船舶优化设计范文
时间：2023-07-25 16:26:39
船舶优化设计范文第1篇
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）.
[2]俞铭华，谢祚水，吴剑国，窦培林，曹骥.船舶中剖面结构优化设计研究进展[J].华东船舶工业学院学报，2012（3）.
船舶优化设计范文第2篇
[关键词]船舶；螺旋桨；优化；设计
中图分类号：F407.474 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）15-0355-02
在船舶设计领域，针对船舶的稳性、快速性、操纵性及耐波性等分别具有一套理论完善、实用有效的设计方法。因此，随着航运业的高速发展，船舶的经济性、环保及安全性日益受到重视，对船舶的综合性能提出了更高的要求。螺旋桨作为主要的船舶推进装置，其综合性能直接影响着船舶的快速性、安全性与舒适性。同时，随着船舶向高速化、大型化发展，螺旋桨负荷日益加重，而丰满型船尾容易导致伴流场的不均匀程度增加，使得单纯考虑效率的螺旋桨设计方法无法满足现代螺旋桨的性能要求，必须发展新的设计方法，从推力、效率、空泡及激振等多方面对螺旋桨进行综合优化。
1 优化设计方法
1.1 优化问题
螺旋桨螺距与拱度的优化设计问题主要是在给定桨叶负荷的面分布形式时对螺距与拱度的配合进行优化设计。优化过程中，桨叶径向负荷的分布形式被指定的归一化形式限制，叶剖面采用 NACA a=0.8 拱弧线或其他形式，通过调整螺距与拱度的匹配，使桨叶负荷的弦向分布形式与给定形式的方差最小。采用升力面理论涡格法程序计算桨叶负荷及水动力，优化问题的提法如下：
其中：Γmn、Γ0mn分别为桨叶附着涡强度的计算值和要求值，依次根据计算得到的负荷弦向分布及给定的负荷弦向分布形式来确定。M、N 分别为桨叶径向和弦向涡格数，本文取 M=15，N=10。
限制条件式（2）中，Tσ为推力系数计算值TK与设计要求值T0K 之绝对误差，Tε为误差限，本文取Tε=0.025%。另外
式（5）中Γ0m为给定的桨叶负荷径向分布形式，归一化方法同Γm。rε为rσ的允许误差，本文取rε=0.05%。
选择桨叶各半径剖面的螺距比PDi和最大拱度与相应的弦长的比值0Mif为优化变量，为了减少计算量，可根据设计条件限定优化变量的取值范围，本文取DLP=0.5、DUP=1.3，0ML
f=0.0、0MUf=0.1。在优化过程中，发现桨叶梢部对径向载荷的变化特别敏感，而负荷径向分布很难在叶梢部完全与指定负荷分布形式保持一致，所以优化得到的螺距比在叶梢部极易出现突变，这在螺旋桨设计中是不允许的，因此，根据螺旋桨设计经验引入式（7）作为限制条件，以控制叶梢附近螺距沿径向的变化趋势：
其中：LPD=-0.05，UPD=0.0，该限制条件用来使叶梢部的螺距比沿径向递减。
螺旋桨设计中，首先必须满足推力要求，限制条件（2）的第1式即为此而设；第2式用于限制负荷的径向分布形式，这是影响效率的一个主要因素，本文仅考虑负荷的径向分布形式给定的情况，并不进行效率优化，也就是说，保持原桨负荷径向分布不变，改变其弦向分布，通过优化桨叶螺距比与拱度的配合，使桨叶表面压力分布趋于均匀，从而改善桨叶的空泡性能。需要说明的是，上述误差限的取值是为了使相应误差尽可能小，在优化过程中实际的误差常常大于误差限，如限制条件中要求σr≤εr=0.0005，在实际优化计算中常常不能严格满足这一限制要求，而相应的最终优化结果却达到了设计要求，因此这种情况下可认为此限制条件是满足的。同样，σT≤εT的限制出现类似情况时，也不做严格要求。
2 优化案例
2.1 优化对象及其性能分析
本章以某集装箱船五叶螺旋桨为原型，在保持或提高原桨的敞水效率的前提下，以改善桨叶负荷分布为目标，对桨叶螺距与剖面最大拱度的径向分布进行优化。五叶桨的主要参数见表1。
