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船舶设计节能减排技术策略探究摘要：船舶运输也要顺应环保型社会构建的趋势，从改进船舶设计的角度入手，加强节能减排技术的合理应用，尽可能地减少船舶运输给环境带来的不利影响，推动船舶运输业的健康发展。
关键词：船舶设计；节能减排；技术1船舶设计节能减排技术的意义与发展现状1.1 船舶设计节能减排技术的意义在我国运输行业蓬勃发展的背景下，船舶运输占据着举足轻重的地位，所以优化船舶设计、落实节能减排有着深远的意义。
一方面，能够降低船舶能耗、减少环境污染，保障船舶运输的经济效益和环境效益。
另一方面，推动了环境友好型、资源节约型社会的构建，为船舶运输业的健康发展探寻出了可行性的路径。
因此，就船舶设计而言，应结合具体的工况、航线等，对设计方案进行针对性的改进，确保节能减排技术的科学选择。
除此之外，我国的相关法律法规明确提出了对船舶节能减排问题的规定，要求未来2年船舶运输领域中CO2排量降低16%、能耗降低15%，由此可见，船舶设计的节能减排在我国可持续发展战略中占据着重要的位置，节能减排问题不容忽视。
1.2 船舶设计节能减排技术的发展现状目前，我国的重工业发展仍然是主力军，而这也使得经济发展和环境保护的矛盾愈演愈烈。
在科学技术迅速发展的背景下，各类先进技术的出现为船舶设计的优化提供了有利条件，能够在船舶设计中以先进的设计方案降低船舶运输中对环境的负面影响，进而维持经济发展和环境保护间的平衡，促进我国节能减排事业的发展。
虽然我国船舶设计的节能减排水平相较于之前已经取得了显著的进步，但碳排放量较大、船舶设计企业节能管理制度落实不到位的问题仍然存在，制约了实际的节能减排效果。
首先，碳排放量仍然较大。
相对陆地、航空运输来说，船舶运输的碳排放量相对较低，致使部分船舶设计人员在进行船舶设计时忽视对碳排放量的控制，在提高燃油利用效率方面先进技术的应用不到位。
随着我国船舶运输行业的稳定发展，燃油消耗也备受关注，逐渐重视节能减排技术的应用。
![船舶阻力总结[最终定稿]](https://uimg.taocdn.com/85bf82b1ed3a87c24028915f804d2b160b4e86b6.webp)
船舶阻力总结[最终定稿]第一篇：船舶阻力总结船舶阻力总结——By Mr.Torpedo 说明：1、本资料仅供20120114班内部分享。
2、题目纯属个人编写，与考试形式关系不大，仅仿照老师上课所述考试内容，将书上的重要知识点加以总结，仅供参考。
第一章绪论1、简述船舶阻力的概念。
2、什么是船舶快速性？船舶具有良好快速性应满足什么条件？3、什么是船舶阻力曲线？什么是有效功率曲线？分别如何表示阻力性能？4、船舶阻力研究中常用的速度单位有哪些？他们之间换算关系如何？5、船舶阻力中常用的相似准数有哪些？6、船舶的航态如何划分？7、排水型船舶的航态如何划分？8、船舶阻力有哪些研究方法？9、船舶阻力中的坐标系如何选取？10、船舶阻力的成分如何划分？11、船体阻力的成分如何划分？第二章粘性阻力1、什么是粘性阻力？它包括哪两部分成分？2、简述粘性阻力的成因（力学观点、能量观点）3、相当平板理论的内容4、1957年国际船模试验池实船—船模换算公式的表达式？5、简述船体表面弯曲对摩擦阻力的影响6、什么是形状效应？在阻力计算中如何计入形状效应的影响？7、船体表面粗糙度包括哪两方面内容？如何修正？8、船体湿表面积如何计算？9、简述污底的形成、影响及其防治方法。
10、如何减小船体的摩擦阻力？11、粘压阻力的影响因素有哪些？设计中如何避免？12、螺旋桨对粘压阻力有何影响？第三章船舶兴波兴波阻力1、船舶在水面航行如何兴起波浪？2、兴波阻力的成因？3、船舶兴波包括哪两部分？各有什么特点？4、兴波阻力的成分？5、写出与x轴夹角为 的基元波波数的表达式。
6、船行波的范围？7、深水域和浅水域的压力点兴波范围有何特点？8、什么是兴波长度？如何用兴波长度衡量兴波干扰？9、什么是兴波干扰？何为有利干扰、不利干扰？10、简述○P理论的内容。
11、薄船理论有哪些基本假定？写出流场速度势的表达式、基本方程和边界条件。
12、Michell积分反映了船型对兴波阻力的哪些影响？13、减小兴波阻力有哪些方法？14、破波阻力出现时，波浪运动分哪几个发展阶段？15、波浪破碎方式？16、破波阻力的特性有哪些？第四章船舶阻力的确定方法1、确定船舶阻力的方法有哪些？2、写出二因次换算法的假设和计算方法。
基于改进粒子群算法的工程设计优化问题研究在当今的工程领域，优化设计问题至关重要。
它不仅能够提高工程产品的性能和质量，还能有效降低成本和缩短研发周期。
而粒子群算法作为一种强大的优化工具，在解决工程设计优化问题方面展现出了巨大的潜力。
