導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞：船舶海洋工程管線優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

前言

管道被廣泛地應(yīng)用于石油化工"水利工程"建筑"船舶等領(lǐng)域，其在不同的應(yīng)用環(huán)境下需承受不同的外力作用，大規(guī)模、全面地開(kāi)發(fā)利用海洋資源和空間，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)已列入各沿海國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略。海洋開(kāi)發(fā)和利用除了需要先進(jìn)的海洋工程技術(shù)，還需要各種海洋工程結(jié)構(gòu)物的支撐。這為與海洋工程裝備業(yè)關(guān)聯(lián)度極大的船舶工業(yè)提供了極好的機(jī)遇。作為未來(lái)世界經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，海洋工程和海洋開(kāi)發(fā)潛力非常巨大。近幾年，全世界對(duì)浮式生產(chǎn)系統(tǒng)的新增需求達(dá)到約120座，全球浮式生產(chǎn)系統(tǒng)的年投資額以高速度遞增，其中FPSO船(浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置)仍將是全球浮式生產(chǎn)市場(chǎng)的建造熱點(diǎn),該船型集生產(chǎn)、儲(chǔ)油、運(yùn)輸多項(xiàng)功能于一身，是當(dāng)前國(guó)際海上石油開(kāi)發(fā)生產(chǎn)設(shè)施的主流形式。隨著生產(chǎn)向深海的不斷進(jìn)入，F(xiàn)PSO船的優(yōu)勢(shì)將會(huì)更充分顯現(xiàn)出來(lái)。中國(guó)海洋石油開(kāi)發(fā)總公司也需要較大數(shù)量的海洋平臺(tái)、多艘FP-SO平臺(tái)，用于海洋開(kāi)發(fā)建設(shè)的資金達(dá)到了數(shù)百億元。船舶工業(yè)是海洋工程的天然“霸主”。隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)向深海發(fā)展，船舶工業(yè)與海洋工程的關(guān)系更加緊密，船舶工業(yè)在海洋油氣開(kāi)發(fā)中的作用更加突出。這主要有兩方面的原因:一方面是技術(shù)上的因素。隨著作業(yè)水深的增加,固定式平臺(tái)海洋構(gòu)造物難以適應(yīng)深海作業(yè)，各種浮式海洋工程結(jié)構(gòu)物成為深海油氣開(kāi)發(fā)的主角。船舶工業(yè)與其他專(zhuān)業(yè)平臺(tái)廠相比其優(yōu)勢(shì)正是在這類(lèi)浮式結(jié)構(gòu)物上——海洋開(kāi)發(fā)裝備具有船舶的屬性，它的基本要求是在水上能浮起來(lái)、穩(wěn)得住、移得動(dòng)，這就與船舶有了相近的技術(shù)要求。這種天然優(yōu)勢(shì)為船舶工業(yè)迅速占領(lǐng)深海平臺(tái)市場(chǎng)創(chuàng)造了良好的條件。另一方面是開(kāi)發(fā)周期的因素。由于海洋油氣開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，國(guó)際石油商對(duì)從發(fā)現(xiàn)油氣到生產(chǎn)的時(shí)間要求越來(lái)越緊，而與船舶相近的海洋工程物恰恰可以以最快的時(shí)間迅速部署于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)， 從而大大縮短深海油氣的開(kāi)發(fā)時(shí)間。正是由于這兩方面的原因，使船舶工業(yè)迅速成為深海油氣開(kāi)發(fā)裝備生產(chǎn)的主要力量。船舶工業(yè)越來(lái)越深地融入海洋開(kāi)發(fā)裝備領(lǐng)域，已成為當(dāng)前海洋裝備發(fā)展的一個(gè)重要特點(diǎn)。相對(duì)于已經(jīng)成熟的船舶工業(yè)來(lái)說(shuō)，海洋開(kāi)發(fā)裝備業(yè)是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，正在發(fā)展過(guò)程中，據(jù)專(zhuān)家估計(jì),目前及未來(lái)幾年,僅油氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)一項(xiàng)，全世界就需要約100多艘FPSO船、200多座鉆井平臺(tái)，加上其他海洋產(chǎn)業(yè)的需求,海洋開(kāi)發(fā)裝備甚至比整個(gè)國(guó)際船舶市場(chǎng)的需求還要高。因此未來(lái)船舶企業(yè)會(huì)參與更多的海洋工程結(jié)構(gòu)物的建造。

管線幾何優(yōu)化設(shè)計(jì)

管道隔振支座最佳布置設(shè)計(jì)優(yōu)化需確定隔振支座的類(lèi)型"數(shù)量及位置!由于支座類(lèi)型的選擇難以依靠程式化優(yōu)化計(jì)算來(lái)得到，本研究?jī)H針對(duì)支座力學(xué)與隔振性能參數(shù)給定情況下，研究管線支座的數(shù)量與幾何位置優(yōu)化問(wèn)題涉及到的約束條件包含強(qiáng)度( 應(yīng)力) "剛度( 位移和變形) "穩(wěn)定性( 屈曲) 和動(dòng)力學(xué)特性( 管線固有頻率和管線響應(yīng)振幅) ，同時(shí)考慮工藝安裝方面的特殊要求( 某些位置無(wú)法安裝支座) 針對(duì)上述約束，細(xì)化為優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中考慮應(yīng)力"位移"固有頻率"穩(wěn)定性和評(píng)價(jià)點(diǎn)在指定頻率區(qū)間的振級(jí)落差等約束條件簡(jiǎn)化的支座布局幾何優(yōu)化設(shè)計(jì)模型見(jiàn)圖所示，通常選取支座數(shù)目和支座位置為設(shè)計(jì)變量本模型假定支座總數(shù)目事先已知( 通常按照工藝要求確定，但適當(dāng)增加一定數(shù)量) ，通過(guò)確定各支座的幾何位置坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)布局優(yōu)化!當(dāng)相鄰兩個(gè)支座的位置坐標(biāo)非常接近或重合時(shí)，代表其中一個(gè)支座可以取消。

支座布局幾何優(yōu)化模型

2.管道隔振支座布置設(shè)計(jì)優(yōu)化模型迭代解法

上面給出的支座布局優(yōu)化模型仍為基于連續(xù)與離散設(shè)計(jì)變量的混合數(shù)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題，常規(guī)優(yōu)化算法較難解決，可采用迭代優(yōu)化算法

進(jìn)行求解!考慮到計(jì)算效率的問(wèn)題，需采用變步長(zhǎng)的迭代優(yōu)化算法!

該迭代算法依據(jù)約束條件的滿(mǎn)足情況及變步長(zhǎng)的臨界間距值來(lái)確定支座數(shù)量的減少與增加，然后通過(guò)

常規(guī)優(yōu)化方法得到支座的幾何位置坐標(biāo)，最終得到較優(yōu)的支座數(shù)目及間距!迭代流程見(jiàn)圖采用迭代算法求解該支座布局優(yōu)化模型時(shí)，其計(jì)算效率有賴(lài)于迭代步長(zhǎng)的選擇!對(duì)于特定的管道結(jié)構(gòu)，當(dāng)假定的支座初始數(shù)目與最優(yōu)支座數(shù)目相接近時(shí)，即使迭代步長(zhǎng)為常數(shù)，依然能夠獲得較好的計(jì)算效率，但假定的支座初始數(shù)目與最優(yōu)支座數(shù)目相差較多時(shí)，則必須選擇逐步增加的迭代步長(zhǎng)才能獲得較為理想的計(jì)算效率。

支座布局優(yōu)化模型迭代解法

由管線各目標(biāo)函數(shù)下的優(yōu)化結(jié)果可知，三種目標(biāo)函數(shù)下的優(yōu)化模型，優(yōu)化后滿(mǎn)足約束要求，支座最優(yōu)數(shù)目均為6個(gè)，各支座位置接近，優(yōu)化結(jié)果基本相同，三種方法迭代次數(shù)均為 5-6次，計(jì)算效率較為理想，但以關(guān)聯(lián)支座造價(jià)為目標(biāo)函數(shù)下的優(yōu)化模型與其他兩個(gè)模型相比迭代次數(shù)較多，將幾何優(yōu)化設(shè)計(jì)方法所得優(yōu)化結(jié)果與規(guī)范設(shè)計(jì)方法優(yōu)化結(jié)果比較可知，以管線結(jié)構(gòu)應(yīng)變能和管線最大下垂為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型，幾何方法和規(guī)范法所得優(yōu)化結(jié)果接近!以關(guān)聯(lián)支座造價(jià)為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型，采用幾何方法時(shí)，盡管迭代次數(shù)較多，但仍然取得了滿(mǎn)足約束條件的優(yōu)化結(jié)果，其計(jì)算過(guò)程較規(guī)范設(shè)計(jì)方法更為穩(wěn)定，結(jié)果更為可靠!

總體來(lái)看，兩種設(shè)計(jì)方法所得優(yōu)化結(jié)果是相一致的，幾何優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是可行的!在幾何優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中，由于支座初始數(shù)目通過(guò)假定得到，且往往與最優(yōu)數(shù)目相差較大，因此迭代次數(shù)較多，其計(jì)算效率明顯低于規(guī)范設(shè)計(jì)方法，但較多的迭代次數(shù)同時(shí)也保證了迭代過(guò)程的穩(wěn)定性，使計(jì)算結(jié)果更為可信!因此，尚須進(jìn)一步研究更為穩(wěn)定高效的管線隔振支座布局優(yōu)化算法。

3.總結(jié)：將所得結(jié)果與規(guī)范設(shè)計(jì)方法優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了比較，證明了幾何優(yōu)化設(shè)計(jì)模型及方法的可行性，并得到了與規(guī)范設(shè)計(jì)方法中相一致的結(jié)論: 以管線最大下垂或管線結(jié)構(gòu)應(yīng)變能為目標(biāo)函數(shù)的隔振支座布局模型計(jì)算過(guò)程更為穩(wěn)定高效"優(yōu)化結(jié)果更為可靠。

參考文獻(xiàn):

[1] W.Kent.Muhlbauer 《Pipeline Risk Management Manual》

[2] 美國(guó)雪佛龍公司 海上油氣工程設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)

[3] 海洋石油工程設(shè)計(jì)概論與工藝設(shè)計(jì)

ANALYSIS OF PIPING OPTIMIZATION DESIGN IN MARIN SHIP & OFFSHORE PROJECT

Xiaoyimeng

(BOMESC Offshore Engineering Company Limited TEDA TIANJIN CHINA 300457)

Abstract: Ships engineering technology has been mainly based on general navigation of the ship-based, with the development of Deep Ocean, marine construction vessels generally have not restricted, but extends to all parts of marine engineering, such as various engineering ships, offshore oil platforms, FPSO vessels. Ships engineering technology should be based on a ship and the proper development of the situation to increase technical knowledge, so that professionals have mastered the knowledge of other marine engineering structures.