按照上述螺旋桨优化设计流程，得到的优化结果需要通过SPROP（VLM方法）及FLUENT（
CFD 方法）软件从数值计算的角度进行验证，以确定优化目标是否实现。表2比较了原桨在设计工况下的敞水性能的试验结果与数值计算结果。
从表2可知：SPROP 软件预报值的相对误差为：推力-1.5%、扭矩-5.0%、效率+3.7%；FLUENT
预报值的相对误差为：推力+1.0%、扭矩+0.4%、+0.6%。SPROP 软件预报的扭矩与试验差别较大，可能是由其尾涡模型对叶梢卸载桨的适用性差以及粘性阻力估算误差较大引起；而 FLUENT 软件预报值与试验值非常吻合。假定SPROP 软件的计算误差在优化过程中不S设计方案的改变而改变，在优化设计中，设定推力目标值时需按原型桨的预报误差预先给与补偿。
3 优化结果
表3为A桨与B桨的目标函数及限制条件的满足情况。可以看出：与负荷径向分布相比，在整个拱弧面上满足给定的负荷弦向分布相对比较困难；因为B桨负荷的弦向分布形式不同于A桨，而拱弧线形式与A桨相同，所以σs、σr的误差均比A桨大；控制叶梢螺距变化的限制条件则有效地使叶梢的螺距沿径向呈递减趋势，限制了叶梢部螺距的数值波动，使之具有工程实用性。
螺距与拱度的优化结果与原桨之比较分别如图3.1、3.2所示。螺距与拱度的分布趋势表明：当螺距与拱度作为离散变量各自独立变化时，最终得到的螺距与拱度分布难以保持光顺。其原因可能是：负荷径向分布无法精确满足给定值，负荷弦向分布形式与给定的形式也存在一定的误差，以及数值计算的随机误差。因此本章从工程的实用性要求出发，在保持优化结果的分布趋势及满足推力要求的前提下，对优化结果进行光顺处理，并以光顺后的结果为最终优化设计方案，利用FLUENT 对其进行CFD计算分析。
优化设计中，A、B 桨及原桨负荷的径向分布形式保持不变，原桨通过增加叶梢拱度，以弥补叶梢螺距卸载（指叶梢螺距相对于0.7R处螺距的减小量）所损失的负荷。根据图3.1、
3.2中对螺距与拱度分布的定性分析可知A、B桨的螺距与拱度配合能够产生与原桨相同的负荷径向分布形式。
图3.3、3.4分别为SPROP软件计算的A、B桨的负荷弦向分布与A桨相比，B桨负荷的弦向分布在导边附近有所卸载，但卸载程度远小于原桨。与三种负荷弦向分布对应的螺距与拱度配合如图 3.1、3.2所示，其中A桨螺距最大、拱度最小，原桨的螺距最小、拱度最大，
B 桨螺距与拱度均居于A桨与原桨之间。这一结果充分说明负荷的弦向分布形式对螺距与拱度配合的影响。在设计工况下，从三种螺距与拱度配合下的桨叶性能进行分析，A、B 桨各半径处的剖面比原桨剖面更接近翼型的设计状态，可能对桨叶效率有利；但原桨剖面的工作状态更接近于面空泡界限，而A、B 桨偏向背空泡界限，因此原桨在轻载工况下应该容易发生面空泡。
4 结语
通过对弦向负荷分布形式的比较，认为常用的a=0.8的负荷分布形式不太适合于高速、重载的现代船舶螺旋桨设计，该形式使桨叶导边附近的负荷过重，容易在叶背侧的导边附近形成负压峰，进而诱发桨叶背空泡。导边卸载的负荷分布形式（如 a=0.8 & b=0.1）可能是一种更好的选择。
参考文献：
[1] 干洪： 计算结构力学[M].合肥：合肥工业大学出版社，2004.
[2] 岳珠峰， 李立州， 王婧超等： 航空发动机涡轮叶片多学科设计优化[M].北京： 科技出版社， 2007.
[3] 袁亚湘： 非线性优化计算方法[M].北京：科学出版， 2008.
船舶优化设计范文第3篇
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.
[4]祝磊，马赢. ANSYS 7.0 入门与提高[M].北京：清华大学出版社. 2004.
