基于多目標(biāo)優(yōu)化算法NSGA II的極地穿梭油輪型線設(shè)計(jì)

段菲，張利軍，陳鴿，姜海寧，張琪

中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司技術(shù)研發(fā)中心，遼寧大連116000

基于多目標(biāo)優(yōu)化算法NSGA II的極地穿梭油輪型線設(shè)計(jì)

段菲，張利軍，陳鴿，姜海寧，張琪

中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司技術(shù)研發(fā)中心，遼寧大連116000

［目的］隨著北極豐富油氣資源的不斷開采，需要大量滿足極地航行要求的船舶。［方法］將非支配排序遺傳算法（NSGA II）應(yīng)用于船體型線優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出極地船舶多目標(biāo)優(yōu)化方法。以船舶無(wú)冰靜水阻力以及冰區(qū)航行阻力為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)極地船舶排水量以及船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行船型篩選，快速實(shí)現(xiàn)滿足冰區(qū)船舶裝載量與EEDI排放要求的船型優(yōu)化。以常規(guī)6.5萬(wàn)噸穿梭油輪為研究對(duì)象，采用全參數(shù)化建模方式，通過(guò)極地船舶多目標(biāo)優(yōu)化方法分別對(duì)3種不同艏部形式的船型進(jìn)行優(yōu)化，［結(jié)果］優(yōu)化后的船型均滿足冰區(qū)IA級(jí)航行要求，其中無(wú)冰靜水阻力最大減小約12.94%，冰區(qū)最小推進(jìn)功率最大減小約27.36%，［結(jié)論］有效驗(yàn)證了基于NSGA II的極地船舶多目標(biāo)優(yōu)化方法的可行性與合理性。

極地船舶；多目標(biāo)優(yōu)化方法；非支配排序遺傳算法；船型優(yōu)化

0 引 言

隨著各國(guó)加大北極地區(qū)油氣資源的開采，極地穿梭油輪的需求量與日俱增，而只有滿足極地冰級(jí)要求的船舶才能適應(yīng)極地海況并保證航線的安全運(yùn)輸。此外，船型的設(shè)計(jì)與優(yōu)化不但關(guān)系到冰區(qū)航行船舶主機(jī)功率的大小和是否滿足船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI各階段要求，而且對(duì)無(wú)冰水域航行船舶的經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。Markov等［1］通過(guò)移動(dòng)船體曲面控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)船體曲面變化的控制，對(duì)S60船型進(jìn)行優(yōu)化，使興波阻力系數(shù)下降了34.14%；Saha等［2］針對(duì)S60船型通過(guò)序列二次規(guī)劃算法優(yōu)化了興波阻力；Suzuki等［3］提出了基于Bessho假設(shè)的船型優(yōu)化方法，通過(guò)油輪與集裝箱船的實(shí)船優(yōu)化，確認(rèn)此方法適用于船體尾部型線的選擇；Abt等［4-6］應(yīng)用Friendship進(jìn)行船型全參數(shù)化建模及型線優(yōu)化研究，針對(duì)單體快速船設(shè)計(jì)得到了水動(dòng)力性能良好的船型；Harries等［7］對(duì)油輪采用全參數(shù)化建模，基于勢(shì)流進(jìn)行了型線優(yōu)化，效果顯著；Kim［8］通過(guò)結(jié)合多目標(biāo)遺傳算法MOGA與CFD阻力計(jì)算方法，對(duì)不同航速下的DTMB 5415船模進(jìn)行了船型優(yōu)化；Tahara等［9］以船舶自航、操縱性以及水動(dòng)力性能為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)比序列二次規(guī)劃算法與多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)船型優(yōu)化，證實(shí)了多目標(biāo)遺傳算法的可行性。綜上所述，以船舶航行阻力為目標(biāo)的常規(guī)船型優(yōu)化方法多種多樣，均取得了顯著的優(yōu)化效果，其中更是將遺傳算法運(yùn)用到了船型優(yōu)化研究中。冰區(qū)船舶航行要求較多，對(duì)冰區(qū)船舶的型線優(yōu)化研究也甚少，而遺傳算法作為多目標(biāo)優(yōu)化算法，可以有效解決冰區(qū)航行船舶的優(yōu)化問(wèn)題。

