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】船舶设计；模型；多学科；研究
全球制造业随着经济社会的发展，对我国的国民经济也得到了迅速的提升与发展。因此我国的造船业也迎来了比较适宜的发展契机，但是我国虽然是造船大国，但是却进入不了造船强国的行列。所以再这种背景之下，我国的造船工业急需创新与发展，但是面对技术密度高且周期又长的船舶设计工程，学习与借鉴分析国际上的先进方法与理论，深入了解其特点，优化设计方法，无论是有效控制周期、还是节省成本或提高设计质量而言，都是相关行业人员非常重要的任务。
一、船舶多学科优化设计的特点
（一）问题具有综合性特点
船舶本身就是一个复杂的综合物体，所以对其进行设计其方案也必定拥有较为复杂的综合性特点，这些问题包含了流体静力学、水动力以及结构等多方面的知识。只有把这些学科高度优化与融合在一起，才能完整的设计船舶，因此，对于船舶的设计而言，其设计问题是具有综合性的特点的。
（二）设计问题具有矛盾性特点
设计问题的矛盾主要存在于船舶的各项技术之间，这包括安全性与经济性特征。这就相当于对船舶的设计设置了一个矛盾点。又比如，在排水量一定的情况下船舶的载重量与航速及航程之矛盾，阻力与效率之间的矛盾，船舶操纵的稳定性与灵活性之间的矛盾等。因此在确定设计方案的时候，调整某一项设计因素，就会牵扯到别的因素，这就要做出合理的取舍，综合与全局考虑，才能使得整个设计方案呈最优化状态。
（三）各学科关系之间具有复杂性特征
船舶设计牵扯到的学科是方方面面的，因此随着设计者对船舶设计的不断深入，矛盾就会下显现，但是修改这些矛盾点，不是通过对某种学科的改变就能够改变的，多学科之间有着复杂的联系与分工，其耦合关系具有一定的复杂性特征。
二、船舶多学科优化设计建模分析
（一）设计初级阶段引入MDO
船舶设计的过程是复杂的，是逐步进行的，因此其设计过程也需要适应一种方法。因为其包括了初步构想、初级设计与完善设计几个方面，所以在不同的设计阶段设计知识和自由度也会呈现出不同的变化趋势。如下图（1）所示：
船舶设计的不同阶段对应相应的设计知识积设计自由度，设计阶段越靠后需要的设计知识越多，而设计的自由度却越低。由此也可以看出，传统的设计方法与概念以及相对应的周期也是比较短的，因此其是不能获得足够的知识的，这样一来就不利于设计工作的进行。因此为了获得最优的方案，就需要在设计初期考虑多学科因素，从船型、结构与推荐等方面得出变量关系。
（二）船舶的总体设计及学科划分析
总体设计是一项非常重要的工作，其综合性强，设计面也比较广，对船舶设计的总体质量保障也是相当重要的前提。一般来其包含了几个方面：1、船型的特征与布置构；2、尺度的考量与选择；3、技术性能的分析与估算；4、其他犹如法律法规的问题。
这些内容都是总体设计阶段需要着重考虑的问题，需要综合性考虑，且其中也包含了以下结果领域：船型、重量、船舱容量、速度与稳定性、操纵的灵活性、结构与经济性等。因此对不同类型的船舶进行多学科优化设计的时候，需要选择与其相适应的经验公式与统计公式模型。
（三）重量学科的模型分析
重量模型分析主要是为了使船舶的浮力与重力达到一个平衡的标准，让其准确的漂浮在吃水线上面。因此，如果重量计算的误差过大，船舶的下沉就会比较深，这样就会影响船舶的使用性能。所以正确的设计中心的位置，确定浮性与稳定性、耐波性与强度等因素。船舶的重心估算式如下：
（四）船舱容量学科分析
船舶的重量是基础，但是船舶的容量（舱容）也是比较重要的一部分，这是使用面积，包含了甲板面积，是用来转载货物与油水的空间。其是一项重要的使用性能，因为一旦舱容不够，就会影响使用效果，反之又容易造成浪费。因此在设计阶段，根据船舶的尺度，通过合理的重量与尺度比例计算出合理的容积，用以满足船舶运行的要求是非常具有必要性的。
（五）速度学科分析
