基于知識工程的集裝箱船結構設計及優(yōu)化.pdf

1、隨著計算機技術和人工智能技術的不斷發(fā)展，計算機輔助船舶設計在船舶設計中起到了越來越重要的作用，計算機輔助船舶設計可以大大地提高船舶設計效率，縮短設計周期，并且能夠保證設計準確性。知識工程作為人工智能最為活躍的分支之一，已經(jīng)在模具、汽車制造等行業(yè)取得了巨大的成功，而其在計算機輔助船舶設計中的發(fā)展應用也處于起步階段。本文將知識工程應用于集裝箱船的結構設計之中。船舶結構設計是一個多學科、多目標和多約束的復雜課題，主要依賴資深專家的經(jīng)驗以及設計

2、規(guī)范等關鍵知識，通過對專家經(jīng)驗的有效繼承和對設計規(guī)范的準確實施，知識工程大大提高了結構設計的準確度和效率。本文主要進行的工作分為以下部分：
　　(1)基于知識工程和大型船舶設計軟件Tribon對集裝箱船典型結構，例如典型肋板開孔和中橫剖面進行了設計和檢驗程序開發(fā)，且能自動生成檢驗報告，且通過程序接口方便地進行模型轉換，使得設計結果能夠在Tribon中進行3D展示，便利了初始設計的推進。
　　(2)通過原創(chuàng)程序開發(fā)，并且構建設

3、計規(guī)范庫、標準件庫以及母型船數(shù)據(jù)庫等多個數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了集裝箱船基于母型船的艙段結構的設計。該方法得到了兩種設計方案：規(guī)范設計法和插值設計法。二者均自動滿足 CCS規(guī)范要求并符合真實設計規(guī)則，并且可以方便地轉換為Tribon模型。
　　(3)通過接口程序自動生成有限元模型，并依據(jù)規(guī)范定義計算工況，最終完成了直接強度分析。通過屈服強度和屈曲強度分析表明，兩種設計方案均為可行解，驗證了設計思路的正確性，兩種設計方案體現(xiàn)了不同的側重點和設

4、計理念。并且在直接強度約束下，通過多島遺傳算法對結構重量進行了優(yōu)化設計。通過有效的將原創(chuàng)程序的設計結果、Tribon以及MSC.Patran等進行數(shù)據(jù)溝通，實現(xiàn)了設計、建模、分析等流程的無縫連接，省去了重復建模的麻煩，從而使得設計流程得以優(yōu)化。
　　(4)根據(jù)實際航行中，船舶結構所遭受的腐蝕折損，對通過靈敏度分析得到的多個設計變量（板厚）施加單向高斯分布模型。借助Monte Carlo模擬方法對設計方案進行了基于直接強度的可靠性分

5、析，并指出了關鍵受腐蝕構件及其對應的強度指標，以及規(guī)范設計法和插值設計法兩種設計方案的不同。
　　(5)基于高斯過程（GP）的假設推導公式，構建有限元分析的代理模型，對腐蝕折損下船舶結構的強度響應進行模擬，并且通過原創(chuàng)的多島遺傳算法程序，結合多模態(tài)自適應要點抽樣法，對規(guī)范設計方案和插值設計方案對應的結構進行了考慮腐蝕影響下的結構可靠性優(yōu)化設計，并且比較了兩種方案的差異。
　　(6)結合Pareto front概念，并以GP作

6、為FEM的代理模型，通過原創(chuàng)的多目標多島遺傳算法程序對集裝箱船貨艙段縱向結構進行了布局優(yōu)化，力求降低貨艙重量和外表面積，并且以直接強度為約束。最終得到一系列非劣解，根據(jù)與理想解的最小距離法確定最優(yōu)設計方案。此外，對水平集方法進行了算法改進，得到對于設計步長無限制的隱式算法且通過一系列改進和簡化大大降低了計算量，并將其應用于船舶結構典型肘板的拓撲結構優(yōu)化設計，考慮兩種不同的邊界條件，分別得到了相應的形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化方案。
　　(7

7、)研究了基于譜分析的疲勞強度評估方法，將其應用于集裝箱船艙口圍面板相交處的結構疲勞損傷計算中，結合了多種修正因子進行了比較說明，并與IACS R56推薦的簡化方法進行了比較，驗證了該方法的可行性和正確性。此外，本文還指出了長峰波和短峰波的不同，證實了翹曲應力引入的必要性，并研究了不同操船方式、不同入射角度以及不同波高下結構的疲勞累積損傷。
　　本文主要創(chuàng)新點為：
　　(1)成功將知識工程原理應用于船舶結構設計并獲得兩種可行解

8、，即規(guī)范法和插值法，大大減少了設計工作的時間，實現(xiàn)了設計、建模與分析的一體化。
　　(2)根據(jù)高斯過程的假設，獲得了不受學科限制的多變量函數(shù)的代理模型，并結合多模態(tài)自適應要點抽樣法，極大提高了可靠度計算的精度和效率。
　　(3)基于隨機權重法及受啟發(fā)于Pareto陣面的劣解剔除方法，自主開發(fā)了針對多目標優(yōu)化問題的多島遺傳算法程序，通過將優(yōu)化設計中的解逐漸推送到代表約束條件的Pareto陣面，得到一系列非劣解。
　　(4

9、)對基于水平集的拓撲優(yōu)化方法進行研究，通過采用Delta函數(shù)、邊界影響傳遞函數(shù)以及相應的截斷處理等對算法進行了改進，并通過約束條件對目標函數(shù)進行修正，最終得到了一種隱式算法，從而降低了優(yōu)化過程中對步長的限制，保證了解的收斂性，且消除了最終結果對初始解的依賴。
　　(5)對基于譜的結構疲勞強度評估方法進行研究，對扭轉所引起的翹曲應力對于疲勞的影響進行了研究，結果表明在集裝箱船中翹曲應力對疲勞強度的影響是不容忽視的,文中還指出不同船舶