船舶优化设计范文

前言：我们精心挑选了数篇优质船舶优化设计文章，供您阅读参考。期待这些文章能为您带来启发，助您在写作的道路上更上一层楼。

第1篇

关键词：船舶海洋工程管线优化

中图分类号：S611文献标识码： A

前言

管道被广泛地应用于石油化工"水利工程"建筑"船舶等领域，其在不同的应用环境下需承受不同的外力作用，大规模、全面地开发利用海洋资源和空间，发展海洋经济已列入各沿海国家的发展战略。海洋开发和利用除了需要先进的海洋工程技术，还需要各种海洋工程结构物的支撑。这为与海洋工程装备业关联度极大的船舶工业提供了极好的机遇。作为未来世界经济的支柱产业，海洋工程和海洋开发潜力非常巨大。近几年，全世界对浮式生产系统的新增需求达到约120座，全球浮式生产系统的年投资额以高速度递增，其中FPSO船(浮式生产储油装置)仍将是全球浮式生产市场的建造热点,该船型集生产、储油、运输多项功能于一身，是当前国际海上石油开发生产设施的主流形式。随着生产向深海的不断进入，FPSO船的优势将会更充分显现出来。中国海洋石油开发总公司也需要较大数量的海洋平台、多艘FP-SO平台，用于海洋开发建设的资金达到了数百亿元。船舶工业是海洋工程的天然“霸主”。随着海洋油气开发向深海发展，船舶工业与海洋工程的关系更加紧密，船舶工业在海洋油气开发中的作用更加突出。这主要有两方面的原因:一方面是技术上的因素。随着作业水深的增加,固定式平台海洋构造物难以适应深海作业，各种浮式海洋工程结构物成为深海油气开发的主角。船舶工业与其他专业平台厂相比其优势正是在这类浮式结构物上——海洋开发装备具有船舶的属性，它的基本要求是在水上能浮起来、稳得住、移得动，这就与船舶有了相近的技术要求。这种天然优势为船舶工业迅速占领深海平台市场创造了良好的条件。另一方面是开发周期的因素。由于海洋油气开发竞争日趋激烈，国际石油商对从发现油气到生产的时间要求越来越紧，而与船舶相近的海洋工程物恰恰可以以最快的时间迅速部署于生产现场， 从而大大缩短深海油气的开发时间。正是由于这两方面的原因，使船舶工业迅速成为深海油气开发装备生产的主要力量。船舶工业越来越深地融入海洋开发装备领域，已成为当前海洋装备发展的一个重要特点。相对于已经成熟的船舶工业来说，海洋开发装备业是一个新兴产业，正在发展过程中，据专家估计,目前及未来几年,仅油气开发生产一项，全世界就需要约100多艘FPSO船、200多座钻井平台，加上其他海洋产业的需求,海洋开发装备甚至比整个国际船舶市场的需求还要高。因此未来船舶企业会参与更多的海洋工程结构物的建造。

管线几何优化设计

管道隔振支座最佳布置设计优化需确定隔振支座的类型"数量及位置!由于支座类型的选择难以依靠程式化优化计算来得到，本研究仅针对支座力学与隔振性能参数给定情况下，研究管线支座的数量与几何位置优化问题涉及到的约束条件包含强度( 应力) "刚度( 位移和变形) "稳定性( 屈曲) 和动力学特性( 管线固有频率和管线响应振幅) ，同时考虑工艺安装方面的特殊要求( 某些位置无法安装支座) 针对上述约束，细化为优化数学模型中考虑应力"位移"固有频率"稳定性和评价点在指定频率区间的振级落差等约束条件简化的支座布局几何优化设计模型见图所示，通常选取支座数目和支座位置为设计变量本模型假定支座总数目事先已知( 通常按照工艺要求确定，但适当增加一定数量) ，通过确定各支座的几何位置坐标实现布局优化!当相邻两个支座的位置坐标非常接近或重合时，代表其中一个支座可以取消。

支座布局几何优化模型

2.管道隔振支座布置设计优化模型迭代解法

上面给出的支座布局优化模型仍为基于连续与离散设计变量的混合数学规划问题，常规优化算法较难解决，可采用迭代优化算法

进行求解!考虑到计算效率的问题，需采用变步长的迭代优化算法!