快速性与经济性联系非常大，其实根据在一定的基础上，根据主机的功率来定的。而影响船舶航行速度的因素，无论是阻力还是排水量都需要科学的验证，船舶的总阻力取决于排水量、与尺度比等需要因素。另外，从推进方面来看，主要是螺旋桨的推进方式，螺旋桨的效率和符合系数有着直接的关联。因此从设计的角度来说，解决这些问题，主要在于如何选择适合的尺度由于主机功率，另外优化船型减少阻力也需要考虑。
（六）稳定学科分析
船舶的设计稳定性分为两部分，分别是初稳性与大倾角稳定性。其中影响因素包括船舶中心的高度，水线面系数以及型宽等。另外其还与干弦、上层建筑以及进水口的位置及受风面有着联系。因此，出于安全考虑，需要确定适宜的初稳性高下限值。初稳性高的近似估算值公式如下：
（七）耐波性学科分析
船舶的耐波性的好与差直接关系到船舶的使用性能与安全性能，在如今其已近成为衡量船舶性能的重要标准之一，通常在国际上也是通过耐波性来评判一艘船舶的质量。耐波性的学科分析模型如下：
（八）操纵性学科分析
传统的设计中，船型主要是根据尺度与快速性与稳性等方面的要求来决定的，其甚少考虑操纵性的要求。但是这并不代表其不重要。它也包含了三项内容：航向稳定性、回转性与转首性。因此在船舶设计的初级阶段，如果想使船舶具有最优的操纵性能，就必须要建立，操纵指标与其它参数之间的关系，航向稳定性的公式如下：
回转性的公式如下：
（九）经济学科分析
一搜船舶的设计必须要满足多学科的共同需求，最大限度的使用。然而现在公认的破坏船舶主要干扰因素是经济性。即在确定技术要素的同时，必须考虑经济性的因素。通俗来讲就是，在保障船舶航行安全的状态下，估算造价。整船估计具体公式如下：
经济学科分析模型如下：
三、结束语
船舶设计是一项非常复杂的系统工程，其周期长、学科多以及耦合关系复杂等，因此决定了学科分析需要采用精度更高的方法，然后利用响应面近似模型技术来完成整个设计优化过程。如今，多学科设计的优化方法已经被飞机甚至是导弹行业所应用，并且也取得了良好的设计结果。由此可以看得出来其是一项非常科学的、行之有效的方法。鉴于此，本文针对船舶多学科设计的优化建模研究，只是对船舶总体多学科设计工作的一个开始，希望经过船舶设计及制造业从业人员的不断努力，我国的船舶设计水平能够达到一个较高的水平，是我国快速迈向造船强国行列。
参考文献
【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。尤其是从中浚高潮前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，中浚高潮前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，直至中浚高潮时结束。
（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：并行协同；设计理念；船舶设计流程
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.10.245
协同设计理念属于当前新出现的一种设计理念，它的出现得到了许多设计单位的认可，被成功的应用与设计生产之中，极大的提高了船舶设计的效率。但是在当前的并行协同设计理念下的船舶设计流程仍旧有着许多的不足，需要对这些流程进行进一步的优化。
1 船舶设计业务的流程分析
随着当前计算机技术的不断发展，在进行船舶设计的时候也发生了较大的改变，但是从整体上来看，船舶设计业务的内容基本是相同的，下面根据实际的船舶设计制造探讨整个船舶设计业务流程。
1.1 概念设计阶段
概念设计阶段也就是所谓的送审设计阶段。当企业在接受产品的订单之后需要对产品的总体性概念进行说明，以方便后期生产设计制造的顺利。其中主要包括生产产品的主要尺度、强度以及性能等，这些内容都必须对船东或者相关的部门进行明确。此阶段属于前期的准备阶段，对于后期的工作开展有着较大的实际性意义，对此应当给予足够的重视。
1.2 初步设计阶段和详细设计阶段
初步设计阶段和详细设计阶段实质上并没有进行明确的划分，只是二者在进行设计工作上的深浅有着一定的区别。在此过程中主要对前期概念设计阶段中一些局部的技术进行仔细的分析，能够构建出一个较为详细的三维船体结构模型，并且将该模型能够有效的利用到船体生产设计之中。