Keywords: Marine engineeringOffshore EngineeringPiping optimization

篇2

【關(guān)鍵詞】 導(dǎo)標(biāo)；配布；雙向航道；黃驊港

0 引 言

黃驊港煤炭港區(qū)是我國(guó)“三西”地區(qū)煤炭外運(yùn)第二通道出海口，也是北煤南運(yùn)和冬季電煤運(yùn)輸?shù)闹匾劭?，全港區(qū)煤炭通過(guò)能力達(dá)到萬(wàn)t，運(yùn)營(yíng)航線通達(dá)我國(guó)華東、華南沿海、臺(tái)灣地區(qū)和日本、韓國(guó)以及東南亞部分國(guó)家。近年來(lái)，隨著黃驊港煤炭港區(qū)的開(kāi)發(fā)擴(kuò)容，其吞吐量迅速攀升并實(shí)現(xiàn)跨越式增長(zhǎng)，對(duì)增加神府-東勝煤田的煤炭外運(yùn)量，保障華東、華南沿海地區(qū)能源供應(yīng)發(fā)揮了十分重要的作用。本文結(jié)合黃驊港煤炭港區(qū)7萬(wàn)噸級(jí)船舶雙向通航航道擴(kuò)寬工程，針對(duì)港區(qū)通航重要輔助設(shè)施導(dǎo)標(biāo)的配布調(diào)整進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 航道現(xiàn)狀

黃驊港煤炭港區(qū)5萬(wàn)噸級(jí)船舶重載雙向航道總長(zhǎng)約44 km，內(nèi)航道里程為 m，外航道里程為 m，航道挖泥邊坡均為1∶5 （見(jiàn)圖1）。

2012年12月6日，滄州海事局在黃驊市組織召開(kāi)了“黃驊港煤炭港區(qū)航道雙向通航推進(jìn)會(huì)”，規(guī)定外航道里程尺度（見(jiàn)圖1）～ m航段內(nèi)只允許單向通航；其余航段允許3.5萬(wàn)噸級(jí)船舶雙向通航，5萬(wàn)噸級(jí)船舶與2萬(wàn)噸級(jí)船舶雙向通航。

2 導(dǎo)標(biāo)現(xiàn)狀

2.1 導(dǎo)標(biāo)布置情況

目前，黃驊港煤炭港區(qū)陸域范圍內(nèi)共布置有外航道前、后導(dǎo)標(biāo)10座（5組），內(nèi)航道前、后導(dǎo)標(biāo)10座（5組）。5組導(dǎo)標(biāo)分別為：對(duì)應(yīng)航道設(shè)計(jì)底邊線布置南、北邊線標(biāo)；對(duì)應(yīng)航道中心線布置中線標(biāo)；對(duì)應(yīng)分向航道航跡帶中心線布置南、北中線標(biāo)。導(dǎo)標(biāo)布置斷面見(jiàn)圖2。

2.2 導(dǎo)標(biāo)使用情況

單向通航時(shí)，船舶觀察中線標(biāo)航行，南、北邊線標(biāo)標(biāo)示航道設(shè)計(jì)底邊線；雙向通航時(shí)，船舶觀察南、北中線標(biāo)航行，中線標(biāo)標(biāo)示分道通航水域的分隔線，邊線標(biāo)標(biāo)示航道設(shè)計(jì)底邊線。

經(jīng)調(diào)研，內(nèi)航道導(dǎo)標(biāo)使用效果較好；外航道導(dǎo)標(biāo)受能見(jiàn)度、導(dǎo)標(biāo)背景條件、導(dǎo)標(biāo)終導(dǎo)點(diǎn)距離等影響，使用效果欠佳。

3 航道拓寬工程

3.1 實(shí)施背景

近年來(lái)，船舶大型化趨勢(shì)非常明顯，但受通航規(guī)則限制，船舶平均在港停泊時(shí)間隨運(yùn)量增長(zhǎng)而大幅增加，對(duì)港口服務(wù)水平產(chǎn)生較大影響。

由于5萬(wàn)噸級(jí)船舶暫時(shí)無(wú)法進(jìn)行雙向通航，故航道條件得不到充分利用，疏浚工程投資未產(chǎn)生應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)效益。另外，隨著綜合港20萬(wàn)噸級(jí)航道和南防波堤工程等周邊設(shè)施的完善，將使煤炭港區(qū)防波堤口門(mén)處橫流有所改善。因此，有必要調(diào)整現(xiàn)狀航道的通航規(guī)則，允許大型船舶雙向通航。

3.2 實(shí)施方案

航道里程尺度0～ m航段向北韌乜30 m，相應(yīng)調(diào)整燈浮標(biāo)，航道設(shè)計(jì)底高程仍為 14.0 m （標(biāo)準(zhǔn)段）、 15.0 m （口門(mén)段）。航道拓寬段可滿(mǎn)足7萬(wàn)噸級(jí)散貨船重載乘潮雙向通航；拓寬段以外的航段，結(jié)合煤炭運(yùn)輸船舶重載出港、壓載進(jìn)港的特點(diǎn)，利用現(xiàn)狀航道（航道挖槽寬度不變）北側(cè)邊坡水域作為可利用的通航水域，確定現(xiàn)狀航道（全航道）可滿(mǎn)足雙向通航的船型組合。標(biāo)準(zhǔn)段和口門(mén)段航道拓寬斷面分別見(jiàn)圖3和圖4。對(duì)于油船、化學(xué)品船等液體散貨船及10萬(wàn)噸級(jí)散貨船，仍按現(xiàn)狀通航規(guī)則，采用單向通航。

4 導(dǎo)標(biāo)調(diào)整方案

外航道導(dǎo)標(biāo)因受能見(jiàn)度制約而目視效果欠佳，綜合考慮導(dǎo)標(biāo)遷移的成本與經(jīng)濟(jì)效益，此次拓寬工程暫不對(duì)外航道導(dǎo)標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。

4.1 內(nèi)航道導(dǎo)標(biāo)調(diào)整方案設(shè)計(jì)

方案1：航道設(shè)計(jì)底寬4等分法。航道北邊線標(biāo)和北側(cè)分向航道中心標(biāo)位置不變，中心標(biāo)向南側(cè)移動(dòng)15 m，南側(cè)分向航道中心標(biāo)、南邊線標(biāo)同時(shí)向南側(cè)移動(dòng)30 m。

方案2：航跡帶法。航道北邊線標(biāo)位置不變，北側(cè)分向航道中心標(biāo)向南側(cè)移動(dòng)8 m，中心標(biāo)向南側(cè)移動(dòng)15 m，南側(cè)分向航道中心標(biāo)向南側(cè)移動(dòng)，南邊線標(biāo)向南側(cè)移動(dòng)30 m。

4.2 方案比選

從導(dǎo)標(biāo)引導(dǎo)效果來(lái)看，方案1和方案2均能保證導(dǎo)標(biāo)有較好的引導(dǎo)效果。方案1符合引航習(xí)慣要求，但存在會(huì)船時(shí)兩船間富余寬度較大，而船岸間富余寬度略低于規(guī)范要求的問(wèn)題；方案2滿(mǎn)足規(guī)范要求，但與引航習(xí)慣要求不一致。

經(jīng)綜合比較后發(fā)現(xiàn)，方案1基本接近規(guī)范要求，且移標(biāo)數(shù)量少，工程費(fèi)用低，又能滿(mǎn)足引航部門(mén)的習(xí)慣要求。因此，推薦方案1作為導(dǎo)標(biāo)調(diào)整方案（見(jiàn)圖5）。

4.3 導(dǎo)標(biāo)使用規(guī)則

4.3.1 單向通航

（1）進(jìn)出港船舶觀察導(dǎo)標(biāo)的中線標(biāo)航行。

（2）邊線標(biāo)標(biāo)示通航水域邊界線。單向通航斷面示意見(jiàn)圖6。

4.3.2 雙向重載通航

以7萬(wàn)噸級(jí)船舶重載雙向通航為例，導(dǎo)標(biāo)使用規(guī)則如下：

（1）進(jìn)出港船舶應(yīng)觀察導(dǎo)標(biāo)的北中線標(biāo)和南中線標(biāo)航行，此時(shí)船長(zhǎng)和引航員需注意北中線標(biāo)和南中線標(biāo)標(biāo)示的位置比實(shí)際的航跡帶中心線向航道邊坡側(cè)偏8.0 m。

（2）中線標(biāo)標(biāo)示分道通航水域的分隔線。

（3）邊線標(biāo)標(biāo)示通航水域邊界線。雙向通航斷面示意見(jiàn)圖5。

篇3

[關(guān)鍵詞]船舶結(jié)構(gòu)；發(fā)展現(xiàn)狀；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化；魯棒性；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U663.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2014）27-0150-02

