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序论：在您撰写船舶优化设计时，参考他人的优秀作品可以开阔视野，小编为您整理的7篇范文，希望这些建议能够激发您的创作热情，引导您走向新的创作高度。
关健词 船舶结构；优化；设计方法
中图分类号 U66 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）103-0100-02
进行船舶结构优化设计的目的就是寻求合适的结构形式和最佳的构件尺寸，既保证船体结构的强度、稳定性、频率和刚度等一般条件，又保证其具有很好的力学性能、经济性能、使用性能和工艺性能。随着计算机信息技术的发展，在计算机分析与模拟基础上建立的船舶结构的优化设计，借鉴了相关的工程学科的基本规律， 而且取得了卓越的成效；基于可靠性的优化设计方法也取得了较大的进步；建立在人工智能原理与专家系统技术基础上的智能型结构设计方法也取得了突破性进展。
1经典优化设计的数学规划方法
结构优化设计数学规划方法于1960年由L.A.Schmit率先提出。他认为在进行结构设计时应当把给定条件的结构尺寸的优化设计问题转变成目标函数求极值的数学问题。这一方法很快得到了其他专家的认可。1966年，D.Kavlie与J.Moe 等首次将数学规划法应用于船舶的结构设计，翻开了船舶结构设计的新篇章。我国的船舶结构的设计方法研究工作始于70 年代末，已研究出水面船舶和潜艇在中剖面、框架、板架和圆柱形耐压壳等基本结构的优化设计方法。
由于船舶结构是非常复杂的板梁组合结构，在受力和使用的要求上也很高，所以在进行船舶结构的优化设计时，会涉及到许多设计变量与约束条件，工作内容很多，十分困难。船舶结构的分级优化设计法就是在这个基础上产生的，其基本思路是最优配置第一级的整个材料，优选第二级的具体结构的尺寸。每一级又可以根据具体情况划分成若干个子级。两级最后通过协调变量迭代，将整个优化问题回归到原问题。分级优化方法成功地解决了进行船舶优化设计中的剖面结构、船舶框架和板架、潜艇耐压壳体等一系列基本问题。
2 多目标的模糊优化设计法
经典优化设计的数学规划方法是在确定性条件下进行的， 也就是说目标函数与约束条件是人为的或者按某种规定提出的，是个确定的值。但是在实际上， 在船舶结构的优化设计过程、约束条件、评价指标等各方面都包含着许多的模糊因素，想要实现模糊因素优化问题， 就必须依赖于模糊数学来实现多目标的优化设计。模糊优化设计问题的主要形式是：
式中j 和j分别是第j性能或者几何尺寸约束里的上下限。
模糊优化设计方法大大的增加了设计者在选择优化方案时的可能性， 让设计者对设计方案的形态有了更深入的了解。目前，模糊优化设计法发展很快， 但是，还未实现完全实用化。多目标的模糊优化设计法的难点主要在于如何针对具体设计对象， 正确描述目标函数的满意度与约束函数满足度隶属函数的问题。
3 基于可靠性的优化设计方法
概率论与数理统计方法首先在40 年代后期由原苏联引入到结构设计中， 产生了安全度理论。这种理论以材料匀质系数、超载系数、工作条件系数来分析考虑材料、载荷及环境等随机性因素。早在50年代，人们就在船舶结构的优化设计中指出了可靠性概念，随后，船舶设计的可靠性受到人们的重视，开始研究可靠性设计方法在船舶结构建造中的应用。
船舶结构可靠性的理论和方法根据设计目标的不同要求， 可以得出不同的结构可靠性的优化设计准则。大体分为以下3种：
1）根据结构的可靠性R·，要求结构的重量W最轻，即：
MinW（X），s.t.R ≧R·
2）根据结构的最大承重量W·， 要求结构的可靠性最大或者破损概率最小，即：
Min Pf（X ） ， s.t.W （X ） ≦ W·
3）兼顾结构重量和可靠性或破损概率， 实现某种组合的满意度达到最大，即：
Max[a1uw（X）+a2upf（X）]
式中， a1，a2分别代表结构重量和破损概率的重要度程度， 而且满足a1+a2≥1.0，a1，a2≥0；uw，upf分别为代表相应的满意度。