然而，传统的粒子群算法在某些复杂的工程问题中可能存在局限性，因此对其进行改进成为了研究的热点。
粒子群算法的基本原理是模拟鸟群觅食的行为。
在算法中，每个粒子代表问题的一个潜在解，它们在解空间中飞行，通过不断调整自己的速度和位置来寻找最优解。
粒子的速度和位置更新取决于其自身的历史最优位置和整个群体的历史最优位置。
这种简单而有效的机制使得粒子群算法在处理许多优化问题时表现出色。
然而，在实际的工程设计优化中，问题往往具有高维度、多约束和非线性等特点，这给传统粒子群算法带来了挑战。
例如，在高维度空间中，粒子容易陷入局部最优解；多约束条件可能导致算法难以满足所有约束；非线性特性则可能使算法的搜索变得困难。
为了克服这些问题，研究人员提出了多种改进粒子群算法的策略。
其中一种常见的方法是引入惯性权重。
惯性权重的引入可以控制粒子的飞行速度，使其在搜索过程中更好地平衡全局搜索和局部搜索能力。
较大的惯性权重有利于全局搜索，能够帮助粒子跳出局部最优；较小的惯性权重则有助于在局部区域进行精细搜索，提高解的精度。
另一种改进策略是对粒子的学习因子进行调整。
学习因子决定了粒子向自身历史最优位置和群体历史最优位置学习的程度。
通过合理设置学习因子，可以提高算法的收敛速度和搜索效率。
此外，还有一些研究将粒子群算法与其他优化算法相结合，形成混合算法。
例如，将粒子群算法与遗传算法相结合，利用遗传算法的交叉和变异操作来增加种群的多样性，避免算法早熟收敛。
在工程设计优化问题中，改进粒子群算法已经取得了许多显著的成果。
以机械工程中的结构优化设计为例，通过改进粒子群算法，可以在满足强度、刚度等约束条件的前提下，优化结构的形状、尺寸和材料分布，从而减轻结构重量，提高结构的性能。
这个函数的基本形式为x = fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon，options)其中fun为你要求最小值的函数，可以单写一个文件设置函数，如以上给的例子中。
1.如果fun中有N个变量，如x y z, 或者是X1, X2,X3, 什么的，自己排个顺序，在fun 中统一都是用x(1),x(2）....x(n) 表示的。
2. x0, 表示初始的猜测值，大小要与变量数目相同3. A b 为线性不等约束，A*x <= b， A应为n*n阶矩阵，学过线性代数应不难写出A和b4 Aeq beq为线性相等约束，Aeq*x = beq。
Aeq beq同上可求5 lb ub为变量的上下边界，正负无穷用 -Inf和Inf表示， lb ub应为N阶数组6 nonlcon 为非线性约束，可分为两部分，非线性不等约束 c，非线性相等约束，ceq可按下面的例子设置function [c,ce] = nonlcon1(x)c = -x(1)+x(2)^2-4;ce = []; % no nonlinear equality constraints7，最后是options，可以用OPTIMSET函数设置，见上例具体可见OPTIMSET函数的帮助文件。
对于优化控制，MATLAB提供了18个参数，这些参数的具体意义为：options(1)-参数显示控制（默认值为0）。
等于1时显示一些结果。
options(2)-优化点x的精度控制(默认值为1e-4)。
options = optimset('TolX',1e-8) options(3)-优化函数F的精度控制(默认值为1e-4)。
options = optimset('TolFun',1e-10) options(4)-违反约束的结束标准(默认值为1e-6)。
小型无人船阻力CFD模拟方法肖国权;李天成;黎日升;洪晓斌【摘要】该文基于SolidWorks设计某无人船外型结构,建立无人船水动力学CFD 模型,研究吃水深度、航速及流速方向等因素对船体流动阻力的影响.结果表明:吃水深度从4 cm增加到16 cm时,船舶速度减小,压力增大,所受到的水动力阻力从0.25 N增加到4.58 N;船舶航速在0.25～1.25 m/s时,压力和阻力无明显变化,1.25～2 m/s时,阻力从2.07 N急剧增加到66.90 N;航速与水速夹角从0增大至90°时,速度减小,压力先增后减,阻力不断增大.该研究可为无人船的航线规划及安全航行的控制提供参考.【期刊名称】《中国测试》【年(卷),期】2018(044)012【总页数】6页(P69-74)【关键词】无人船;数值模拟;CFD;水动力阻力【作者】肖国权;李天成;黎日升;洪晓斌【作者单位】华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州 510641;华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州 510641;华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州 510641;华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州 510641【正文语种】中文【中图分类】TP3190 引言不同于传统的船模试验，船舶水动力学 CFD 研究借助计算机的强大功能可提高设计质量，缩短设计周期，降低设计成本，也可为减少船舶阻力、船型优化和改进设计做出指导[1]。
