一种船舶内壳板材优化设计方法技术

本发明专利技术涉及一种船舶内壳板材优化设计方法，通过对船舶内壳板材进行参数化标注，使用群智能优化算法，在设计阶段对船舶内壳板材的形状尺寸进行优化，达到取得最大船舶货舱容积的目的。在满足各大海事组织规则和船级社规范的情况下，综合考虑船舶的尺寸约束、稳性约束、吃水约束和航行速度约束，使用人工蜂群优化算法、粒子群优化算法、遗传优化算法、差分进化算法以最大货舱容积作为优化目标进行优化计算。通过对一艘26500DWT油船的油舱进行优化设计，证明了方法的正确性和有效性，并评估出人工蜂群优化算法在船舶内壳板材优化设计问题上的优化能力强于其余三种算法。

【技术实现步骤摘要】
一种船舶内壳板材优化设计方法
本专利技术涉及船舶设计领域，尤其涉及一种船舶内壳板材优化设计方法。
技术介绍
船舶设计是一个繁琐的过程，为了寻找合适的船舶的设计方案，需要依靠有经验的设计专家根据母型船的数据进行重复的更改、计算和校核，才找到最能符合船舶设计任务书(ShipDesignTaskBook，SDTB)要求的方案。随着优化算法的发展，很多研究人员将优化算法应用到船舶设计中来，极大地提高了设计的效率和质量。因为船舶载运能力强，经济性高的特点，世界上90％的石油贸易都是通过油船进行运输。油船在航行时，因为环境复杂，航行条件恶劣的原因，各种事故频发。这些事故会产生灾难性的后果。据统计，石油运输中，石油泄漏产生的污染约占全球总的石油污染的13％。石油泄漏不止造成严重的资源的浪费，还会直接威胁船员的生命，并对周围海域的自然环境和生态系统造成难以修复的损伤。为了提高船舶航运时的安全性，尽可能的避免航行事故的发生，根据《钢质海船入籍规范》的规定，油船、集装箱船和部分散货船(如：矿渣船)等，需要采用双层壳的结构设计。双层壳的设计虽然减少了船舶事故的数量及危害，但式会使船舶的油舱(CargoOilTanks，C.O.T)和货舱(CargoHold，C.H)容积下降，降低了船舶的经济性能。为了在保证船舶安全性的同时，使船舶的油舱或货舱容积达到最大，学者们开始对船舶内壳板材(ShipInnerShellPlate，SISP)的形状和尺寸进行优化，以期船舶能有更大的装载能力。Guan等人于文献“Anewmethodforparametricdesignandoptimizationofshipinnershellbasedontheimprovedparticleswarmoptimizationalgorithm[J]”和文献“Shipinnershelloptimizationbasedontheimprovedparticleswarmoptimizationalgorithm[J]”中提出了一种将船舶内壳参数化，选择船舶四种典型装载状态下的初稳性高、船舶平均吃水、船舶艉吃水、船舶纵倾作为约束，使用粒子群算法将最大载货量作为优化目标进行优化的方案。Yu等人在文献“Anewmethodforshipinnershelloptimizationbasedonparametrictechnique[J]”中提出了一种参数内壳模型(PISOM)优化方法，将SISP至船舶表面的距离、船舶艉吃水、船舶艏吃水、船舶纵倾、和船舶的静水弯矩作为约束，使用遗传算法将最大载货量作为优化目标进行优化。但是增加船舶货舱的容积，必然会导致船舶压载水舱(WaterBallastTank，W.B.T)的容积变小。压载水是船舶安全运输的重要组成部分，为了保证船舶的安全性，需要将压载水舱的容积作为优化约束，以保证优化后设计方案中的压载水舱容积能大于其最小许可容积。除了货舱容积之外，船舶的航行速度也是衡量其载运能力的重要标准，在进行优化设计时需要考虑船舶的载重量增加之后，船舶在定额功率下的航速能不能满足船舶设计任务书对航速的要求。这两个重要的约束是上述文献中没有提及的。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种船舶内壳板材优化设计方法。具体方案如下：一种船舶内壳板材优化设计方法，包括以下步骤：将船舶的货舱由n个横舱壁将其划分为n-1个舱室，将船舶的舱室和横舱壁按照由船首至船尾的顺序进行排序后，构建船舶货舱容积数学模型：其中，V表示货舱的容积，n表示横舱壁的数目，i表示横舱壁的序号，j表示仓室的序号，vj表示第j个舱室的容积，计算公式为：其中，hi表示第i个横舱壁至第i+1个横舱壁的之间的水平距离，si表示第i个横舱壁的面积，计算公式为：基于船舶的横剖面的竖直中心线构建y轴，基于横舱壁的横剖面的水平基线构建x轴，建立直角坐标系，其中，分别表示第i个横舱壁的内底板在x轴正方向上投影长度、内底边板在x轴上的投影长度、顶边舱斜板在x轴上的投影长度、舱口围板在x轴正方向上投影长度，分别表示第i个横舱壁的内底边板在y轴上的投影长度、内舷板在y轴上的投影长度、顶边舱斜板在y轴上的投影长度、舱口围板在y轴上投影长度；f()表示函数运算；通过群智能算法对船舶货舱容积数学模型中的各参数进行优化，使得船舶货舱容积最大。进一步的，优化的约束条件包括：1)y1i+y2i+y3i+y4i+y5i<D2)x3i≥[x3,min],y1i≥[y1,min]3)δd≤[δdmax]4)dm≥[dm,min]5)GM≥[GMmin]6)THPμ≤THP7)Vbn≥[Vbn]其中，x3i表示第i个横舱壁的内舷板与舷板的距离在x轴上的投影长度，y1i表示第i个横舱壁的内底板与外底板的距离在y轴上的投影长度，B表示船舶的型宽，D表示船舶的型高，[x3,min]表示双舷侧的间距的最小值，[y1,min]表示双层底的间距的最小值，δd表示船舶在压载出港、压载到港、满载出港、满载到港四种航行状态下的首尾吃水差，[δdmax]表示最大允许的首尾吃水差，dm表示船舶在四种航行状态下的船中平均吃水，[dm,min]表示满足螺旋桨的埋没要求的最小船中吃水，GM表示船舶在四种航行状态下的初稳性高度，[GMmin]表示最小初稳性高度，THPμ表示船舶以船舶设计任务书要求的航速μ航行时需要的功率，THP表示船舶推进系统能提供的最大连续推进功率，Vbn表示船舶压载水舱的容积，[Vbn]表示船舶压载到港时所需要的压载水舱的容积。进一步的，客船和干货船的双层底之间的最小间距[y1,min]为：载重量5000t以上的油船双舷侧的最小间距[x3,min]和双层底的最小间距[y1,min]分别为：其中，DW表示船舶设计吃水载重量。进一步的，四种航行状态下的首尾吃水差δd的计算公式为：其中，Xg表示重心纵向坐标；Xb表示浮心纵向坐标；Δ表示船舶的排水量；Mcm表示每厘米纵倾力矩；最大允许的首尾吃水差[δdmax]为：[δdmax]＝0.15·Lpp其中，LPP表示船舶的垂线间长。进一步的，四种航行状态下的船中平均吃水dm的计算公式为：其中，Δ表示船舶的排水量；LPP表示船舶的垂线间长；Cb表示船舶的方形系数；ρ表示海水密度；kf表示船舶附体系数；满足螺旋桨的埋没要求的最小船中吃水[dm,min]为：[dm,min]＝2+0.02·Lpp。进一步的，四种航行状态下的初稳性高度GM的计算公式为：GM＝Zb+r-ZgZg＝ξ·D其中，Zb表示船舶的浮心纵向坐标，r表示船舶的横稳性半径，Zg表示重心垂向坐标，Cw表示船舶的水线面系数，Cb表示船舶的方形系数，d表示船舶的设计吃水，ξ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种船舶内壳板材优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n将船舶的货舱由n个横舱壁将其划分为n-1个舱室，将船舶的舱室和横舱壁按照由船首至船尾的顺序进行排序后，构建船舶货舱容积数学模型：/n

