數(shù)較多，其計算效率明顯低于規(guī)范設(shè)計方法，但較多的迭代次數(shù)同時也保證了迭代過程的穩(wěn)定性，使計算結(jié)果更為可信!因此，尚須進(jìn)一步研究更為穩(wěn)定高效的管線隔振支座布局優(yōu)化算法。
3.總結(jié)：將所得結(jié)果與規(guī)范設(shè)計方法優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了比較，證明了幾何優(yōu)化設(shè)計模型及方法的可行性，并得到了與規(guī)范設(shè)計方法中相一致的結(jié)論: 以管線最大下垂或管線結(jié)構(gòu)應(yīng)變能為目標(biāo)函數(shù)的隔振支座布局模型計算過程更為穩(wěn)定高效"優(yōu)化結(jié)果更為可靠。
參考文獻(xiàn):
[1] W.Kent.Muhlbauer 《Pipeline Risk Management Manual》
[2] 美國雪佛龍公司 海上油氣工程設(shè)計實用手冊
[3] 海洋石油工程設(shè)計概論與工藝設(shè)計
ANALYSIS OF PIPING OPTIMIZATION DESIGN IN MARIN SHIP & OFFSHORE PROJECT
Xiaoyimeng
(BOMESC Offshore Engineering Company Limited TEDA TIANJIN CHINA 300457)
Abstract: Ships engineering technology has been mainly based on general navigation of the ship-based, with the development of Deep Ocean, marine construction vessels generally have not restricted, but extends to all parts of marine engineering, such as various engineering ships, offshore oil platforms, FPSO vessels. Ships engineering technology should be based on a ship and the proper development of the situation to increase technical knowledge, so that professionals have mastered the knowledge of other marine engineering structures.
Keywords: Marine engineeringOffshore EngineeringPiping optimization
【關(guān)鍵詞】 長江口船舶定線制；船舶交通流；優(yōu)化設(shè)計；上海港；繞航
0 引 言
近年來，隨著長江“黃金水道”沿岸經(jīng)濟帶的高速發(fā)展，以上海港為龍頭的長江沿岸港口貨物吞吐量增長較快，進(jìn)出長江的船舶與南北大通道的船舶在長江口水域產(chǎn)生大量的交叉和匯聚，船舶航跡分布復(fù)雜，船舶交通流之間沖突點多。尤其是從中浚前5 h開始，大量外籍船舶按照引航計劃起錨進(jìn)入長江口，其駕駛員與南北大通道航行船舶駕駛員之間語言溝通不暢，導(dǎo)致一些遲來的船舶“搶”計劃、“搶”位置，從而造成船舶間避讓不協(xié)調(diào)，船舶交通流之間沖突強度大。本文對2008年版長江口船舶定線制未能解決的問題進(jìn)行分析，力求降低各船舶交通流之間的沖突強度和等級，避免出現(xiàn)外籍船舶起錨后進(jìn)入長江口與南北大通道船舶直角交會的局面，以緩解現(xiàn)有長江口水域通航安全壓力，降低該水域通航風(fēng)險，為海事管理部門決策提供建議和理論依據(jù)。
1 長江口船舶定線制概況
長江口地處我國南北海岸線中部的長江黃金水道與沿海南北大通道的交匯處，自2002年9月1日起，長江口開始實施船舶定線制，由3個圓形警戒區(qū)、11個通航分道和11條分隔線組成。而后海事管理部門根據(jù)實際運行效果對該水域進(jìn)行優(yōu)化，將原先3個警戒區(qū)簡化為A、B兩個警戒區(qū)，簡化通航分道并調(diào)整相關(guān)燈浮和錨地分布。2008年6月1日起施行的新版本長江口船舶定線制見圖1。
2 長江口船舶定線制擬解決的問題
2.1 長江口警戒區(qū)存在安全風(fēng)險
2008年版長江口船舶定線制在2002年版的基礎(chǔ)上作了簡化，并很好地對接了長江口深水航道治理三期工程，對梳理船舶交通流有著較為理想的效果。[1] 但是，當(dāng)南北大通道的船舶與東西向的船舶因下列3種情況積聚時，其間的交通流沖突并沒有得到解決。
（1）在正常天氣條件下，中浚前5 h左右，長江口水域開始初漲，大批船舶開始從海上或錨地起錨駛進(jìn)引航作業(yè)區(qū)水域或進(jìn)入通航分道、警戒區(qū)，然后分別從長江口深水航道、南槽航段進(jìn)入，直至中浚時結(jié)束。
（2）因風(fēng)、霧等惡劣天氣導(dǎo)致上海港南北槽封航，待天氣和能見度好轉(zhuǎn)、船舶交通管理系統(tǒng)（VTS）解除禁令后，此時耽擱的船舶必然魚貫而入，從而導(dǎo)致船舶積聚。