李勇跃等[2]运用RANS方程对船舶纵倾进行优化，得出航速和线型会对纵倾优化产生影响的结果。
陈一凡[3]对船舶3自由度运动进行了仿真，模拟船舶运动轨迹，并利用Matlab编写求解程序得出结论文章中的数学模型能够复现船舶运动。
张圣东等[4]基于有限元建立了波浪载荷计算模型和船体变形计算模型，计算得出初相位、浪高和波浪与船的夹角对尾轴载荷的影响。
熊杨婷[5]利用CFD对船舶的四种球鼻艏进行了仿真和优化，得出特定条件下的最佳球鼻艏选择。
第38卷 第6期2009年12月 船海工程SHIP &OCEAN EN GIN EERIN G Vol.38 No.6Dec.2009 收稿日期:2009203217修回日期:2009206222作者简介:陶秋霞(19622),女,学士,高级工程师。
研究方向:船舶设计与船舶性能。
E 2m ail :tqxwh @DOI :10.3963/j.issn.167127953.2009.06.001万吨级江海直达肥大型散货船线型优化设计陶秋霞(长江船舶设计院,武汉430062)摘 要:从万吨级江海直达肥大型散货船的线型特点分析出发,通过实船线型设计与船模试验结果对比分析比较双尾鳍、双尾、单尾线型各自的特点,提出优秀的双尾鳍肥大型散货船线型。
关键词:球鼻首;双尾鳍;粘压阻力;破波阻力中图分类号:U674.13 文献标志码:A 文章编号:167127953(2009)0620001205 江海直达船型为浅吃水肥大船型,常年航行于江海直达航线,其对船舶的操纵性、稳性和快速性有较高的要求。
目前比较优秀的江海直达船舶,普遍采用球鼻首型,尾型则有单尾、双尾、双尾鳍等多种形式。
主要根据航行区域水深、港口装卸条件及船舶吨位大小来确定单机或双机推进。
多年来的研究表明,单机推进的单尾船型较双机推进的双尾、双尾鳍船型具有更优秀的阻力及推进性能,因此吨位较大进江航行只到马钢的散货船,由于航行区域水深条件较好(吃水>9.0m )、港口装卸条件较好,通常采用单机推进的单尾船型;而到武钢的散货船由于航行区域水深及港口装卸条件受限(吃水< 6.0m )往往采用双机推进的双尾、双尾鳍船型。
这种船型由于吃水受限,往往吨位在万吨级左右。
如何提高双机推进的双尾、双尾鳍船型的快速性能,直接影响到船舶的经济性及企业的经济效益。
1 线型特点1.1 线型设计基本要求万吨级(5000～19500t )江海直达肥大型散货船为经济型低速肥大船型,船长90～150m ,船宽18～24m ,吃水5.0～7.5m ,L/B 5.2～6.2,B/d 3.4～4.1,Fr 小于0.2。
飞行器设计中的结构优化算法在现代航空航天领域，飞行器的设计是一项极其复杂且具有挑战性的任务。
其中，结构优化算法在提高飞行器性能、减轻重量、增强可靠性等方面发挥着至关重要的作用。
飞行器的结构设计需要满足众多苛刻的要求，如强度、刚度、稳定性、气动性能、耐久性等。
传统的设计方法往往依赖于经验和反复的试验，这不仅耗时费力，而且难以获得最优的设计方案。
结构优化算法的出现为解决这些问题提供了有效的途径。
常见的结构优化算法可以大致分为两类：确定性算法和随机性算法。
确定性算法中，最典型的是数学规划法。
这种方法基于严格的数学理论，通过建立目标函数和约束条件的数学模型，运用优化算法求解最优解。
例如，线性规划、非线性规划等方法在飞行器结构的尺寸优化、形状优化中得到了广泛应用。
通过对结构的尺寸参数进行调整，在满足强度和刚度等约束条件的前提下，实现结构重量的最小化。
另外，还有一种常见的确定性算法是基于梯度的优化方法。
这种方法通过计算目标函数对设计变量的梯度信息来确定搜索方向，逐步逼近最优解。
其优点是收敛速度较快，但缺点是对于复杂的、非连续的问题，梯度信息可能难以准确计算，从而导致算法失效。
随机性算法在飞行器结构优化中也展现出了独特的优势。
遗传算法就是其中的代表之一。
它模拟了生物进化的过程，通过选择、交叉和变异等操作，对种群中的个体进行不断的优化。
这种算法具有全局搜索能力强、不易陷入局部最优等优点，适用于处理多峰值、非线性等复杂的优化问题。
在飞行器的机翼设计中，结构优化算法可以帮助确定机翼的形状和内部结构，以实现最小的阻力和最大的升力。
