基于过度加速度失效模式的船型优化研究.pdf

第 卷第期 年月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)J o u r n a l o fWu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y(T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&E n g i n e e r i n g)V o l N o A u g 基于过度加速度失效模式的船型优化研究蒋柴丞)李楷)马坤)(华中科技大学人工智能与自动化学院)武汉 )(大连理工大学船舶工程学院)大连 )摘要:选择第二代完整稳性中过度加速度的长期失效概率为优化目标函数,对船舶进行全船型线优化采用自由变形技术作为船舶几何重构方法,优化方法采用可避免陷入局部陷阱的随机搜索全局优化算法对某渔政船进行程序实验,优化后得出的新船型长期失效概率降低 ,有效降低了该船发生过度加速度的概率,验证了程序的实用性关键词:过度加速度;船型优化;遗传算法;自由变形技术;提高船舶稳性中图法分类号:U d o i:/j i s s n 收稿日期:第一作者:蒋柴丞(),男,硕士生,主要研究领域为船舶稳性、船舶性能预报基金项目:国家自然科学基金()、中央高校基本科研业务费(D UT J C )引言过度加速度失效模式是I MO讨论的第二代完整稳性标准中五个稳性失效模式之一该失效模式是指船舶在极端环境航行时,发生大幅度非线性横摇,致使船舶横向加速度过大,导致人员及货物失去平衡,严重时甚至会威胁到船员生命安全 世纪 年代末,船型设计及优化领域开始引进最优化理论,并结合计算流体力学,以减小船体阻力为目标进行船型优化 T a h a r a等使用序列二次规划方法(S Q P),分别对D TMB B的船艏、声纳 罩、船艉线型 进行了优化 设计 P e r i等采用MO GA、P S O与D R AG O混合两种多目标全局优化算法对高速双体船进行了给定航速下的单目标(阻力)优化设计、单目标多点(对应三个航速)优化设计以及多目标(阻力以及耐波性)优化设计齐万江等针对水面舰船初步设计阶段舰船耐波性能优化问题,采用M o o r公式,以纵摇、垂荡和功率增值为优化目标,根据遗传算法对主要的船型参数进行多目标优化查乐等提出了一种改进的遗传算法对船体阻力进行优化,该方法可在寻优过程中保证种群多样性,并强化遗传算法跳出局部最优陷阱的能力针对船舶稳性性能优化方面,梁舒凡采用遗传算法结合船体几何重构技术针对参数横摇对C 集装箱船前半体型线进行了优化,成功降低了该船发生参数横摇的概率目前国外对船型优化的研究已从单目标过度到多目标优化,优化方法也由传统的梯度下降法转变为随机搜索全局优化算法但国内目前还集中于局部的船体优化设计,并且优化目标也是以总阻力为对象的单目标优化文中以降低船舶过度加速度发生概率为优化目标对船舶进行全船型线优化,采用F F D(f r e e f o r md e f o r m a t i o n)法作为船舶几何重构方法,优化方法采用可避免陷入局部陷阱的随机搜索全局优化算法,以过度加速度第二层长期失效概率衡量该失效模式发生概率应用某渔政船作为实验船舶进行全船型线优化,以此对优化程序进行测试,验证该程序的实用性建立优化模型 优化目标函数目前国际海事组织对某船的过度加速度薄弱性的评估共分为三层,分别是第一层计算、第二层计算、以及直接稳性评估第一层计算采用较为简单的计算公式对船舶横向加速度进行估算,当估算值大于衡准值时则船舶会发生过度加速度第一层计算公式为KL(g h/Tr)RE A()式中:为横摇幅值,r a d;L为无因次系数;h为考虑的计算点距尾垂线的距离,m;Tr为横摇固有周期,s;RE A为第一层计算的阈值,取 m/s;g为重力加速度,取 m/s第二层将较为复杂的船舶运动模型进行部分简化,应用单自由度横摇运动方程对处于波浪中船舶的横向加速度进行数值模拟,最终使用数学中的概率方法来计算船舶发生横向加速度过大的概率将待评估的船型数据以及载况数据带入,结合环境参数对其进行评估,长期失效概率C计算公式为CNiWiCi/NiWiRE