【技术特征摘要】
1.一种船舶内壳板材优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
将船舶的货舱由n个横舱壁将其划分为n-1个舱室，将船舶的舱室和横舱壁按照由船首至船尾的顺序进行排序后，构建船舶货舱容积数学模型：



其中，V表示货舱的容积，n表示横舱壁的数目，i表示横舱壁的序号，j表示仓室的序号，vj表示第j个舱室的容积，计算公式为：



其中，hi表示第i个横舱壁至第i+1个横舱壁的之间的水平距离，si表示第i个横舱壁的面积，计算公式为：



基于船舶的横剖面的竖直中心线构建y轴，基于横舱壁的横剖面的水平基线构建x轴，建立直角坐标系，其中，分别表示第i个横舱壁的内底板在x轴正方向上投影长度、内底边板在x轴上的投影长度、顶边舱斜板在x轴上的投影长度、舱口围板在x轴正方向上投影长度，分别表示第i个横舱壁的内底边板在y轴上的投影长度、内舷板在y轴上的投影长度、顶边舱斜板在y轴上的投影长度、舱口围板在y轴上投影长度；f()表示函数运算；
通过群智能算法对船舶货舱容积数学模型中的各参数进行优化，使得船舶货舱容积最大。


2.根据权利要求1所述的船舶内壳板材优化设计方法，其特征在于：优化的约束条件包括：



2)x3i≥[x3,min],y1i≥[y1,min]
3)δd≤[δdmax]
4)dm≥[dm,min]
5)GM≥[GMmin]
6)THPμ≤THP
7)Vbn≥[Vbn]
其中，x3i表示第i个横舱壁的内舷板与舷板的距离在x轴上的投影长度，y1i表示第i个横舱壁的内底板与外底板的距离在y轴上的投影长度，B表示船舶的型宽，D表示船舶的型高，[x3,min]表示双舷侧的间距的最小值，[y1,min]表示双层底的间距的最小值，δd表示船舶在压载出港、压载到港、满载出港、满载到港四种航行状态下的首尾吃水差，[δdmax]表示最大允许的首尾吃水差，dm表示船舶在四种航行状态下的船中平均吃水，[dm,min]表示满足螺旋桨的埋没要求的最小船中吃水，GM表示船舶在四种航行状态下的初稳性高度，[GMmin]表示最小初稳性高度，THPμ表示船舶以船舶设计任务书要求的航速μ航行时需要的功率，THP表示船舶推进系统能提供的最大连续推进功率，Vbn表示船舶的压载水舱的容积，[Vbn]表示船舶压载到港时所需要的压载水舱的容积。


3.根据权利要求2所述的船舶内壳板材优化设计方法，其特征在于：
客船和干货船的双层底之间的最小间距[y1,min]为：



载重量5000t以上的油船双舷侧的最小间距[x3,min]和双层底的最小间距[y1,min]分别为：






其中，DW表示船舶设计吃水载重量。


4.根据权利要求2所述的船舶内壳板材优化设计方法，其特征在于：四种航行状态下的首尾吃水差δd的计算公式为：



其中，Xg表示重心纵向坐标；Xb表示浮心纵向坐标；Δ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王荣杰，郜怀通，林安辉，刘文霞，曾超俊，
申请(专利权)人：集美大学，
类型：发明
国别省市：福建;35