例如，通过优化机翼的翼型，可以减少空气阻力，提高飞行效率；通过优化机翼的内部加强结构，可以在保证强度的前提下减轻重量。
在机身结构设计方面，结构优化算法可以考虑机身的受力情况，优化机身的框架和蒙皮结构，提高机身的整体强度和稳定性，同时降低重量。
对于飞行器的复合材料结构，结构优化算法更是发挥着关键作用。
146第七章 阻力近似估算方法在船舶设计过程中，特别是在方案设计的初期，当主尺度和船型系数被确定以后，必须要知道主机功率以预报船舶能达到设计航速；如果主机功率已知，则需要估计阻力，以确定船的航速，便于初步分析、比较各种方案的优劣。
在此阶段，由于船舶线型尚未确定，因而还不能应用船模试验方法来确定阻力，所以只能用近似方法进行估算。
此外在某些不准备作船模试验的小型船舶或航速不重要的船舶的设计过程中，只能用近似方法来确定其阻力值。
近似估算阻力的方法很多，但所有这些方法不外乎是根据船模系列试验结果或者是在总结、分析大量的船模试验和实船试验的基础上得出的。
因此可以想象应用近似估算法所得结果的准确程度取决于设计船与母型船或设计船与各图谱所依据的船模系列之间的相似程度。
所以为了尽可能提高近似估算的准确性，应该有针对性地选择适当的估算方法。
阻力近似估算方法按计算内容可分为两类：一类是直接近似估算总阻力或有效功率；另一类是估算剩余阻力，而用相当平板公式计算摩擦阻力；如果依阻力近似估算方法的表达形式可分为图谱法和回归公式法两种；若根据估算方法的资料来源进行分类，则可分为船模系列资料估算法、归纳实船和船模资料估算法、母型船数据估算法等三类估算方法。
§ 7-1 船模系列试验资料估算法这类方法都是根据船模系列试验资料，直接给出阻力图表等，供实际估算应用。
一、泰洛(Taylor )法泰洛估算法是根据泰洛标准系列船模试验结果整理得到的。
其所用母型船虽为军舰(参见§6-1)，但也可用于民用船，特别是双螺旋桨客船的阻力估算。
最初的泰洛法其阻力数据绘制成单位排水量剩余阻力的等值线，并均采用英制单位。
1954年盖脱勒(Gertler)将泰洛标准组阻力数据重新进行分析整理，并对水温、层流和限制航道的影响分别加以修正，最后整理出一套无量纲剩余阻力系数图表，其中摩擦阻力系数按桑海公式计算。
计算所用的船体湿面积可以由无量纲湿面积系数图谱求得。
基于罚函数的滑行艇阻力性能优化方法研究许蕴蕾【摘要】滑行艇的阻力性能优化是设计滑行艇艇体的重要内容之一,如何减小艇体阻力是设计师优先考虑的目标.文章从传统的SIT阻力估算方法着手,分析滑行艇受到的力和力矩,并引入Savitsky对艇体阻力的修正,即考虑因喷溅而产生的摩擦阻力.由于滑行艇的重心纵向位置对阻力性能有很大影响,故通过构造罚函数法,把有约束问题化为无约束问题,利用MATLAB优化工具箱中的fmincon函数计算出最佳的重心纵向位置.最后,通过某滑行艇模型的水池拖曳试验验证了该优化方法的可行性,具有一定的工程参考价值.【期刊名称】《船舶》【年(卷),期】2010(021)005【总页数】5页(P9-13)【关键词】滑行艇;阻力;罚函数;优化方法【作者】许蕴蕾【作者单位】海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室,上海,200011【正文语种】中文【中图分类】U661.33滑行艇水动力性能的研究历来是研究的难点,其中重要的一项内容是对阻力性能的研究。
阻力是船舶最重要的性能之一,如果能从理论上设计出最小阻力船型,这将为整个船舶设计周期节省大量的劳力,时间和费用。
随着“时间”价值的不断提高,人们对各种运输工具速度的要求也日益提高。
对民用船舶来说,航速的提高意味着货物周转周期的缩短以及经济效益的提高;对军用舰艇来说则意味着战斗力的增强[1]。
滑行艇阻力性能优化主要包括艇体型线优化、艇体参数优化和添加附体等。
艇体型线优化通常可以应用数学方法对型线进行光顺,但是必须以艇体的布置、水动力与结构性能的要求为目标函数。
在以艇体阻力性能为型线优化对象时,只能在某些约束条件下完成[2]。
海军工程大学船舶与海洋工程系与水动力学国家重点实验室,通过对三种艇型及不同喷气方式的模型试验,研究了断阶滑行艇模型气层减阻的实施途径及减阻效果,取得了总阻力减少25%以上的结果,提出了一种适合于采用气层减阻技术且阻力性能优良的艇型[3]。