本文擬將非支配排序遺傳算法（NSGA II）應(yīng)用于極地船舶型線優(yōu)化設(shè)計(jì)中，提出極地船舶多目標(biāo)優(yōu)化方法。以船舶無(wú)冰靜水阻力及冰區(qū)航行阻力為優(yōu)化目標(biāo)，以極地船舶排水量要求以及船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI指標(biāo)為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行船型篩選，快速實(shí)現(xiàn)冰區(qū)船舶裝載量與EEDI排放要求。以某常規(guī)6.5萬(wàn)噸穿梭油輪為例，采用全參數(shù)化建模方式，以滿足冰區(qū)IA級(jí)航行要求為目標(biāo)，通過(guò)極地船舶多目標(biāo)優(yōu)化方法分別對(duì)3種不同艏部形式的船型進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)比優(yōu)化后船型冰區(qū)航行性能以及無(wú)冰狀態(tài)下的快速性等，用以驗(yàn)證基于NSGA II極地船舶多目標(biāo)優(yōu)化方法的可行性與合理性。

1 優(yōu)化算法與優(yōu)化方法

1.1 船型優(yōu)化算法

本文將帶精英策略的NSGA II應(yīng)用于船體型線優(yōu)化設(shè)計(jì)。帶精英策略的NSGA II是2000年由Deb等［10］對(duì)基于Pareto最優(yōu)概念的非支配排序遺傳算法NSGA［11］進(jìn)行改進(jìn)提出的，解決了計(jì)算程序復(fù)雜、個(gè)別計(jì)算系數(shù)的選取較為依賴經(jīng)驗(yàn)等不足，大幅提高了算法的性能，無(wú)需對(duì)種群中每個(gè)個(gè)體的每個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行比較并遍歷種群，而是僅計(jì)算每個(gè)個(gè)體支配其他個(gè)體的個(gè)數(shù)及被此個(gè)體支配的個(gè)體的集合。此外，在NSGA II算法中當(dāng)選擇進(jìn)行交叉的個(gè)體時(shí)，無(wú)需求解共享函數(shù)、共享半徑等，而僅根據(jù)個(gè)體的排序進(jìn)行選擇。此外，為保證種群的多樣性，NSGA II還引入擁擠度概念。

擁擠度是指種群中給定個(gè)體的周圍個(gè)體密度，直觀上可表示為個(gè)體i周圍僅僅包含個(gè)體i本身時(shí)的最大長(zhǎng)方形的長(zhǎng)，如圖1所示，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為f1和f2，則d即為個(gè)體i的擁擠度。擁擠度的引入實(shí)際上是為了保證在交叉運(yùn)算中不至于出現(xiàn)基因過(guò)度集中的現(xiàn)象。需要注意的是，在NSGA II中，擁擠度的比較僅在同一非支配等級(jí)中的兩個(gè)體之間進(jìn)行，即非支配等級(jí)要優(yōu)先于擁擠度的排序。

圖1 擁擠度概念示意Fig.1 Schematic diagram of congestion

綜上，經(jīng)過(guò)快速非支配排序及擁擠度計(jì)算后，每個(gè)個(gè)體都得到2個(gè)屬性：非支配等級(jí)Rn及擁擠度 Rw。因此在比較個(gè)體i和j的排序時(shí)，當(dāng)Rni＜Rnj時(shí)，個(gè)體 i優(yōu)于個(gè)體 j，取 Rni；當(dāng) Rni=Rnj且 Rwi＞ Rwj時(shí)，個(gè)體 i優(yōu)于個(gè)體j，同樣取 Rni。

1.2 極地船舶多目標(biāo)優(yōu)化方法

1.2.1 優(yōu)化目標(biāo)

