基于知識(shí)工程的集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助船舶設(shè)計(jì)在船舶設(shè)計(jì)中起到了越來(lái)越重要的作用，計(jì)算機(jī)輔助船舶設(shè)計(jì)可以大大地提高船舶設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，并且能夠保證設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。知識(shí)工程作為人工智能最為活躍的分支之一，已經(jīng)在模具、汽車制造等行業(yè)取得了巨大的成功，而其在計(jì)算機(jī)輔助船舶設(shè)計(jì)中的發(fā)展應(yīng)用也處于起步階段。本文將知識(shí)工程應(yīng)用于集裝箱船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中。船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)多學(xué)科、多目標(biāo)和多約束的復(fù)雜課題，主要依賴資深專家的經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)

2、規(guī)范等關(guān)鍵知識(shí)，通過(guò)對(duì)專家經(jīng)驗(yàn)的有效繼承和對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范的準(zhǔn)確實(shí)施，知識(shí)工程大大提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度和效率。本文主要進(jìn)行的工作分為以下部分：
　　(1)基于知識(shí)工程和大型船舶設(shè)計(jì)軟件Tribon對(duì)集裝箱船典型結(jié)構(gòu)，例如典型肋板開(kāi)孔和中橫剖面進(jìn)行了設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)程序開(kāi)發(fā)，且能自動(dòng)生成檢驗(yàn)報(bào)告，且通過(guò)程序接口方便地進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，使得設(shè)計(jì)結(jié)果能夠在Tribon中進(jìn)行3D展示，便利了初始設(shè)計(jì)的推進(jìn)。
　　(2)通過(guò)原創(chuàng)程序開(kāi)發(fā)，并且構(gòu)建設(shè)

3、計(jì)規(guī)范庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)以及母型船數(shù)據(jù)庫(kù)等多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了集裝箱船基于母型船的艙段結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。該方法得到了兩種設(shè)計(jì)方案：規(guī)范設(shè)計(jì)法和插值設(shè)計(jì)法。二者均自動(dòng)滿足 CCS規(guī)范要求并符合真實(shí)設(shè)計(jì)規(guī)則，并且可以方便地轉(zhuǎn)換為Tribon模型。
　　(3)通過(guò)接口程序自動(dòng)生成有限元模型，并依據(jù)規(guī)范定義計(jì)算工況，最終完成了直接強(qiáng)度分析。通過(guò)屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度分析表明，兩種設(shè)計(jì)方案均為可行解，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路的正確性，兩種設(shè)計(jì)方案體現(xiàn)了不同的側(cè)重點(diǎn)和設(shè)

4、計(jì)理念。并且在直接強(qiáng)度約束下，通過(guò)多島遺傳算法對(duì)結(jié)構(gòu)重量進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)有效的將原創(chuàng)程序的設(shè)計(jì)結(jié)果、Tribon以及MSC.Patran等進(jìn)行數(shù)據(jù)溝通，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、建模、分析等流程的無(wú)縫連接，省去了重復(fù)建模的麻煩，從而使得設(shè)計(jì)流程得以優(yōu)化。
　　(4)根據(jù)實(shí)際航行中，船舶結(jié)構(gòu)所遭受的腐蝕折損，對(duì)通過(guò)靈敏度分析得到的多個(gè)設(shè)計(jì)變量（板厚）施加單向高斯分布模型。借助Monte Carlo模擬方法對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了基于直接強(qiáng)度的可靠性分

5、析，并指出了關(guān)鍵受腐蝕構(gòu)件及其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)，以及規(guī)范設(shè)計(jì)法和插值設(shè)計(jì)法兩種設(shè)計(jì)方案的不同。
　　(5)基于高斯過(guò)程（GP）的假設(shè)推導(dǎo)公式，構(gòu)建有限元分析的代理模型，對(duì)腐蝕折損下船舶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度響應(yīng)進(jìn)行模擬，并且通過(guò)原創(chuàng)的多島遺傳算法程序，結(jié)合多模態(tài)自適應(yīng)要點(diǎn)抽樣法，對(duì)規(guī)范設(shè)計(jì)方案和插值設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了考慮腐蝕影響下的結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且比較了兩種方案的差異。
　　(6)結(jié)合Pareto front概念，并以GP作

6、為FEM的代理模型，通過(guò)原創(chuàng)的多目標(biāo)多島遺傳算法程序?qū)b箱船貨艙段縱向結(jié)構(gòu)進(jìn)行了布局優(yōu)化，力求降低貨艙重量和外表面積，并且以直接強(qiáng)度為約束。最終得到一系列非劣解，根據(jù)與理想解的最小距離法確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。此外，對(duì)水平集方法進(jìn)行了算法改進(jìn)，得到對(duì)于設(shè)計(jì)步長(zhǎng)無(wú)限制的隱式算法且通過(guò)一系列改進(jìn)和簡(jiǎn)化大大降低了計(jì)算量，并將其應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)典型肘板的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮兩種不同的邊界條件，分別得到了相應(yīng)的形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化方案。
　　(7

7、)研究了基于譜分析的疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法，將其應(yīng)用于集裝箱船艙口圍面板相交處的結(jié)構(gòu)疲勞損傷計(jì)算中，結(jié)合了多種修正因子進(jìn)行了比較說(shuō)明，并與IACS R56推薦的簡(jiǎn)化方法進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了該方法的可行性和正確性。此外，本文還指出了長(zhǎng)峰波和短峰波的不同，證實(shí)了翹曲應(yīng)力引入的必要性，并研究了不同操船方式、不同入射角度以及不同波高下結(jié)構(gòu)的疲勞累積損傷。
　　本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為：
　　(1)成功將知識(shí)工程原理應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并獲得兩種可行解

8、，即規(guī)范法和插值法，大大減少了設(shè)計(jì)工作的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、建模與分析的一體化。
　　(2)根據(jù)高斯過(guò)程的假設(shè)，獲得了不受學(xué)科限制的多變量函數(shù)的代理模型，并結(jié)合多模態(tài)自適應(yīng)要點(diǎn)抽樣法，極大提高了可靠度計(jì)算的精度和效率。
　　(3)基于隨機(jī)權(quán)重法及受啟發(fā)于Pareto陣面的劣解剔除方法，自主開(kāi)發(fā)了針對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的多島遺傳算法程序，通過(guò)將優(yōu)化設(shè)計(jì)中的解逐漸推送到代表約束條件的Pareto陣面，得到一系列非劣解。
　　(4

9、)對(duì)基于水平集的拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行研究，通過(guò)采用Delta函數(shù)、邊界影響傳遞函數(shù)以及相應(yīng)的截?cái)嗵幚淼葘?duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)，并通過(guò)約束條件對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行修正，最終得到了一種隱式算法，從而降低了優(yōu)化過(guò)程中對(duì)步長(zhǎng)的限制，保證了解的收斂性，且消除了最終結(jié)果對(duì)初始解的依賴。
　　(5)對(duì)基于譜的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法進(jìn)行研究，對(duì)扭轉(zhuǎn)所引起的翹曲應(yīng)力對(duì)于疲勞的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在集裝箱船中翹曲應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響是不容忽視的,文中還指出不同船舶