張庭亞

【摘要】船舶設(shè)計(jì)是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜的工程，其周期較長，并且對(duì)技術(shù)精度的要求也是比較高的。對(duì)其的設(shè)計(jì)牽扯到的學(xué)科知識(shí)的范圍也是比較廣的，包括水動(dòng)力與結(jié)構(gòu)學(xué)等。且當(dāng)前隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的運(yùn)用程度不斷加深，船舶設(shè)計(jì)也正采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行高精度的模型進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。但是，相比于其他學(xué)科而言，船舶科學(xué)的發(fā)展是比較緩慢的，雖然傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，貫穿了串行設(shè)計(jì)的方法，其為船舶設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展做出了較大的貢獻(xiàn)，但是也存在一定的問題的，比如無法估計(jì)各學(xué)科之間的耦合效應(yīng)以及協(xié)同效應(yīng)，又比如無法克服低效與耗時(shí)的不足。鑒于此，本文就針對(duì)船舶多學(xué)科的設(shè)計(jì)優(yōu)化建模進(jìn)行了研究，并得出了自己的一些見解和建議。

【關(guān)鍵詞】船舶設(shè)計(jì)；模型；多學(xué)科；研究

全球制造業(yè)隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，對(duì)我國的國民經(jīng)濟(jì)也得到了迅速的提升與發(fā)展。因此我國的造船業(yè)也迎來了比較適宜的發(fā)展契機(jī)，但是我國雖然是造船大國，但是卻進(jìn)入不了造船強(qiáng)國的行列。所以再這種背景之下，我國的造船工業(yè)急需創(chuàng)新與發(fā)展，但是面對(duì)技術(shù)密度高且周期又長的船舶設(shè)計(jì)工程，學(xué)習(xí)與借鑒分析國際上的先進(jìn)方法與理論，深入了解其特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，無論是有效控制周期、還是節(jié)省成本或提高設(shè)計(jì)質(zhì)量而言，都是相關(guān)行業(yè)人員非常重要的任務(wù)。

一、船舶多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

（一）問題具有綜合性特點(diǎn)

船舶本身就是一個(gè)復(fù)雜的綜合物體，所以對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)其方案也必定擁有較為復(fù)雜的綜合性特點(diǎn)，這些問題包含了流體靜力學(xué)、水動(dòng)力以及結(jié)構(gòu)等多方面的知識(shí)。只有把這些學(xué)科高度優(yōu)化與融合在一起，才能完整的設(shè)計(jì)船舶，因此，對(duì)于船舶的設(shè)計(jì)而言，其設(shè)計(jì)問題是具有綜合性的特點(diǎn)的。

（二）設(shè)計(jì)問題具有矛盾性特點(diǎn)

設(shè)計(jì)問題的矛盾主要存在于船舶的各項(xiàng)技術(shù)之間，這包括安全性與經(jīng)濟(jì)性特征。這就相當(dāng)于對(duì)船舶的設(shè)計(jì)設(shè)置了一個(gè)矛盾點(diǎn)。又比如，在排水量一定的情況下船舶的載重量與航速及航程之矛盾，阻力與效率之間的矛盾，船舶操縱的穩(wěn)定性與靈活性之間的矛盾等。因此在確定設(shè)計(jì)方案的時(shí)候，調(diào)整某一項(xiàng)設(shè)計(jì)因素，就會(huì)牽扯到別的因素，這就要做出合理的取舍，綜合與全局考慮，才能使得整個(gè)設(shè)計(jì)方案呈最優(yōu)化狀態(tài)。

（三）各學(xué)科關(guān)系之間具有復(fù)雜性特征

船舶設(shè)計(jì)牽扯到的學(xué)科是方方面面的，因此隨著設(shè)計(jì)者對(duì)船舶設(shè)計(jì)的不斷深入，矛盾就會(huì)下顯現(xiàn)，但是修改這些矛盾點(diǎn)，不是通過對(duì)某種學(xué)科的改變就能夠改變的，多學(xué)科之間有著復(fù)雜的聯(lián)系與分工，其耦合關(guān)系具有一定的復(fù)雜性特征。

二、船舶多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)建模分析

（一）設(shè)計(jì)初級(jí)階段引入MDO

船舶設(shè)計(jì)的過程是復(fù)雜的，是逐步進(jìn)行的，因此其設(shè)計(jì)過程也需要適應(yīng)一種方法。因?yàn)槠浒顺醪綐?gòu)想、初級(jí)設(shè)計(jì)與完善設(shè)計(jì)幾個(gè)方面，所以在不同的設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)知識(shí)和自由度也會(huì)呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。如下圖（1）所示：

船舶設(shè)計(jì)的不同階段對(duì)應(yīng)相應(yīng)的設(shè)計(jì)知識(shí)積設(shè)計(jì)自由度，設(shè)計(jì)階段越靠后需要的設(shè)計(jì)知識(shí)越多，而設(shè)計(jì)的自由度卻越低。由此也可以看出，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與概念以及相對(duì)應(yīng)的周期也是比較短的，因此其是不能獲得足夠的知識(shí)的，這樣一來就不利于設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行。因此為了獲得最優(yōu)的方案，就需要在設(shè)計(jì)初期考慮多學(xué)科因素，從船型、結(jié)構(gòu)與推薦等方面得出變量關(guān)系。

（二）船舶的總體設(shè)計(jì)及學(xué)科劃分析

總體設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常重要的工作，其綜合性強(qiáng)，設(shè)計(jì)面也比較廣，對(duì)船舶設(shè)計(jì)的總體質(zhì)量保障也是相當(dāng)重要的前提。一般來其包含了幾個(gè)方面：1、船型的特征與布置構(gòu)；2、尺度的考量與選擇；3、技術(shù)性能的分析與估算；4、其他猶如法律法規(guī)的問題。