船舶优化设计范文第4篇
【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。
如果以130m船舶的消防水系统的消火栓间距设计为例，根据设计的具体情况，消火栓处应该维持的压力P0=0.27MPa，约为27.60m的水柱。
船舶优化设计范文第5篇
关键词：烧结 微细通道 多孔介质 蒸发器
中图分类号：TQ051 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（c）-0054-03
Optimization Design for the Manufacturing Process of the Ship Sintering Evaporator
ZHANG Hongdun
（School of Ocean，Yantai University，Yantai Shandong，264005，China）
Abstract：Highly efficient heat transfer systems play more and more important role in the development of modern marine engineering equipment. Compared with the ordinary evaporator，the sintering evaporator’s heat transfer performance is obviously enhanced，which provides reference to saving metal material and reduce size for ship evaporator.A new approach fabricating sintered micro-structured wicks is developed which can help to fabricate the uniform wicks on the sintered surface，which can also provides reference for sintering evaporator with different thickness and copper powder particles diameter by use sintering furnace.
Key words：Sintered particles Micro-channel Porous media Evaporator
中国作为最大的发展中国家，已跻身国际航运大国的行列，伴随着各种贸易的快速发展，我国每年进出口货物的93%～95%是通过船舶运输的方式来实现的，其中很多货物还要通过冷藏运输方式完成，同时，海上作业船、军舰、渔船等为了满足生产、生活以及特殊设备的需要，均需设置制冷装置，制冷装置已是船舶运行不可或缺的重要设备[1]。
船舶的运营成本成是航运经济性的重要指标，随着制冷技术应用的日益广泛以及燃油成本的不断提高，制冷装置消耗的能源也在不断增加，节能减耗是船舶营运经济性的重要发展方向。制冷蒸发器是制冷系统的关键部件，它的换热效率会直接影响制冷装置的能量消耗及效率，如何强化制冷蒸发器的换热系数是当前对制冷装置节能研究的热点之一。
强化传热的目的是适应和促进高热流密度的热交换[2]，以有效的冷却来保证高温部件的安全运行，以经济的手段来传递特定的热量，以高的效率来实现能源的充分利用[3]，确保设备和器件在安全运行的前提下，提高热交换系统的经济性，达到在总传热量一定的情况下减小传热温差或者在传热温差一定的前提下提高总传热量的目的 [4]。
烧结蒸发器的内壁具有多孔烧结表面，该烧结表面有很高的传热系数，可以有效的强化多孔侧传热，通过与同规格光滑管传热性能试验对比，其传热系数比光滑管提高了5～6倍[5]，是强化换热、降低金属耗材、提高能量利用率以及实现能量充分利用的良好换热表面[6]。烧结处理方式是强化传热中的被动技术，被动技术不需要额外消耗功率和其它附属设备，在完全失重或微重力环境中仍可工作，结构简单，运行可靠。
1 烧结表面强化传热原理分析
1.1 概念