关于船舶结构的可靠性优化设计方法的研究越来越多， 逐渐成为船舶的结构优化设计中的重要方向。但是，可靠性的优化设计方法除了在大规模的随机性非线性规划求解中存在困难外， 还有一个重要的难点在于评估船舶结构可靠性的过程很复杂， 而且计算量大。
4 智能型的优化设计方法
随着人工智能技术（Al）和计算机信息技术的发展， 给船舶结构的优化设计提供了一个新的途径，也就是智能型优化设计法。
智能型的优化设计法的基本做法为：搜索优秀的相关产品资料，通过整理，概括成典型模式，再进行关联分析、类比分析和敏度分析寻找设计对象和样本模式间的相似度、差异性与设计变量敏度等，按某种准则实施的样本模式进行变换， 进而产生若干符合设计要求的新模式， 经过综合评估与经典优化方法的调参和优选， 最终取得最优方案。
智能型的优化设计法法的优点是创造性较强，缺点是可靠性较弱。所以在分析计算其产生的各种性能指标时，应当进行多目标的模糊评估， 必要时还应当使用经典优化方法对某些参数进行调整。
5 结论
通过本文对船舶结构优化设计方法的研究，我们得出在进行船舶结构优化设计的时候， 往往会涉及到很多相互制约和互相影响的因素， 这就需要设计人员权衡利弊， 进行综合考察， 不但要进行结构参数与结构型式的优选，而且还要针对具体情况对做出的方案进行评估、优选和排序。通过什么准则对不同的方案进行综合评估，得出最优方案， 成为专家和设计人员需要继续研究的问题。
参考文献
[1]郭军，肖熙.基于可靠性的船体结构多目标优化设计[J].上海交通大学学报，2010（1）.
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
【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.
[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.
关键词：船舶结构；有限元法；优化设计；浮态调整；自动加载
一、引言
在船舶结构直接计算中，外载荷(包括波浪压力、砰击载荷、货物压力、晃荡载荷、波浪弯矩、剪力和扭矩等)[1]的计算都依赖于经验公式，不管是采用全船的计算模型还是采用舱段的计算模型，目前情况下很难得到一个完全平衡的外载荷力系。由于船舶结构是一个复杂的空间结构，直接计算时，有限元模型中节点数、单元数十分庞大，载荷计算的累计误差使得寻求一个完全平衡的外载荷力系的工作更加困难。在这种情况下，施加合理、合适的边界条件变得十分重要，因为约束点产生的很大的反力严重地影响(改变)了结构的实际受力状态。边界条件对于计算的结果有重大的影响，而边界条件的确定取决于对结构受力和变形状态的判断以及分析者的经验，其中人为的因素较多。也许可以认为根据StVenant原理，由于约束点距离我们最关心的部位较远，对应力分布的计算结果的影响有限，但是这样得到的结果毕竟是不甚合理的。因此用有限元方法计算船舶结构强度时，为了得到比较准确的变形和应力结果，可能需要特殊的处理方法。目前的研究中有采用惯性释放的方法[2]，此方法用结构的惯性力来平衡外力，由于人为的施加外载荷，虽然在大多数情况下，都经过了节点力的调整，但作用在船体的力系仍然不是平衡力系，根据达朗贝尔原理，利用惯性力使整个力系达到平衡。也有研究整船有限元模型自动加载技术的[3]，这些研究都需要经过节点力的调整和惯性平衡力计算的多次叠代，对船舶要进行浮态调整，实现起来，比较繁琐。
本文基于优化设计的思想，提出了一种应用ANSYS优化设计分析功能进行船舶浮态的自动调整及加载的方法，使得施加在有限元模型的整个外载荷几近于平衡力系，约束点的支反力接近于零，通过算例证明了该方法的可行性。
二、ANSYS优化设计理论及其应用于船舶浮态自动调整及加载