A()式中:C为长期失效概率;Wi权重系数,可根据北大西洋海浪谱通过当前计算波况选取;Ci为短期失效概率,计算公式为Cie x p(R/(L Ai)()式中:R为常数,取 m/s;L A i为横向加速度方差过度加速度第一层计算采用的是较为简单的简化计算公式,因此虽然采用第一层的计算结果为衡量标准虽然可做到计算时间短,但是并不能充分反映优化后结果的好坏而过度加速度第二层不但采用目前较为精确的池田法计算无因次横摇阻尼系数,而且其对波况的考虑也十分全面综合以上考虑,本研究选择长期失效概率作为优化目标函数优化目标函数为m i n(C(ki)ki()式中:ki为优化变量;C(ki)为在优化变量取不同值时的船舶长期失效概率 约束方程采用的船体几何重构方法为F F D法(f r e e f o r md e f o r m a t i o n)该方法需要确定一个长方体形状的控制体(变形空间框架),将待变形几何模型嵌入其中在控制体内选择一系列控制点作为之后进行移动的目标移动控制点后,利用变形后几何模型的局部坐标(s,t,u)、控制点全局坐标和B e r n s t e i n多项式重新计算几何模型每个顶点的全局坐标控制体内任意一点的全局坐标计算方法为X(s,t,u)limjnkBi,l(s)Bj,m(t)Bk,n(u)Qi,j,k()式中:l,m,n分别为控制体在S轴、T轴、U轴方向控制点个数;S、T、U轴为控制体坐标系的坐标轴;s,t,u为控制体内任意点在控制体坐标系下的边长向量,满足s,t,u;Qi,j,k为控制点坐标;B为B e r n s t e i n多项式基函数,其表达式为Bi,l(u)l!i!(li)!ui(u)li()为保持船体主尺度不变因此需要对控制点的S坐标以及U坐标施加约束,同时控制点的T坐标移动不应超过船舶的半宽约束方程为Si;Ui;TiTiB()式中:Si、Ui、Ti分别为控制点在S、U、T三个局部坐标轴上的变化值;Ti为控制点在T轴上的初始坐标值;B为船舶的半宽值 优化变量设ki为第i个控制点的优化变量,该值的取值范围是ki此时各控制点在T轴上的新坐标为Tn e wiTm i ni(Tm a xiTm i ni)ki()式中:Tn e wi为第i个控制点发生移动后在T轴上的新坐标;Tm i ni为第i个控制点在T轴上可移动范围的最小值;Tm a xi为第i个控制点在T轴上可移动范围的最大值;Tm a xi以及Tm i ni为已知常数 优化算法选择船型优化是复杂的组合优化问题遗传算法通过数学的方式,利用计算机仿真运算,将问题的求解过程转换成个体选择,染色体基因的交叉、变异等步骤流程图见图图遗传算法优化流程图第期蒋柴丞,等:基于过度加速度失效模式的船型优化研究优化算法流程船体变形模块采用自由变形技术,该方法是船型设计优化过程中常用的方法,其特点是:可以对任何曲面实体进行变形,并且该曲面的表示方法的不会给变形带来影响该方法可分为物体曲面的局部变形和整体变形,但不管采用何种方法,变形后的曲面仍然能够保持几何连续性,并且在一定程度上让其仍然光滑在优化设计等领域内,采用自由变形技术时,不但能够通过较少的变量完成优化,并且曲面可根据使用者的需求灵活变化优化模块使用遗传算法作为寻找最优解的优化算法,对计算个体进行二进制编码,从而完成之后的染色体交叉变异过程过度加速度第二层计算模块基于第二代完整稳性规则中描述的计算原理开发,该计算程序经过对规范中给定的算例船型进行计算,验证了其准确性船型数据以及计算结果对比见表表船型数据以及长期失效概率计算结果参数数值垂线间长/m 船宽/m 型深/m 吃水/m 排水体积/m 初稳性高/m 前半体方形系数 方形系数 中横剖面系数 棱形系数 水线面系数 自开发程序计算结果 长期失效概率期望值 船型优化程序流程见图图优化程序流程图优化算法实验 待优化船型数据及模型选取渔政号为待优化船舶,该船的相关船型数据见表,三维模型示意图见图表渔政一号船型数据船型参数数值船型参数数值垂线间长/m 吃水/m 船宽/m 方形系数 型深/m 排水体积/m 图船体三维建模示意图 坐标系以及控制体创建定义全局坐标系O X Y Z,其中原点O建立在船尾第 站处,X轴延船长指向船首为正,Y轴沿船宽指向左舷为正,Z轴沿型深指向甲板为正定义控制体局部坐标系O S