烧结[7]是金属的粉末或粉末压坯在一定的温度和保护气体中受热所发生的过程和现象，烧结会使金属颗粒发生相互粘结，提高了密度，而且很多情况下，也会增加烧结体的强度。如果烧结工艺控制恰当，烧结体的机械性能、物理和密度可以接近同成分的致密材料。从工艺上来分，烧结被是一种热处理工艺，它把金属粉末或粉末压坯加热，在低于其基本成分熔点的温度下保温，然后以不同的方式或速度冷却到常温，烧结过程中会发生一系列的物理化学变化，粉末颗粒的聚集体成为颗粒的聚集体，从而得到所需要的物理、机械性能的材料或制品。
以铜粉烧结为例，一般的烧结工艺大致为：选取纯度在99.5%左右的铜粉，它的单体粒径控制在75～150 μm。首先，使用工具将铜管内部清理洁净，除掉毛刺，然后将铜管放到稀H2SO4中采用超声波清洗。清理洁净之后我们将得到一根无氧化物、内外壁都十分光滑的铜管。之后用一根细钢棍插到铜管里（要求工具准确地将细钢棍固定在铜管的中央，以保证铜粉填充均匀），将铜管的底部用铜片或堵头暂时堵住，随后就可以把铜粉颗粒倒入铜管了。填装完毕后就可以拿到烧结炉进行烧结。在烧结过程中，选氮气、氢气或真空作为保护气，同时，烧结温度的控制也很重要，一般情况下烧结炉最大温度控制在800℃～850℃（根据产品要求的渗透率确定）。烧结完之后需用一个辅助工具加紧铜管，使用专用工具把钢棍抽出即可[8]。严格按照上述过程制作的烧结式铜管，铜粉烧结块分布厚度均匀一致，各个部分的毛细结构渗透率大体相同。图1为烧结式铜管纵横截面剖面图，从图中可以看出铜管内壁面上形成的烧结吸液芯。
1.2 强化传热原理分析
烧结蒸发器是将一定目数的金属粉末烧结在管内表面从而形成与管壁一体的多孔介质，这种多孔介质有较高的毛细抽吸力，并较好地减小了径向热阻，可以实现细薄膜蒸发，该烧结式蒸发器可以兼顾高热传量和低热阻的考量。
在换热面上烧结金属颗粒后，加热面和粒子之间形成了许多空隙凹坑，从而增加了表面活化中心的数目。在核沸腾时，凹坑中的汽泡受到多孔介质有限空间的限制会在受热面附近形成汽区或汽团。多孔介质内的液体在汽区汽液弯月界面发生强烈的液体细薄膜蒸发，这种液体细薄膜主要存在于多孔介质的空隙中;另一方面，因为金属颗粒的导热系数好于沸腾工质的导热系数，所以，多孔烧结层对换热壁面而言相当于增加了翅片作用，并且由于烧结层具有很高的比表面积，使固液换热量得到很大提升，有利于细薄膜的受热与蒸发。蒸汽逸出烧结层和液体的补充是由相应的毛细通道的抽吸力来实现的。
根据以上分析，多孔烧结表面沸腾换热主要受液体的激烈细薄膜蒸发和烧结层中汽-液两相运动特性这两个因素的影响。随着这两个因素的改变会出现不同的传热特性。在低热负荷时，液体的细薄膜蒸发占主要地位，烧结层对沸腾换热起强化作用，这一区域称为传热控制区;而在高热负荷时，由于液体的补充和蒸汽的脱离受烧结层骨架结构的限制，减弱了传热强化性能，这一区域称为阻力控制区。在阻力控制区和传热控制区的临界转折点，换热系数达到最高，传热强化效果最好[6]。
2 烧结时芯棒对中固定存在的问题
烧结层是发生热量交换的场所，是换热芯最重要的部分，而要在细小的铜管内壁烧结铜粉颗粒层形成烧结式吸液芯，芯棒的对中和固定工艺非常重要，该工艺将直接影响到烧结颗粒层的成型，进而会影响到烧结蒸发器的强化传热性能[9]。
尽管目前的铜粉烧结流程早已成熟，但是在微小的铜管内表面烧结铜粉层形成烧结芯毛细结构却是一个难题。目前烧结时常用一根不锈钢棒作为芯棒，如图2所示，从紫铜管一端放入不锈钢芯棒和大堵头，从另一端装入铜粉颗粒，然后放上小堵头，随后放在烧结支架上，放入具有保护气体保护的烧结炉中进行烧结，烧结结束之后采用专用工具把芯棒与两个堵头取出。该方法虽然工艺简单，但存在下列两个缺点：
（1）由于芯棒较长，使用一根不锈钢棒作芯棒时，大堵头对对中其固定得不到控制，芯棒容易产生倾斜，对后续的铜粉颗粒填入不利，不利于保证烧结层厚度的均匀性;
（2）在不锈钢芯棒和铜管所形成的环形空间灌入铜粉颗粒后，装置在移动过程中铜粉颗粒容易从两端堵头处漏出来。
不锈钢芯棒在铜管中是否对中准确会对烧结层的性能非常大影响的影响：芯棒比较细长，如果在填入铜粉颗粒前没有准确地定中，则容易产生较大的挠度，单靠两端大小堵头是无法纠正的，制成的烧结层会出现偏心现象，如图3所示，偏心会导致芯棒抽出时的摩擦力增加，芯棒抽出时的运动会是曲线而不是直线，抽出时需要的外力较大，在抽出过程中容易导致烧结层的脱落而破坏烧结层。
3 烧结芯棒定位装置的优化