1.船舶結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

早年建造的鋼質(zhì)鉚釘遠(yuǎn)洋貨船，舫昵部呈尖形，有舶、艦樓，中部有上層建筑，稱(chēng)謂“三島式”結(jié)構(gòu)。這種船型貨艙底二側(cè)設(shè)有污水溝，船殼板通過(guò)角鋼與上甲板用鉚釘連接，貨艙口有許多大梁并用插梢梢牢，船殼板并疊鉚接。這種結(jié)構(gòu)抗扭性較好，剛度較大，使用壽命也較長(zhǎng)。現(xiàn)代遠(yuǎn)洋貨輪主尺度大大增加，舫部加球鼻，艉部削平為三角方昵，上層建筑后移，有的甚至無(wú)舶樓，污水溝改為污水井，連接的角鋼沒(méi)有了，貨艙口的大梁也沒(méi)有了，船殼平整。這種結(jié)構(gòu)從模型試驗(yàn)來(lái)看，抗扭效果、穩(wěn)定性都較差，使用壽命很少能超過(guò)三十年，大型惡性事故頻頻發(fā)生。這一演變引起我們極大的關(guān)注，通過(guò)分析實(shí)船存在的問(wèn)題，為什么脂部鋼板容易銹蝕，新造的船會(huì)出現(xiàn)裂縫（倉(cāng)口圍四角肘板與甲板脫焊）等，并通過(guò)模型和有限元計(jì)算證實(shí)，得出以下觀點(diǎn)。

（1）船舶較大部位的嚴(yán)重銹蝕與彎、扭有關(guān)巨大的波浪外載荷等外力會(huì)引起板材蠕動(dòng)、材質(zhì)酥松、涂層撕裂、海水滲入，足以證明有一定柔性的焦油瀝青漆都不能復(fù)蓋牢鋼板。

（2）營(yíng)運(yùn)船舶是“每彎必扭”，甚至“不彎也扭”船舶主尺度的增加，外力也大大增大，其中扭力不可低估。但肋骨和縱骨不參予船舶的抗扭，甚為可惜，材料潛力沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。

（3）船殼板上逐漸嚴(yán)重的垂向或腫部水平向瘦馬型和艙底板瘦馬型與彎、扭有關(guān)。

（4）船是很軟的，高邊柜斜底板是散貨船的致命弱點(diǎn)船舶在大海中航行尤如蠶起伏爬動(dòng)，不但被廣大船員注意到，也被各大船級(jí)社在電腦屏上顯示出來(lái)。

（5）樹(shù)的結(jié)構(gòu)最為科學(xué)樹(shù)的高度與直徑之比遠(yuǎn)大于超高層大樓高度與長(zhǎng)x寬之比。塔松（如傘、金字塔形）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其道理就在樹(shù)干上長(zhǎng)出許多樹(shù)叉，樹(shù)叉的根部即樹(shù)的節(jié)疤，將樹(shù)木展開(kāi)就可看到不在同一高度的許多節(jié)疤，這一高一低的節(jié)疤就是“訣竅”，造船業(yè)如果引進(jìn)這一結(jié)果，可使艙壁加固，抗扭性可大大提高，舷側(cè)加固，抗彎能力也有可觀的提高。

（6）船舶剛度的提高，目的是要減少無(wú)謂的蠕動(dòng)這可延長(zhǎng)使用年限，降低折舊費(fèi)，改善經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)計(jì)算，采用新的結(jié)構(gòu)形式，船舶自重可以較大幅度地減輕。

2.船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是要尋求合理的結(jié)構(gòu)形式和適當(dāng)?shù)臉?gòu)件尺寸，使船體結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及頻率等條件下具有較好的力學(xué)性能、工藝性能、經(jīng)濟(jì)性能及使用性能。隨著計(jì)算機(jī)的普及和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，建立在計(jì)算機(jī)分析和模擬基礎(chǔ)上的船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)吸收有關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的研究成果，借鑒相關(guān)工程學(xué)科的共同規(guī)律，已取得了卓有成效的進(jìn)展在可靠性設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)性工作在以人工智能原理和專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)的智能型設(shè)計(jì)方法方面進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的研究在綜合評(píng)估船舶結(jié)構(gòu)性能方面進(jìn)行了探索性的工作。這些研究構(gòu)成了船舶結(jié)構(gòu)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的基本內(nèi)容。

2.1多目標(biāo)模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中，都是根據(jù)確定性條件來(lái)進(jìn)行的，即目標(biāo)函數(shù)和約束條件都是人為的或按某種規(guī)定給出的，是一個(gè)確定的值。而實(shí)際上，船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，約束條件，評(píng)價(jià)指標(biāo)及多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)間的協(xié)調(diào)，都包含著許多模糊因素。要處理好涉及模糊因素的優(yōu)化間題，必須借助于模糊數(shù)學(xué)才能獲得令人滿(mǎn)意的結(jié)果。

模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)大大增加了設(shè)計(jì)者選擇優(yōu)化方案的余地，使設(shè)計(jì)者對(duì)方案的性態(tài)有更深入的了解。模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究發(fā)展很快，但目前尚未達(dá)到完全實(shí)用化程度。其難點(diǎn)在于到底如何針對(duì)具體的設(shè)計(jì)對(duì)象，正確確定描述目標(biāo)函數(shù)滿(mǎn)意度和約束函數(shù)滿(mǎn)足度的隸屬函數(shù)。

2.2基于可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

前蘇聯(lián)首先將概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法引入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中，形成了安全度理論。以超載系數(shù)、材料勻質(zhì)系數(shù)和工作條件系數(shù)來(lái)考慮載荷、材料及環(huán)境的一些隨機(jī)性因素，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展成為結(jié)構(gòu)的可靠性理論。

船舶結(jié)構(gòu)可靠性的基本理論和方法，隨設(shè)計(jì)目標(biāo)要求的不同，可以給出不同的船舶結(jié)構(gòu)可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，一般可分為以下三種。（1）給定結(jié)構(gòu)的可靠度要求，使結(jié)構(gòu)的重量最輕；（2）給定結(jié)構(gòu)的最大允許重量，使結(jié)構(gòu)的可靠度最大或破損概率為最??；（3）兼顧結(jié)構(gòu)重量及可靠度或破損概率，使其某種組合滿(mǎn)意度達(dá)到最大。

2.3魯棒性設(shè)計(jì)

魯棒設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的一種重要設(shè)計(jì)方法，是提高質(zhì)量特性的一個(gè)重要途徑?，F(xiàn)代魯棒設(shè)計(jì)方法是在田口方法的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的方法。通過(guò)使用容差模型法、最小靈敏度法以及靈敏度分析法，得到以下結(jié)論：（1）容差模型主要解決設(shè)計(jì)變量的變差對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響。設(shè)計(jì)變量的變差會(huì)以一定的規(guī)律傳遞給目標(biāo)函數(shù)。基于容差模型法的魯棒設(shè)計(jì)要求目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)均具有一定的魯棒性。目標(biāo)函數(shù)魯棒性是指產(chǎn)品特性既要使波動(dòng)小，又要使偏差小；約束函數(shù)魯棒性一般采用最壞情況容差來(lái)處理。（2）最小靈敏度法通過(guò)使性能參數(shù)對(duì)某一設(shè)計(jì)變量的偏導(dǎo)數(shù)最小而求得魯棒設(shè)計(jì)解。（3）靈敏度分析法主要是通過(guò)估計(jì)出設(shè)計(jì)變量發(fā)生微小波動(dòng)后對(duì)目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)影響大小，進(jìn)而通過(guò)這種影響的大小來(lái)改變?cè)O(shè)計(jì)變量以達(dá)到改善設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。

3.船舶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化方向展望：

現(xiàn)有主船體結(jié)構(gòu)有球扁鋼，扁鋼，剛板，角鋼，槽鋼，折邊肘板，帶面板的肘板等。未來(lái)在不降低總縱強(qiáng)度和剖面模數(shù)的情況下可以盡量的加強(qiáng)互換性和通用性，不論船型和噸位，都可以提前下料預(yù)制，從而減小建造周期和維修難度。新的船體結(jié)構(gòu)形式可以在原有的基礎(chǔ)上在以下幾個(gè)方向做簡(jiǎn)化。

3.1對(duì)新造船第一階段

（1）線型基本照舊，球鼻照設(shè)，腸娓部外板僅作適當(dāng)鼓起或凹進(jìn)處理，使船殼板不易出現(xiàn)垂向瘦馬型，這就增加了船的抗扭性。（2）三角方尾的娓封板略為單曲面鼓起，如公共汽車(chē)車(chē)頭的駕駛玻璃，其目的也是為了增加抗扭，避免出現(xiàn)娓封板的垂向瘦馬型，這幾乎是不增加重量的情況下獲得的抗扭剛度和昵部橫向強(qiáng)度。（3）躺娓部肋骨改為縱骨，這種縱骨參予抗扭。若因鋼板太薄，使用焊條太粗引起水平瘦馬型也無(wú)礙，反而更可增加船舶抗扭性。據(jù)肋骨或縱骨對(duì)比計(jì)算，整段船的自重還可較大幅度地減輕，如今臺(tái)灣、日本、西德造的船，都采用這一縱向的辦法。（4）腫部舷側(cè)外板用交叉肋骨，并與縱銜相結(jié)合（或肋骨加斜束腰）。經(jīng)整段有限元對(duì)比計(jì)算，重量比常規(guī)結(jié)構(gòu)減小，撓度減少，抗扭能力提高。而且整段平面也不易翹曲，剛度大大提高，貨倉(cāng)肋骨脫焊的事將可改觀。（5）甲板下的肋骨也交叉，使肋骨或縱骨與板“同舟共濟(jì)”，減少無(wú)謂蠕動(dòng)，也即減少鋼板的銹蝕，并使甲板負(fù)荷可以增加。（6）需精確確定外載荷的大小，然后整段計(jì)算抗扭剛度，剛度不足，需相應(yīng)增加艙壁等的剛度。