该迭代算法依据约束条件的满足情况及变步长的临界间距值来确定支座数量的减少与增加，然后通过

常规优化方法得到支座的几何位置坐标，最终得到较优的支座数目及间距!迭代流程见图采用迭代算法求解该支座布局优化模型时，其计算效率有赖于迭代步长的选择!对于特定的管道结构，当假定的支座初始数目与最优支座数目相接近时，即使迭代步长为常数，依然能够获得较好的计算效率，但假定的支座初始数目与最优支座数目相差较多时，则必须选择逐步增加的迭代步长才能获得较为理想的计算效率。

支座布局优化模型迭代解法

由管线各目标函数下的优化结果可知，三种目标函数下的优化模型，优化后满足约束要求，支座最优数目均为6个，各支座位置接近，优化结果基本相同，三种方法迭代次数均为 5-6次，计算效率较为理想，但以关联支座造价为目标函数下的优化模型与其他两个模型相比迭代次数较多，将几何优化设计方法所得优化结果与规范设计方法优化结果比较可知，以管线结构应变能和管线最大下垂为目标函数的优化模型，几何方法和规范法所得优化结果接近!以关联支座造价为目标函数的优化模型，采用几何方法时，尽管迭代次数较多，但仍然取得了满足约束条件的优化结果，其计算过程较规范设计方法更为稳定，结果更为可靠!

总体来看，两种设计方法所得优化结果是相一致的，几何优化设计方法是可行的!在几何优化设计方法中，由于支座初始数目通过假定得到，且往往与最优数目相差较大，因此迭代次数较多，其计算效率明显低于规范设计方法，但较多的迭代次数同时也保证了迭代过程的稳定性，使计算结果更为可信!因此，尚须进一步研究更为稳定高效的管线隔振支座布局优化算法。

3.总结：将所得结果与规范设计方法优化结果进行了比较，证明了几何优化设计模型及方法的可行性，并得到了与规范设计方法中相一致的结论: 以管线最大下垂或管线结构应变能为目标函数的隔振支座布局模型计算过程更为稳定高效"优化结果更为可靠。

参考文献:

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

[2] 美国雪佛龙公司 海上油气工程设计实用手册

[3] 海洋石油工程设计概论与工艺设计

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

第2篇

【关键词】 长江口船舶定线制；船舶交通流；优化设计；上海港；绕航

0 引 言

近年来，随着长江“黄金水道”沿岸经济带的高速发展，以上海港为龙头的长江沿岸港口货物吞吐量增长较快，进出长江的船舶与南北大通道的船舶在长江口水域产生大量的交叉和汇聚，船舶航迹分布复杂，船舶交通流之间冲突点多。尤其是从中浚前5 h开始，大量外籍船舶按照引航计划起锚进入长江口，其驾驶员与南北大通道航行船舶驾驶员之间语言沟通不畅，导致一些迟来的船舶“抢”计划、“抢”位置，从而造成船舶间避让不协调，船舶交通流之间冲突强度大。本文对2008年版长江口船舶定线制未能解决的问题进行分析，力求降低各船舶交通流之间的冲突强度和等级，避免出现外籍船舶起锚后进入长江口与南北大通道船舶直角交会的局面，以缓解现有长江口水域通航安全压力，降低该水域通航风险，为海事管理部门决策提供建议和理论依据。

1 长江口船舶定线制概况

长江口地处我国南北海岸线中部的长江黄金水道与沿海南北大通道的交汇处，自2002年9月1日起，长江口开始实施船舶定线制，由3个圆形警戒区、11个通航分道和11条分隔线组成。而后海事管理部门根据实际运行效果对该水域进行优化，将原先3个警戒区简化为A、B两个警戒区，简化通航分道并调整相关灯浮和锚地分布。2008年6月1日起施行的新版本长江口船舶定线制见图1。