（3）因特殊船舶進(jìn)出、發(fā)生船舶故障、海事和軍事演習(xí)等導(dǎo)致臨時交通管制，待管制結(jié)束后出現(xiàn)船舶交通流積聚情況。
當(dāng)船舶交通流積聚時，大量外籍船舶與南北大通道上的本國船舶密集交匯且溝通不暢，導(dǎo)致避讓難度加大，存在重大安全隱患。排隊等待進(jìn)長江口上引航員的外籍船舶與南北大通道上的船舶之間交通流沖突見圖2。
2.2 船舶交通流復(fù)雜
根據(jù)對A警戒區(qū)內(nèi)交通流量長期觀察結(jié)果，該區(qū)域船舶交通流較為復(fù)雜，主要有以下幾個情形：大型船舶進(jìn)出長江口深水航道、采用我國沿海南北習(xí)慣航線、出港的小型船舶在A警戒區(qū)附近轉(zhuǎn)向北上、從長江口1號錨地起錨駛往南北槽進(jìn)港等。
按照常規(guī)，D3通航分道沿南北方向的延長線為管制線，也就是說船舶在進(jìn)入管制線以前都是根據(jù)自身計劃（其中交管時間期間按交管批復(fù)時間）安排進(jìn)入長江口的。那么，在長江口初漲或臨時管制解封后，進(jìn)入長江口的船舶分別從A、C1通航分道匯聚至長江口A警戒區(qū)（見圖3），其中不乏有大型重載船舶和大型超寬船舶。由于長江口燈船至D3通航分道水域過于狹小，造成很多船舶間來不及溝通便已經(jīng)匯聚至報告線水域的尷尬，往往還會出現(xiàn)按照計劃原本應(yīng)該優(yōu)先進(jìn)入長江口的船舶卻被堵在后面的情況。
2.3 長江口錨地容量不足
由于長江口現(xiàn)有錨地?zé)o法滿足進(jìn)出上海港船舶錨泊的需要，經(jīng)常會有船舶錨泊于長江口錨地邊線以外，甚至侵占A通航分道。
3 優(yōu)化方案設(shè)計
3.1 優(yōu)化方案的主要原則
3.1.1 安全第一
海上航行安全最為重要，航道規(guī)劃應(yīng)充分滿足通航的安全性，以適應(yīng)港口未來發(fā)展的需要。
3.1.2 兼顧經(jīng)濟、環(huán)保效益
在確保通航安全的情況下，航道規(guī)劃應(yīng)充分考慮航運企業(yè)的經(jīng)濟效益，減少不必要的經(jīng)濟支出；同時不能對海上環(huán)境構(gòu)成威脅，確保海上環(huán)境不因航道規(guī)劃而遭受破壞，以促進(jìn)海上交通和諧。
3.1.3 充分考慮航海習(xí)慣
長江口是大型船舶進(jìn)入長江的唯一入口，中外船舶匯聚于此，對于長江口船舶定線制而言，最終的受用者是廣大國際海員。因此，在制定優(yōu)化方案時需要充分尊重國際海員的航海習(xí)慣，同時充分考慮優(yōu)化后通航分道與原有航道之間的延續(xù)性，盡可能少作改動，以便于航經(jīng)此水域的駕（引）人員掌握、理解和執(zhí)行。
3.2 優(yōu)化方案調(diào)整的主要內(nèi)容
從緩解既定方案的突出矛盾、提高通航安全性、兼顧航運企業(yè)經(jīng)濟效益和海上環(huán)保效益及優(yōu)化方案實用性等角度出發(fā)，充分征詢有經(jīng)常航行于長江口水域經(jīng)歷的船長、引航員的意見，建議性地描繪出長江口船舶定線制優(yōu)化方案（見圖4），其主要內(nèi)容如下：
（1）取消原有C1和C2通航分道。
（2）將A通航分道向正東方向延長20 n mile，并相應(yīng)增加C警戒區(qū)和C1、C2、C3通航分道。
（3）將B通航分道向正東方向延長20 n mile，并相應(yīng)更名為B2通航分道；相應(yīng)增加D警戒區(qū)和D1、D2通航分道，并保留B警戒區(qū)和原有C3通航分道。
（4）將長江口1號錨地向正東方向延展并擴充為長江口1號錨地和2號錨地，將原有長江口2號錨地向正東方向延展并擴充為長江口3號錨地和4號錨地，深水航道D5燈浮正北面的錨地維持原狀不變。
（5）A警戒區(qū)與B警戒區(qū)之間及A警戒區(qū)北側(cè)水域?qū)嵤┫拗菩酝ê?，即航行于北槽及江蘇、浙江附近口岸的船舶可以使用該限制性分道，但必須提前報備，謹(jǐn)慎駕駛，同時現(xiàn)場必須征得VTS同意。
（6）其余相應(yīng)增加相關(guān)燈浮和虛擬浮標(biāo)。
4 優(yōu)化方案總體評價及說明
4.1 安全性評價
李松等[2]提出兩艘或多艘船舶在一定的時間和空間上彼此接近到一定程度時，若不改變其運動狀態(tài)，就有發(fā)生碰撞的危險，這種現(xiàn)象稱為水上交通沖突，同時引入“交通沖突技術(shù)”對水上交通沖突的發(fā)生過程及其嚴(yán)重性進(jìn)行定量測量和判別，并應(yīng)用于安全評價和預(yù)測。評價警戒區(qū)交通沖突嚴(yán)重性的4個指標(biāo)分別是沖突點數(shù)量、沖突區(qū)域的復(fù)雜性、沖突出現(xiàn)頻率和沖突等級。本文以北槽與南槽水域作為比較單元，按照以上4個指標(biāo)對船舶定線制優(yōu)化前后兩個水域的警戒區(qū)沖突情況對比作簡要評價（見表1）。[3]
由表1可知，船舶定線制優(yōu)化以后，北槽水域警戒區(qū)外移，避讓余地更大，對緩解在錨地起錨進(jìn)入引航作業(yè)區(qū)的船舶與南北大通道上的船舶之間水上交通沖突作用明顯，水域安全性將會明顯提高；南槽水域雖然“多”出一個警戒區(qū)，沖突點數(shù)量有所增加，但優(yōu)化方案會分隔一部分船舶流，減小局部水域船舶密度，使船舶沖突強度和等級均有所下降，水域安全性將會有所提高。[4]
4.2 兼顧經(jīng)濟效益
