有關船舶多學科設計優化建模的研究

張庭亞

【摘要】船舶設計是一項技術復雜的工程，其周期較長，并且對技術精度的要求也是比較高的。對其的設計牽扯到的學科知識的范圍也是比較廣的，包括水動力與結構學等。且當前隨著計算機技術在各個科學領域的運用程度不斷加深，船舶設計也正采用計算機技術，用計算機進行高精度的模型進行分析與設計。但是，相比于其他學科而言，船舶科學的發展是比較緩慢的，雖然傳統的設計方式，貫穿了串行設計的方法，其為船舶設計技術的發展做出了較大的貢獻，但是也存在一定的問題的，比如無法估計各學科之間的耦合效應以及協同效應，又比如無法克服低效與耗時的不足。鑒于此，本文就針對船舶多學科的設計優化建模進行了研究，并得出了自己的一些見解和建議。

【關鍵詞】船舶設計；模型；多學科；研究

全球制造業隨著經濟社會的發展，對我國的國民經濟也得到了迅速的提升與發展。因此我國的造船業也迎來了比較適宜的發展契機，但是我國雖然是造船大國，但是卻進入不了造船強國的行列。所以再這種背景之下，我國的造船工業急需創新與發展，但是面對技術密度高且周期又長的船舶設計工程，學習與借鑒分析國際上的先進方法與理論，深入了解其特點，優化設計方法，無論是有效控制周期、還是節省成本或提高設計質量而言，都是相關行業人員非常重要的任務。

一、船舶多學科優化設計的特點

（一）問題具有綜合性特點

船舶本身就是一個復雜的綜合物體，所以對其進行設計其方案也必定擁有較為復雜的綜合性特點，這些問題包含了流體靜力學、水動力以及結構等多方面的知識。只有把這些學科高度優化與融合在一起，才能完整的設計船舶，因此，對于船舶的設計而言，其設計問題是具有綜合性的特點的。

（二）設計問題具有矛盾性特點

設計問題的矛盾主要存在于船舶的各項技術之間，這包括安全性與經濟性特征。這就相當于對船舶的設計設置了一個矛盾點。又比如，在排水量一定的情況下船舶的載重量與航速及航程之矛盾，阻力與效率之間的矛盾，船舶操縱的穩定性與靈活性之間的矛盾等。因此在確定設計方案的時候，調整某一項設計因素，就會牽扯到別的因素，這就要做出合理的取舍，綜合與全局考慮，才能使得整個設計方案呈最優化狀態。

（三）各學科關系之間具有復雜性特征

船舶設計牽扯到的學科是方方面面的，因此隨著設計者對船舶設計的不斷深入，矛盾就會下顯現，但是修改這些矛盾點，不是通過對某種學科的改變就能夠改變的，多學科之間有著復雜的聯系與分工，其耦合關系具有一定的復雜性特征。

二、船舶多學科優化設計建模分析

（一）設計初級階段引入MDO

船舶設計的過程是復雜的，是逐步進行的，因此其設計過程也需要適應一種方法。因為其包括了初步構想、初級設計與完善設計幾個方面，所以在不同的設計階段設計知識和自由度也會呈現出不同的變化趨勢。如下圖（1）所示：

船舶設計的不同階段對應相應的設計知識積設計自由度，設計階段越靠后需要的設計知識越多，而設計的自由度卻越低。由此也可以看出，傳統的設計方法與概念以及相對應的周期也是比較短的，因此其是不能獲得足夠的知識的，這樣一來就不利于設計工作的進行。因此為了獲得最優的方案，就需要在設計初期考慮多學科因素，從船型、結構與推薦等方面得出變量關系。

（二）船舶的總體設計及學科劃分析

總體設計是一項非常重要的工作，其綜合性強，設計面也比較廣，對船舶設計的總體質量保障也是相當重要的前提。一般來其包含了幾個方面：1、船型的特征與布置構；2、尺度的考量與選擇；3、技術性能的分析與估算；4、其他猶如法律法規的問題。

這些內容都是總體設計階段需要著重考慮的問題，需要綜合性考慮，且其中也包含了以下結果領域：船型、重量、船艙容量、速度與穩定性、操縱的靈活性、結構與經濟性等。因此對不同類型的船舶進行多學科優化設計的時候，需要選擇與其相適應的經驗公式與統計公式模型。

