船舶压载水置换优化设计方法研究

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船舶压载水管理是IMO公约强制性要求,其方法的选择是船舶设计中的关键问题之一。若采用顺序法这种海上压载水置换方法,置换方案的设计至关重要,它不仅直接决定置换时的船舶安全性,而且影响着船舶的完整稳性、结构强度、建造和营运费用等诸多方面。本文研究的压载水置换设计问题专指顺序法置换。顺序法又被称为“排空注入法”,是指先将压载舱内的水排出,再注入洁净的压载水的过程。顺序法压载水置换方案的求解,属于带有多个非线性约束的多目标组合优化问题,当变量组合数目较多时,存在组合爆炸,并具有计算复杂性。目前置换方案的求解,多采用人工经验法,不仅设计速度慢、周期长和反复修改的工作量大,而且不能保证能求解出可行方案,对于变量组合数目较多,其中存在的可行方案数目也较多的问题,不易求得其中的优秀解。落后的设计方法阻碍了顺序法这一快速、高效和经济性较好的置换方法的推广应用。因此,针对这一问题,论文从设计出新的置换策略和新的置换方案求解方法入手,针对不同的船型,研究有针对性的置换方案求解方法。研究目标为:(1)对现有船舶,实现最优置换方案的自动、快速和高效的求解;(2)对新设计船舶,希望能找到可提高置换时船舶性能(指浮态、总纵强度和驾驶室可视范围等,以下简称为“置换性能”)的设计方法。主要研究内容及创新点为:(1)针对压载水舱数目较多、每个舱内水量占总压载水量比例较小的船型(如散货船等),其变量组合数目太多,采用现有方法不易求得可行解和优秀解的难题,提出了一种新的多舱同时对称置换策略与多目标优化算法相结合的求解方法。综合考虑压载水置换过程中的多种安全指标要求,建立了可变舱数多舱同时对称置换问题的多目标优化数学模型,并引入基于Pareto解集的多目标遗传算法NSGA-Ⅱ进行求解。在算法中,采用基于Deb非支配排序的Pareto解集多目标优化策略,避免了传统多目标罚函数法将多目标转化为单目标时权重值和归一化系数值难以设定的问题。以一艘176,000DWT双壳散货船的压载水置换问题为例进行数值实验,分别对两对舱、三对舱、和四对舱同时置换策略进行了研究与比较。数值实验的结果证明了该方法具有快速性、精确性、有效性和工程实用价值。(2)针对压载水舱数目较少、每个舱内水量占总压载水量比例较大的船型(如油船等),采用传统的人工经验法难以求得可行解,采用多舱同时对称置换策略也不太适用的难题,提出了单舱对角线置换策略与多目标优化算法相结合的设计方法。此方法不仅可以求得现有方法求不到的可行解,而且实现了优化解的自动快速求解。本文建立了对角线置换的多目标优化数学模型,研究了求解该模型的多目标遗传算法。以一艘50,000DWT双壳油船的置换设计为例进行了数值实验。实验结果证明,采用该方法可以求得现有方法求不到的可行解,由此可避免使用溢流法和稀释法,从而可提高置换速度、降低建造和营运成本。(3)针对很多现有船舶不存在顺序法置换可行方案的问题,本文提出了一种基于最佳压载水置换性能的主船体水密分隔布置方法。好的主船体分舱布置不仅可以提高船舶的置换性能,还可以使压载水置换对结构强度的要求最小,从而有可能减小结构尺寸、降低结构重量。采用本文方法,可以在分舱布置阶段就解决置换方案求解难的问题,不仅可以避免设计反复、减少设计人员的工作量,还可以使设计出的船舶避免使用溢流法和稀释法,从而可提高置换速度、降低建造和营运成本。主船体内部的水密分割布置设计属于带有多种非线性约束的多目标组合优化问题,本文以压载水纵向舱长为设计变量,以使置换性能最佳为目标、以置换满足安全要求为约束,建立了数学优化模型,研究了求解此数学模型的多目标遗传算法。并以一艘50,000DWT双壳油船的主船体分舱设计为例进行了数值实验。实验结果表明,采用该方法可以快速有效地提供一组具有最佳置换性能的分舱方案供设计人员参考。(4)提出了基于AutoCAD软件支持的压载水置换优化设计系统总体框架,并对其中若干关键实现技术和基本设计思想进行了研究。在充分分析压载水置换优化设计系统的功能需求的基础上,提出了系统总体处理流程,构建了系统内部结构框架,并分析了数据流传输等问题。本文以船舶顺序法压载水置换设计为研究背景,提出了针对不同类型的船舶,采取不同的置换策略,并结合多目标优化算法来求解最优置换方案的设计方法,以及基于置换性能的主船体分舱多目标优化设计方法,期望该研究有助于压载水置换设计理论方法的研究进展,有助于船舶压载水顺序法置换优化设计实际应用的进展。
摘要第4-6页
Abstract第6-7页
1 绪论第11-16页
    1.1 工程背景和问题提出第11-12页
    1.2 问题求解策略第12-14页
    1.3 论文研究内容和组织结构第14-16页
        1.3.1 论文研究内容第14-15页
        1.3.2 论文组织结构第15-16页
2 国内外研究现状综述第16-37页
    2.1 压载水管理问题研究进展第16-26页