3.2對(duì)舊船原則上與新造船一樣

（1）減少無(wú)謂的蠕動(dòng)，具體表現(xiàn)在相對(duì)銹蝕嚴(yán)重的部位，在銹蝕嚴(yán)重部位表面的背面作交叉肋板加強(qiáng)。（2）消除低頻高幅的振動(dòng)出現(xiàn)垂向瘦馬型時(shí)，在肋骨間加斜肘板；出現(xiàn)水平向瘦馬型時(shí)，在縱骨（縱析）間加斜肋板；艙底板有瘦馬型時(shí)，在艙壁下墩等處加強(qiáng)。（3）發(fā)現(xiàn)裂縫要對(duì)癥下藥治本，治表（如改為大圓弧形時(shí)肘板，雞爪式肘板）只能掩蓋矛盾，對(duì)安全、延長(zhǎng)船齡不利。加固槽形艙壁可增加船體的扭轉(zhuǎn)剛度，這是比較治本的辦法。（4）散貨船高邊柜內(nèi)加斜桿。（5）提倡“貼條”式修補(bǔ)一條舊船，如一件舊衣服，補(bǔ)衣服要講究匹配，事實(shí)證明貼得好，工藝好，效果相當(dāng)好。

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篇4

【關(guān)鍵詞】 船舶；風(fēng)機(jī)；離心風(fēng)機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

新時(shí)期下，對(duì)于設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)是我國(guó)工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵途徑，對(duì)于風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)也是如此，其應(yīng)用十分廣泛，是很多工業(yè)單位部門(mén)中輸送相關(guān)氣體介質(zhì)的關(guān)鍵設(shè)備和核心耗能裝置，提高其工作效率是節(jié)約現(xiàn)有能源的有效途徑，對(duì)于合理的能源配置方面有重要的意義，長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)外大量相關(guān)科研人員根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況和模擬數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，已經(jīng)對(duì)風(fēng)機(jī)有了很有效的優(yōu)化。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷進(jìn)步，利用相關(guān)模擬軟件對(duì)實(shí)際的風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行較為真實(shí)的模擬，改進(jìn)其預(yù)發(fā)生的問(wèn)題，可以很好的對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)約了時(shí)間和資金。在船舶領(lǐng)域，也有很多種類(lèi)的風(fēng)機(jī)得到應(yīng)用，離心風(fēng)機(jī)應(yīng)用在二沖程柴油機(jī)啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，需要用離心鼓風(fēng)機(jī)提高進(jìn)氣壓力，完成氣缸掃氣。為了進(jìn)一步減小風(fēng)機(jī)尺寸，節(jié)約金屬材料，對(duì)船用風(fēng)機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)是很有必要的。要想優(yōu)化風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，必須對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體的情況有清晰的了解，對(duì)其進(jìn)行深入的分析，得到較為詳細(xì)的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)一步分析其內(nèi)部流體特征，細(xì)致研究?jī)?nèi)部能耗損失，針對(duì)結(jié)果剖析其影響因素，根據(jù)可能影響效率的幾個(gè)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)分析，反復(fù)試驗(yàn)優(yōu)化方案才能得到滿(mǎn)意結(jié)果。

1、國(guó)內(nèi)外船用風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介

風(fēng)機(jī)的發(fā)展在全球范圍內(nèi)已經(jīng)有100多年的歷史，國(guó)外的相關(guān)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)已經(jīng)比較成熟，但是延長(zhǎng)分級(jí)壽命和提高風(fēng)機(jī)效率仍然是現(xiàn)在工作的重心。我國(guó)在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)方面的發(fā)展就相對(duì)較晚了，自上世紀(jì)五十年代我國(guó)第一個(gè)機(jī)器工業(yè)局成立以來(lái)，我國(guó)工業(yè)設(shè)備的發(fā)展十分迅猛，這一時(shí)期也是風(fēng)機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，直到六七十年代我國(guó)才進(jìn)入自行設(shè)計(jì)階段，經(jīng)過(guò)我國(guó)科研人員的不斷努力，有很多類(lèi)型的風(fēng)機(jī)已經(jīng)發(fā)展成為了高效節(jié)能的產(chǎn)品，尤其九十年代以后，我國(guó)在風(fēng)機(jī)制造方面有了國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的支持和國(guó)外大型風(fēng)機(jī)企業(yè)在中國(guó)建廠的實(shí)際支持，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化方面發(fā)展迅猛，但是跟國(guó)外最先進(jìn)水平的差距還是十分明顯，目前我國(guó)仍處在學(xué)習(xí)階段。

1.1、一元設(shè)計(jì)方法

一元設(shè)計(jì)法要求對(duì)模型進(jìn)行一定的假設(shè)，針對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的三維勃性非定常流動(dòng)，將其簡(jiǎn)化成一元無(wú)勃流動(dòng)，從中獲取幾個(gè)相關(guān)重要的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，分析其變化規(guī)律，確定相關(guān)蝸殼和葉輪的尺寸和結(jié)構(gòu)。其主要缺點(diǎn)還是簡(jiǎn)化的過(guò)程過(guò)多，不能夠變現(xiàn)實(shí)際的風(fēng)機(jī)工況，大多數(shù)情況下是根據(jù)相關(guān)模擬人員的工程和模擬經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行修改，得到相對(duì)值得信賴(lài)的結(jié)果，為了改進(jìn)，研究人員提出了過(guò)流斷面的設(shè)計(jì)概念。

1.2、二元葉片設(shè)計(jì)方法

相對(duì)于一元設(shè)計(jì)法，二元葉片設(shè)計(jì)方法是針對(duì)風(fēng)機(jī)的葉輪設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行改進(jìn)的方法，其中主要應(yīng)用等擴(kuò)張度方法和等減速方法。等擴(kuò)張度方法主要是根據(jù)實(shí)際工程中風(fēng)機(jī)的擴(kuò)張角問(wèn)題提出的方法，當(dāng)其過(guò)大時(shí)風(fēng)機(jī)效率下降明顯，此方法可以控制相對(duì)平均流速沿流線的變化規(guī)律，通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系就可以得到葉片形線。等減速方法可以為葉輪中的相對(duì)速度沿著平均流線的分布進(jìn)行規(guī)定，計(jì)算出其中的葉輪流動(dòng)的損失，保證流場(chǎng)內(nèi)的氣流用相同的速率改變相對(duì)速度。

1.3、三元葉片設(shè)計(jì)方法

三元葉片設(shè)計(jì)主要由全可控渦設(shè)計(jì)法和載荷法組成，前者采用在風(fēng)機(jī)葉輪流道的中間面附近上應(yīng)用流線的曲率設(shè)計(jì)法，它需要結(jié)合研究人員的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)才能較好的進(jìn)行葉片的設(shè)計(jì)。后一種方法就是對(duì)葉片上的壓力面和吸力面上的速度差進(jìn)行控制，以此來(lái)對(duì)葉片壓力進(jìn)行載荷控制，計(jì)算得到風(fēng)機(jī)流道中平均流線速度，模擬所需葉片形狀。

1.4、近似模型法

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，采用隨機(jī)類(lèi)優(yōu)化方法在工程中進(jìn)行實(shí)踐操作，可以避免其中的計(jì)算量過(guò)大問(wèn)題，在一定范圍內(nèi)對(duì)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性有一定的保證，合理觀察設(shè)

目標(biāo)的實(shí)際要求，著力使用近似模型，提供快速的空間探測(cè)分析工具，在氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，用該模型取代耗時(shí)的高精度的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析，可以加速設(shè)計(jì)過(guò)程，降低設(shè)計(jì)成本

2、船用風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟

2.1、風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

2.2、各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的確定

對(duì)于轉(zhuǎn)速來(lái)說(shuō)，原則上在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)取最佳效率的電機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)于交流電機(jī)，最好確定在電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)差率0.2以?xún)?nèi)，因?yàn)樵诖藚^(qū)間電機(jī)的效率比較高。對(duì)于直流電機(jī)，沒(méi)有嚴(yán)格的指標(biāo)。

2.3、葉片設(shè)計(jì)

葉片的設(shè)計(jì)步驟首先要根據(jù)客戶(hù)要求或者提供的壓力和流量確定通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，葉輪直徑d，然后確定葉輪葉片z和葉片寬度b 以及稠度τ，接著確定需要計(jì)算葉片截面；以及葉環(huán)的氣流參數(shù)，再根據(jù)所得數(shù)據(jù)計(jì)算各截面的氣流角以及葉珊幾何角，最后進(jìn)行葉形狀的繪制。

篇5

1 傳統(tǒng)工業(yè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

傳統(tǒng)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法大多應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)和零件功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能和形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，內(nèi)點(diǎn)罰函數(shù)優(yōu)化法，能夠?qū)偠群蛪簭澖M合強(qiáng)度結(jié)構(gòu)進(jìn)行良好的優(yōu)化，既能夠滿(mǎn)足尺寸要求又能良好的控制結(jié)構(gòu)自重。在形態(tài)方面，典型的是軸對(duì)稱(chēng)鍛造部件的毛坯形狀的優(yōu)化。在性能方面，采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法和黃金分割法對(duì)部分兩岸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)更加準(zhǔn)確保持運(yùn)動(dòng)平衡性，提高了傳力性能。這樣看來(lái)，傳統(tǒng)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法依然能夠取得良好的效果，所以在機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展中不能忽略傳統(tǒng)優(yōu)化方法的