ANSYS优化设计分为目标优化设计和拓扑优化设计两种。目标优化设计是一种通过迭代试算以确定最优化设计方案的技术[4]。所谓“最优设计”，指的是该种方案可以满足所有的设计要求（如应力低于许用应力，长度小于临界长度），而且目标量的支出（如重量、面积和费用等）最小。一般来说，设计方案的许多方面都可以优化，如尺寸、形状、制造费用、自然频率等。所有可以参数化的ANSYS选项几乎都可以做优化设计。ANSYS优化设计实际就是程序提供了一系列的分析―评估―修正的循环过程，这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。ANSYS优化模块中的三大变量是设计变量、状态变量和目标函数，设计变量为自变量，优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的，而实际上设计变量就是需要真正的进行设计的变量。状态变量是约束设计的数值，为因变量，是设计变量的函数。目标函数即为最后用以评估设计是否最优设计的量，一般来说是要尽量减小的量，它必须是设计变量的函数，也就是说目标函数的数值也必须随着设计变量的改变而改变。
本文的思路是基于ANSYS优化设计理论，我们将船舶首尾吃水定义为设计变量，也就是说将船舶模型的舷外水压力载荷作为我们设计的变量，再将单元的应力定义为状态变量，约束点处的支反力定义为目标函数，通过优化迭代设计，ANSYS优化设计程序将通过迭代试算自动寻找到船舶合理的也就是实际的吃水状态，使得目标函数值即约束支反力的大小接近于零，此时整个外载荷几近于平衡力系，得到的设计变量的解最接近船舶实际的吃水及浮态，这个解也就是我们所要寻找的最优解，寻找到最优解的这次迭代实际上也完成了船舶有限元模型合理的加载与计算。
整个优化程序设计的主要步骤为（1）用命令流参数化建立船舶有限元模型，船舶的吃水等设计变量用参数化的形式输入，并指定初始值，为了提取必要的状态变量以及目标函数，需要进行一次求解且用命令流提取并指定状态变量和目标函数，将船舶的吃水指定为设计变量，单元的应力指定为状态变量，约束处的支反力定义为目标函数，然后生成循环所用的分析文件，该文件包括整个分析的过程；（2）进行优化分析的设置，进入OPT，指定分析文件，声明优化变量，选择优化工具和优化方法，指定优化循环控制方式等。（3）运行优化程序，进行优化分析并查看设计序列结果和后处理。
三、算例
为了说明该方法的的可行性，本文对一柱体进行了基于优化设计的浮态调整。如图1所示，柱体的横截面为正方形，柱体上表面0-3000mm范围内的均布载荷为1/375 N/mm2，3000-7000mm范围内的均布载荷为3/800 N/mm2，7000-10000mm范围内的均布载荷为7/3000 N/mm2，首吃水的初始值B=300mm，尾吃水的初始值A=500mm，整个分析计算过程的APDL程序如下：
图1 柱体模型尺寸及载荷示意图（尺寸单位：mm）
/BATCH ASEL,A,LOC,X,10000
*SET,A,500! 定义设计变量初始值 ADELE,ALL,1
*SET,B,300 ASEL,S,LOC,Y,0
/PREP7！进入前处理建立有限元模型 ASEL,A,LOC,Y,1000
ET,1,SHELL63 ASEL,A,LOC,Z,1000
R,1,10, , , , , , AREVERSE,ALL
ET,2,LINK8 ESIZE,50,0
R,2,500, , MSHAPE,0,2D
MPTEMP,,,,,,,, MSHKEY,1
MPTEMP,1,0 ASEL,ALL
MPDATA,EX,1,,2.1E5 AMESH,ALL
MPDATA,PRXY,1,,0.3 N,0,-500,500
BLC4, , ,10000,1000 N,10000,-500,500
VEXT,all, , ,0,0,1000,,,, TYPE,2
VDELE, 1 MAT, 1
ASEL,S,LOC,X,0 REAL,2
ESYS, 0 D,NODE(0,0,500),,,,,,UX,,UZ,！施加约束
SECNUM, D,NODE(10000,0,500),,,,,,,,UZ,
TSHAP,LINE D,NODE(0,-500,500),,,,,,,UY,,