        2.1.1 实施压载水管理的必要性第16-20页
        2.1.2 各种压载水管理方法及其特点第20-26页
    2.2 顺序法研究进展及存在问题第26-29页
    2.3 船舶分舱优化问题研究现状及进展第29-30页
    2.4 多目标优化问题求解方法概述第30-36页
        2.4.1 基本概念第30-31页
        2.4.2 多目标进化算法研究进展第31-34页
        2.4.3 多目标优化问题的约束处理方法第34-36页
    2.5 本章小结第36-37页
3 船舶压载水多舱同时对称置换组合优化设计第37-57页
    3.1 问题的特点与规模第37页
    3.2 问题的求解假设与安全衡准第37-38页
    3.3 问题的数学求解优化模型第38-40页
    3.4 问题的多目标遗传算法第40-46页
        3.4.1 染色体编码机制第40页
        3.4.2 个体间的约束支配准则第40-41页
        3.4.3 个体间的非支配排序第41页
        3.4.4 个体适应度赋值算子第41-42页
        3.4.5 非等位两点交叉算子第42页
        3.4.6 算法中的其它算子第42-43页
        3.4.7 算法流程第43-46页
    3.5 数值实验第46-56页
        3.5.1 实验实例第46页
        3.5.2 实验目的第46页
        3.5.3 实验设置第46-48页
        3.5.4 实验结果与讨论第48-55页
        3.5.5 实验结论第55-56页
    3.6 本章小结第56-57页
4 船舶压载水对角线置换组合优化设计第57-72页
    4.1 问题的特点与规模第57-58页
    4.2 问题的安全衡准要求第58-59页
    4.3 问题的数学优化模型第59-60页
    4.4 问题的多目标遗传算法第60-63页
        4.4.1 染色体编码机制第61页
        4.4.2 个体间支配关系与群体排序规则第61-62页
        4.4.3 一种特殊的"左右分步非等位两点交叉算子"第62页
        4.4.4 其它操作算子第62页
        4.4.5 算法流程第62-63页
    4.5 数值实验第63-71页
        4.5.1 实验实例第63-65页
        4.5.2 实验目的第65页
        4.5.3 实验设置第65页
        4.5.4 实验结果与讨论第65-70页
        4.5.5 实验结论第70-71页
    4.6 本章小结第71-72页
5 基于置换性能的船体分舱优化设计第72-89页
    5.1 问题的数学优化模型第72-75页
    5.2 问题的特点与规模第75页
    5.3 问题的多目标遗传算法第75-79页
        5.3.1 染色体编码机制第75页
        5.3.2 个体间的排序机制与个体适应度赋值第75-76页
        5.3.3 差量分摊等位交叉算子第76-77页
        5.3.4 变异算子第77页
        5.3.5 其它算子第77页
        5.3.6 算法流程第77-79页
    5.4 数值实验第79-88页
        5.4.1 实验实例第79-82页
        5.4.2 实验目的第82-83页
        5.4.3 实验设置第83-85页
        5.4.4 实验结果与讨论第85-87页
        5.4.5 实验结论第87-88页
    5.5 本章小结第88-89页
6 压载水顺序置换优化设计决策系统关键技术第89-106页
    6.1 置换优化设计决策系统框架结构第89-91页
        6.1.1 技术与功能定位第89-90页
        6.1.2 系统基本功能模块第90-91页
    6.2 置换优化设计系统功能实现第91-105页
        6.2.1 船体性能计算方法第91-103页
        6.2.2 置换优化模型及求解第103-104页
        6.2.3 置换优化系统的数据流传输第104-105页
    6.3 小结第105-106页
结论第106-108页
展望第108-109页
参考文献第109-117页
附录A 缩略语表第117-119页
攻读博士学位期间发表学术论文情况第119-120页
硕博直读期间参与的科研项目第120-122页
创新点摘要第122-123页
致谢第123-125页
作者简介第125-126页
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