南北大通道整體向東“搬遷”，將會大大提高該水域的安全性，從而減少航經(jīng)此地的船舶因航行安全引發(fā)的經(jīng)濟損失，但同時會使得部分船舶產(chǎn)生一定程度的繞航，增加繞航船舶的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)，尤其是從上海港至江蘇、浙江附近港口的船舶繞航明顯。
在提高船舶通航安全性的基礎(chǔ)上，設(shè)計方案充分考慮航經(jīng)該水域船舶的經(jīng)濟效益，減少不必要的繞航，保留B2通航分道，對南槽出口南下的船舶以及浙江沿岸北上由南槽進(jìn)口的船舶均不會造成影響。同時，保留A警戒區(qū)北側(cè)水域、A警戒區(qū)與B警戒區(qū)之間的限制性通航，減少船舶在北槽水域和浙江附近港口之間的繞航。
4.3 兼顧社會和環(huán)保效益
船舶主機在額定功率的60%以下運行時，將會造成柴油機氣缸內(nèi)柴油燃燒不良，運轉(zhuǎn)效率下降、滑油消耗率增加，使燃燒室部件、排氣系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的燃?xì)馕廴尽Ｒ虼?，?yōu)化方案實施以后將大大提高長江口水域船舶運轉(zhuǎn)的通暢度，減少主機換擋、停復(fù)主機及低速航行的次數(shù)，減少主機內(nèi)柴油不充分燃燒及其產(chǎn)生的污染氣體排放。
4.4 尊重航海習(xí)慣
長江口船舶定線制優(yōu)化方案是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上將南北大通道整體向正東方向“搬遷”20 n mile，盡可能地少作改動，以便于航經(jīng)此水域的國際船舶海員對“新”方案的理解和適應(yīng)。
5 結(jié) 語
長江口是整個長江航道系統(tǒng)的咽喉，是長江深水航道和南槽航道的重要組成部分。本方案從實際問題出發(fā)，在理論上尋求突破口，為海事管理部門在制定方案時提供理論建議和參考。但是，長江口船舶定線制優(yōu)化設(shè)計方案在提高長江口船舶通航安全性的同時，也造成部分船舶繞航和海事部門監(jiān)管投入成本增加等不利影響。長江口船舶定線制的設(shè)置直接影響到整個上海港的船舶安全及進(jìn)出上海港船舶交通的暢通或阻滯，因此需要作進(jìn)一步深入研究和評估，權(quán)衡利弊。
參考文獻(xiàn)：
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[關(guān)鍵詞]船舶；螺旋槳；優(yōu)化；設(shè)計
中圖分類號：F407.474 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）15-0355-02
在船舶設(shè)計領(lǐng)域，針對船舶的穩(wěn)性、快速性、操縱性及耐波性等分別具有一套理論完善、實用有效的設(shè)計方法。因此，隨著航運業(yè)的高速發(fā)展，船舶的經(jīng)濟性、環(huán)保及安全性日益受到重視，對船舶的綜合性能提出了更高的要求。螺旋槳作為主要的船舶推進(jìn)裝置，其綜合性能直接影響著船舶的快速性、安全性與舒適性。同時，隨著船舶向高速化、大型化發(fā)展，螺旋槳負(fù)荷日益加重，而豐滿型船尾容易導(dǎo)致伴流場的不均勻程度增加，使得單純考慮效率的螺旋槳設(shè)計方法無法滿足現(xiàn)代螺旋槳的性能要求，必須發(fā)展新的設(shè)計方法，從推力、效率、空泡及激振等多方面對螺旋槳進(jìn)行綜合優(yōu)化。
1 優(yōu)化設(shè)計方法
1.1 優(yōu)化問題
螺旋槳螺距與拱度的優(yōu)化設(shè)計問題主要是在給定槳葉負(fù)荷的面分布形式時對螺距與拱度的配合進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化過程中，槳葉徑向負(fù)荷的分布形式被指定的歸一化形式限制，葉剖面采用 NACA a=0.8 拱弧線或其他形式，通過調(diào)整螺距與拱度的匹配，使槳葉負(fù)荷的弦向分布形式與給定形式的方差最小。采用升力面理論渦格法程序計算槳葉負(fù)荷及水動力，優(yōu)化問題的提法如下：
其中：Γmn、Γ0mn分別為槳葉附著渦強度的計算值和要求值，依次根據(jù)計算得到的負(fù)荷弦向分布及給定的負(fù)荷弦向分布形式來確定。M、N 分別為槳葉徑向和弦向渦格數(shù)，本文取 M=15，N=10。
限制條件式（2）中，Tσ為推力系數(shù)計算值TK與設(shè)計要求值T0K 之絕對誤差，Tε為誤差限，本文取Tε=0.025%。另外
式（5）中Γ0m為給定的槳葉負(fù)荷徑向分布形式，歸一化方法同Γm。rε為rσ的允許誤差，本文取rε=0.05%。
選擇槳葉各半徑剖面的螺距比PDi和最大拱度與相應(yīng)的弦長的比值0Mif為優(yōu)化變量，為了減少計算量，可根據(jù)設(shè)計條件限定優(yōu)化變量的取值范圍，本文取DLP=0.5、DUP=1.3，0ML
f=0.0、0MUf=0.1。在優(yōu)化過程中，發(fā)現(xiàn)槳葉梢部對徑向載荷的變化特別敏感，而負(fù)荷徑向分布很難在葉梢部完全與指定負(fù)荷分布形式保持一致，所以優(yōu)化得到的螺距比在葉梢部極易出現(xiàn)突變，這在螺旋槳設(shè)計中是不允許的，因此，根據(jù)螺旋槳設(shè)計經(jīng)驗引入式（7）作為限制條件，以控制葉梢附近螺距沿徑向的變化趨勢：