1船舶排水状态航行时，一般船舶体积傅汝德数F 为：F<1.02船兴波产生的条件为：重力和自由表面3船首尾散波在船尾不叠加，其主要原因是：波的传播方向不同4所谓相应速度指：傅汝德数相等时船模与实船的对应速度5兴波阻力产生的条件是重力场和流体的自由表面，因此，在理想流体中兴波阻力：依然存在6在航速一定的条件下，排水量增加，雷诺数不变，摩擦阻力系数不变，但是摩擦阻力：增加7随着航速的提高，船舶浮心位置应逐渐：后移8随着航速增大，其单位排水量的阻力：有可能变化 9低速船纵向棱型系数应该：偏大10船舶方尾的作用是：抑制船尾下倾，增加船舶的虚长度11船舶推进系数P.C 指：有效功率与主机功率的比值 12一般说，螺旋桨的直径加大，其螺旋桨效率：提高 13螺旋桨的滑脱指：螺旋桨螺距与进程之差15所谓实效伴流指：在螺旋桨存在时，桨盘处的伴流 16产生空泡的条件为：流体压力低于汽化压力17船舶的自航试验是为了：预盼实船螺旋桨在设计航速时的转速18零转矩螺旋为：转矩为零时的螺距19主机负荷过轻的原因可能是：船舶阻力比预期的小 20导管螺旋桨，其导管的主要作用是：使螺旋桨尾流收缩，增大桨的推力22船舶滑行状态时，一般船舶体积傅汝德数为：船舶的裸体阻力与航速的乘积24首尾横波在船尾叠加，当出现兴波阻力的不利干扰时，应该是：波谷与波谷相遇25相当平板指：与船体同长度、同速度、同湿面积的平板26形状阻力是由形状变化引起，因此在理想流体中：依然存在27增加船长，雷诺数增加，摩擦阻力系数减小，摩擦阻力：减小28高速船浮心位置应该偏后，低速船浮心位置应该：偏前31球鼻艏的作用是：高速船减小其兴波阻力，低速船减小其舭涡阻力41快速性好的船舶指相同排水量下：以及相同航速下，使用功率最小的船舶48浮心纵向位置：对兴波阻力和粘压阻力都有影响 49排水量一定，增加船长则：使剩余阻力减小57低速船的快速性主要研究：船舶的推进及阻力两个方面58与粘压阻力的产生有关的是：物体的形状61孤独波产生的原因是：由于潜水效应，散播和横波合二为一所产生的波 快速性：船舶在一定主机功率下在一定载荷状态下以一定的航速航行的能力 船舶快速性：就是研究船舶尽可能消耗较小的机器功率以维持一定航行速度的能力的要求。
船舶阻⼒船舶阻⼒：第⼀章1.船舶快速性：在给定主机功率时，表征航速⾼低的⼀种性能。
2.船舶阻⼒研究⽅法：研究船舶在等速直线航⾏过程中，船体受到的各种阻⼒问题3.推进部分：研究克服阻⼒的推进器及其与船体间的相互作⽤以及船机桨的配合问题。
4.研究船舶快速性的⽅法：理论研究⽅法，实验⽅法，数值模拟。
5.船舶阻⼒：⽔阻⼒、空⽓阻⼒。
⽔阻⼒：静⽔阻⼒、汹涛阻⼒。
静⽔阻⼒：裸船体阻⼒、附体阻⼒。
附加阻⼒：附体阻⼒、汹涛阻⼒、空⽓阻⼒。
船舶阻⼒：裸船体阻⼒、附加阻⼒。
6.船舶总阻⼒R t：摩擦阻⼒R f，压阻⼒R p。
压阻⼒R p：粘压阻⼒R pv，兴波阻⼒R w。
粘性阻⼒R v：摩擦阻⼒R f，粘压阻⼒R pv。
船体总阻⼒R t：粘性阻⼒R v，兴波阻⼒R w。
7.R t=R w+R f+R pv8.对于R pv的处理：（1）R pv +R w=R r剩余阻⼒（2）R pv +R f=R v（粘性阻⼒），则有R t=（1+k）R f+ R w9.阻⼒相似定律：（1）粘性阻⼒相似定律----雷诺定律-------C r=f（Re）对于⼀定形状的物体，粘性阻⼒系数仅与雷诺数有关，当Re相同时，两形似物体的粘性系数必相等。
10.兴波阻⼒相似定律----傅汝德定律-----C w=f（Fr）对于给定船型的兴波阻⼒系数仅是Fr的函数，当两形似船的Fr相等时，兴波阻⼒系数必相等，称为傅汝德定律。
形似船：仅⼤⼩不同，形状完全相似（即⼏何相似）的船舶之间的统称。
傅汝德⽐较定律：形似船在相应速度时（或相同Fr数），单位排⽔量兴波阻⼒必相等。
11.船体总阻⼒相似定律----全相似定律------C t=f（Re，Fr）---可得，⽔⾯船舶的总阻⼒系数是雷诺数和傅汝德数的函数。
第⼆章粘性阻⼒1. 相当平板假定：实船和船模的摩擦阻⼒分别等于与其同速度，同长度，同湿表⾯积的光滑平板的摩擦阻⼒。
3. ⼀般船舶的雷诺数在，其对应的流动状态是湍流边界层。
刘老师为研究生授课的第一次教案之一：什么是优化设计1、前言1996年8月5日光明日报发表了“二十一世纪初各学科将重排座次”的专题文章，专家们指出：二十一世纪科学发展的趋势，将是各门科学不断交叉，加速综合；社会科学与自然科学进一步结合并定量化；科学理论将高度数学化，这在很大程度上决定了受教育者未来向高水平和高层次发展的可能性。
“设计”作为人类生活行为的共性特征，设计就是设想、运筹、计划与预算，它是人类为实现某种特定目的而进行的创造性活动。
由于设计与特定社会的物质生产与科学技术的联系，这使得设计本身具有自然科学的客观性特征；然而设计与特定社会的政治、文化、艺术之间所存在的显而易见的关系，又使得设计学在另一方面有着特殊的意识形态色彩。
工程设计是人们运用科技知识和方法，有目标地创造工程产品构思和计划的过程，几乎涉及到人类活动的全部领域。
工程设计的全过程就是不断建立各种模型，并不断进行综合和分析的过程，即反复地创造模型和评价模型的过程。
工程设计的内容大致可分为两类：一类是数值计算型的工作，包括大量的计算、分析、绘图、编写说明书和填写各种表格；另一类是符号推理性的工作，主要是方案设计工作。