2 长江口船舶定线制拟解决的问题

2.1 长江口警戒区存在安全风险

2008年版长江口船舶定线制在2002年版的基础上作了简化，并很好地对接了长江口深水航道治理三期工程，对梳理船舶交通流有着较为理想的效果。[1] 但是，当南北大通道的船舶与东西向的船舶因下列3种情况积聚时，其间的交通流冲突并没有得到解决。

（1）在正常天气条件下，中浚前5 h左右，长江口水域开始初涨，大批船舶开始从海上或锚地起锚驶进引航作业区水域或进入通航分道、警戒区，然后分别从长江口深水航道、南槽航段进入，直至中浚时结束。

（2）因风、雾等恶劣天气导致上海港南北槽封航，待天气和能见度好转、船舶交通管理系统（VTS）解除禁令后，此时耽搁的船舶必然鱼贯而入，从而导致船舶积聚。

（3）因特殊船舶进出、发生船舶故障、海事和军事演习等导致临时交通管制，待管制结束后出现船舶交通流积聚情况。

当船舶交通流积聚时，大量外籍船舶与南北大通道上的本国船舶密集交汇且沟通不畅，导致避让难度加大，存在重大安全隐患。排队等待进长江口上引航员的外籍船舶与南北大通道上的船舶之间交通流冲突见图2。

2.2 船舶交通流复杂

根据对A警戒区内交通流量长期观察结果，该区域船舶交通流较为复杂，主要有以下几个情形：大型船舶进出长江口深水航道、采用我国沿海南北习惯航线、出港的小型船舶在A警戒区附近转向北上、从长江口1号锚地起锚驶往南北槽进港等。

按照常规，D3通航分道沿南北方向的延长线为管制线，也就是说船舶在进入管制线以前都是根据自身计划（其中交管时间期间按交管批复时间）安排进入长江口的。那么，在长江口初涨或临时管制解封后，进入长江口的船舶分别从A、C1通航分道汇聚至长江口A警戒区（见图3），其中不乏有大型重载船舶和大型超宽船舶。由于长江口灯船至D3通航分道水域过于狭小，造成很多船舶间来不及沟通便已经汇聚至报告线水域的尴尬，往往还会出现按照计划原本应该优先进入长江口的船舶却被堵在后面的情况。

2.3 长江口锚地容量不足

由于长江口现有锚地无法满足进出上海港船舶锚泊的需要，经常会有船舶锚泊于长江口锚地边线以外，甚至侵占A通航分道。

3 优化方案设计

3.1 优化方案的主要原则

3.1.1 安全第一

海上航行安全最为重要，航道规划应充分满足通航的安全性，以适应港口未来发展的需要。

3.1.2 兼顾经济、环保效益

在确保通航安全的情况下，航道规划应充分考虑航运企业的经济效益，减少不必要的经济支出；同时不能对海上环境构成威胁，确保海上环境不因航道规划而遭受破坏，以促进海上交通和谐。

3.1.3 充分考虑航海习惯

长江口是大型船舶进入长江的唯一入口，中外船舶汇聚于此，对于长江口船舶定线制而言，最终的受用者是广大国际海员。因此，在制定优化方案时需要充分尊重国际海员的航海习惯，同时充分考虑优化后通航分道与原有航道之间的延续性，尽可能少作改动，以便于航经此水域的驾（引）人员掌握、理解和执行。

3.2 优化方案调整的主要内容

从缓解既定方案的突出矛盾、提高通航安全性、兼顾航运企业经济效益和海上环保效益及优化方案实用性等角度出发，充分征询有经常航行于长江口水域经历的船长、引航员的意见，建议性地描绘出长江口船舶定线制优化方案（见图4），其主要内容如下：