TU,O 为坐标控制体坐 标 系 原 点,全 局 坐 标 系 下 坐 标 为(,m),S、T、U三个局部坐标轴分别与X、Y、Z轴平行同向控制体的一个顶点在控制体坐标系原点,长沿S轴方向长度为,宽沿T轴方向长度为 ,高沿U轴方向长度为 在S、T、U三个方向上分别设置、个控制点船体型线以及控制体在船长方向上的投影见图每条直线交汇处都是一个控制点图船体横剖线以及控制体在船长方向的投影各个控制点按照(X,Y,Z)进行编号,X表示控制点在X轴上的编号,起始点在坐标原点处,编号为,沿船长方向依次编号,直到船艏处,编号为;Y表示控制点在Y轴上的编号,起始点在坐标原点处,编号为,沿船宽方向依次编号,直到船体半宽处,编号为;Z表示控制点在Z轴上的编号,起始点在坐标原点处,编号为,沿型深方向依次编号,直到甲板边线上方,编号为;控制体坐标系原点处的控制点编号为(,)优化变量以及优化目标函数选取水线面以下共 个控制点作为优化控制点以前 个控制点为例,其编号以及移动范武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷围见表表控制点编号以及移动范围控制点编号X轴编号Y轴编号Z轴编号Y轴移动范围 ,除以上控制点外,其他控制点均保持不变根据表中的控制 点移动范围 即可得到相 应的Tm a xi以及Tm i ni,优化目标函数见式()由于在优化算法中适应值越大,“个体”越优秀,有更大的概率将“基因”遗传给下一代,因此适应值函数应该与优化目标函数相反,越大越好,适应值函数为f i t t n e s sC(ki)()优化结果遗传算法相关参数设置为:种群个体数为,遗传代数为 代,交叉概率,变异概率 经过优化得到控制点的移动距离,并经过计算变为移动后控制点坐标以前 个控制点为例,其编号以及移动后坐标见表表控制点编号以及移动后坐标控制点编号X轴编号Y轴编号Z轴编号Y轴移优化后坐标 优化前后船体型线变化见图其中浅色线为优化后船体型线,深色线为原船型线优化前后船型参数变化以及长期失效概率计算结果见表图优化前后船体型线对比示意图表优化前后数据对比船型参数优化前优化后垂线间长/m 船宽/m 型深/m 吃水/m 排水体积/m 初稳性高/m 方形系数 中横剖面系数 无因次横摇阻尼系数 长期失效概率 优化结果分析由图可知:船中之前的型线在优化后由V形向U形变化,该变化越接近船首越小船中之后型线在优化后由V形向U形变化,与船体前半部不同的是船艉部型线水线左右的位置型线会发生细微内凹但整体来说,船型变肥由表可知:船型优化前后船舶的主尺度保持不变;在 载 况 相 同 的 情 况 下,排 水 体 积 增 大;船舶的初稳性高降低;中横剖剖面系数增大;无因次横摇阻尼系数得到明显提升;长期失效概率显著降低,新船型稳性得到提高对优化前后的船型进行第一层校核,计算结果及中间数据见表表优化前后第一层相关数据对比计算数据优化前优化后横摇固有周期 有效波倾系数 横摇衰减系数 驾驶甲板至横摇轴的垂直距离 横摇幅值 波陡值 第一层计算结果 由式()可知:横摇幅值以及横摇固有周期是影响第一层计算结果重要因素横摇幅值减小,则第一层计算结果减小;横摇固有周期增大,则第一层计算结果减小由表可知:优化后横摇固有周期上升明显,横摇幅值也有细微下降,最终使得第一层计算结果下降,符合上述结论第期蒋柴丞,等:基于过度加速度失效模式的船型优化研究结 束 语本文采用C编程语言开发基于过度加速度失效模式的船体全船型线优化程序该程序结合遗传算法、自由变形技术以及过度加速度第二层计算方法通过使用该程序对渔政号进行型线优 化,得 出 的 新 船 型 长 期 失 效 概 率 降 低 ,有效降低了该船发生过度加速度的概率该程序可在后续加入其他种失效进行多目标优化,并且可结合阻力优化以及耐波性优化,开发一种综合提高船舶稳性、快速性以及耐波性的船体全局型线优化程序参 考 文 献TAHA R AY,P A T T E R S ON E,S T E R N F,e ta l F l o w a n dw a v e f i e l do p t i m i z a t i o no fs u r f a c ec o m b a t a n t su s i n gC F D b a s e do