在设计方法学中，前者称之为细节设计，后者称之为概念设计。
概念设计主要包括功能设计和结构设计两大部分。
其作用主要体现在产品设计的早期阶段，把主设计师根据产品功能的需求而萌发出来的原始构思和冲动形成产品的主体框架，及它应包括的各主要模块和组件，以完成整体布局和外型初步设计。
然后进行评估和优化，确定整体设计方案。
再由各责任设计师把总设计师的设计思想落实到具体设计中去，实现细节设计。
现代设计的特点：把设计对象看作一个系统，同时考虑系统与外界的联系，用系统工程的概念进行分析和综合，力求系统整体最优。
所谓系统，可以定义为：处于一定相互联系中的、与环境发生关系的各组成部分的总体，是由若干个相互区别、相互联系、相互作用的要素所组成，它处于一定的环境之中，是为实现整体目的而存在的有机结合体。
船舶设计船舶设计阶段划分：初步设计，技术设计，施工设计，完工设计船舶设计阶段的基本内容：编制设计技术任务书，初步设计，技术设计，施工设计，制定完工文件。
制定设计技术任务书之前的论证工作：运输类型，船型论证设计技术任务书：航区、航线，用途，船型，船级，动力装置，航速、续航力、自持力，结构，设备，性能，船员，尺度限制海船航区分为：无限，近海，沿海，遮蔽等航区，内河船舶按照水系分为，A,B,C级航区和J级航段.航速：试航航速，服务航速试航航速V1：一般指满载试航速度，即主机发出额定功率的新船在静深水中，不超过三级风二级浪时满载试航所测得的航速服务航速Vs：指船平时营运所使用的航速。
一般取为主机功率的80%~90%时的速度续航力：在规定的航速和主机功率下，船上所带的燃油可供船连续航行的距离或连续航行的时间，留10%的燃油自持力：船上所带的淡水和食物等能供人员在海上维持的天数，也称自给力设计方法——母型改造法母型：与新船在主要方面相似的实船或已设计好的船船长受泊位长度，港域宽度，河道曲率，以及船闸，船坞等的限制船宽受进运河过船闸进船坞的限制吃水受航道和港区的水深限制载重量：包括货物，船员以及行李、旅客及其行李，燃油，滑油以及炉水、食品，淡水，备品及供应品等重量湿重：新船竣工交船时，动力装置管系中有可供主机动车的油和水，这部分重量包含在机电设备重量内，相应的机电设备重量称为湿重。
空船排水量：指新竣工交船时的排水量≈Lw满载排水量：船舶装载了预定的全部载重量的载况称为满载，此时的排水量称为满载排水量也叫设计排水量。
设计中四种典型载况：满载出港：设计状态。
满载到港：这时的油水等重量规定为设计状态的10%(不包括滑油）空载出港：船上不载运旅客与货物，油水储备量为100%空载到港：船上不载运旅客与货物，油水储量为10%重量重心的重要性：重量重心的估算准确与否直接影响设计船舶的航行性能与经济性，如果设计过轻：则完工船舶的重量将大于计算值，实际吃水将超过设计吃水，此时可能会出现：①新船不能按规定的航线航行或必须减载航行②船舶干舷减小，储备浮力减小，船舶大倾角稳性与抗沉性难以满足，甲板容易上浪，结构强度不能满足如果设计过重：①尺度偏大，原材料与工时消耗增加，经济性下降。
第３４卷 第２期 ２０１０年４月 武汉理工大学学报（交通科学与工程版）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）
Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１０
基于非线性规划法的最小阻力船型优化设计 张宝吉Ｄ 马 坤。 纪卓尚 （上海海事大学海洋环境与工程学院” 上海 ２０１３０８） （大连理工大学船舶工程系 大连 ｌ１６０２４）
摘要：为了获得阻力性能优良船型，以兴波阻力理论为基础，利用非线性规划法并结合ＣＡＤ技术 研究最小阻力船型的优化设计．以总阻力为目标函数，总阻力用兴波阻力和平板摩擦阻力之和来 表达，设计变量取船型修改函数的参数，在保证必要的排水量为基本约束条件下，选取Ｗｉｇｌｅｙ船 型为初始船型，分别对船体的首部和全船线型进行优化设计．通过将改良船型的阻力性能、船体线 型和基于Ｍｉｃｈｅｌｌ积分法的优化计算结果相比较，证实了在相同的设计参数和约束条件下，采用 Ｒａｎｋｉｎｅ源法进行船型优化结果更可靠． 关键词：非线性规划法；Ｒａｎｋｉｎｅ源法；Ｍｉｃｈｅｌｌ积分法；最小阻力船型；优化设计 中图法分类号：Ｕ６６１．１ ＤＯＩ：１Ｏ．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—２８２３．２０１０．０２．０３５