作用。

2 現(xiàn)代工業(yè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

現(xiàn)代高新設(shè)計(jì)方法在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已越來(lái)越廣泛。但應(yīng)該看到，現(xiàn)代的設(shè)計(jì)不僅僅是單一的完成給定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，而應(yīng)該要將產(chǎn)品使用及設(shè)備維修等因素統(tǒng)一進(jìn)行考慮。所以，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)在強(qiáng)調(diào)環(huán)保設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)等考慮綜合性因素的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用工作更為活躍，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，涉及到航空航天工程機(jī)械及通用機(jī)械與機(jī)床的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)；涉及到水利、橋梁和船舶機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)；涉及到汽車(chē)和鐵路運(yùn)輸行業(yè)及通訊行業(yè)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)；涉及到輕工紡織行業(yè)、能源工業(yè)和軍事工業(yè)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)；涉及到建筑領(lǐng)域機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)；涉及到石油及石化行業(yè)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)；涉及到食品機(jī)械等機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用還能夠解決具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)問(wèn)題。

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)軟件的應(yīng)用

優(yōu)化算法的研究已經(jīng)有所成績(jī)，利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)逐漸開(kāi)發(fā)一些工業(yè)化在線優(yōu)化軟件，便于工業(yè)設(shè)計(jì)使用。對(duì)于在線機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件來(lái)說(shuō)，亟待解決的問(wèn)題就是模型問(wèn)題，對(duì)于非常復(fù)雜的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)、流程、物料和系統(tǒng)參數(shù)等，都非常復(fù)雜，如果計(jì)算對(duì)象比較模糊，運(yùn)算效率會(huì)受到嚴(yán)重的影響，這就給在線優(yōu)化軟件帶來(lái)了巨大的困難。為了解決這種情況，通過(guò)合適的算法解決辨別模型，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和學(xué)習(xí)特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的識(shí)別，讓在線優(yōu)化軟件也能夠良好的應(yīng)用于各種模型，比如國(guó)內(nèi)比較成熟的 NEUMAX 軟件包，基于神經(jīng)遺傳算法的在線優(yōu)化軟件包，都能夠良好的實(shí)現(xiàn)各種模型的遺傳算法，這些軟件已經(jīng)成功應(yīng)用于甲醇合成機(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化工作中。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)在MATLAB中的應(yīng)用

在機(jī)械設(shè)計(jì)中引入優(yōu)化設(shè)計(jì)方法不僅能使設(shè)計(jì)的機(jī)械零件滿(mǎn)足性能要求，還能使其在某些特定方面達(dá)到最優(yōu)。利用 MATLAB優(yōu)化工具箱求解機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題不僅避免了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中人工試湊、分析比較過(guò)程中的繁雜與重復(fù)，而且編程簡(jiǎn)單、結(jié)果可靠。在上述實(shí)例中，利用 MATLAB 軟件中FEMINCON函數(shù)求解夾具設(shè)計(jì)問(wèn)題，最 終設(shè)計(jì)的 夾具要比采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的質(zhì)量輕、成本低，并且設(shè)計(jì)效率高。

2.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人類(lèi)模仿大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能而建立的一種信息處理系統(tǒng)，是理論化的人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從事例中學(xué)習(xí)，可以處理非線性問(wèn)題，特別擅長(zhǎng)處理那些需要人直觀判斷的信息匱乏的問(wèn)題，如不完全數(shù)據(jù)集合，模糊信息以及高度復(fù)雜問(wèn)題等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

Hopfield 網(wǎng)絡(luò) 2.BP 網(wǎng)絡(luò)

2.4 模糊優(yōu)化方法在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用應(yīng)用模糊優(yōu)化理論能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)中的模糊因素和模糊主觀信息定量化，通過(guò)合理給定約束函數(shù)、目標(biāo)函數(shù)的容許值、期望值及其模糊分布 （隸屬函數(shù)） 來(lái) “軟化”邊界條件，擴(kuò)大尋優(yōu)范圍和體現(xiàn)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)、觀點(diǎn)和某些公認(rèn)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。把模糊技術(shù)應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計(jì)建模，其特長(zhǎng)不僅在于它善于表達(dá)模糊概念，處理模糊因素，而且還可將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)化，使優(yōu)化模型更加合理。采用模糊理論建立優(yōu)化設(shè)計(jì)模型對(duì)求解復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題具有重要意義。

篇6

關(guān)鍵詞：船舶 配電系統(tǒng) 電力變換裝置

中圖分類(lèi)號(hào)：F407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）04（b）-0097-01

隨著船舶綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展，越來(lái)越多的電力變換裝置逐漸應(yīng)用到船舶配電系統(tǒng)中。電力電子器件本身的非線性特性會(huì)使得電力變換系統(tǒng)之間產(chǎn)生互相影響，從而發(fā)生不穩(wěn)定、諧波以及其他的系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題。船舶電力系統(tǒng)在船舶上具有極為重要的地位，電力系統(tǒng)供電的連續(xù)性！可靠性和供電品質(zhì)，將直接影響船舶的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)和生命力在現(xiàn)代化船舶上，電站操作越來(lái)越復(fù)雜、電站自動(dòng)化程度日益提高，對(duì)電站管理人員的要求也越來(lái)越高。

1 船舶配電系統(tǒng)的概述

船舶電站是船舶的一個(gè)重要組成部分，其自動(dòng)化程度是船舶技術(shù)的重要標(biāo)志。船舶電站供配電系統(tǒng)一是供電質(zhì)量和供電可靠性，二是船舶電站自動(dòng)化程度。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大程度的變化，船舶電站逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的船舶電站自動(dòng)化控制、管理信息系統(tǒng)，集監(jiān)、控、管于一體的網(wǎng)絡(luò)型船舶電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

船舶電力系統(tǒng)發(fā)展到一定階段以后必然會(huì)進(jìn)入船舶綜合電力系統(tǒng)階段，其主要標(biāo)志之一就是集成化和模塊化。所謂綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)，就是動(dòng)力推進(jìn)和日常用電共同用一個(gè)電力系統(tǒng)，從而構(gòu)成一個(gè)綜合的電力系統(tǒng)。IPS最大的特點(diǎn)是模塊化，根據(jù)功能不同，這些模塊在具體的艦艇IPS系統(tǒng)中，被劃分在4個(gè)子系統(tǒng)中，即發(fā)電和推進(jìn)子系統(tǒng)、艦艇日用電配電子系統(tǒng)、區(qū)域配電子系統(tǒng)和系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)。

在船舶綜合電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)組、配電裝置、系統(tǒng)調(diào)度和監(jiān)控、電力推進(jìn)和高能武器通過(guò)電力網(wǎng)絡(luò)集成在一起共同工作和運(yùn)行。電能在船舶電力系統(tǒng)中一開(kāi)始只是作為一種輔助能源，實(shí)現(xiàn)船舶的照明等一般。隨著綜合電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展以及采用電力作為能源的先天優(yōu)點(diǎn)，原先一些采用常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng)作為能量來(lái)源的設(shè)備，也逐漸向電力化方向發(fā)展，另外電能開(kāi)始逐漸取代傳統(tǒng)動(dòng)力成為艦船的推進(jìn)能源。因此，綜合電力系統(tǒng)（IPS）的出現(xiàn)滿(mǎn)足了船舶的實(shí)際應(yīng)用需求，促進(jìn)了船舶電力系統(tǒng)向集成化與模塊化方向的過(guò)渡。

2 船舶配電系統(tǒng)的新技術(shù)

作為船舶綜合全電力推進(jìn)技術(shù)的重要研究?jī)?nèi)容之一，基于電力變換裝置的船舶直流區(qū)域配電系統(tǒng)得到了越來(lái)越多的關(guān)注和研究。傳統(tǒng)的船舶輻射式配電方式靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載自動(dòng)調(diào)節(jié)性能比較差，冗余電源實(shí)現(xiàn)方案較為復(fù)雜，難以滿(mǎn)足余度供電和不間斷供電的要求。

船舶區(qū)域配電系統(tǒng)具有和分布式電源系統(tǒng)類(lèi)似的特點(diǎn)，比如：（1）系統(tǒng)容量有限，同時(shí)由于推進(jìn)負(fù)載和高能武器等大功率負(fù)載的存在，負(fù)載的容量和發(fā)電機(jī)的容量接近；（2）電能經(jīng)過(guò)多次變換，最終為全船負(fù)載供電。同一個(gè)電力變換裝置既是前端變換裝置的負(fù)載，同時(shí)也是后端負(fù)載變換裝置的源，各個(gè)電力變換裝置之間相互耦合，源效應(yīng)與負(fù)載效應(yīng)較明顯；（3）全控型半導(dǎo)體器件在電力變換裝置的大量使用，提高了功率密度。但是由于半導(dǎo)體器件本身具有開(kāi)關(guān)特性，因此電力變換裝置也同樣具有非線性特性。這種情況下，在某一穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)對(duì)電力變換裝置作小信號(hào)線性化處理和分析而得到的阻抗特性也會(huì)隨著電力電子器件的開(kāi)關(guān)頻率不同而發(fā)生一定的變化。

隨著綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展，僅僅對(duì)電力變換裝置的功率器件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及各種先進(jìn)的控制算法進(jìn)行研究已經(jīng)不能滿(mǎn)足船舶電力變換系統(tǒng)的要求了。因此，需要從系統(tǒng)的角度出發(fā)，對(duì)電力變換裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和穩(wěn)定控制，以便更好的滿(mǎn)足不同類(lèi)型負(fù)載的供電要求。

船舶電力變換系統(tǒng)具有冗余度高、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。在船舶配電系統(tǒng)中，其電能的主要來(lái)源是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各種獨(dú)立、并聯(lián)的負(fù)載從左右直流母線上獲取電能。雖然系統(tǒng)中的這些電力變換裝置能夠獨(dú)立穩(wěn)定運(yùn)行，但在系統(tǒng)中運(yùn)行由于模塊之間互聯(lián)的相互影響，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降甚至發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。