（三）重量學科的模型分析

重量模型分析主要是為了使船舶的浮力與重力達到一個平衡的標準，讓其準確的漂浮在吃水線上面。因此，如果重量計算的誤差過大，船舶的下沉就會比較深，這樣就會影響船舶的使用性能。所以正確的設計中心的位置，確定浮性與穩定性、耐波性與強度等因素。船舶的重心估算式如下：

（四）船艙容量學科分析

船舶的重量是基礎，但是船舶的容量（艙容）也是比較重要的一部分，這是使用面積，包含了甲板面積，是用來轉載貨物與油水的空間。其是一項重要的使用性能，因為一旦艙容不夠，就會影響使用效果，反之又容易造成浪費。因此在設計階段，根據船舶的尺度，通過合理的重量與尺度比例計算出合理的容積，用以滿足船舶運行的要求是非常具有必要性的。

（五）速度學科分析

快速性與經濟性聯系非常大，其實根據在一定的基礎上，根據主機的功率來定的。而影響船舶航行速度的因素，無論是阻力還是排水量都需要科學的驗證，船舶的總阻力取決于排水量、與尺度比等需要因素。另外，從推進方面來看，主要是螺旋槳的推進方式，螺旋槳的效率和符合系數有著直接的關聯。因此從設計的角度來說，解決這些問題，主要在于如何選擇適合的尺度由于主機功率，另外優化船型減少阻力也需要考慮。

（六）穩定學科分析

船舶的設計穩定性分為兩部分，分別是初穩性與大傾角穩定性。其中影響因素包括船舶中心的高度，水線面系數以及型寬等。另外其還與干弦、上層建筑以及進水口的位置及受風面有著聯系。因此，出于安全考慮，需要確定適宜的初穩性高下限值。初穩性高的近似估算值公式如下：

（七）耐波性學科分析

船舶的耐波性的好與差直接關系到船舶的使用性能與安全性能，在如今其已近成為衡量船舶性能的重要標準之一，通常在國際上也是通過耐波性來評判一艘船舶的質量。耐波性的學科分析模型如下：

（八）操縱性學科分析

傳統的設計中，船型主要是根據尺度與快速性與穩性等方面的要求來決定的，其甚少考慮操縱性的要求。但是這并不代表其不重要。它也包含了三項內容：航向穩定性、回轉性與轉首性。因此在船舶設計的初級階段，如果想使船舶具有最優的操縱性能，就必須要建立，操縱指標與其它參數之間的關系，航向穩定性的公式如下：

回轉性的公式如下：

（九）經濟學科分析

一搜船舶的設計必須要滿足多學科的共同需求，最大限度的使用。然而現在公認的破壞船舶主要干擾因素是經濟性。即在確定技術要素的同時，必須考慮經濟性的因素。通俗來講就是，在保障船舶航行安全的狀態下，估算造價。整船估計具體公式如下：

經濟學科分析模型如下：

三、結束語

船舶設計是一項非常復雜的系統工程，其周期長、學科多以及耦合關系復雜等，因此決定了學科分析需要采用精度更高的方法，然后利用響應面近似模型技術來完成整個設計優化過程。如今，多學科設計的優化方法已經被飛機甚至是導彈行業所應用，并且也取得了良好的設計結果。由此可以看得出來其是一項非常科學的、行之有效的方法。鑒于此，本文針對船舶多學科設計的優化建模研究，只是對船舶總體多學科設計工作的一個開始，希望經過船舶設計及制造業從業人員的不斷努力，我國的船舶設計水平能夠達到一個較高的水平，是我國快速邁向造船強國行列。

參考文獻

[1]馮佰威.基于多學科設計優化方法的船舶水動力性能綜合優化研究[D].武漢理工大學，2011.

[2]鄭宏濤，蔡志浩，彭曉源.虛擬樣機多學科設計優化問題建模研究[A].中國系統仿真學會.中國系統仿真學會第五次全國會員代表大會暨2006年全國學術年會論文集[C].中國系統仿真學會：，2006：5.