極地船舶的優(yōu)化不但要考慮冰區(qū)航行要求，更要兼顧無(wú)冰狀態(tài)下的水動(dòng)力性能，本文以船舶無(wú)冰靜水阻力以及冰區(qū)航行阻力為優(yōu)化目標(biāo)，提出極地船舶多目標(biāo)優(yōu)化方法。

1）無(wú)冰靜水阻力。無(wú)冰靜水阻力采用CFD計(jì)算模型尺度的阻力，并通過(guò)二因次法進(jìn)行實(shí)船阻力換算得到，其中摩擦阻力計(jì)算采用1957ITTC的方法。

2）冰區(qū)航行阻力。冰區(qū)航行阻力主要包括靜水阻力、海冰發(fā)生彎曲破壞以及壓毀失效產(chǎn)生的破冰阻力、浮冰與船體間的摩擦力等，當(dāng)螺旋槳選定時(shí)，冰區(qū)航行阻力主要影響船舶的最小推進(jìn)功率：

式中：P為冰區(qū)航行主機(jī)最小推進(jìn)功率，kW；Ke為無(wú)因次系數(shù)，與螺旋槳有關(guān)；Dp為螺旋槳直徑；Rch為冰區(qū)航行阻力，采用規(guī)范計(jì)算得到，各項(xiàng)系數(shù)僅與船型參數(shù)及冰級(jí)有關(guān)，具體參見文獻(xiàn)［12］。相對(duì)于數(shù)值模擬及冰池實(shí)驗(yàn)，規(guī)范計(jì)算值偏保守，但快捷有效，是涉冰船舶設(shè)計(jì)階段不可或缺的評(píng)估準(zhǔn)則之一。

1.2.2 約束條件

1）冰區(qū)船舶排水量。船舶的排水量由空船重量與載重噸共同決定，在保證載重噸不變的情況下，考慮因冰區(qū)加強(qiáng)導(dǎo)致的船體空船重量的增加。不同冰級(jí)鋼重量增加百分比如表1所示，各船級(jí)社的冰級(jí)符號(hào)與《芬蘭—瑞典冰級(jí)規(guī)則》（Finnish-Swedish Ice Class Rules，F(xiàn)SICR［12］）的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。據(jù)此，便可推斷極地船舶所需滿載排水量，并以此為最小排水量要求進(jìn)行篩選。

表1 不同冰級(jí)船舶鋼重量增加百分比Table 1 Steel weight increase for different ice classes

表2 各船級(jí)社冰級(jí)符號(hào)與FSICR對(duì)應(yīng)關(guān)系［13］Table 2 Corresponding relations between FSICR and different ice classes of each classification society

2）船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI。由于破冰阻力的存在，以及因排水量增加導(dǎo)致的船體摩擦阻力的增加，冰區(qū)船舶主機(jī)功率通常較大，EEDI計(jì)算極易超標(biāo)。因此，在冰區(qū)船舶設(shè)計(jì)中必須考慮EEDI是否滿足要求，新建船舶的EEDI應(yīng)小于參考值，以此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選，具體計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)［14］。

本文計(jì)算中不考慮創(chuàng)新技術(shù)及額外的推進(jìn)功率，取主機(jī)與輔機(jī)的碳轉(zhuǎn)換系數(shù)CFME=CFAE=3.114，主機(jī)耗油量SFCME=171 g/（kW·h），輔機(jī)耗油量SFCAE=184 g/（kW·h），主機(jī)功率（單位：kW）PME=75%MCRME，其中MCRME為主機(jī)額定最大功率。當(dāng)MCRME≥10 000 kW時(shí)，輔機(jī)功率（單位：kW）PAE=0.025MCRME+250；當(dāng) MCRME＜10 000 kW 時(shí) ，PAE=0.05MCRME，所有修正因子均等于1。簡(jiǎn)化后的EEDI（單位：g/（t·n mile））計(jì)算公式為

