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摘要：船舶设计是船舶生产的第一步，更是船舶的基础，好的船舶设计能够给船舶带来更好的性能，因此做好船舶设计工作是十分必要的。船舶设计是一项比较复杂并且体量庞大的工作，尤其是船舶初步设计工作，它属于一种串行的设计模式，要对全局有一个全面并且透彻的了解才能够完成好，多学科设计优化技术能够很好的达到这一要求，因此将对学科设计优化技术运用到船舶初步设计中是很有必要的。本文主要研究的就是多学科设计优化技术在船舶初步设计中的应用。
关键词：船舶工程；多学科设计优化；船型调和
船舶初步设计是船舶生产的基础，奠定了整个船舶的基调，是船舶设计中相当重要的一个环节。在船舶初步设计开始之前要对船舶的具体情况、顾客的具体要求等等有一个相当全面的了解，但是就目前的传统船舶设计方法来看，并没有哪一种方法能够完全满足这一要求，因此将多学科设计优化技术运用到船舶初步设计中是很有必要的。
1、传统船舶设计技术与多学科设计优化的对比
在以往的船舶设计中，设计人员主要依据业主方的设计要求以及船舶的主要功能需求开展相关设计工作。在设计之初，先搜集几款用途相近、形状相似、又较受业主满意的船舶设计案例为母型船，再结合本船的特点、功能等情况确定初步方案，估算性能，确认改进效果以及性能需求的。因为船舶设计的体量较大，涉及范围也广，往往这种改进和估算的工作需要经过反复多次的修正才能够完成，这是一种串行的设计模式。
但是这种反复的、螺旋形进行的设计方法存在着比较大的问题，这种序列化的串行设计模式只有在确定了新船型的各项参数，尤其是与尺度相关的参数时，才能够在母型船的基础上进行改进和变换，很大程度上限制了型线设计阶段主尺度设计自由度，只能够得到的一个可行的设计而无法获得最优的平衡解，这种方式已经完全无法适应现代船舶设计的相关要求了。而多学科设计优化则能够将主尺度的确定和船型变换放在同一个体系层次进行考虑，让两者能够同时进行，大大增加了型线设计阶段主尺度设计自由度，使得很多船舶的要求能够得到更好的实现，还减少了反复改换带来的时间和资金成本，有利于船舶设计的发展。
2.多学科设计优化技术在船舶初步设计中的应用
将多学科设计优化技术应用于船舶初步设计当中，最大的作用就是将传统的串行设计模式转变成新型的并行设计模式。其中，最为常用的一种设计手段就是将影响船型的各项参数视为变量，进行统一的优化设计，以此来实现与主尺度要素的并行设计。多学科设计的目的是充分利用各个学科之间的专业，相互作用产生协同效应，从而获得工程系统整体最优解。在使用多学科优化技术进行参数计算和相关的设计改进的过程中，会运用集成了船型调和模块及静水力计算模块，对会对船舶造成影响的静水力要素（来进行计算，这些要素的相关参数在模块中也是在不断变化的，这就可以实现将其作为中间变量参与优化改造的并行设计模式。进行船舶多学科设计优化的最终目的是保证系统综合性能达到最佳状态。船舶综合性能是指在船舶寿命怄气诶系统顺利完成规定要求的能力；船舶设计工作内容涵盖的内容奇偶导例如船舶性价比问题、外形设计、出阿尼拓扑布局设计、流体力学、抗冲击设计、局部疲劳强度问题、船舶振动与疲劳、船体结构强度、振动及噪声隐身问题、雷达波隐身问题等等，以上内容均属于船舶多学科优化设计问题。图1是船舶结构优化设计步骤，从图中可以看出有些参数在设计过程中是相互矛盾的，如水下快速性能相关参数及水下噪声参数；有些参数相互关联，如雷达隐身与船舶外型尺寸、外型结构与船舶机动性能及稳定性、船体局部强度和抗爆炸能力、浆的推动力和快速性与船舶振动和噪声之间的关联；以上问题都需要进行学科之间相互协调才能保证满足设计最佳方案。
图1：船舶结构多学科设计优化
船舶多学科设计设计软件平台优化设计过程为先定义设计参数类型，计算不同学科模型下的结果；优化软件平台将所计算出的不同结果作为响应，并定义目标函数及约束函数作为输入数据进行优化研究。利用软件平台提供优化引擎，将输入的数据通过响应面方程进行优化计算循环，在计算中不断调整相关参数，得到最佳结果，完成优化循环。其可与多种外部求解器联合应用，并进行非线性、线性优化分析，并求出各参数对目标函数的敏感性，为实际优化设计提供相关指导。
3、船舶多学科设计优化（MD0）原型系统的开发
多学科设计优化技术在船舶初步设计中的应用，需要先借助计算机技术对船型调和模块、静水力计算模块以及各类计算程序进行集成化处理，进而建立起一个过程模型，再将这一模型应用到船舶初步设计的相关参数估量以及调整过程中，以便进行计算。（图2是船型调和模块及计算程序的集成，图3是静水力计算模块的集成）
图3 静水力计算模块的集成
通过图4和图5可以看出，在该原型系统中，最为主要的就是船型参数化调和模块幅，图6~图8清晰的表示了船型修改调和方案的数学描述。该数学描述的调和公式为：：H=C1*H1+C2*H2，C1+C2=1，其中，H1是图4中的NURBS控制顶点坐标，H2是图5中的NURBS代表的是控制顶点坐标。C1、C2所代表的是从0到1之间的调和系数，两者的和为1。通过调节C1、C2的值，可得到介于图4和图5曲线之间的不同形状的曲线，如图6所示。
图6 调和后的曲线形状
在这样的模型中，能够以多条母型船为基础，直接操纵母型船的NURBS控制顶点，再由合成后的控制顶点生成船体曲面网格，进而计算出船体曲面，从而产生一系列光顺的船型。调和公式如下：；在此公式中，n代表的是母型船的数量，p代表的是新船控制顶点坐标，Pi代表的是母型船控制顶点坐标，Ci代表的是调和系数，在计划的过程当中，多条母型船调和系数的和应该等于1，同时Ci应该大于等于0，小于等于1。从上述调和过程可以看出，由于调和系数的和为1，所以无论怎样调节Ci的值，此后生成的所有船型则都处在一种正好容纳所有母型船的最小空间范围内，如图7所示。
图7 母型船的调和过程
结束语
随着社会经济的不断发展，传统的螺旋式串行船舶设计模式已经无法满足现代设计的要求，这种无法综合考虑各学科之间的想不影响因素的方法无法取得最优的船舶设计方案。而对学科优化设计技术则尅将串行设计转变为并行设计，不仅能够对涉及到的相关数据进行有效的收集和集成，还能够通过计算模型将有可能造成形象的各学科参数也加入到改造计算的过程中来，这种设计方式能够或等更符合船舶要求的最优方案，不但使船舶的设计周期和建造成本得到了大幅压缩，还在很大程度上提高了设计方案的科学合理性，有效推动了船舶设计水平的全面提升，这对于整个船舶行业的健康发展将具有非常重要的现实意义。
参考文献：
[1]王振国，陈小前，等．飞行器多学科设计优化理论与应用研究[M]．北京：国防工业出版社，2006．4．
[2]赵敏，崔维成．多学科设计优化研究应用现状综述[J]．中国造船，2007，48（3）：63—72．
论文作者:商魏,张杰,陈诚
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/25
标签：船舶论文; 船型论文; 多学科论文; 参数论文; 船舶设计论文; 初步设计论文; 的是论文; 《防护工程》2018年第32期论文;