王良武，王泉斌

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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基于多學(xué)科集成的艦船冷藏系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊開發(fā)

王良武，王泉斌

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

摘要：考慮到傳統(tǒng)的各系統(tǒng)獨(dú)立、串行的設(shè)計(jì)模式難以獲得全局優(yōu)化，且設(shè)計(jì)周期冗長，為此引入多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)(MOD)方法對艦船輔助系統(tǒng)與其他學(xué)科之間的相互作用關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。以冷藏系統(tǒng)為例，介紹艦船輔助系統(tǒng)MOD的系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算、設(shè)備選型的邏輯關(guān)系，利用Visual Basic程序語言，將MOD的迭代過程程序化，從而提高設(shè)計(jì)效率，為艦船總體學(xué)科綜合集成設(shè)計(jì)相關(guān)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)提供借鑒與支持。

關(guān)鍵詞：艦船；多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)；冷藏系統(tǒng)；軟件開發(fā)

由于艦船輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往是根據(jù)艦船總體設(shè)計(jì)需求進(jìn)行保障配備，而目前艦船總體的設(shè)計(jì)大多采用母型改造的方法，是一種反復(fù)循環(huán)、螺旋式前進(jìn)的過程。每一次循環(huán)都需要做大量的協(xié)調(diào)工作，這些協(xié)調(diào)工作主要是依據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)、直覺或者有限的分析和試驗(yàn)決定的。并且這種以經(jīng)典設(shè)計(jì)為主導(dǎo)設(shè)計(jì)思想的艦船設(shè)計(jì)與優(yōu)化問題是以順序方式處理的，前面的優(yōu)化結(jié)果將構(gòu)成后續(xù)優(yōu)化問題的一種約束，這將導(dǎo)致最后一個(gè)優(yōu)化問題實(shí)現(xiàn)的可能性就很小。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)并沒有充分考慮系統(tǒng)之間存在著的相互作用關(guān)系，所以傳統(tǒng)的艦船輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化往往需要進(jìn)行大量的協(xié)調(diào)工作，耗時(shí)耗力且最終得到的并非全局最優(yōu)解。因此，為改變這種系統(tǒng)獨(dú)立、串行設(shè)計(jì)的狀況，有必要引入多學(xué)科綜合集成設(shè)計(jì)方法，對艦船輔助系統(tǒng)與其他學(xué)科之間的相互作用關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而有效控制設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、節(jié)約設(shè)計(jì)成本[1-2]。

1多學(xué)科綜合集成設(shè)計(jì)平臺(tái)簡介

實(shí)際工作中所遇到的大多數(shù)優(yōu)化問題都會(huì)涉及到同時(shí)優(yōu)化多個(gè)具有不同量綱并且往往是相互競爭的目標(biāo)函數(shù)。帶有m個(gè)目標(biāo)函數(shù)的MOP的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下[3-4]。

艦艇多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)基于艦艇設(shè)計(jì)中的多學(xué)科、多目標(biāo)、多特性，將MDO中的多種理論和方法貫穿于艦艇設(shè)計(jì)中，面向艦艇各個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜耦合關(guān)系，而追求綜合平衡過的可行解和較優(yōu)解，敏捷、高效地得到優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)方案。

目前我國在艦船研制領(lǐng)域?qū)Υ偷膬?yōu)化主要采用單學(xué)科或單目標(biāo)的優(yōu)化方法，對各學(xué)科的考慮非常不均衡，在確定方案時(shí)常根據(jù)設(shè)計(jì)的需要以追求單個(gè)性能指標(biāo)最優(yōu)為主，而其他的性能指標(biāo)作為約束條件，這種方式不能有效綜合集成各學(xué)科進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，因此無法獲得整體優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

為此，在艦船設(shè)計(jì)過程中引入基于并行設(shè)計(jì)理念上的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化理論MDO時(shí)，需要各系統(tǒng)形成設(shè)計(jì)輸入輸出間相互約束和優(yōu)化迭代的功能模塊，其中艦船總體設(shè)計(jì)的重要系統(tǒng)之一，在多學(xué)科集成設(shè)計(jì)平臺(tái)中囊括了空調(diào)通風(fēng)模塊、冷藏冷凍模塊、艦船保障人員及構(gòu)成模塊等主要影響因素，分析探討其與各學(xué)科之間的相互作用關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上建立艦船輔助系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化模型框架[5-6]。