其中：LPD=-0.05，UPD=0.0，該限制條件用來使葉梢部的螺距比沿徑向遞減。
螺旋槳設(shè)計中，首先必須滿足推力要求，限制條件（2）的第1式即為此而設(shè)；第2式用于限制負(fù)荷的徑向分布形式，這是影響效率的一個主要因素，本文僅考慮負(fù)荷的徑向分布形式給定的情況，并不進(jìn)行效率優(yōu)化，也就是說，保持原槳負(fù)荷徑向分布不變，改變其弦向分布，通過優(yōu)化槳葉螺距比與拱度的配合，使槳葉表面壓力分布趨于均勻，從而改善槳葉的空泡性能。需要說明的是，上述誤差限的取值是為了使相應(yīng)誤差盡可能小，在優(yōu)化過程中實際的誤差常常大于誤差限，如限制條件中要求σr≤εr=0.0005，在實際優(yōu)化計算中常常不能嚴(yán)格滿足這一限制要求，而相應(yīng)的最終優(yōu)化結(jié)果卻達(dá)到了設(shè)計要求，因此這種情況下可認(rèn)為此限制條件是滿足的。同樣，σT≤εT的限制出現(xiàn)類似情況時，也不做嚴(yán)格要求。
2 優(yōu)化案例
2.1 優(yōu)化對象及其性能分析
本章以某集裝箱船五葉螺旋槳為原型，在保持或提高原槳的敞水效率的前提下，以改善槳葉負(fù)荷分布為目標(biāo)，對槳葉螺距與剖面最大拱度的徑向分布進(jìn)行優(yōu)化。五葉槳的主要參數(shù)見表1。
按照上述螺旋槳優(yōu)化設(shè)計流程，得到的優(yōu)化結(jié)果需要通過SPROP（VLM方法）及FLUENT（
CFD 方法）軟件從數(shù)值計算的角度進(jìn)行驗證，以確定優(yōu)化目標(biāo)是否實現(xiàn)。表2比較了原槳在設(shè)計工況下的敞水性能的試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果。
從表2可知：SPROP 軟件預(yù)報值的相對誤差為：推力-1.5%、扭矩-5.0%、效率+3.7%；FLUENT
預(yù)報值的相對誤差為：推力+1.0%、扭矩+0.4%、+0.6%。SPROP 軟件預(yù)報的扭矩與試驗差別較大，可能是由其尾渦模型對葉梢卸載槳的適用性差以及粘性阻力估算誤差較大引起；而 FLUENT 軟件預(yù)報值與試驗值非常吻合。假定SPROP 軟件的計算誤差在優(yōu)化過程中不S設(shè)計方案的改變而改變，在優(yōu)化設(shè)計中，設(shè)定推力目標(biāo)值時需按原型槳的預(yù)報誤差預(yù)先給與補償。
3 優(yōu)化結(jié)果
表3為A槳與B槳的目標(biāo)函數(shù)及限制條件的滿足情況?？梢钥闯觯号c負(fù)荷徑向分布相比，在整個拱弧面上滿足給定的負(fù)荷弦向分布相對比較困難；因為B槳負(fù)荷的弦向分布形式不同于A槳，而拱弧線形式與A槳相同，所以σs、σr的誤差均比A槳大；控制葉梢螺距變化的限制條件則有效地使葉梢的螺距沿徑向呈遞減趨勢，限制了葉梢部螺距的數(shù)值波動，使之具有工程實用性。
螺距與拱度的優(yōu)化結(jié)果與原槳之比較分別如圖3.1、3.2所示。螺距與拱度的分布趨勢表明：當(dāng)螺距與拱度作為離散變量各自獨立變化時，最終得到的螺距與拱度分布難以保持光順。其原因可能是：負(fù)荷徑向分布無法精確滿足給定值，負(fù)荷弦向分布形式與給定的形式也存在一定的誤差，以及數(shù)值計算的隨機誤差。因此本章從工程的實用性要求出發(fā)，在保持優(yōu)化結(jié)果的分布趨勢及滿足推力要求的前提下，對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行光順處理，并以光順后的結(jié)果為最終優(yōu)化設(shè)計方案，利用FLUENT 對其進(jìn)行CFD計算分析。
優(yōu)化設(shè)計中，A、B 槳及原槳負(fù)荷的徑向分布形式保持不變，原槳通過增加葉梢拱度，以彌補葉梢螺距卸載（指葉梢螺距相對于0.7R處螺距的減小量）所損失的負(fù)荷。根據(jù)圖3.1、
3.2中對螺距與拱度分布的定性分析可知A、B槳的螺距與拱度配合能夠產(chǎn)生與原槳相同的負(fù)荷徑向分布形式。
圖3.3、3.4分別為SPROP軟件計算的A、B槳的負(fù)荷弦向分布與A槳相比，B槳負(fù)荷的弦向分布在導(dǎo)邊附近有所卸載，但卸載程度遠(yuǎn)小于原槳。與三種負(fù)荷弦向分布對應(yīng)的螺距與拱度配合如圖 3.1、3.2所示，其中A槳螺距最大、拱度最小，原槳的螺距最小、拱度最大，
B 槳螺距與拱度均居于A槳與原槳之間。這一結(jié)果充分說明負(fù)荷的弦向分布形式對螺距與拱度配合的影響。在設(shè)計工況下，從三種螺距與拱度配合下的槳葉性能進(jìn)行分析，A、B 槳各半徑處的剖面比原槳剖面更接近翼型的設(shè)計狀態(tài)，可能對槳葉效率有利；但原槳剖面的工作狀態(tài)更接近于面空泡界限，而A、B 槳偏向背空泡界限，因此原槳在輕載工況下應(yīng)該容易發(fā)生面空泡。
4 結(jié)語
通過對弦向負(fù)荷分布形式的比較，認(rèn)為常用的a=0.8的負(fù)荷分布形式不太適合于高速、重載的現(xiàn)代船舶螺旋槳設(shè)計，該形式使槳葉導(dǎo)邊附近的負(fù)荷過重，容易在葉背側(cè)的導(dǎo)邊附近形成負(fù)壓峰，進(jìn)而誘發(fā)槳葉背空泡。導(dǎo)邊卸載的負(fù)荷分布形式（如 a=0.8 & b=0.1）可能是一種更好的選擇。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞：船舶結(jié)構(gòu)；有限元法；優(yōu)化設(shè)計；浮態(tài)調(diào)整；自動加載