（1）取消原有C1和C2通航分道。

（2）将A通航分道向正东方向延长20 n mile，并相应增加C警戒区和C1、C2、C3通航分道。

（3）将B通航分道向正东方向延长20 n mile，并相应更名为B2通航分道；相应增加D警戒区和D1、D2通航分道，并保留B警戒区和原有C3通航分道。

（4）将长江口1号锚地向正东方向延展并扩充为长江口1号锚地和2号锚地，将原有长江口2号锚地向正东方向延展并扩充为长江口3号锚地和4号锚地，深水航道D5灯浮正北面的锚地维持原状不变。

（5）A警戒区与B警戒区之间及A警戒区北侧水域实施限制性通航，即航行于北槽及江苏、浙江附近口岸的船舶可以使用该限制性分道，但必须提前报备，谨慎驾驶，同时现场必须征得VTS同意。

（6）其余相应增加相关灯浮和虚拟浮标。

4 优化方案总体评价及说明

4.1 安全性评价

李松等[2]提出两艘或多艘船舶在一定的时间和空间上彼此接近到一定程度时，若不改变其运动状态，就有发生碰撞的危险，这种现象称为水上交通冲突，同时引入“交通冲突技术”对水上交通冲突的发生过程及其严重性进行定量测量和判别，并应用于安全评价和预测。评价警戒区交通冲突严重性的4个指标分别是冲突点数量、冲突区域的复杂性、冲突出现频率和冲突等级。本文以北槽与南槽水域作为比较单元，按照以上4个指标对船舶定线制优化前后两个水域的警戒区冲突情况对比作简要评价（见表1）。[3]

由表1可知，船舶定线制优化以后，北槽水域警戒区外移，避让余地更大，对缓解在锚地起锚进入引航作业区的船舶与南北大通道上的船舶之间水上交通冲突作用明显，水域安全性将会明显提高；南槽水域虽然“多”出一个警戒区，冲突点数量有所增加，但优化方案会分隔一部分船舶流，减小局部水域船舶密度，使船舶冲突强度和等级均有所下降，水域安全性将会有所提高。[4]

4.2 兼顾经济效益

南北大通道整体向东“搬迁”，将会大大提高该水域的安全性，从而减少航经此地的船舶因航行安全引发的经济损失，但同时会使得部分船舶产生一定程度的绕航，增加绕航船舶的经济负担，尤其是从上海港至江苏、浙江附近港口的船舶绕航明显。

在提高船舶通航安全性的基础上，设计方案充分考虑航经该水域船舶的经济效益，减少不必要的绕航，保留B2通航分道，对南槽出口南下的船舶以及浙江沿岸北上由南槽进口的船舶均不会造成影响。同时，保留A警戒区北侧水域、A警戒区与B警戒区之间的限制性通航，减少船舶在北槽水域和浙江附近港口之间的绕航。

4.3 兼顾社会和环保效益

船舶主机在额定功率的60%以下运行时，将会造成柴油机气缸内柴油燃烧不良，运转效率下降、滑油消耗率增加，使燃烧室部件、排气系统和增压系统产生严重的燃气污染。因此，优化方案实施以后将大大提高长江口水域船舶运转的通畅度，减少主机换挡、停复主机及低速航行的次数，减少主机内柴油不充分燃烧及其产生的污染气体排放。

4.4 尊重航海习惯

长江口船舶定线制优化方案是在现有基础上将南北大通道整体向正东方向“搬迁”20 n mile，尽可能地少作改动，以便于航经此水域的国际船舶海员对“新”方案的理解和适应。

5 结 语

长江口是整个长江航道系统的咽喉，是长江深水航道和南槽航道的重要组成部分。本方案从实际问题出发，在理论上寻求突破口，为海事管理部门在制定方案时提供理论建议和参考。但是，长江口船舶定线制优化设计方案在提高长江口船舶通航安全性的同时，也造成部分船舶绕航和海事部门监管投入成本增加等不利影响。长江口船舶定线制的设置直接影响到整个上海港的船舶安全及进出上海港船舶交通的畅通或阻滞，因此需要作进一步深入研究和评估，权衡利弊。

参考文献：

[1] 陈旭海，詹海东.长江上海段圆圆沙警戒区航行规则的思考[J].航海技术，2009（3）：18-19.