式中：Δ為船舶載重噸；V為船舶航速。

針對(duì)油輪，其EEDI參考值為

式中，DWT為船舶載重噸。

基于NSGA II算法的極地船舶多目標(biāo)優(yōu)化方法流程如圖2所示。在應(yīng)用非支配排序遺傳算法進(jìn)行船型優(yōu)化過(guò)程中，以船舶無(wú)冰靜水阻力以及冰區(qū)航行阻力為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)船舶設(shè)計(jì)要求所需的冰級(jí)計(jì)算結(jié)構(gòu)重量增加后的最小滿載排水量。在篩選過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)排水量不滿足要求的船型時(shí)，強(qiáng)制其選擇概率為0，進(jìn)行篩除；在排水量滿足要求的船型中根據(jù)船型參數(shù)計(jì)算冰區(qū)航行最小推進(jìn)功率，結(jié)合船舶設(shè)計(jì)航速計(jì)算EEDI，當(dāng)CO2排放量高于EEDI參考計(jì)算值時(shí)，強(qiáng)制其選擇概率為0，進(jìn)行篩除。

圖2 基于NSGA II算法極地船舶多目標(biāo)優(yōu)化方法流程圖Fig.2 Flow chart of multi-objective optimization of polar vessel based on NSGA II

2 特征參數(shù)的選擇

對(duì)于新造船舶，F(xiàn)SICR中計(jì)算破冰阻力的主要船型參數(shù)如圖3所示。除主尺度外，為中心線處艏柱傾角φ1、冰級(jí)吃水下B/4處水線角α，以及B/4處縱剖線艏傾角φ2、艏部長(zhǎng)度LBOW、平行中體長(zhǎng)度LPAR和艏部水線面積Awf，當(dāng)冰級(jí)為IA，IB和IC時(shí)，中心線處艏柱傾角?1與艏部長(zhǎng)度LBOW將對(duì)破冰阻力計(jì)算無(wú)影響。

圖3 船舶主尺度及主要特征參數(shù)Fig.3 The dimensions and main parameters of the ship

在全參數(shù)化建模過(guò)程中，將上述變量設(shè)定為船型的特征參數(shù)，便于算法優(yōu)化，并提取參數(shù)值進(jìn)行冰區(qū)最小推進(jìn)功率的評(píng)估。此外，在主尺度不變的情況下，選取水線入水角及豐盈度系數(shù)、艏部面積曲線控制參數(shù)、平底線控制參數(shù)、平邊線控制參數(shù)等20余項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行型線優(yōu)化，圖4所示為全參數(shù)化建模所需的控制線。

圖4 全參數(shù)化建模Fig.4 Fully parametric modeling

3 某6.5萬(wàn)噸極地穿梭油輪型線優(yōu)化

以某常規(guī)6.5萬(wàn)噸穿梭油輪主尺度以及各項(xiàng)船型參數(shù)為基礎(chǔ)，開展極地6.5萬(wàn)噸穿梭油輪型線優(yōu)化。常規(guī)6.5萬(wàn)噸船型如圖5所示，主尺度及各項(xiàng)參數(shù)如表3所示。以極地PC7級(jí)，即冰級(jí)IA級(jí)為設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)，考慮到冰區(qū)航行時(shí)間（夏、秋兩季）占總航行時(shí)間的一半，且冰區(qū)航行阻力計(jì)算偏保守，因此優(yōu)化目標(biāo)中無(wú)冰靜水阻力權(quán)重選擇為0.6，冰區(qū)航行阻力權(quán)重選擇為0.4。

圖5 常規(guī)6.5萬(wàn)噸穿梭油輪三維模型Fig.5 Model of conventional 65 000 t shuttle tanker

表3 常規(guī)6.5萬(wàn)噸穿梭油輪主尺度及各參數(shù)表Table 3 Main dimensions and parameters of conventional 65 000 t shuttle tanker