E,NODE(0,0,500),NODE(0,-500,500) D,NODE(10000,-500,500),,,,,,,UY,,
E,NODE(10000,0,500),NODE(10000,-500,500) ALLSEL,ALL
NSEL,S,LOC,X,0,3000 SOLVE ！第一次求解
NSEL,R,LOC,Y,1000 FINISH
FINISH /POST1！进入后处理
/SOL！进入求解器 SET,LAST
ANTYPE,STATIC ETABLE,STR,LS,1！提取状态变量值
SF,ALL,PRES,8000/(1000*3000) ！定义载荷 *GET,STR1,ELEM,ENEARN(NODE(0,-500,500)),E
TAB,STR
NSEL,S,LOC,X,3000,7000
NSEL,R,LOC,Y,1000 *GET,STR2,ELEM,ENEARN(NODE(10000,-500,50
0)),ETAB,STR
SF,ALL,PRES,15000/(1000*4000)
NSEL,S,LOC,X,7000,10000 *SET,C,ABS(STR1)
NSEL,R,LOC,Y,1000 *SET,D,ABS(STR2)
SF,ALL,PRES,7000/(1000*3000) *SET,W,500*（C+D） ！提取目标函数值
ALLSEL,ALL FINISH
*DIM,P1,TABLE,2,3,1,X,Y, LGWRITE,'OPT','lgw', ！生成优化分析文件
*SET,P1(0,1,1) , 0 /OPT ！进入优化处理器
*SET,P1(0,2,1) , B OPANL,'OPT','lgw',' '！指定分析文件
*SET,P1(0,3,1) , A OPVAR,A,DV,300,700, , ! 定义设计变量
*SET,P1(1,0,1) , 0 OPVAR,B,DV,200,600, ,
*SET,P1(1,1,1) , A/100000 OPVAR,C,SV,0,100, , ！定义状态变量
*SET,P1(1,2,1) , (A-B)/100000 OPVAR,D,SV,0,100, ,
*SET,P1(2,0,1) , 10000 OPVAR,W,OBJ, , ,10, ！定义目标函数
*SET,P1(2,1,1) , B/100000 OPSAVE,'OPT',' ',' '
NSEL,S,LOC,Y,0,1000 OPTYPE,FIRS！定义一阶方法
NSEL,U,LOC,Y,1000 OPFRST,8, , , ！最大8次迭代
SF,ALL,PRES,%P1% ！定义水压力载荷 OPEXE！开始优化分析
ALLSEL,ALL
程序在第3次迭代计算的时候，找到了最优解，此时设计变量A=320.84mm，B=279.07mm，目标函数W=4.2832 N，本次迭代同时也完成了模型合理的加载与计算。设计变量A、B对迭代次数的函数曲线见图2所示，目标函数W对迭代次数的函数曲线见图3所示。
理论计算结果为A=321.001mm，B=278.999mm，优化程序计算表得到的A值的相对误差为0.519%，B值的相对误差为0.025%，误差非常小，可见程序的计算是有效的。
图2A、B对迭代次数的函数曲线 图3W对迭代次数的函数曲线四、结论
有限元方法在船舶结构分析中已经得到广泛应用，由于船舶结构的复杂性，浮态的调整和舷外水压力的计算及加载要花费大量的精力，从算例可见，基于ANSYS优化设计分析可以用来自动处理这些工作，并能较好地接近理论计算的结果，因此该方法在船舶结构的直接计算中，具有一定的实用性。
参考文献
[1]王杰德，杨永谦. 船体强度与结构设计[M].北京：国防工业出版社，1995.
[2]张少雄，杨永谦. 船体结构强度直接计算中惯性释放的应用.中国舰船研究，2006，1（1）：58~61.
[3]朱胜昌，陈庆强. 整船准静态分析的有限元模型自动加载及载荷修正技术.船舶力学，1999，3（5）：47~54.