一、引言
在船舶結(jié)構(gòu)直接計算中，外載荷(包括波浪壓力、砰擊載荷、貨物壓力、晃蕩載荷、波浪彎矩、剪力和扭矩等)[1]的計算都依賴于經(jīng)驗公式，不管是采用全船的計算模型還是采用艙段的計算模型，目前情況下很難得到一個完全平衡的外載荷力系。由于船舶結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，直接計算時，有限元模型中節(jié)點數(shù)、單元數(shù)十分龐大，載荷計算的累計誤差使得尋求一個完全平衡的外載荷力系的工作更加困難。在這種情況下，施加合理、合適的邊界條件變得十分重要，因為約束點產(chǎn)生的很大的反力嚴(yán)重地影響(改變)了結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)。邊界條件對于計算的結(jié)果有重大的影響，而邊界條件的確定取決于對結(jié)構(gòu)受力和變形狀態(tài)的判斷以及分析者的經(jīng)驗，其中人為的因素較多。也許可以認(rèn)為根據(jù)StVenant原理，由于約束點距離我們最關(guān)心的部位較遠(yuǎn)，對應(yīng)力分布的計算結(jié)果的影響有限，但是這樣得到的結(jié)果畢竟是不甚合理的。因此用有限元方法計算船舶結(jié)構(gòu)強度時，為了得到比較準(zhǔn)確的變形和應(yīng)力結(jié)果，可能需要特殊的處理方法。目前的研究中有采用慣性釋放的方法[2]，此方法用結(jié)構(gòu)的慣性力來平衡外力，由于人為的施加外載荷，雖然在大多數(shù)情況下，都經(jīng)過了節(jié)點力的調(diào)整，但作用在船體的力系仍然不是平衡力系，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，利用慣性力使整個力系達(dá)到平衡。也有研究整船有限元模型自動加載技術(shù)的[3]，這些研究都需要經(jīng)過節(jié)點力的調(diào)整和慣性平衡力計算的多次疊代，對船舶要進(jìn)行浮態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)起來，比較繁瑣。
本文基于優(yōu)化設(shè)計的思想，提出了一種應(yīng)用ANSYS優(yōu)化設(shè)計分析功能進(jìn)行船舶浮態(tài)的自動調(diào)整及加載的方法，使得施加在有限元模型的整個外載荷幾近于平衡力系，約束點的支反力接近于零，通過算例證明了該方法的可行性。
二、ANSYS優(yōu)化設(shè)計理論及其應(yīng)用于船舶浮態(tài)自動調(diào)整及加載
ANSYS優(yōu)化設(shè)計分為目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計兩種。目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計是一種通過迭代試算以確定最優(yōu)化設(shè)計方案的技術(shù)[4]。所謂“最優(yōu)設(shè)計”，指的是該種方案可以滿足所有的設(shè)計要求（如應(yīng)力低于許用應(yīng)力，長度小于臨界長度），而且目標(biāo)量的支出（如重量、面積和費用等）最小。一般來說，設(shè)計方案的許多方面都可以優(yōu)化，如尺寸、形狀、制造費用、自然頻率等。所有可以參數(shù)化的ANSYS選項幾乎都可以做優(yōu)化設(shè)計。ANSYS優(yōu)化設(shè)計實際就是程序提供了一系列的分析―評估―修正的循環(huán)過程，這一循環(huán)過程重復(fù)進(jìn)行直到所有的設(shè)計要求都滿足為止。ANSYS優(yōu)化模塊中的三大變量是設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計變量為自變量，優(yōu)化結(jié)果的取得就是通過改變設(shè)計變量的數(shù)值來實現(xiàn)的，而實際上設(shè)計變量就是需要真正的進(jìn)行設(shè)計的變量。狀態(tài)變量是約束設(shè)計的數(shù)值，為因變量，是設(shè)計變量的函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)即為最后用以評估設(shè)計是否最優(yōu)設(shè)計的量，一般來說是要盡量減小的量，它必須是設(shè)計變量的函數(shù)，也就是說目標(biāo)函數(shù)的數(shù)值也必須隨著設(shè)計變量的改變而改變。
本文的思路是基于ANSYS優(yōu)化設(shè)計理論，我們將船舶首尾吃水定義為設(shè)計變量，也就是說將船舶模型的舷外水壓力載荷作為我們設(shè)計的變量，再將單元的應(yīng)力定義為狀態(tài)變量，約束點處的支反力定義為目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化迭代設(shè)計，ANSYS優(yōu)化設(shè)計程序?qū)⑼ㄟ^迭代試算自動尋找到船舶合理的也就是實際的吃水狀態(tài)，使得目標(biāo)函數(shù)值即約束支反力的大小接近于零，此時整個外載荷幾近于平衡力系，得到的設(shè)計變量的解最接近船舶實際的吃水及浮態(tài)，這個解也就是我們所要尋找的最優(yōu)解，尋找到最優(yōu)解的這次迭代實際上也完成了船舶有限元模型合理的加載與計算。