在進(jìn)行船舶電力變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于缺少了對(duì)船舶電力變換系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的系統(tǒng)級(jí)分析和設(shè)計(jì)，因此，影響了船舶區(qū)域配電系統(tǒng)的可靠性。一般情況下，船舶電力變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要標(biāo)準(zhǔn)是各個(gè)電力變換裝置模塊的電氣性能、功率密度和外部接口等，而沒(méi)有考慮模塊在系統(tǒng)中運(yùn)行的穩(wěn)定性和對(duì)其他裝置的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，由于電力變換裝置的互聯(lián)，可能出現(xiàn)獨(dú)立工作時(shí)性能指標(biāo)合格的電力變換裝置在系統(tǒng)中發(fā)生嘯叫或者振蕩的現(xiàn)象，極端情況下還會(huì)導(dǎo)致器件損毀。目前，關(guān)于船舶電力變換系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和驗(yàn)證主要還是通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，這種方法缺乏有效的理論指導(dǎo)，造成了大量時(shí)間的浪費(fèi)，增加了系統(tǒng)研發(fā)和制造成本。在實(shí)際船舶區(qū)域配電系統(tǒng)中，存在著各種不同的用電設(shè)備，很多電力變換裝置的負(fù)載往往是容性或者感性，亦或是其他電力變換裝置。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，如果沒(méi)有考慮和分析單個(gè)電力變換裝置對(duì)系統(tǒng)整體的影響，那么即使裝置滿(mǎn)足單獨(dú)測(cè)試時(shí)的性能要求，在系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)也可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，影響配電系統(tǒng)和其他電力變換裝置的安全性及可靠性。因此有必要在單個(gè)電力變換裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中從系統(tǒng)級(jí)角度出發(fā)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制方法的研究使得電力變換裝置能夠在滿(mǎn)足自身各方面電氣性能要求的同時(shí)，也能夠保證其在系統(tǒng)中穩(wěn)定運(yùn)行而不對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

3 船舶配電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

目前，我國(guó)船舶自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展達(dá)到了世界先進(jìn)水平，正朝著微機(jī)監(jiān)控、全面電氣化、綜合自動(dòng)化方向發(fā)展。高可靠性、功能齊全、分布式、多微機(jī)網(wǎng)絡(luò)式自動(dòng)化系統(tǒng)，將是未來(lái)船舶電站自動(dòng)化的發(fā)展方向。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，船舶電力變換系統(tǒng)穩(wěn)定性研究的目的和意義是為了從系統(tǒng)級(jí)的角度出發(fā)，對(duì)船舶電力變換系統(tǒng)及其互聯(lián)系統(tǒng)的相互影響進(jìn)行分析和研究，為船舶區(qū)域配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究奠定理論分析基礎(chǔ)，為故障情況下船舶配電系統(tǒng)的供電路徑重構(gòu)提供理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)參考，從而提高船舶配電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和生命力。

參考文獻(xiàn)

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摘要：用熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理與BOX非線性約束(復(fù)合型)優(yōu)化法相結(jié)合的方法，對(duì)大型柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中廢氣復(fù)合透平系統(tǒng)(Turbo Compound System或TCS)進(jìn)行了熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析研究和設(shè)計(jì)優(yōu)化計(jì)算。探討的方法也可用作動(dòng)力廠(站)可行性研究階段方案設(shè)計(jì)時(shí)的參考。關(guān)鍵詞：廢氣復(fù)合透平； 熱經(jīng)濟(jì)學(xué)； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

Abstract: hot technology economics principle and BOX nonlinear constraints (Compound) optimization method combined with the method of dynamic System of large diesel engine exhaust gas turbine composite System (Turbo Compound System or TCS) hot technology economic analysis research and design optimization calculation. Discusses the method also used for utility plants (station) the feasibility study stage design reference.

Keywords: waste gas turbine compound; Hot economics; Optimization design

符號(hào)說(shuō)明

下限值b-上限值C-定壓比熱En-能量，(kJ)I-隱式約束方程總數(shù)J-能量系統(tǒng)或單元的能流輸出總數(shù)P-輸出功率，(kW)R-設(shè)計(jì)變量總數(shù)T-溫度(℃)或增壓器的廢氣透平

下標(biāo)

環(huán)境1，2-能量及技術(shù)經(jīng)濟(jì)區(qū)1、2a-新鮮空氣bt-廢氣增壓器前c-廢氣增壓器的壓縮機(jī)e-排氣ebt-增壓器前的廢氣ep-由柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電exh-增壓器后的廢氣hf-重燃油j,j’-第j或j’能量流m-機(jī)械ME-噴入柴油主機(jī)的燃油pa-定壓壓縮空氣pe-定壓廢氣PT-動(dòng)力透平shaft-柴油機(jī)的主軸t-透平或溫度T-增壓器的廢氣透平

前言

從80年代初開(kāi)始，大型柴油機(jī)增壓器制造商一直致力于不斷提高其效率的研究開(kāi)發(fā)，結(jié)果是大大減少了產(chǎn)生柴油機(jī)壓縮進(jìn)氣的增壓器消耗的廢氣量；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步配套設(shè)計(jì)了一種動(dòng)力透平，用以轉(zhuǎn)換這種高效增壓系統(tǒng)省下的廢氣能量，產(chǎn)生有用的動(dòng)力(如電力、機(jī)械功)。已有實(shí)例在大型柴油機(jī)船舶動(dòng)力站(5 000 kW以上)采用這套系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性十分明顯，投資回收期不到兩年［1］。誠(chéng)然，任何動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如采用較高效率的設(shè)備，雖其經(jīng)濟(jì)性會(huì)提高，但也增加系統(tǒng)的初始投資，以致同時(shí)增加產(chǎn)品的折舊成本。因此，動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)和設(shè)備的經(jīng)濟(jì)選擇常常是互相矛盾的，要進(jìn)行優(yōu)化平衡，才有可能達(dá)到最佳的參數(shù)組合。對(duì)此，提出利用熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)與非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃法中的Box’s Complex法［2，3］相結(jié)合的方法，通過(guò)建立廢氣復(fù)合透平系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，對(duì)該動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合實(shí)例的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算和熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究分析，以探討較為合理的大型柴油機(jī)廢氣透平復(fù)合系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化選擇方法和途徑。本文探討的方法也可作為動(dòng)力廠(站)可行性研究方案設(shè)計(jì)研究之用。

篇8

關(guān)鍵詞:橋梁結(jié)構(gòu);拓?fù)鋬?yōu)化;有限元分析;ANSYS

中圖分類(lèi)號(hào):U442文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)20-0038-02

結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是以最少的材料、最低的造價(jià)、最簡(jiǎn)單的工藝,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)性能,包括強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等目標(biāo)。將優(yōu)化方法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),不僅可以大大的縮短設(shè)計(jì)周期,顯著的提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,而且還可以解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無(wú)法解決的復(fù)雜設(shè)計(jì)問(wèn)題。從工程設(shè)計(jì)的角度看,結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)大致有三個(gè)層次:拓?fù)鋬?yōu)化,形狀優(yōu)化以及尺寸優(yōu)化。三者中拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域中最具有挑戰(zhàn)性的研究課題,同時(shí)也是具有最大潛在經(jīng)濟(jì)效益的設(shè)計(jì)方法。拓?fù)鋬?yōu)化主要思想是將結(jié)構(gòu)最優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為在給定區(qū)域內(nèi)尋找最優(yōu)的材料分布的問(wèn)題。通過(guò)尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)洳季质沟媒Y(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足一切有關(guān)平衡、應(yīng)力、位移等約束條件的情形下,同時(shí)具有某種最優(yōu)性能指標(biāo)。因此拓?fù)鋬?yōu)化被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)階段確定材料布局的最有效方法。

橋梁建設(shè)是交通建設(shè)中的重要組成部分,隨著我國(guó)各種跨越大江(河)、海峽(灣)的大型橋梁的相繼修建,如何高效率的設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)、大幅度的減少建設(shè)材料,是縮短橋梁設(shè)計(jì)周期、節(jié)約橋梁建造成本的關(guān)鍵問(wèn)題。本文將拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于橋梁設(shè)計(jì),采用大型商用有限元軟件ANSYS中的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)模塊,獲得橋梁結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)方案,可對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的拓?fù)漭喞c外形進(jìn)行快速和創(chuàng)造性的調(diào)節(jié),為高層次的設(shè)計(jì)者提供橋梁結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)模型,從而降低橋梁設(shè)計(jì)周期。

一、拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型

拓?fù)鋬?yōu)化在廣義上指形狀優(yōu)化,有時(shí)也稱(chēng)為外型優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案,即在設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋找一個(gè)給定體積V的子區(qū)域mat(有材料區(qū)域),使得該區(qū)域?qū)?yīng)的目標(biāo)函數(shù)(如結(jié)構(gòu)柔順度、結(jié)構(gòu)位移等)取得極值。引入材料密度函數(shù):

(x)=1ifx∈mat0ifx∈\mat(1)

則結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型可描述為:

()

s.t. d≤V (2)

(x)=0 or 1,x ∈

結(jié)合有限元數(shù)值方法,將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)域離散為n個(gè)有限單元,相應(yīng)的將密度函數(shù)近似為n維向量,其中xi為有限單元i的密度值。此時(shí)的優(yōu)化模型為0~1整數(shù)優(yōu)化模型:

(X)

s.t.V(X)= xivi≤V(3)

xi=0 or 1,i=1,2,…,n

由于整數(shù)模型的計(jì)算求解非常困難,通常采用變量連續(xù)化方法,將0-1整數(shù)變量問(wèn)題變?yōu)?、1間的連續(xù)變量?jī)?yōu)化模型:

(X)

s.t.V(X)= xivi≤V(4)

式(4)即為結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的基本數(shù)學(xué)模型。本文考慮的橋梁結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)屬于連續(xù)體結(jié)構(gòu)靜力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題,目的是在外力作用和位置以及約束的位置確定的條件下,以結(jié)構(gòu)的柔順度最小化(即橋梁結(jié)構(gòu)剛度最大化)為目標(biāo)函數(shù),以結(jié)構(gòu)材料體積限制為約束進(jìn)行設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫问健＞唧w計(jì)算時(shí),將橋梁初始設(shè)計(jì)域有限元離散,設(shè)計(jì)變量為各單元的材料相對(duì)密度。