通過(guò)建模軟件CAESES進(jìn)行全參數(shù)化建模，考慮到其方形系數(shù)較大、浮心在船中靠前的位置，因此選擇3型常規(guī)艏部船型（球艏、直艏，以及自主研發(fā)的輪胎型艏），分別進(jìn)行建模并采用極地船舶多目標(biāo)優(yōu)化方法進(jìn)行船型優(yōu)化。

本次基于NSGA II的極地穿梭油輪多目標(biāo)型線優(yōu)化中，種群個(gè)數(shù)設(shè)為8，每6代進(jìn)行一次強(qiáng)制篩選，其中變異概率為0.01，交叉概率為0.9。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，滿足冰級(jí)IA的船舶因結(jié)構(gòu)加強(qiáng)空船重量增加約6%，計(jì)算得到6.5萬(wàn)噸極地PC7級(jí)穿梭油輪滿載時(shí)排水體積不得少于79 961 m3；根據(jù)式（3）得到EEDI參考值EEDIref=5.46 g/（t·n mile），優(yōu)化船型的 EEDI應(yīng)小于 5.46 g/（t·n mile），用式（2）計(jì)算EEDI時(shí)，航速V=14.5 kn，與常規(guī)6.5萬(wàn)噸穿梭油輪相同，主機(jī)額定最大功率MCRME選取冰區(qū)航行最小推進(jìn)功率，螺旋槳選取槳徑為7 m的導(dǎo)管可調(diào)螺距槳，無(wú)因次系數(shù)Ke=2.03，槳徑Dp=7 m×1.2（1.2為導(dǎo)管槳系數(shù)）。因此，在船型優(yōu)化篩選過(guò)程中，所有保留船型均需滿足上述兩個(gè)基本要求，并以冰區(qū)航行阻力以及無(wú)冰靜水阻力為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

經(jīng)過(guò)近40代的選擇交叉變異，最終得到滿足上述要求，且靜水阻力與冰區(qū)航行阻力最優(yōu)的3型船，其三維模型如圖6所示。圖7為3種艏部船型橫剖線對(duì)比圖，其中紅色為直艏船型，藍(lán)色為球艏船型，黑色為輪胎型艏船型。

表4所示為常規(guī)6.5萬(wàn)噸穿梭油輪與經(jīng)優(yōu)化后的3型極地6.5萬(wàn)噸船型在冰區(qū)航行性能及無(wú)冰狀態(tài)下快速性等方面的對(duì)比。從表中可以看到，若犧牲常規(guī)6.5萬(wàn)噸穿梭油輪的裝載量，直接改為極地穿梭油輪，其主機(jī)功率將加大至14 050 kW，約37%，且EEDI將不符合設(shè)計(jì)要求，無(wú)法進(jìn)行建造。因此對(duì)于極地船舶型線設(shè)計(jì)及優(yōu)化，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法可快速實(shí)現(xiàn)極地冰區(qū)船舶的特殊要求，同時(shí)保證無(wú)冰水域的快速性。

圖6 不同艏部形式最優(yōu)船型三維模型Fig.6 Model of optimal polar vessel hull for different bow types

圖7 3種艏部船型橫剖線對(duì)比圖Fig.7 Section lines of optimal polar vessel hull for different bow types

表4 常規(guī)6.5萬(wàn)噸及3型極地6.5萬(wàn)噸模型各目標(biāo)函數(shù)值對(duì)比表Table 4 Comparison of each objective function of conventional 6.5×104t and three optimal polar vessels

優(yōu)化后的3型船均滿足冰區(qū)IA級(jí)航行要求，經(jīng)過(guò)冰區(qū)航行阻力優(yōu)化，EEDI計(jì)算值均小于常規(guī)6.5萬(wàn)噸穿梭油輪。此外，無(wú)冰靜水阻力較常規(guī)6.5萬(wàn)噸穿梭油輪最大減小了約12.94%，冰區(qū)最小推進(jìn)功率最大減小了約27.36%，快速實(shí)現(xiàn)了冰區(qū)船舶裝載量與EEDI排放要求，有效驗(yàn)證了應(yīng)用NSGA II進(jìn)行極地船舶多目標(biāo)優(yōu)化方法的可行性與合理性。