整個優(yōu)化程序設(shè)計的主要步驟為（1）用命令流參數(shù)化建立船舶有限元模型，船舶的吃水等設(shè)計變量用參數(shù)化的形式輸入，并指定初始值，為了提取必要的狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)，需要進(jìn)行一次求解且用命令流提取并指定狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)，將船舶的吃水指定為設(shè)計變量，單元的應(yīng)力指定為狀態(tài)變量，約束處的支反力定義為目標(biāo)函數(shù)，然后生成循環(huán)所用的分析文件，該文件包括整個分析的過程；（2）進(jìn)行優(yōu)化分析的設(shè)置，進(jìn)入OPT，指定分析文件，聲明優(yōu)化變量，選擇優(yōu)化工具和優(yōu)化方法，指定優(yōu)化循環(huán)控制方式等。（3）運行優(yōu)化程序，進(jìn)行優(yōu)化分析并查看設(shè)計序列結(jié)果和后處理。
三、算例
為了說明該方法的的可行性，本文對一柱體進(jìn)行了基于優(yōu)化設(shè)計的浮態(tài)調(diào)整。如圖1所示，柱體的橫截面為正方形，柱體上表面0-3000mm范圍內(nèi)的均布載荷為1/375 N/mm2，3000-7000mm范圍內(nèi)的均布載荷為3/800 N/mm2，7000-10000mm范圍內(nèi)的均布載荷為7/3000 N/mm2，首吃水的初始值B=300mm，尾吃水的初始值A(chǔ)=500mm，整個分析計算過程的APDL程序如下：
圖1 柱體模型尺寸及載荷示意圖（尺寸單位：mm）
/BATCH ASEL,A,LOC,X,10000
*SET,A,500! 定義設(shè)計變量初始值 ADELE,ALL,1
*SET,B,300 ASEL,S,LOC,Y,0
/PREP7！進(jìn)入前處理建立有限元模型 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,！施加約束
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！進(jìn)入后處理
/SOL！進(jìn)入求解器 SET,LAST
ANTYPE,STATIC ETABLE,STR,LS,1！提取狀態(tài)變量值
SF,ALL,PRES,8000/(1000*3000) ！定義載荷 *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） ！提取目標(biāo)函數(shù)值
ALLSEL,ALL FINISH
*DIM,P1,TABLE,2,3,1,X,Y, LGWRITE,'OPT','lgw', ！生成優(yōu)化分析文件
*SET,P1(0,1,1) , 0 /OPT ！進(jìn)入優(yōu)化處理器
*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, , ! 定義設(shè)計變量
*SET,P1(1,0,1) , 0 OPVAR,B,DV,200,600, ,
*SET,P1(1,1,1) , A/100000 OPVAR,C,SV,0,100, , ！定義狀態(tài)變量
*SET,P1(1,2,1) , (A-B)/100000 OPVAR,D,SV,0,100, ,
*SET,P1(2,0,1) , 10000 OPVAR,W,OBJ, , ,10, ！定義目標(biāo)函數(shù)
*SET,P1(2,1,1) , B/100000 OPSAVE,'OPT',' ',' '
NSEL,S,LOC,Y,0,1000 OPTYPE,FIRS！定義一階方法
NSEL,U,LOC,Y,1000 OPFRST,8, , , ！最大8次迭代
SF,ALL,PRES,%P1% ！定義水壓力載荷 OPEXE！開始優(yōu)化分析
ALLSEL,ALL
程序在第3次迭代計算的時候，找到了最優(yōu)解，此時設(shè)計變量A=320.84mm，B=279.07mm，目標(biāo)函數(shù)W=4.2832 N，本次迭代同時也完成了模型合理的加載與計算。設(shè)計變量A、B對迭代次數(shù)的函數(shù)曲線見圖2所示，目標(biāo)函數(shù)W對迭代次數(shù)的函數(shù)曲線見圖3所示。
理論計算結(jié)果為A=321.001mm，B=278.999mm，優(yōu)化程序計算表得到的A值的相對誤差為0.519%，B值的相對誤差為0.025%，誤差非常小，可見程序的計算是有效的。
圖2A、B對迭代次數(shù)的函數(shù)曲線 圖3W對迭代次數(shù)的函數(shù)曲線四、結(jié)論