2冷藏冷凍模塊分析

2.1系統(tǒng)組成及功能

艦船食品冷藏系統(tǒng)用于貯存食品，使冷庫能維持在設(shè)計(jì)庫溫范圍內(nèi)，防止食品腐爛及變質(zhì)。系統(tǒng)的主要組成包括冷藏機(jī)組、冷風(fēng)機(jī)、保鮮裝置、冷卻水泵、閥板、管路及閥件等。

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)GJB4000-2000，食品冷藏系統(tǒng)冷庫的溫濕度按表1選取[7-8]。

表1　食品冷藏系統(tǒng)冷庫設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3模塊接口數(shù)據(jù)分析

影響食品冷藏系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)的主要因素有艦船自給力時(shí)間、艦上人員編制數(shù)量、冷庫庫容(面積)及其布置、環(huán)境溫濕度、冷藏機(jī)組及冷風(fēng)機(jī)型號參數(shù)等，其接口數(shù)據(jù)如下。

1)根據(jù)艦船自給力時(shí)間和艦上人員編制數(shù)量，計(jì)算確定食品裝載量及其所需的冷庫庫容(由總體提供)。

2)根據(jù)冷庫庫容(面積)及其布置、環(huán)境溫濕度，計(jì)算確定冷庫滲入熱。

3)根據(jù)食品裝載量及環(huán)境溫濕度，計(jì)算確定食品裝載的貨物熱。

4)根據(jù)冷庫滲入熱、食品裝載貨物熱，再加上冷庫開門操作熱、風(fēng)機(jī)熱等熱量，計(jì)算確定食品冷藏系統(tǒng)的總熱負(fù)荷。

5)根據(jù)冷庫總熱負(fù)荷，計(jì)算確定冷藏系統(tǒng)的制冷量需求，對冷藏機(jī)組與冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行配置選型。

6)對冷庫在冷卻工況和維持工況下的冷卻、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算校核。如不符合要求，則重新對冷藏機(jī)組和冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行配置選型。

3軟件開發(fā)

3.1軟件模型

3.1.1熱負(fù)荷

1)艙室滲入熱Q1及滲入熱QF。

(1)

式中：K——傳熱系數(shù)，kJ/(m2·℃·h)；

F——傳熱面積，m2；

Δt——庫內(nèi)外溫差，℃。

2)貨物熱Q2。

冰點(diǎn)以上貨總熱量

Q′=WC(t1-t2)

冰點(diǎn)以下貨總熱量

高溫庫貨物熱

Q2=Q′/Z+We

低溫庫貨物熱

(2)

式中：W——進(jìn)貨量，kg；

C——貨物比熱容，取C=0.9 kJ/(kg·℃)；

t1——進(jìn)貨溫度，取t1=30 ℃ ；

t2——庫溫，取t2=2 ℃；

i1——進(jìn)貨含熱量，取i1=61.5 kJ/kg；

Z——完全冷卻時(shí)間，取Z=48 h；

e——呼吸熱，取e=0.12 kJ/(kg·h)。

3)開門操作熱Q3。

(3)

式中：q1——換氣熱，kJ/h，q1=VaγaΔia；

q2——人體熱，kJ/h；

q3——照明熱，kJ/h，q3=0.86ND；

其中：Va——開門換氣量，m3/h；

γaΔia——空氣的冷卻熱量，kJ/m3；

ND——電燈的裝接功率，W。

改革開放40年，是中國共產(chǎn)黨領(lǐng)導(dǎo)億萬人民艱辛進(jìn)行偉大實(shí)踐的40年。其歷史成就、歷史功勛、歷史價(jià)值、歷史意義，不僅得到了中國人民的認(rèn)可，而且得到了全世界廣大人民的普遍認(rèn)可。經(jīng)過了40年，我們每一個(gè)中國人，對自己的生活與事業(yè)，對黨、國家、民族的進(jìn)步與未來，更加充滿了必勝的信心！

4)風(fēng)機(jī)熱Q4。

(4)