【关键词】 船舶消防水系统 消火栓间距 优化
对于船舶消防水系统而言，水的获取相对容易（主要使用海水），可是称得上是海上消防最廉价的材料。水的灭火原理就是冷却，当水与火接触时就会长生大量的水蒸气，水蒸气可以阻止氧气与火源的继续接触，从而抑制火的蔓延；而且强大的水柱会产生较大的机械压力，对易燃物体的燃烧部分起到驱散与扑灭的作用；水还可以进一步的渗透到易燃物的内部，以限制火源的继续蔓延。消防水系统，是船舶消防制度中严格规定的必备系统。其工作原理是通过消防水系统中的消防泵从海底阀泵入舷外水，然后经消防总管分入各个支管，输送到系统中的每个消火栓等出水端以供灭火所需。
1 船舶消防水系统的概述
船舶消防水系统主要由消防泵、系统管网、消火栓、消防水带、水枪和国际通岸接头等组成。消防水泵是消防水系统的主要给水升压设备，是整个消防水系统的核心所在。从其工作原理来讲，与其他用途的水泵没有什么本质的区别，只是消防水泵是专门用于消防水系统的标准设备。系统管网，就是水从消防泵输送至各个消火栓的管道网，主要由消防总管与各支管组成。根据水的输送距离长短和输送方向的集散程度，管道上一般还会设置各种附件、管件、组件等简单的设备。消火栓即消防水系统的出水终端，由快捷接头和截止阀组成。消防水带的制作材料一般有棉织涂胶、尼龙涂胶和麻织三种。水枪就是为了改变水流形式和获取射程而设计的工具，可分为水雾/水柱型、水柱型和喷雾型三种。国际通岸接头一般有两部分组成，一端为适合于与本船舶消火栓和消防水带连结的快速接头，另一端是标准法兰接头，两个接头组合工作，而且国际通岸接头在不用时应放于规定位置，以便于随时可取。
2 消火栓间距
消火栓的间距主要包括消火栓的规格及在相关规定下规格的选取，还包括消火栓的射程等数据，只有结合以上两点才能更好的做到消火栓的有效优化。
2.1 消火栓水枪的口径确定
消火栓的标准规格一般可以分为、与三种。
根据相关规定，在外部场所和机器处所，水枪尺寸应该是在满足规定要求压力之下的水柱中，并能从最小的水泵获得较大限度出水量，但是规定水枪规格应尽量控制在19mm以下，根据这一规定选取使用19mm的水枪并不违反规格要求。
2.2 消火栓水枪的最大射程
消火栓的水枪在喷水时，在全部消火栓处应维持的的最低压力如表1所示。
关键词：船舶管理系统；弹性支撑；位置优化设计
在战争中，船舶经常会受冲击作用造成内部部件损坏，进而产生严重的故障问题。随着科学技术的发展，加强了船舶管路系统的研究力度，主要利用随机输入对弹性支撑参数及位置等进行了分析，但没有对冲击荷载及位置优化等进行分析。本次主要采用直梁模拟船舶管路系统，并利用模型计算、控制等一系列操作，对不同位置的弹性支撑进行了验算，可以得到各种动态响应参数，确定了弹性支撑位置。
一、构建数学模型
本次主要对船舶弹性支撑管路系统进行研究，结合弹性支撑情况，将管路系统中的一部分作为了直梁模型。通常可以将管路系统划分为两个阶段进行分析：第一阶段，受冲击荷载影响，系统可得到初始速度。但是此阶段冲击荷载作用的实践较短，产生的冲击较大，所以可忽略不计。第二阶段是冲击后阶段，该阶段中获得的冲击初始速度，在周期与随机作用下会发生强迫运动，产生的振动强度较大。
本次分析中将其运动分为三步，第一，运动方程：
其中ρ表示航渡，E表示拉压弹性模量，I表示断
面关心矩，x表示激振位移，y（x，t） v表示梁挠度， 为激振位移，Cm为粘性系数，lci表示弹性支撑位置。
第二，冲击运动方程。船舶受到较大冲击力之后，可以将运动时间曲线表示成：
其中参量V表示衡量攻击强
度的速度；T1表示冲击运动非振荡与风量衰减时间，一般随着船舶运动、类型等情况变化；时间T2为主震荡衰减时间；时间T3为主震运动分量周期，随着船位置变化变化，t表示冲击所耗费的时间。
第三，冲击完成后进行的运动方程：
，其中， 是标准白噪声。
对系统冲击后实施控制时，必须从四种情况进行分析：第一种，进行自由振动，d2=d3=0；第二随机振动，d2=1，d3=0；第三，周期振动，d2=0，d3=1；第四一般情况，d2≠0，d3≠0。