有限元方法在船舶結(jié)構(gòu)分析中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，由于船舶結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，浮態(tài)的調(diào)整和舷外水壓力的計算及加載要花費大量的精力，從算例可見，基于ANSYS優(yōu)化設(shè)計分析可以用來自動處理這些工作，并能較好地接近理論計算的結(jié)果，因此該方法在船舶結(jié)構(gòu)的直接計算中，具有一定的實用性。
參考文獻(xiàn)
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【關(guān)鍵詞】 船舶消防水系統(tǒng) 消火栓間距 優(yōu)化
對于船舶消防水系統(tǒng)而言，水的獲取相對容易（主要使用海水），可是稱得上是海上消防最廉價的材料。水的滅火原理就是冷卻，當(dāng)水與火接觸時就會長生大量的水蒸氣，水蒸氣可以阻止氧氣與火源的繼續(xù)接觸，從而抑制火的蔓延；而且強大的水柱會產(chǎn)生較大的機械壓力，對易燃物體的燃燒部分起到驅(qū)散與撲滅的作用；水還可以進(jìn)一步的滲透到易燃物的內(nèi)部，以限制火源的繼續(xù)蔓延。消防水系統(tǒng)，是船舶消防制度中嚴(yán)格規(guī)定的必備系統(tǒng)。其工作原理是通過消防水系統(tǒng)中的消防泵從海底閥泵入舷外水，然后經(jīng)消防總管分入各個支管，輸送到系統(tǒng)中的每個消火栓等出水端以供滅火所需。
1 船舶消防水系統(tǒng)的概述
船舶消防水系統(tǒng)主要由消防泵、系統(tǒng)管網(wǎng)、消火栓、消防水帶、水槍和國際通岸接頭等組成。消防水泵是消防水系統(tǒng)的主要給水升壓設(shè)備，是整個消防水系統(tǒng)的核心所在。從其工作原理來講，與其他用途的水泵沒有什么本質(zhì)的區(qū)別，只是消防水泵是專門用于消防水系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。系統(tǒng)管網(wǎng)，就是水從消防泵輸送至各個消火栓的管道網(wǎng)，主要由消防總管與各支管組成。根據(jù)水的輸送距離長短和輸送方向的集散程度，管道上一般還會設(shè)置各種附件、管件、組件等簡單的設(shè)備。消火栓即消防水系統(tǒng)的出水終端，由快捷接頭和截止閥組成。消防水帶的制作材料一般有棉織涂膠、尼龍涂膠和麻織三種。水槍就是為了改變水流形式和獲取射程而設(shè)計的工具，可分為水霧/水柱型、水柱型和噴霧型三種。國際通岸接頭一般有兩部分組成，一端為適合于與本船舶消火栓和消防水帶連結(jié)的快速接頭，另一端是標(biāo)準(zhǔn)法蘭接頭，兩個接頭組合工作，而且國際通岸接頭在不用時應(yīng)放于規(guī)定位置，以便于隨時可取。
2 消火栓間距
消火栓的間距主要包括消火栓的規(guī)格及在相關(guān)規(guī)定下規(guī)格的選取，還包括消火栓的射程等數(shù)據(jù)，只有結(jié)合以上兩點才能更好的做到消火栓的有效優(yōu)化。
2.1 消火栓水槍的口徑確定
消火栓的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格一般可以分為、與三種。
根據(jù)相關(guān)規(guī)定，在外部場所和機器處所，水槍尺寸應(yīng)該是在滿足規(guī)定要求壓力之下的水柱中，并能從最小的水泵獲得較大限度出水量，但是規(guī)定水槍規(guī)格應(yīng)盡量控制在19mm以下，根據(jù)這一規(guī)定選取使用19mm的水槍并不違反規(guī)格要求。
2.2 消火栓水槍的最大射程
消火栓的水槍在噴水時，在全部消火栓處應(yīng)維持的的最低壓力如表1所示。
關(guān)鍵詞：船舶管理系統(tǒng)；彈性支撐；位置優(yōu)化設(shè)計
在戰(zhàn)爭中，船舶經(jīng)常會受沖擊作用造成內(nèi)部部件損壞，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重的故障問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，加強了船舶管路系統(tǒng)的研究力度，主要利用隨機輸入對彈性支撐參數(shù)及位置等進(jìn)行了分析，但沒有對沖擊荷載及位置優(yōu)化等進(jìn)行分析。本次主要采用直梁模擬船舶管路系統(tǒng)，并利用模型計算、控制等一系列操作，對不同位置的彈性支撐進(jìn)行了驗算，可以得到各種動態(tài)響應(yīng)參數(shù)，確定了彈性支撐位置。
一、構(gòu)建數(shù)學(xué)模型
本次主要對船舶彈性支撐管路系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)合彈性支撐情況，將管路系統(tǒng)中的一部分作為了直梁模型。通常可以將管路系統(tǒng)劃分為兩個階段進(jìn)行分析：第一階段，受沖擊荷載影響，系統(tǒng)可得到初始速度。但是此階段沖擊荷載作用的實踐較短，產(chǎn)生的沖擊較大，所以可忽略不計。第二階段是沖擊后階段，該階段中獲得的沖擊初始速度，在周期與隨機作用下會發(fā)生強迫運動，產(chǎn)生的振動強度較大。
本次分析中將其運動分為三步，第一，運動方程：
其中ρ表示航渡，E表示拉壓彈性模量，I表示斷
面關(guān)心矩，x表示激振位移，y（x，t） v表示梁撓度， 為激振位移，Cm為粘性系數(shù)，lci表示彈性支撐位置。
第二，沖擊運動方程。船舶受到較大沖擊力之后，可以將運動時間曲線表示成：