式中：NF——風(fēng)機(jī)功率，kW；

η——電機(jī)效率。

5)通風(fēng)換氣熱Q5。

Q5=0.01VρnCBΔt

(5)

式中：V——庫容，m3；

ρ——空氣密度，ρ=1.293 kg/m3；

n——每天換氣次數(shù)(蔬菜庫5次，魚、肉庫2次)；

CB——外部空氣熱容量，CB=1 kJ/(kg·℃)；

Δt——外部空氣與庫內(nèi)溫差，℃。

6)冷庫熱負(fù)荷計(jì)算匯總。

冷卻工況熱負(fù)荷：

(6)

維持工況熱負(fù)荷：

(7)

3.1.2冷庫制冷量計(jì)算

冷卻工況制冷量：

QC=1.15QA

(8)

維持工況制冷量：

(9)

3.1.3冷庫冷卻工況冷卻時(shí)間校核。

1)冷庫可利用的制冷量。

(10)

式中：QB——冷庫可利用的制冷機(jī)組冷量，kW；

QC——制冷壓縮機(jī)制冷量，kW；

ηE——可利用系數(shù)0.96；

裕度系數(shù)取1.15。

2)高溫庫完全冷卻時(shí)間。

(11)

3)低溫庫完全冷卻時(shí)間。

(12)

3.1.4冷庫維持工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間校核

冷庫維持運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為

(13)

3.1.5冷藏機(jī)組及冷風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)庫

結(jié)合目前艦船食品冷藏系統(tǒng)常用的冷藏機(jī)組及冷風(fēng)機(jī)類型，建立冷藏機(jī)組及冷風(fēng)機(jī)選型數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)包括設(shè)備型號、制冷量、風(fēng)量、總功率、外形尺寸、重量、冷卻需求等，將其制作為Excel數(shù)據(jù)表。

編碼讀取Excel數(shù)據(jù)表功能語句，可通過軟件讀取Excel數(shù)據(jù)庫表格的形式，將數(shù)據(jù)讀取至軟件，并通過編碼將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換另存為二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以免認(rèn)為操作失誤造成數(shù)據(jù)丟失或更改，并有利于后續(xù)對Excel數(shù)據(jù)的補(bǔ)充、修改以及二進(jìn)制數(shù)據(jù)庫的更新，其中讀取、另存數(shù)據(jù)代碼如下(冷藏機(jī)組數(shù)據(jù)庫打開、存儲(chǔ))：

Public Sub Read_LCDatas()

Dim i As Long

Dim j As Long

Dim OpenFileName As String

Dim CancerOrNot As Boolean

Dim TempName As String * 10

Dim tempRows As Long

Dim tempCols As Long

Dim tempData() As String * 30

On Error GoTo ErrHandOne

OpenFileName=App.Path+" LengCangDatas.in"

CancerOrNot = False

If OpenFileName = "" Then Exit Sub

Open OpenFileName For Binary As #1

Get #1, , TempName

Get #1, , tempRows

Get #1, , tempCols

ReDim tempData(tempRows, tempCols)

ReDim LCDatas(tempRows, tempCols)

For i = 1 To tempRows

For j = 1 To tempCols - 1

Get #1, , tempData(i, j)

Next j

Next i

Close #1

LCDataRows = tempRows

LCDataCols = tempCols

For i = 1 To tempRows

For j = 1 To tempCols

LCDatas(i, j) = TrimMYM(tempData(i, j))

Next j

Next i

ErrHandOne:

End Sub

3.1.6冷藏機(jī)組及冷風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)計(jì)算得出的冷庫制冷量需求、冷庫類型和冷藏設(shè)備數(shù)據(jù)庫進(jìn)行冷藏機(jī)組和冷風(fēng)機(jī)的選型配置，并使其滿足：

QF≥QP≥QC

(14)

m——冷風(fēng)機(jī)數(shù)量；

n——冷藏機(jī)組數(shù)量；

fi——單臺(tái)冷風(fēng)機(jī)制冷量，kW；

pi——單臺(tái)冷藏機(jī)組制冷量，kW。

3.2軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)蔬菜庫、魚肉庫計(jì)算所需參數(shù)，設(shè)定冷藏模塊所需庫容面積、貨物裝載量等由總體提供的輸入，并向總體布置、重量分析、電力需求提供設(shè)備配置及外形、重量、電力負(fù)荷等輸出。冷庫(蔬菜庫、魚肉庫)在軟件中的邏輯流程見圖1，主要是通過計(jì)算獲取冷庫制冷量需求，利用軟件在數(shù)據(jù)庫中的自動(dòng)篩選完成設(shè)備配置。