為了將結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)付諸實(shí)用,除了建立可靠的優(yōu)化模型外,還需要選擇收斂速度快且計(jì)算不是很復(fù)雜的優(yōu)化算法。采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法求解數(shù)學(xué)模型,可歸結(jié)為在給定條件(例如約束條件)下求目標(biāo)函數(shù)的極值或最優(yōu)值的問(wèn)題。實(shí)際工程優(yōu)化問(wèn)題中,約束條件和目標(biāo)函數(shù)不僅是非線性的,而且是隱式函數(shù),所以?xún)?yōu)化算法的選用至關(guān)重要,對(duì)于不同層次的優(yōu)化問(wèn)題需要選用不同的優(yōu)化算法。按優(yōu)化算法的理論基礎(chǔ)劃分,主要有以下3種類(lèi)型:準(zhǔn)則法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法、遺傳算法。本文采用了ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)模塊中的最優(yōu)準(zhǔn)則(Optimality criteria,OC)算法。

二、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)流程

拓?fù)鋬?yōu)化的基本過(guò)程,可以描述如下:(1)確定設(shè)計(jì)區(qū)域,選擇合適的設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)以及約束函數(shù)等其他邊界條件;(2)結(jié)構(gòu)離散化,進(jìn)行有限元分析,獲取目標(biāo)函數(shù)、約束函數(shù)及設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)變化的敏度信息;(3)根據(jù)得到的信息,用合適的優(yōu)化方法計(jì)算,計(jì)算出當(dāng)前的設(shè)計(jì)變量的新值;(4)根據(jù)終止準(zhǔn)則判斷優(yōu)化結(jié)果是否收斂,如果不收斂,重復(fù)(2)到(4),如果收斂,則終止迭代;(5)拓?fù)鋬?yōu)化后處理,得到最優(yōu)拓?fù)涞男问健?/p>

圖1給出了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的基本流程:

圖1拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)基本流程

三、橋梁結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)算例

(一)問(wèn)題描述

一座拱橋所在的空間位置如圖2所示,長(zhǎng)方體上表面為路面,路面長(zhǎng)20m,寬3m,橋高4m。圖2標(biāo)出了拱橋五個(gè)橋墩的位置點(diǎn)。路面指定為非設(shè)計(jì)區(qū)域,并承受100ePa均布載荷。橋梁結(jié)構(gòu)材料屬性為:彈性模量E=200GPa,泊松比=0.3。要求分別在結(jié)構(gòu)體積減少70%和50%的條件下尋找具有最大剛度的拱橋橋型。初始設(shè)計(jì)空間的有限元模型如圖3所示,圖中上表面單元為非設(shè)計(jì)單元。

(二)優(yōu)化結(jié)果

采用ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算,優(yōu)化迭代20次后得到優(yōu)化結(jié)果,如圖4所示。圖5給出了目標(biāo)函數(shù)的迭代曲線,可以看到,迭代20次后,結(jié)構(gòu)的柔順度降至最小,即此時(shí)的橋梁構(gòu)型具有最大剛度。

四、結(jié)論

本文以橋梁結(jié)構(gòu)剛度最大為目標(biāo)函數(shù),基于大型商用有限元軟件ANSYS中的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)模塊,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了給定體積分?jǐn)?shù)下的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法可以獲得橋梁結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)階段的輪廓布局,從而為橋梁工程設(shè)計(jì)人員提供可靠的、指導(dǎo)性的和粗定量的頂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,避免了復(fù)雜繁瑣的初始設(shè)計(jì)方案定制過(guò)程,縮短了橋梁設(shè)計(jì)周期。

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篇9

關(guān)鍵詞：高等數(shù)學(xué)；定積分；極值；工字鋼

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2012）08-0015-02

高等數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，甚至可以說(shuō)是無(wú)處不在，很多的工程力學(xué)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的模型都和高等數(shù)學(xué)息息相關(guān)。本文通過(guò)在建筑、橋梁、船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域一個(gè)比較常用的數(shù)學(xué)模型，來(lái)說(shuō)明高等數(shù)學(xué)在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有很強(qiáng)的實(shí)用性。下面讓我們來(lái)介紹在建筑、橋梁、船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種鋼制型材：工字鋼。顧名思義，工字鋼就是剖面形狀酷似“工”的鋼制型材，形狀參數(shù)如下圖1所示。我們主要通過(guò)一些基本的高等數(shù)學(xué)知識(shí)來(lái)研究在同樣的載荷條件下，怎樣設(shè)計(jì)工字鋼的剖面幾何形狀才能使它的重量最輕，最能節(jié)省材料。因?yàn)楣ぷ咒摰膽?yīng)用范圍非常廣，通過(guò)剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)可以帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。

工字鋼的基本形狀參數(shù)有以下幾個(gè)（如圖1所示）：腹板高度hw、腹板厚度tw、面板厚度tf、面板寬度df。在這個(gè)實(shí)例中我們需要計(jì)算工字鋼的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I，并根據(jù)二元函數(shù)的極值求解方法來(lái)設(shè)計(jì)工字鋼的最佳剖面形狀。在工程設(shè)計(jì)中，選用工字鋼的控制要素一般是最小剖面模數(shù)W，而非轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I。但是根據(jù)材料力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，工字鋼的最小剖面模數(shù)W＝I/（hw+tf）。也就是說(shuō)要先求解剖面模數(shù)W，必先求解工字鋼關(guān)于自身中和軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I。通常情況下，工程上會(huì)計(jì)算一半工字鋼關(guān)于整個(gè)工字鋼中和軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量然后乘以2的方法來(lái)求解整個(gè)工字鋼的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。工字鋼的腹板和面板的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將分別計(jì)算然后線性相加。

根據(jù)材料力學(xué)中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算方法，可以得到一半

工字鋼轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式應(yīng)為：

■=■t■h■■dh■+■d■t■■dt■ （1）

應(yīng)用定積分中的換元法，用dw來(lái)代替■，可以得到■=■t■d■■+■df［（d■+tf）3-dw3］ （2）

上述公式是一半工字鋼轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的解析解。根據(jù)材料力學(xué)的計(jì)算公式進(jìn)而可以得到工字鋼的最小剖面模數(shù)為：W=■={■twdw3+■df［（dw+tf）3-dw3］}/（dw+tf）；W={■twdw3+■df[tf3+3dwft（dw+tf）]}/（dw+tf） （3）。式（3）中，工字鋼的剖面模數(shù)計(jì)算公式中有四個(gè)變量。要想求得工字鋼的極值應(yīng)將其中兩項(xiàng)設(shè)為常量。我們發(fā)現(xiàn)，工字鋼的剖面模數(shù)對(duì)工字鋼的腹板厚度tw最不敏感，從工程應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，一般將此設(shè)為常量。另外，在工程實(shí)際應(yīng)用中，工字鋼的腹板高度和面板寬度之間一般存在著某種固定的線性關(guān)系，在這里設(shè)df=a*dw。

經(jīng)過(guò)上述基本假設(shè)，則工字鋼的剖面模數(shù)可以設(shè)定為關(guān)于dw和tf的函數(shù)。因此，可以根據(jù)二元函數(shù)的極值求解方法來(lái)設(shè)計(jì)工字鋼的最佳剖面形狀。即當(dāng)dw和tf之間滿(mǎn)足某種比例關(guān)系時(shí)，工字鋼的剖面模數(shù)可以達(dá)到極值。式（3）看似簡(jiǎn)單，但是要用解析解求解該式的極值還是將轉(zhuǎn)換為dw為變量的以一元五次方程的求解，具體計(jì)算過(guò)于繁復(fù)，在這里就不再贅述。

在這里僅介紹在工程上常用的、誤差可以接受簡(jiǎn)化計(jì)算的方法。首先由于工字鋼的面板厚度相對(duì)于腹板高度而言是個(gè)小量，因此可以將dw+tf≈dw，同時(shí)tf3作為小量也可以忽略。這樣一來(lái)可以得到以下工字鋼的最小剖面模數(shù)簡(jiǎn)化計(jì)算公式：W≈（■twdw3+2dftfdw2）/dw=■twdw2+2dftfdw （4），我們優(yōu)化工字鋼剖面的基本思路是假設(shè)工字鋼的剖面總面積As不變，當(dāng)腹板高度和面板厚度滿(mǎn)足一定關(guān)系時(shí)，剖面模數(shù)達(dá)到最大。即As=2dwtw+dftf dftf=As-2dwtwtf （5），根據(jù)換元法，將（5）代入（4），可得：W≈■twdw2+2（As-2dwtw）dw=2Asdw-■twdw2，根據(jù)二元函數(shù)的極值求解方法，將剖面模數(shù)對(duì)dw求導(dǎo)，則可以得到：W'≈2As-■dwtw W''≈-■twdw＜0 （6）。根據(jù)函數(shù)的極值及其求解方法，當(dāng)W''=0，且W''＜0時(shí)，W存在最大值。即通過(guò)令W'=2As-■dwtw=0得到As=■dwtw時(shí)，亦即工字鋼的腹板面積近似等于總面積的0.75倍時(shí)，W存在最大值。從而得到近似的最佳工字鋼剖面。此比例關(guān)系為工程上工字鋼的剖面設(shè)計(jì)是具有重要參考價(jià)值的。指導(dǎo)了很多工字鋼剖面的設(shè)計(jì)，在船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域，與工字鋼剖面具有相仿的T型材的剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)也可以用相似的方法求得，只是需要注意的是T型材的帶板面積會(huì)直接影響到工字鋼的最佳剖面設(shè)計(jì)結(jié)果。