這些內(nèi)容都是總體設(shè)計(jì)階段需要著重考慮的問題，需要綜合性考慮，且其中也包含了以下結(jié)果領(lǐng)域：船型、重量、船艙容量、速度與穩(wěn)定性、操縱的靈活性、結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)性等。因此對(duì)不同類型的船舶進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要選擇與其相適應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式與統(tǒng)計(jì)公式模型。

（三）重量學(xué)科的模型分析

重量模型分析主要是為了使船舶的浮力與重力達(dá)到一個(gè)平衡的標(biāo)準(zhǔn)，讓其準(zhǔn)確的漂浮在吃水線上面。因此，如果重量計(jì)算的誤差過大，船舶的下沉就會(huì)比較深，這樣就會(huì)影響船舶的使用性能。所以正確的設(shè)計(jì)中心的位置，確定浮性與穩(wěn)定性、耐波性與強(qiáng)度等因素。船舶的重心估算式如下：

（四）船艙容量學(xué)科分析

船舶的重量是基礎(chǔ)，但是船舶的容量（艙容）也是比較重要的一部分，這是使用面積，包含了甲板面積，是用來轉(zhuǎn)載貨物與油水的空間。其是一項(xiàng)重要的使用性能，因?yàn)橐坏┡撊莶粔?，就?huì)影響使用效果，反之又容易造成浪費(fèi)。因此在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)船舶的尺度，通過合理的重量與尺度比例計(jì)算出合理的容積，用以滿足船舶運(yùn)行的要求是非常具有必要性的。

（五）速度學(xué)科分析

快速性與經(jīng)濟(jì)性聯(lián)系非常大，其實(shí)根據(jù)在一定的基礎(chǔ)上，根據(jù)主機(jī)的功率來定的。而影響船舶航行速度的因素，無論是阻力還是排水量都需要科學(xué)的驗(yàn)證，船舶的總阻力取決于排水量、與尺度比等需要因素。另外，從推進(jìn)方面來看，主要是螺旋槳的推進(jìn)方式，螺旋槳的效率和符合系數(shù)有著直接的關(guān)聯(lián)。因此從設(shè)計(jì)的角度來說，解決這些問題，主要在于如何選擇適合的尺度由于主機(jī)功率，另外優(yōu)化船型減少阻力也需要考慮。

（六）穩(wěn)定學(xué)科分析

船舶的設(shè)計(jì)穩(wěn)定性分為兩部分，分別是初穩(wěn)性與大傾角穩(wěn)定性。其中影響因素包括船舶中心的高度，水線面系數(shù)以及型寬等。另外其還與干弦、上層建筑以及進(jìn)水口的位置及受風(fēng)面有著聯(lián)系。因此，出于安全考慮，需要確定適宜的初穩(wěn)性高下限值。初穩(wěn)性高的近似估算值公式如下：

（七）耐波性學(xué)科分析

船舶的耐波性的好與差直接關(guān)系到船舶的使用性能與安全性能，在如今其已近成為衡量船舶性能的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，通常在國際上也是通過耐波性來評(píng)判一艘船舶的質(zhì)量。耐波性的學(xué)科分析模型如下：

（八）操縱性學(xué)科分析

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，船型主要是根據(jù)尺度與快速性與穩(wěn)性等方面的要求來決定的，其甚少考慮操縱性的要求。但是這并不代表其不重要。它也包含了三項(xiàng)內(nèi)容：航向穩(wěn)定性、回轉(zhuǎn)性與轉(zhuǎn)首性。因此在船舶設(shè)計(jì)的初級(jí)階段，如果想使船舶具有最優(yōu)的操縱性能，就必須要建立，操縱指標(biāo)與其它參數(shù)之間的關(guān)系，航向穩(wěn)定性的公式如下：

回轉(zhuǎn)性的公式如下：

（九）經(jīng)濟(jì)學(xué)科分析

一搜船舶的設(shè)計(jì)必須要滿足多學(xué)科的共同需求，最大限度的使用。然而現(xiàn)在公認(rèn)的破壞船舶主要干擾因素是經(jīng)濟(jì)性。即在確定技術(shù)要素的同時(shí)，必須考慮經(jīng)濟(jì)性的因素。通俗來講就是，在保障船舶航行安全的狀態(tài)下，估算造價(jià)。整船估計(jì)具體公式如下：

經(jīng)濟(jì)學(xué)科分析模型如下：

三、結(jié)束語

船舶設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其周期長、學(xué)科多以及耦合關(guān)系復(fù)雜等，因此決定了學(xué)科分析需要采用精度更高的方法，然后利用響應(yīng)面近似模型技術(shù)來完成整個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)化過程。如今，多學(xué)科設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法已經(jīng)被飛機(jī)甚至是導(dǎo)彈行業(yè)所應(yīng)用，并且也取得了良好的設(shè)計(jì)結(jié)果。由此可以看得出來其是一項(xiàng)非?？茖W(xué)的、行之有效的方法。鑒于此，本文針對(duì)船舶多學(xué)科設(shè)計(jì)的優(yōu)化建模研究，只是對(duì)船舶總體多學(xué)科設(shè)計(jì)工作的一個(gè)開始，希望經(jīng)過船舶設(shè)計(jì)及制造業(yè)從業(yè)人員的不斷努力，我國的船舶設(shè)計(jì)水平能夠達(dá)到一個(gè)較高的水平，是我國快速邁向造船強(qiáng)國行列。

參考文獻(xiàn)

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