1.3 生产O计阶段
在生产设计阶段之中所需要的许多数据都需要信息设计阶段来提供，也就是从并行协同设计理念来分析和设计，使得在进行生产设计的时候能够高效快捷的对数据进行运用，使得整个生产设计阶段和详细阶段统一结合起来，让设计变得高效化，质量也更加具有保障。
在这整个设计的过程中，从最早期的概念设计阶段就应该考虑到生产设计的相关工作，设计工作人员可以充分的运用计算机辅助工装设计、数控加工仿真、装配设计、制造设计等设计软件，将将并行协同理念运用到其中，让整个仿真设计流程变得更加合理高效。让设计的各个阶段能够实现完美的配合，在此情况下才能够让各阶段的过度变得更加的科学自然，减少设计中出现不协调的情况。
2 基于并行协同设计理念的船舶设计流程优化措施
在当前的并行协同设计理念下的船舶设计流程主要可以分为两个部分：管理技术和计算机辅助工具技术，下面对其流程优化进行分析。
2.1 在设计管理机制上做出创新
在船舶设计的管理机制上需要做出创新，改变原有的船舶设计院单独设计的模式，在整个设计过程中应当由造船企业与船舶设计院来共同完成。船舶企业的设计人员与船舶设计院的工作人员之间各自擅长的领域有着差异性，让他们在一起组成船舶设计小组，能够让他们在设计中对各自不完善的地方进行弥补。如：船舶设计院的工作人员可能在设计的时候会忽略一些实际制造中的问题，此时船舶制造企业的设计人员可以及时的发现问题，并有效的处理问题。
2.2 加强计算机辅助设计和管理技术的应用
随着当前计算机技术的不断发展，在船舶设计中也有着较大的改变，其中主要在协同仿真上面，该技术的成功应用使得船舶的设计、生产制造变得更加的具有保障，各方面的性能都得到了较大的改善。但是从当前的许多船舶设计院使用现状来看，在设计的过程中对于船舶设计的各类型软件和硬件的应用还不是十分的完善，技术也不是十分的成熟，对船舶仿真模型设计带来较大的困扰。船舶的仿真模型设计对于船舶的设计制造有着较强的作用，要想在现实的设计过程中真正实现并行系统设计，就必须加强对一系列的计算机辅助设计技术的重视，使得在设计的过程中能够充分的将这些技术利用起来。
计算机数据的管理技术也是并行协同设计理念下船舶设计中的一项重要技术，加强对其的研究和应用能够对整个船舶设计的流程起到优化的作用。船舶的设计通常都较为复杂，其中涉及到的零部件也较多，对于这些零部件的信息也是处于一种零散的状态，如果某个零部件的信息出现错误，将会影响到整个船舶设计发生相应的变化。因此，为了能够保证在船舶设计的过程中对这些数据进行充分的应用，保证生产设计数据的准确性，在现代的科学技术环境下，可以建立起一套支持设计、生产、管理信息一体化的并行协同设计平台。在此设计平台之中，不管是生产企业还是设计单位都可以通过互联网络进行实时的交流和探讨，对于各个零件的设计带来的帮助非常大，将整个设计的过程有效的结合起来，使得生产制造企业和设计院在进行设计的时候能够更加的科学合理。同时，对于所有的设计数据村能够更好的存储和整理，提高设计效率。
3 结束语
综上所述，在船舶设计之中采用并行协同设计理念对于提升船舶的设计效率有着非常大的帮助，在当前许多的国家之中已经得到了实践的证明。但是为了更好的实现并行协同设计，应当加强计算机辅助技术的应用，建立专门的管理技术平台，在此情况下才能够让并行协同设计理念的船舶设计流程进行优化，让船舶设计能够更加的科学合理，提升船舶生产制造的质量。
参考文献：
[1]陈启涛，金钜峰，王聿.基于并行协同设计理念的船舶设计流程优化[J].船舶标准化与质量，2014（04）：21-27+16.
[2]胡诚程，马晓平，张磊.基于并行工程的船舶设计流程研究[J].造船技术，2015（03）：28-30+42.
[3]曲鹏翔.船舶产品并行协同设计计划管理系统研究[D].江苏科技大学，2010.
[4]贺泽.船舶协同设计及智力资源配置方法研究[D].哈尔滨工程大学，2006.
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。