在满足一定的装载要求和设计条件下，船体 最佳线型的确定是船舶设计过程中既繁复而又关 键的技术之一，因为它直接影响到船舶的快速性、 操纵性和耐波性等性能．而最小阻力船型的确定 又是船舶设计者首先要追求的目标口 ］．以往的船 舶线型设计，主要是通过参考成功的母型船、依据 设计者的经验和进行船模试验的综合方法来完 成，这要花费大量的时间和费用，而且还具有很大 的局限性＿３ ］．因此，本文试图采用理论计算的方 法，探讨最小阻力船型的优化设计方法． 近年来，随着计算流体力学（ＣＦＤ）的不断发 展，人们开始采用ＣＦＤ技术进行船型优化设计． 应用ＣＦＤ技术进行船型优化主要是对事先生成 的若干个船型方案进行优选评价（属于正问题）， 从中选择性能较好的船型方案Ｌ５ ］．但由于采用 ＣＦＤ技术评价一个船型的阻力需要若干个小时， 如果再和最优化技术结合起来探讨最小阻力船型 难以达到实用程度．因此，随着计算机的计算速度 和存储量的迅速提高，利用最优化技术进行船型 优化设计（属于逆问题）还是以兴波阻力为主要目 标比较现实．为此，本文以兴波阻力数值计算精度 较好的Ｒａｎｋｉｎｅ源法为基础，利用非线性规划法 探讨最小阻力船型的优化设计，并和基于Ｍｉｃｈｅｌｌ 积分法的优化计算结果相比较，得到了在相同的 设计参数和约束条件下采用Ｒａｎｋｉｎｅ源法进行船 型优化结果更可靠的结论．
船型优化数学模型的建立 １．１ 目标函数 本文选取总阻力Ｒ 为目标函数，Ｒ 用兴波 阻力Ｒ 和相当平板摩擦阻力Ｒ 之和来表达，即 ｍｉｎ Ｒ 一ＫＲ ＋（１＋Ｐ）Ｒｆ （１） Ｒ 采用Ｒａｎｋｉｎｅ源法来计算． 兴波阻力修正系数Ｋ可取对应于初始船型 设计航速点的兴波阻力试验值与理论计算值之 比；根据模型试验取Ｋ一０．８６；Ｐ为形状影响因 子，根据模型试验取Ｐ一０．１６． １ Ｒｆ一寺ｌＤ ｓｃｆｏ （２）
厶
Ｃ 为平板摩擦阻力系数
一０．４６３（１ｇＲｅ）‘ ・ ’
一 （３） Ｕ
式中：Ｒｅ为雷诺数；Ｌ为船长；ｕ为流体的运动粘
度； 为航速；Ｓ为湿面积，Ｓ根据船体表面坐标
收稿日期：２０１０—０１—１７ 张宝吉（１９８１一）：男，博士，讲师，主要研究领域为船体线型优化设计 第２期 张宝吉，等：基于非线性规划法的最小阻力船型优化设计 ・３５９・ 进行积分求得． １．２设计变量 本文优化设计范围分别取船体首部和全船， 且设计水线处、船底、设计范围的前后端部为固 定． 改良船型的形状Ｙ（ｚ，ｚ）采用在初始船型 ｌ厂０（ｚ，ｚ）的基础上乘上一个修改函数Ｗ（ｚ， ）来 表达口］，即 ｙ（ｘ，ｚ）一ｆｏ（ｚ， ）・ｗ（ｘ， ） （４） … 卜 … ［ ］× ｓｉｎ『７ｃ（ ） ｌ ， 一１，２，３，… Ｌ ｚ ｏ １＿』 Ｊ 一 ａ ｎ［ ］× ｓ ［ ］ —ｌ，２’３，… ０≤ｚ≤Ｌ／２ ｗ（ｘ， ）＞０ （ｚ＞．７Ｃ０，ｚ＜ ０） （５） 式中：Ｌ为船首（包括球首）最前端的纵向坐标，Ｔ 一般是欲修改的最大深度坐标，若维持基线不变， 则Ｔ就是吃水．固定 ， 一１，２，３，４，５，共２５个 ａ ，设计变量只有２５个，所以选择船型修改函数 减少了设计变量个数，提高了优化计算速度． １．３约束条件 本文选取如下２个基本约束条件：（１）所有型 值均为非负值，即ｙ（ｉ，Ｊ）≥０，其中：ｙ（ｉ，Ｊ）为船体 表面坐标值；（２）排水体积约束： ≥ 。，其中： ， 。分别为改良船型和初始船型的排水体积， 也就是保证改良船型的排水量不小于初始船型的 前体下，实现降阻效果． ２ 船型优化过程 船型优化计算的流程如图１所示，首先输入 初始船型型值文件，该文件包括：初始船型主要要 素和型值、设计范围、设计变量个数、设计航速、优 化计算的初始参数等；通过Ｒａｎｋｉｎｅ源法计算兴 波阻力，然后将兴波阻力和平板摩擦阻力之和作 为目标函数结合基本约束条件，通过非线性规划 法（ＮＬＰ）进行优化计算，判断优化结果是否收 敛，如果不收敛，则返回初始状态，重复上面的操 作，如果收敛，则优化计算结束，得到最小总阻力 船型．
图１优化计算的流程 ３ 计算实例 本文以Ｗｉｇｌｅｙ船型为初始船型，设计航速取 傅汝德数Ｆｎ＝０．３５，在保证排水量的前提下分别 对船体的首部和全船线型进行优化设计，获得最 小总阻力的改良船型Ａ和改良船型Ｂ，船体表面 划分１５２个面元，水面划分６８８个面元．船体网格 和水面网格划分如图２～３所示；改良船型Ａ、改 良船型Ｂ的横剖线如图４～５所示；基于Ｒａｎｋｉｎｅ 源法的优化计算结果如表１所列；基于Ｍｉｃｈｅｌｌ 积分法的优化计算结果如图６～７，表２所列＿ｇ ； 图８是对２种方法得到的改良船型用Ｒａｎｋｉｎｅ源 法进行兴波阻力性能评价． 表１基于Ｒａｎｋｉｎｅ源法的优化计算结果 ・３６０・ 武汉理工大学学报（交通科学与工程版） ２０１０年第３４卷 图２ Ｗｉｇｌｅｙ船型船体网格划分 图３ Ｒａｎｋｉｎｅ源法的水面网格划分 ３．１ 基于Ｒａｎｋｉｎｅ原法的优化计算结果
ＦＰ一一改良船型：Ａ一初始船型 图４改良船型Ａ横剖线
ＡＰ 改良船型：Ｂ一初始船型 图５改良船型Ｂ横剖线