3.3軟件實(shí)現(xiàn)及計(jì)算實(shí)例

圖1　冷庫冷藏模型邏輯流程

軟件采用面向?qū)ο缶幊陶Z言Visual Basic，根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行程序編制分為蔬菜庫模塊和魚肉庫模塊兩部分，可通過單擊窗口底部的“蔬菜庫模塊”和“魚肉庫模塊”進(jìn)行切換，見圖2、3。其中每個(gè)模塊分為左右兩部分，分別為參數(shù)計(jì)算、冷藏機(jī)組型號和冷風(fēng)機(jī)型號。通過輸入冷庫相關(guān)參數(shù)，計(jì)算得出的冷庫制冷量需求、根據(jù)冷庫類型和冷藏設(shè)備數(shù)據(jù)庫進(jìn)行冷藏機(jī)組和冷風(fēng)機(jī)的選型配置[9]。

圖2　冷藏模塊

圖3　冷凍模塊

以某船蔬菜庫為例，艙室面積48.8 m2、蔬菜庫裝載量6 000 kg、蔬菜庫凈容積為94 m3、傳熱系數(shù)為0.2、溫度差為38 ℃，計(jì)算得蔬菜庫滲入熱1 933.2 kJ/h、蔬菜庫貨物熱16 137.9 kJ/h、蔬菜庫開門熱為3 943.2 kJ/h、蔬菜庫風(fēng)機(jī)熱為806.9 kJ/h，程序自動(dòng)選用冷藏機(jī)組為JZL(S)-14和冷風(fēng)機(jī)為HVST711，提供兩型設(shè)備的制冷量、風(fēng)量、重量等以及冷卻水、電力負(fù)荷需求(見表2)，將其作為多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化計(jì)算的設(shè)計(jì)輸入，以便迭代運(yùn)行。

表2　軟件計(jì)算選型結(jié)果輸出

3結(jié)束語

通過對學(xué)科綜合集成設(shè)計(jì)理念的介紹，將艦船總體設(shè)計(jì)中的輔助系統(tǒng)納入多學(xué)科參數(shù)化迭代設(shè)計(jì)之中。以冷藏系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)為例，介紹了艦船冷藏系統(tǒng)中蔬菜庫、魚肉庫設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算方法和設(shè)備選型流程，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備參數(shù)構(gòu)建冷藏設(shè)計(jì)模塊所需數(shù)據(jù)庫，利用Visual Basic程序語言，將設(shè)計(jì)過程中的計(jì)算和設(shè)備帥選的過程進(jìn)行程序化，并通過實(shí)際計(jì)算驗(yàn)證軟件在系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的正確性、方便性，并可實(shí)現(xiàn)向總體學(xué)科綜合集成設(shè)計(jì)平臺(tái)提供輸出的方式完成多學(xué)科迭代，從而所見設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率。

參考文獻(xiàn)

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Software Development of Ship's Refrigeration System Based on Multidisciplinary Design Optimization

WANG Liang-wu, WANG Quan-bin

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The traditional self-governed and series-wound design mode can not obtain overall optimization, which results in interminable periods. So the multidisciplinary design optimization (MOD) is introduced to optimize the relationship between the ship's assistant system and other systems. Taking the refrigeration system as an example, the parameter calculation and equipment choice of ship's assistant system MOD is introduced. The MOD is program by Visual Basic, which improves design efficiency. That will be used for reference to the correlative system software development of ship overall design.

Key words:ship; multidisciplinary design optimization; refrigeration system; software development.

中圖分類號：U664.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0090-05

第一作者簡介：王良武(1985-)，男，碩士，工程師E-mail:wxhylq@163.com

基金項(xiàng)目：國家部委基金資助項(xiàng)目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.024

修回日期：2016-01-21

研究方向:艦船系統(tǒng)工程的研究和設(shè)計(jì)