[2] 李松，邵敬礼.水上交通冲突技术在船舶定线制警戒区中的应用[J].水运工程，2010（7）：111-115.

第3篇

[关键词]船舶；螺旋桨；优化；设计

中图分类号：F407.474 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）15-0355-02

在船舶设计领域，针对船舶的稳性、快速性、操纵性及耐波性等分别具有一套理论完善、实用有效的设计方法。因此，随着航运业的高速发展，船舶的经济性、环保及安全性日益受到重视，对船舶的综合性能提出了更高的要求。螺旋桨作为主要的船舶推进装置，其综合性能直接影响着船舶的快速性、安全性与舒适性。同时，随着船舶向高速化、大型化发展，螺旋桨负荷日益加重，而丰满型船尾容易导致伴流场的不均匀程度增加，使得单纯考虑效率的螺旋桨设计方法无法满足现代螺旋桨的性能要求，必须发展新的设计方法，从推力、效率、空泡及激振等多方面对螺旋桨进行综合优化。

1 优化设计方法

1.1 优化问题

螺旋桨螺距与拱度的优化设计问题主要是在给定桨叶负荷的面分布形式时对螺距与拱度的配合进行优化设计。优化过程中，桨叶径向负荷的分布形式被指定的归一化形式限制，叶剖面采用 NACA a=0.8 拱弧线或其他形式，通过调整螺距与拱度的匹配，使桨叶负荷的弦向分布形式与给定形式的方差最小。采用升力面理论涡格法程序计算桨叶负荷及水动力，优化问题的提法如下：

其中：Γmn、Γ0mn分别为桨叶附着涡强度的计算值和要求值，依次根据计算得到的负荷弦向分布及给定的负荷弦向分布形式来确定。M、N 分别为桨叶径向和弦向涡格数，本文取 M=15，N=10。

限制条件式（2）中，Tσ为推力系数计算值TK与设计要求值T0K 之绝对误差，Tε为误差限，本文取Tε=0.025%。另外

式（5）中Γ0m为给定的桨叶负荷径向分布形式，归一化方法同Γm。rε为rσ的允许误差，本文取rε=0.05%。

选择桨叶各半径剖面的螺距比PDi和最大拱度与相应的弦长的比值0Mif为优化变量，为了减少计算量，可根据设计条件限定优化变量的取值范围，本文取DLP=0.5、DUP=1.3，0ML

f=0.0、0MUf=0.1。在优化过程中，发现桨叶梢部对径向载荷的变化特别敏感，而负荷径向分布很难在叶梢部完全与指定负荷分布形式保持一致，所以优化得到的螺距比在叶梢部极易出现突变，这在螺旋桨设计中是不允许的，因此，根据螺旋桨设计经验引入式（7）作为限制条件，以控制叶梢附近螺距沿径向的变化趋势：

其中：LPD=-0.05，UPD=0.0，该限制条件用来使叶梢部的螺距比沿径向递减。

螺旋桨设计中，首先必须满足推力要求，限制条件（2）的第1式即为此而设；第2式用于限制负荷的径向分布形式，这是影响效率的一个主要因素，本文仅考虑负荷的径向分布形式给定的情况，并不进行效率优化，也就是说，保持原桨负荷径向分布不变，改变其弦向分布，通过优化桨叶螺距比与拱度的配合，使桨叶表面压力分布趋于均匀，从而改善桨叶的空泡性能。需要说明的是，上述误差限的取值是为了使相应误差尽可能小，在优化过程中实际的误差常常大于误差限，如限制条件中要求σr≤εr=0.0005，在实际优化计算中常常不能严格满足这一限制要求，而相应的最终优化结果却达到了设计要求，因此这种情况下可认为此限制条件是满足的。同样，σT≤εT的限制出现类似情况时，也不做严格要求。

2 优化案例

2.1 优化对象及其性能分析

本章以某集装箱船五叶螺旋桨为原型，在保持或提高原桨的敞水效率的前提下，以改善桨叶负荷分布为目标，对桨叶螺距与剖面最大拱度的径向分布进行优化。五叶桨的主要参数见表1。