對(duì)比優(yōu)化后的3型極地穿梭油輪，最優(yōu)船型艏部為輪胎型艏。其艏部特征值在計(jì)算冰區(qū)航行最小推進(jìn)功率時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯，計(jì)算得到的主機(jī)功率較常規(guī)6.5萬(wàn)噸穿梭油輪無(wú)增加，主機(jī)功率利用率最大，CO2排放量最少，僅4.63 g/（t·n mile），雖然其靜水阻力較球艏船型增加了3.47%，但較常規(guī)6.5萬(wàn)噸穿梭油輪減小了約9.92%。此外，此船艏形式使得浮心位置最靠前，對(duì)船舶浮態(tài)有利。因此，輪胎型艏部的極地穿梭油輪型線要優(yōu)于球艏與直艏形式的船型。

對(duì)比靜水阻力結(jié)果，球艏模型的靜水阻力最小，其中剩余阻力降低明顯。圖8為3型船在設(shè)計(jì)吃水設(shè)計(jì)航速下的波形圖。從中可以看出球艏模型船身幾乎無(wú)橫波，其次是直艏模型，輪胎型艏模型的興波最差。對(duì)比圖9中3型船的艏艉壓力分布發(fā)現(xiàn)，球艏模型的首部壓力更小，艏艉壓差也較小，而輪胎型艏模型不但艏部壓力分布最大，艉部壓力也明顯小于另兩型船，因此，球艏模型的興波阻力及粘壓阻力均最小，如不考慮極地航行要求，針對(duì)單一工況的快速性，采用球艏形式更佳。此外，若設(shè)計(jì)極地船型時(shí)可進(jìn)行冰池試驗(yàn)，則建議調(diào)整權(quán)重因子，增加無(wú)冰靜水阻力權(quán)重，減小冰區(qū)航行阻力權(quán)重，因?yàn)橐?guī)范計(jì)算得到的最小推進(jìn)功率偏于保守，而目前船級(jí)社接受冰池試驗(yàn)得到的推進(jìn)功率。

圖8 不同艏部形式最優(yōu)船型波形圖（D=12.5 m，V=14.5 kn）Fig.8 Waveforms of optimal polar vessel hull for different bow types

直艏船型較其他兩型船而言更適合吃水航速變化較多、工況較復(fù)雜的情況，而文中選擇的輪胎型艏船型對(duì)于無(wú)冰池試驗(yàn)的極地穿梭油輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)為最佳方案。

圖9 不同艏部形式最優(yōu)船型艏艉壓力分布Fig.9 Pressure distribution of optimal polar vessel hull for different bow types

4 結(jié) 論

本文將NSGA II應(yīng)用于船體型線優(yōu)化設(shè)計(jì)中，提出極地船舶多目標(biāo)優(yōu)化方法。以船舶無(wú)冰靜水阻力以及冰區(qū)航行阻力為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)極地船舶排水量以及船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行船型篩選，快速實(shí)現(xiàn)了滿足冰區(qū)船舶裝載量與EEDI排放要求的船型優(yōu)化，通過(guò)對(duì)比優(yōu)化后的3種不同艏部形式極地穿梭油輪的各項(xiàng)船型參數(shù)，得到如下結(jié)論：

1）優(yōu)化后的3型船均滿足冰區(qū)設(shè)計(jì)要求，且無(wú)冰靜水阻力較常規(guī)6.5萬(wàn)噸穿梭油輪最大減小約12.94%，冰區(qū)最小推進(jìn)功率最大減小約27.36%，實(shí)現(xiàn)了極地冰區(qū)船舶的特殊要求，同時(shí)保證了無(wú)冰水域的快速性，有效驗(yàn)證了應(yīng)用NSGA II進(jìn)行極地船舶多目標(biāo)優(yōu)化的可行性與合理性。