二、探索最优控制问题
（一）制定最优控制方程
一般采用模态分析可以将运动方程表示为状态方程，此时梁应力就可以表示为：
，其中 。
（二）了解目标函数
为了了解系统在冲击后的振动控制，本次研究中主要将其分为四种不同状态下，分被是自由振动、纯随机输入、纯周期输入与一般情况四种情况。
（三）控制方程的解
将运动过程进行模态分析后，将其表示为 ，其中 为振向量矩阵，q=[q1，q2，q3…qN]T。
第一，如果不计冲击状态影响，可得到冲击阶段运动解为
，位移与速度为qi0=qi0（t）、qi0=qi0（t）。位移与速度均为初始位移速度。第二冲击后阶段。冲击后主要分为两部分求解，一种为连续梁所读初始速度是自由振动在随机输入与周期输入下所进行的强迫运动，一般从自动振动、纯随机输入与纯周期输入等三方面进行计算。
三、实例分析
本次将系统参数设置为E=2×1011Pa，Cin=2×108NS/m2，l=10m，Z Zb=5×10-6m3，I=5.1×10-7m4，ρ=8.34kg/m。进行管路系统弹性支撑布置时，必须要对各种运输情况进行分析，在不同输入下设置1、2、3个弹性支承，采用对称方法设置。上述均为梁冲击后在不同情况下所产生的弹性支承位置减振变化，图中横坐标是lc/l0，纵坐标是σ/σ0。l0表示梁长；c为弹性支撑位置；当设置1到2个弹性支撑时，σ0是系统不加载弹性支撑时承受荷载下的平均弯曲应力，当布置知三个弹性支撑时，σ0只表示加一个弹性支撑所受荷载的平均弯曲应力；σ表示加载弹性支撑系统后，在荷载作用下所产生的平均弯曲应力。
第一，分析自动振动情况。如上图1所示，当布置一个弹性支撑时，形成的最佳位置恰好在管路终端；布置两个弹性支撑时，恰好在0.33l0和0.67l0位置；布置三个弹性支撑时，最优位置在0.25l0、0.50l和0.75l0三个位置。
第二，随机振动情况。耐2可知，对于弹性支撑的最优位置，一般布置一个弹性支撑时，恰好在管路中点；布置两个时恰好在0.35l0、0.65l0；布置三个弹性支撑时，最佳位置是0.27l0、0.50l0和0.73l0。
第三，了解周期运行情况。从图3可知，一个弹性支撑时，最佳位置恰好在管路中点；布置两个弹性支撑时恰好位于0.37l0、0.63l0；布置三个是最佳位置是0.00l0、0.50l0和1.00l0。
第四，分析随机与周期联合运行状况。图4展示了周期输入及书记输入情况下弹性支撑位置变化的减振图，在此种操作中充分考虑了两种不同参数的位置变化。布置一个弹性支撑时，恰好为管路中点；布置两个时，最佳位置是0.37l0，0.63l0与0.39l0，0.61l0；布置三个弹性支撑时，最佳位置是0.00l0，0.50l0，1.00l0与0.33l0，0.50l0与0.67l0。
四、结果分析
结合上述分型与计算结果等分析可知，第一，弹性支撑位置影响着减振效果，图中所表示的最小值为弹性支撑最佳位置；第二，但弹性支撑参数相同时，弹性支撑位置的合理布置不仅影响系统振动及随机振动，而且减振效果较好，但对系统周期减振效果影响较大；第三，使用不同参数弹性支撑，所得的最优位置也会发生很大变化。第四，同一个系统中，一旦谈弹性参数给定，就必须对弹性支撑个数进行选择。从图例可知，随着弹性支撑数量的增加，不一定可得到较好的弹性支撑减振效果。以上结论在管路系统设计弹性支撑时，具有较大作用，可以及时进行考虑分析。
结束语
随着科学技术的发展，爆炸量与冲击持续时间不断延长，危害性也不断增加，造成了严重的设备损害问题。经过分析可知，设备冲击隔离与抗冲击能力影响着船舶的使用寿命。因此本次利用构建模型方式系统全面的分析了弹性支撑冲击下位置优化设计问题，得到的实际应用效果较理想。在今后分析中，还要从数据计算精确性、计算方法等进行探究，选择一种高效、便利的方式保证船舶安全，减少不良损害。
参考文献：
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