p t i m i z a t i o nm e t h o d sC P r o c e e d i n g s,r dON RS y m p o s i u mo nN a v a lH y d r o d y n a m i c s,V a l d eR e u i l,P E R ID,C AMP ANA EF S i m u l a t i o nb a s e dd e s i g no f f a s tm u l t i h u l l s h i pC t hS y m p o s i u mo nN a v a lH y d r o d y n a m i c s,R o m e,齐万江,熊鹰,侯旭光,等遗传算法在舰船耐波性能多目标优化中的应用研究C第十二届武汉地区船舶与海洋工程研究生学术论坛,武汉,查乐,朱仁传,周华伟基于改进遗传算法的船舶阻力优化C第三十届全国水动力学研讨会暨第十五届全国水动力学学术会议,合肥,梁舒凡基于参数横摇薄弱性的船体型线优化D大连:大连理工大学,卜淑霞,顾民,鲁江船舶第二代完整稳性过度加速度薄弱性衡准研究C第二十七届全国水动力学研讨会,北京,KAWAHA R AY,MA E KAWA K,I K E D A YAs i m p l ep r e d i c t i o nf o r m u l ao fr o l ld a m p i n go fc o n v e n t i o n a l c a r g os h i p so nt h eb a s i so f I k e d asm e t h o da n di t s l i m i t a t i o nJ C o n t e m p o r a r y I d e a so nS h i pS t a b i l i t ya n dC a p s i z i n g i nW a v e s,S p r i n g e r,():徐岗自由变形技术及其应用J计算机研究与发展,():马坤,于开波,付应涛过度加速度薄弱性衡准草案适用性研究J中国造船,():R e s e a r c ho nS h i pH u l lO p t i m i z a t i o nB a s e do nE x c e s s i v eA c c e l e r a t i o nF a i l u r eM o d eJ I A N GC h a i c h e n g)L IK a i)MAK u n)(S c h o o l o fA r t i f i c i a l I n t e l l i g e n c ea n dA u t o m a t i o n,H u a z h o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a)(S c h o o l o fS h i p b u i l d i n gE n g i n e e 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s r e d u c e db y ,w h i c he f f e c t i v e l yr e d u c e s t h ep r o b a b i l i t yo f e x c e s s i v e a c c e l e r a t i o no f t h e s h i pa n dv e r i f i e s t h ep r a c t i c a b i l i t yo f t h ep r o g r a mK e yw o r d s:e x c e s s i v ea c c e l e r a t i o n;h u l lo p t i m i z a t i o n;g e n e t i ca l g o r i t h m;f r e e f o r md e f o r m a t i o n;i m p r o v es h i ps t a b i l i t y武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