３．２基于Ｍｉｃｈｅｌｌ积分法的优化计算结果
ＦＰ 改良船型：Ｃ一初始船型 图６改良船型ｃ横剖线
ＡＰ一改良船型：Ｄ～初始船型 图７改良船型Ｄ横剖线
图８用Ｒａｎｋｉｎｅ源法计算改良船型的兴波阻力系数曲线 ３．３两种方法优化计算结果比较 从优化后的计算结果可知，两种方法得到的 改良船型都有明显的降阻效果，如表１、表２、图８ 所示．基于Ｍｉｃｈｅｌｌ积分法的优化计算得到的改 良船型都出现了大的球首和球尾，这对降低阻力 固然有好处，但大的球首和球尾使得加工比较困 难，而且还会对首部设备的安装和操作带来麻烦． 大的球尾易使尾部发生分离，导致粘性阻力增加， 达不到降低总阻力的目的，如图６～７所示．基于 Ｒａｎｋｉｎｅ源法的船型优化，虽然没有出现球首和 球尾，但降阻效果也很可观，且优化后的船体线型 光滑、平顺，接近实用船型，如图４～５所示．通过 以上的分析表明，在相同的设计参数和约束条件 下，采用Ｒａｎｋｉｎｅ源法进行船型优化效果更好．
４ 结 论 １）本文以总阻力为目标函数（其中兴波阻力 采用Ｒａｎｋｉｎｅ源法来计算），以船型修改函数的参 数为设计变量，在保证必要的排水量为基本约束 条件下，对船体首部和全船线型进行优化研究，得 到了最小总阻力船型． ２）以Ｗｉｇｌｅｙ船型为初始船型，在给定设计 航速下（Ｆ 一０．３５），通过非线性规划法进行最优
２ ２ １ １ Ｏ Ｏ ０＇【×，，；Ｕ 第２期 张宝吉，等：基于非线性规划法的最小阻力船型优化设计 ・ ３６１ ・ 化计算，得到了改良船型Ａ和改良船型Ｂ，其兴 波阻力和初始船型相比分别降低了１３．５ ， ２６．８ ；总阻力分别降低了４．３ ，９．０ ． ３）将得到的改良船型Ａ和改良船型Ｂ同基 于Ｍｉｃｈｅｌ１积分法的优化计算结果相比较，证实 了２种方法都有明显的降阻效果，但改良船型ｃ 和改良船型Ｄ的球首、球尾形状比较夸张，给加 工和操作带来了困难；而且大球尾易使尾部产生 水流分离，导致粘性阻力增加．因此，在相同的设 计参数和约束条件下，采用Ｒａｎｋｉｎｅ源法进行船 型优化结果更可靠． ４）本文采用的兴波阻力理论Ｒａｎｋｉｎｅ源法 是考虑了部分非线性影响，对于细长船型Ｗｉｇ— ｌｅｙ，标准船型￥６０能够获得很好的计算结果，但 随着船型变得肥大，其计算结果将和试验值发生 偏差，因此，以后将研究完全非线性的Ｒａｎｋｉｎｅ源 法，自由面条件中包括全部的非线性项，从而满足 实际的船体表面条件．
Ｅｌｉ ［２］
［３］
［４３ ［５］ ［６］ ［７］ 参考文献 杜月中．一种实用船型设计方法——特殊船尾及其 推进性能分析［Ｊ］．中国造船，２００４，４５（４）：１１－１６． 陈京普，朱德祥，刘晓东．兴波阻力数值预报方法研 究及其在集装箱船船型优化中的应用［Ｊ］．水动力学 研究与进展，２００６，２１（１）：１１３－１２１． Ｋａｚｕｏ Ｓｕｚｕｋｉ Ｈｉｓａｓｈｉ Ｋａｉ，Ｓｈｉｇｅｔｏｓｈｉ Ｋａｓｈｉｗａｂａｒａ． Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｅｒｎ ｈｕｌｌ ｆｏｒｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｆｌｏｗ ｓｏｌｖｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｓｃｉ— ｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５（１０）：６１—６９． 许晶，蒋乾纬，浦江红，等．７万吨级成品油船线型 优化设计［Ｊ］．中国造船，２００６，４７（２）：１１４一ｌｌ９． 陈伟民，陈霞萍．计算流体力学在船舶线型优化中的 应用［Ｊ］．上海船舶运输科学研究所学报，２００７， ３０（１）：３０－３２． Ｈｅｉｍａｎｎ Ｊ．ＣＦＤ ｂａｓｅｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｖｅ－ｍａｋ— ｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｈｉｐ ｈｕｌｌｓ［Ｄ］．Ｂｅｒｌｉｎ：Ｔｅｃｈｎｉ— ｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｂｅｒｌｉｎ，２００５． Ｇｏｕｔａｍ Ｋｕｍａｒ Ｓａｈａ，Ｋａｚｕｏ Ｓｕｚｕｋｉ，Ｈｉｓａｓｈｉ Ｋａｉ． Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｉｐ ｈｕｌｌ ｆｏｒｍｓ ｉｎ ｓｈａｌｌｏｗ ｗａｔｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４，（９）：５１－６２．