2）對(duì)于無(wú)冰池試驗(yàn)的極地穿梭油輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)，推薦使用輪胎型艏部的船型，其艏部特征值在計(jì)算冰區(qū)航行最小推進(jìn)功率時(shí)有明顯優(yōu)勢(shì)，主機(jī)功率利用率較球艏船型與直艏船型最大，CO2排放量計(jì)算值最小，同時(shí)，其特殊的船艏形式使得浮心位置最靠前，對(duì)船舶浮態(tài)有利。

3）若設(shè)計(jì)極地船型時(shí)可進(jìn)行冰池試驗(yàn)，則建議調(diào)整權(quán)重因子，增加無(wú)冰靜水阻力權(quán)重，減小冰區(qū)航行阻力權(quán)重。目前船級(jí)社接受冰池試驗(yàn)得到的推進(jìn)功率，而通過(guò)規(guī)范計(jì)算得到的最小推進(jìn)功率過(guò)于保守，且僅與船型參數(shù)有關(guān)，球艏模型最小推進(jìn)功率計(jì)算值在3型船中最大，但其無(wú)冰水域航行的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，興波阻力及粘壓阻力較其余兩型船均最小，因此當(dāng)通過(guò)冰池試驗(yàn)結(jié)果選取船舶主機(jī)功率時(shí)，建議調(diào)整極地船型優(yōu)化的權(quán)重因子。

4）針對(duì)單一工況的快速性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，直艏船型較其他兩型船而言幾乎無(wú)優(yōu)勢(shì)，其更適合吃水航速變化較多、工況較復(fù)雜的情況。

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Polar vessel hullform design based on the multi-objective optimization NSGA II

DUAN Fei，ZHANG Lijun，CHEN Ge，JIANG Haining，ZHANG Qi
Technology Ramp;D Center，COSCO Shipping Heavy Industry CO.LTD，Dalian 116000，China

［Objectives］With the increasing exploitation of the Arctic abundant oil and gas resources，a large number of ships which meet the polar navigational requirements are needed.［Methods］In this paper，the fast elitist Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm（NSGA II） is applied to the hull optimization，and the multi-objective optimization method of polar vessel design is proposed.With the optimization goal of resistance and icebreaking resistance，filtering hull forms through the standard of polar vessel displacement and EEDI，fast ship hull optimization that satisfy the ice-ship dead weight and EEDI requirements has been achieved.Taking a 65 000 t shuttle tanker as an example，full parametric modeling method is adopted，the hull optimization of three different bow forms is conducted through the polar vessel multi-objective optimization method.［Results］The ship hull after optimization can satisfy the IA class navigation require，where the resistance in calm water decreases up to 12.94%，and the minimum propulsion power in ice field has a 27.36%reduction.［Conclusions］The feasibility and validity of the NSGA II applying in polar vessel design is verified.

polar vessel；multi-objective optimization method；NSGA II；hull design

U661.31

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.06.010

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20171128.1122.040.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

段菲，張利軍，陳鴿，等.基于多目標(biāo)優(yōu)化算法NSGA II的極地穿梭油輪型線設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)艦船研究，2017，12（6）：66-72.

DUAN F，ZHANG L J，CHEN G，et al.olar vessel hullform design based on the multi-objective optimization NSGA II［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（6）：66-72.

2017-05-23 < class="emphasis_bold"> 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2017-11-28 11:22

段菲（通信作者），女，1990年生，碩士，助理工程師。研究方向：船體型線設(shè)計(jì)及優(yōu)化，船舶性能。

E-mail：duanfei@cosco-shipyard.com

張利軍，男，1977年生，博士，高級(jí)工程師。研究方向：船舶與海洋工程總體設(shè)計(jì)。

E-mail：zhanglijun@cosco-shipyard.com

陳鴿，男，1983年生，碩士，工程師。研究方向：船舶CFD技術(shù)。

E-mail：chenge@cosco-shipyard.com