我們發(fā)現(xiàn)，工字鋼剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用到二元函數(shù)的極值及其求解、牛頓—萊布尼茨公式、定積分的換元法等，當(dāng)然還需要有一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。這些完美結(jié)合后，就會(huì)在工程實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮不可思議的作用。

眾所周知，高等數(shù)學(xué)尤其是微積分在材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、斷裂力學(xué)、有限元分析等中的應(yīng)用非常廣泛，學(xué)好高等數(shù)學(xué)不僅僅是為了學(xué)分、為了考研，更是為了能夠站在更高、更大的舞臺(tái)上扎下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。要想成為真正技術(shù)上的王者，高等數(shù)學(xué)是大家手中最好的利器，只要你能讀懂它的精髓，并善于利用它。

篇10

計(jì)代表船型，通過(guò)規(guī)范公式和經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算初定航道尺度，再結(jié)合船模試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，最終確定航道尺度。

關(guān)鍵詞：航道尺度 轉(zhuǎn)彎半徑 加寬

近年來(lái)，隨著國(guó)際、國(guó)內(nèi)船舶制造業(yè)的快速發(fā)展，船舶載重噸級(jí)日趨大型化，大型海輪?？扛劭谶M(jìn)行裝卸作業(yè)已經(jīng)非常普遍。中化珠海石化公用碼頭位于高欄港區(qū)南逕灣作業(yè)區(qū)，其南側(cè)泊位原設(shè)計(jì)最大靠泊船型為80000DWT船舶。根據(jù)業(yè)主提供的資料，近幾年來(lái)，格力石化碼頭實(shí)際到港船型中就有超過(guò)80000DWT的船舶。自正式投產(chǎn)以來(lái)，本碼頭共安全靠泊多艘次大輪，而且到港大型船舶艘次在逐年增加，為適應(yīng)較大船型的安全靠泊要求，現(xiàn)擬將南側(cè)8萬(wàn)噸級(jí)泊位改造為15萬(wàn)噸級(jí)泊位，與碼頭配套的進(jìn)港支航道也需浚深拓寬。

航道概況

工程所處的高欄港現(xiàn)有一條人工開(kāi)挖主航道及通向各港區(qū)的支航道若干條。目前主航道口門(mén)至南逕灣港區(qū)支航道段航道設(shè)計(jì)海底高程為-15.7m（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妫峦?，航道底?50m，航道軸線走向350°～170°，可滿(mǎn)足8萬(wàn)噸級(jí)油船單向滿(mǎn)載乘潮通航需要。根據(jù)高欄港區(qū)航道規(guī)劃，主航道起點(diǎn)至華聯(lián)支航道區(qū)間按滿(mǎn)足15萬(wàn)噸級(jí)油船通航要求設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)底寬為290m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高-19.0m。15萬(wàn)噸級(jí)主航道計(jì)劃2014年內(nèi)完工。

從高欄港主航道至南逕灣港區(qū)華聯(lián)碼頭辟有一條支航道，支航道現(xiàn)狀：長(zhǎng)1.6km，底寬201m，航道底標(biāo)高-13.5m，航道軸線走向20°～200°。支航道與主航道軸線夾角為30°。

轉(zhuǎn)彎段航道尺度計(jì)算

南側(cè)泊位改造后設(shè)計(jì)代表船型為150000DWT油船，其船型尺度為274m×50.0m×24.2m×17.1m（總長(zhǎng)×型寬×型深×滿(mǎn)載吃水）。本工程支航道通航密度甚小，按單向航道進(jìn)行設(shè)計(jì)。單向航道航寬和航道設(shè)計(jì)水深均采用《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式計(jì)算。

單向航道寬度：W=A+2C=n（Lsinγ+B）+2C

航道設(shè)計(jì)水深： D= D0+Z4=T+Z0+Z1+Z2+Z3+Z4

船舶在支航道行駛時(shí)風(fēng)流壓偏角按7°，航速按小于6節(jié)考慮，計(jì)算出單向航道寬度為241m，航道設(shè)計(jì)水深為19.43m，航道底標(biāo)高-18.00m（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妫?/p>

因進(jìn)港支航道與港區(qū)主航道軸線夾角為30°，為保證船舶安全轉(zhuǎn)向，船舶從主航道轉(zhuǎn)向支航道行駛時(shí)，其轉(zhuǎn)彎半徑和彎道段航寬需合理確定，以下重點(diǎn)分析兩者的確定方法。

1、轉(zhuǎn)彎半徑

海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ211-99）規(guī)定，航道轉(zhuǎn)彎半徑R應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向角φ和設(shè)計(jì)船長(zhǎng)確定：10°30°，R=（5～10）L。美國(guó)和日本等大多數(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)一般要求以φ≤30°為宜，Rmin=3L；超過(guò)30°時(shí)，Rmax=12L。國(guó)內(nèi)楊桂樨提出的海港航道轉(zhuǎn)彎半徑R的經(jīng)驗(yàn)公式為：

，式中：R為航道轉(zhuǎn)彎半徑（m），K0為航道掩護(hù)程度，有掩護(hù)航道為1.0，無(wú)掩護(hù)航道為1.2；VS為最大船舶航速（m/s），以小于4m/s為宜，計(jì)算時(shí)不考慮單位；LPP為最大船舶兩柱間長(zhǎng)度（m），一般可按LPP=（0.94～0.97）Lo，T為最大船舶滿(mǎn)載吃水（m）；D0為航道轉(zhuǎn)彎段設(shè)計(jì)水深（m）； φ為航道轉(zhuǎn)向角度（°）。

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，支航道轉(zhuǎn)彎半徑暫按5倍船長(zhǎng)考慮。

2、轉(zhuǎn)彎段拓寬要求

航道轉(zhuǎn)彎段寬度在直線段航道航寬的基礎(chǔ)上需考慮一個(gè)拓寬值ΔW。海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ211-99）規(guī)定：當(dāng)10°30°，可采用折線切割法加寬。海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)建議當(dāng)φ>25°時(shí)，ΔW> ；φ≤25°時(shí)，ΔW≤ 。國(guó)內(nèi)楊桂樨⑵提出的航道轉(zhuǎn)彎拓寬ΔW的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：R為航道轉(zhuǎn)彎半徑（m），為航道掩護(hù)程度，有掩護(hù)航道為1.0，無(wú)掩護(hù)航道為1.2； LPP為最大船舶兩柱間長(zhǎng)度（m），一般可按LPP=（0.94～0.97）L0，詳細(xì)可按日本規(guī)范推薦的公式計(jì)算，T為最大船舶滿(mǎn)載吃水（m）；D0為航道轉(zhuǎn)彎段設(shè)計(jì)水深（m）； φ為航道轉(zhuǎn)向角度（°）。

由表2兩種公式計(jì)算結(jié)果可知，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值偏小，以手冊(cè)公式結(jié)果來(lái)進(jìn)行判斷，則加寬后的航道寬度應(yīng)大于275.25m。本工程φ=30°，采用切角法加寬后，轉(zhuǎn)彎段航道最小寬度為303m，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)手冊(cè)要求。

船模試驗(yàn)

進(jìn)港航道內(nèi)單向通航模擬試驗(yàn)選取自然條件分別為漲、落潮平均流速滿(mǎn)載進(jìn)、出港、風(fēng)速選取6級(jí)、風(fēng)向?yàn)樽畈焕麢M風(fēng)的條件組合，進(jìn)出港試驗(yàn)的主航道航速為6～8節(jié)，支航道的航速為4～5節(jié)。漲潮、風(fēng)向045°、風(fēng)力6級(jí)為最不利組合，最不利組合情況下（進(jìn)港航跡帶見(jiàn)圖1）。

模擬試驗(yàn)表明：15萬(wàn)噸級(jí)油輪進(jìn)出港單向通航的航跡帶寬度為110m，15萬(wàn)噸級(jí)油輪進(jìn)出港單向通航支航道所需單向航道寬度為210m，本工程支航道設(shè)計(jì)寬度241m，進(jìn)出港航道寬度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)代表船型進(jìn)出港單向通航航道寬度的要求。

模擬操作過(guò)程表明，15萬(wàn)噸級(jí)油船進(jìn)出港由主航道轉(zhuǎn)入支航道及由支航道轉(zhuǎn)入港池水域，需要較高的操船水平，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，船舶在支航道受風(fēng)流影響漂移較大，船位容易偏向西北側(cè)，船舶在支航道的船位距離航道邊界最近的距離僅為20m，特別是防波堤堤頭的流場(chǎng)突變的特點(diǎn)，使該段的船舶操作較困難。為保障15萬(wàn)噸級(jí)油船安全順利通過(guò)支航道，經(jīng)與當(dāng)?shù)匾絾T共同反復(fù)操作試驗(yàn)，建議對(duì)支航道及與主航道、港池水域銜接段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使支航道與港池銜接段成喇叭口形態(tài)，擴(kuò)大港池操作水域。

航道尺度優(yōu)化

根據(jù)已開(kāi)挖航道測(cè)量資料比較，支航道開(kāi)挖后年回淤厚度為0.6～1.22m，維護(hù)性疏浚量很大，從工程改造經(jīng)濟(jì)角度分析，結(jié)合主航道規(guī)劃，南側(cè)泊位改造后支航道暫按底標(biāo)高-14.5m進(jìn)行維護(hù)，對(duì)應(yīng)的航道設(shè)計(jì)水深為15.93m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)彎半徑，見(jiàn)表3。

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果并結(jié)合船模試驗(yàn)結(jié)論，最終確定轉(zhuǎn)彎段航道轉(zhuǎn)彎半徑取8L即2192m，轉(zhuǎn)彎段仍采用切角法加寬。

優(yōu)化后的支航道及與主航道連接段見(jiàn)圖3，支航道與港池銜接段見(jiàn)圖4，圖中斜線區(qū)域?yàn)閮?yōu)化后增加的可航行水域。

結(jié)語(yǔ)