其中參量V表示衡量攻擊強
度的速度；T1表示沖擊運動非振蕩與風(fēng)量衰減時間，一般隨著船舶運動、類型等情況變化；時間T2為主震蕩衰減時間；時間T3為主震運動分量周期，隨著船位置變化變化，t表示沖擊所耗費的時間。
第三，沖擊完成后進(jìn)行的運動方程：
，其中， 是標(biāo)準(zhǔn)白噪聲。
對系統(tǒng)沖擊后實施控制時，必須從四種情況進(jìn)行分析：第一種，進(jìn)行自由振動，d2=d3=0；第二隨機振動，d2=1，d3=0；第三，周期振動，d2=0，d3=1；第四一般情況，d2≠0，d3≠0。
二、探索最優(yōu)控制問題
（一）制定最優(yōu)控制方程
一般采用模態(tài)分析可以將運動方程表示為狀態(tài)方程，此時梁應(yīng)力就可以表示為：
，其中 。
（二）了解目標(biāo)函數(shù)
為了了解系統(tǒng)在沖擊后的振動控制，本次研究中主要將其分為四種不同狀態(tài)下，分被是自由振動、純隨機輸入、純周期輸入與一般情況四種情況。
（三）控制方程的解
將運動過程進(jìn)行模態(tài)分析后，將其表示為 ，其中 為振向量矩陣，q=[q1，q2，q3…qN]T。
第一，如果不計沖擊狀態(tài)影響，可得到?jīng)_擊階段運動解為
，位移與速度為qi0=qi0（t）、qi0=qi0（t）。位移與速度均為初始位移速度。第二沖擊后階段。沖擊后主要分為兩部分求解，一種為連續(xù)梁所讀初始速度是自由振動在隨機輸入與周期輸入下所進(jìn)行的強迫運動，一般從自動振動、純隨機輸入與純周期輸入等三方面進(jìn)行計算。
三、實例分析
本次將系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為E=2×1011Pa，Cin=2×108NS/m2，l=10m，Z Zb=5×10-6m3，I=5.1×10-7m4，ρ=8.34kg/m。進(jìn)行管路系統(tǒng)彈性支撐布置時，必須要對各種運輸情況進(jìn)行分析，在不同輸入下設(shè)置1、2、3個彈性支承，采用對稱方法設(shè)置。上述均為梁沖擊后在不同情況下所產(chǎn)生的彈性支承位置減振變化，圖中橫坐標(biāo)是lc/l0，縱坐標(biāo)是σ/σ0。l0表示梁長；c為彈性支撐位置；當(dāng)設(shè)置1到2個彈性支撐時，σ0是系統(tǒng)不加載彈性支撐時承受荷載下的平均彎曲應(yīng)力，當(dāng)布置知三個彈性支撐時，σ0只表示加一個彈性支撐所受荷載的平均彎曲應(yīng)力；σ表示加載彈性支撐系統(tǒng)后，在荷載作用下所產(chǎn)生的平均彎曲應(yīng)力。
第一，分析自動振動情況。如上圖1所示，當(dāng)布置一個彈性支撐時，形成的最佳位置恰好在管路終端；布置兩個彈性支撐時，恰好在0.33l0和0.67l0位置；布置三個彈性支撐時，最優(yōu)位置在0.25l0、0.50l和0.75l0三個位置。
第二，隨機振動情況。耐2可知，對于彈性支撐的最優(yōu)位置，一般布置一個彈性支撐時，恰好在管路中點；布置兩個時恰好在0.35l0、0.65l0；布置三個彈性支撐時，最佳位置是0.27l0、0.50l0和0.73l0。
第三，了解周期運行情況。從圖3可知，一個彈性支撐時，最佳位置恰好在管路中點；布置兩個彈性支撐時恰好位于0.37l0、0.63l0；布置三個是最佳位置是0.00l0、0.50l0和1.00l0。
第四，分析隨機與周期聯(lián)合運行狀況。圖4展示了周期輸入及書記輸入情況下彈性支撐位置變化的減振圖，在此種操作中充分考慮了兩種不同參數(shù)的位置變化。布置一個彈性支撐時，恰好為管路中點；布置兩個時，最佳位置是0.37l0，0.63l0與0.39l0，0.61l0；布置三個彈性支撐時，最佳位置是0.00l0，0.50l0，1.00l0與0.33l0，0.50l0與0.67l0。
四、結(jié)果分析
結(jié)合上述分型與計算結(jié)果等分析可知，第一，彈性支撐位置影響著減振效果，圖中所表示的最小值為彈性支撐最佳位置；第二，但彈性支撐參數(shù)相同時，彈性支撐位置的合理布置不僅影響系統(tǒng)振動及隨機振動，而且減振效果較好，但對系統(tǒng)周期減振效果影響較大；第三，使用不同參數(shù)彈性支撐，所得的最優(yōu)位置也會發(fā)生很大變化。第四，同一個系統(tǒng)中，一旦談彈性參數(shù)給定，就必須對彈性支撐個數(shù)進(jìn)行選擇。從圖例可知，隨著彈性支撐數(shù)量的增加，不一定可得到較好的彈性支撐減振效果。以上結(jié)論在管路系統(tǒng)設(shè)計彈性支撐時，具有較大作用，可以及時進(jìn)行考慮分析。
結(jié)束語
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，爆炸量與沖擊持續(xù)時間不斷延長，危害性也不斷增加，造成了嚴(yán)重的設(shè)備損害問題。經(jīng)過分析可知，設(shè)備沖擊隔離與抗沖擊能力影響著船舶的使用壽命。因此本次利用構(gòu)建模型方式系統(tǒng)全面的分析了彈性支撐沖擊下位置優(yōu)化設(shè)計問題，得到的實際應(yīng)用效果較理想。在今后分析中，還要從數(shù)據(jù)計算精確性、計算方法等進(jìn)行探究，選擇一種高效、便利的方式保證船舶安全，減少不良損害。
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