按照上述螺旋桨优化设计流程，得到的优化结果需要通过SPROP（VLM方法）及FLUENT（

CFD 方法）软件从数值计算的角度进行验证，以确定优化目标是否实现。表2比较了原桨在设计工况下的敞水性能的试验结果与数值计算结果。

从表2可知：SPROP 软件预报值的相对误差为：推力-1.5%、扭矩-5.0%、效率+3.7%；FLUENT

预报值的相对误差为：推力+1.0%、扭矩+0.4%、+0.6%。SPROP 软件预报的扭矩与试验差别较大，可能是由其尾涡模型对叶梢卸载桨的适用性差以及粘性阻力估算误差较大引起；而 FLUENT 软件预报值与试验值非常吻合。假定SPROP 软件的计算误差在优化过程中不S设计方案的改变而改变，在优化设计中，设定推力目标值时需按原型桨的预报误差预先给与补偿。

3 优化结果

表3为A桨与B桨的目标函数及限制条件的满足情况。可以看出：与负荷径向分布相比，在整个拱弧面上满足给定的负荷弦向分布相对比较困难；因为B桨负荷的弦向分布形式不同于A桨，而拱弧线形式与A桨相同，所以σs、σr的误差均比A桨大；控制叶梢螺距变化的限制条件则有效地使叶梢的螺距沿径向呈递减趋势，限制了叶梢部螺距的数值波动，使之具有工程实用性。

螺距与拱度的优化结果与原桨之比较分别如图3.1、3.2所示。螺距与拱度的分布趋势表明：当螺距与拱度作为离散变量各自独立变化时，最终得到的螺距与拱度分布难以保持光顺。其原因可能是：负荷径向分布无法精确满足给定值，负荷弦向分布形式与给定的形式也存在一定的误差，以及数值计算的随机误差。因此本章从工程的实用性要求出发，在保持优化结果的分布趋势及满足推力要求的前提下，对优化结果进行光顺处理，并以光顺后的结果为最终优化设计方案，利用FLUENT 对其进行CFD计算分析。

优化设计中，A、B 桨及原桨负荷的径向分布形式保持不变，原桨通过增加叶梢拱度，以弥补叶梢螺距卸载（指叶梢螺距相对于0.7R处螺距的减小量）所损失的负荷。根据图3.1、

3.2中对螺距与拱度分布的定性分析可知A、B桨的螺距与拱度配合能够产生与原桨相同的负荷径向分布形式。

图3.3、3.4分别为SPROP软件计算的A、B桨的负荷弦向分布与A桨相比，B桨负荷的弦向分布在导边附近有所卸载，但卸载程度远小于原桨。与三种负荷弦向分布对应的螺距与拱度配合如图 3.1、3.2所示，其中A桨螺距最大、拱度最小，原桨的螺距最小、拱度最大，

B 桨螺距与拱度均居于A桨与原桨之间。这一结果充分说明负荷的弦向分布形式对螺距与拱度配合的影响。在设计工况下，从三种螺距与拱度配合下的桨叶性能进行分析，A、B 桨各半径处的剖面比原桨剖面更接近翼型的设计状态，可能对桨叶效率有利；但原桨剖面的工作状态更接近于面空泡界限，而A、B 桨偏向背空泡界限，因此原桨在轻载工况下应该容易发生面空泡。

4 结语

通过对弦向负荷分布形式的比较，认为常用的a=0.8的负荷分布形式不太适合于高速、重载的现代船舶螺旋桨设计，该形式使桨叶导边附近的负荷过重，容易在叶背侧的导边附近形成负压峰，进而诱发桨叶背空泡。导边卸载的负荷分布形式（如 a=0.8 & b=0.1）可能是一种更好的选择。

参考文献：

[1] 干洪： 计算结构力学[M].合肥：合肥工业大学出版社，2004.

[2] 岳珠峰， 李立州， 王婧超等： 航空发动机涡轮叶片多学科设计优化[M].北京： 科技出版社， 2007.