针对烧结蒸发器制造过程中芯棒定位不好烧结芯会出现偏心现象以及铜粉颗粒灌装后容易漏出的问题，本文设计了一套芯棒对中固定装置，如图4所示。
该装置中的烧结芯棒与定位支架做成一体，两者相对位置固定不变，通过两个定位孔和铜管外壁来实现铜管和烧结芯棒相对位置的精确定位，将紫铜管放入两个定位孔内，从另一端灌入铜粉，然后放入堵头防止铜粉漏出，放入烧结炉中进行烧结。
图4中所示装置的烧结芯棒直径为6 mm，两个定位孔直径为8 mm，按照此装置可获得规格为壁厚0.6 mm，烧结层厚度为0.4 mm，外径为8 mm的烧结式管。通过调节芯棒的高度和直径以及两个定位孔直径，可以制得不同大小的烧结式管，这一设计优化了现有的烧结定位工艺，为用烧结炉制造不同直径和烧结层厚度的烧结蒸发器提供了借鉴。
从图1所示铜管内壁烧结铜粉颗粒的显微组织图可以看出，对中良好的芯棒烧结出来的微热管铜粉颗粒分布均匀，致密性好，对称性好，已基本形成了均匀且界面分开的组织，铜粉颗粒均匀的表面可以为液体提供高的毛细压力。
4 结语
烧结蒸发器的强化传热性能要优于普通蒸发器，为船舶蒸发器缩小尺寸、节省金属耗材提供了参考，本文探讨了烧结蒸发器内表面烧结芯毛细结构的制造工艺，针对烧结芯棒对中困难及烧结铜粉颗粒灌装后容易漏出的问题，设计了一套优化方案，通过调节芯棒的直径和高度以及两个定位孔直径，可以制得不同规格的烧结式管，为用烧结炉制造不同直径和烧结层厚度的烧结蒸发器提供了参考，同时也为提高生产效率，得到均匀致密对称性好的烧结蒸发器提供了借鉴。
参考文献
[1] 费千.船舶辅机[M].大连：大连海事出版社，2000.
[2] Bergles A.E. Heat transfer enhancement the encouragement and accommodation of high heat fluxes[J].ASME Journal of Heat Transfer，1997（119）：8-19
[3] 顾维藻，神家锐，马重芳，等.强化传热[M].北京：科学出版社，1990
[4] Rohsenow W.M.，Hartnett J.P.，Ganic，E.N..Handbook of heat transfer applications[M].2nd edition.New York：McGraw-Hill，1985.
[5] 刘建新，金海波.多孔表面管沸腾传热试验研究[J].动力工程，1999，19（1）.
[6] 蒋绿林.多孔烧结表面强化沸腾换热最佳结构的研究[J].江苏石油化工学院学报，1995，7（4）.
[7] 杜素强.铜基陶瓷摩擦材料烧结工艺及性能研究[D].大连：大连交通大学，2005.
[8] 吴磊，王黎明，燕辉，等.微热管烧结芯制造工艺及其传热性能研究[J].机械设计与制造，2008（4）：1001-3997.
船舶优化设计范文第6篇
关键词：艏部舷墙； 有限元； 优化设计
中图分类号：U661.43文献标志码：B
0引言
艏部舷墙具有防浪作用，并能确保船舶摇摆时船员及乘客的安全.舷墙有参与和不参与船体总纵弯曲两种结构形式.舷墙参与总纵弯曲，对舷墙本身要求较高，且不利于甲板排水，现代船舶设计中已经很少采用.[1]因此本文对船艏部舷墙设计不参与总纵强度，只承受波浪冲击载荷以及系泊设备局部载荷.在船舶结构设计领域，有限元的引入能很地好解决安全性与经济性的矛盾.对于结构分析而言，其目的不仅是校验结构强度，更应着眼于结构优化设计，这是未来船舶设计的趋势.本文以舷墙为例，简单介绍船舶结构设计及优化分析流程.
1舷墙规范设计
舷墙一般由舷墙板、支撑肘板及平台板组成.艏部舷墙设计时，参考艏部具体线型、系泊设备及《散货船共同结构规范》，给出合理结构布置.其基本形式见图1.
针对不参与船体总纵弯曲的舷墙，《散货船共同结构规范》给出具体规定.[2]
（1）舷墙高度.露天干舷甲板及上层建筑甲板的舷墙高度应不小于1.0 m.一般船舶的舷墙外形皆按型线考虑，但对于艏部，若舷墙过于外倾，对船员操作会带来不便，故可向内倾斜.
4结束语
根据通用规范设计艏部舷墙的结构型式和构件尺寸，使用有限元分析进行屈服和屈曲强度校核.根据初步校核结果，调整构件尺寸，优化舷墙结构设计，最后结合其它约束条件，得到舷墙最佳设计方案，即在满足屈服和屈曲强度要求的同时，重量减轻18.6%.
优化过程体现有限元分析在船体结构优化设计中的重要作用，也为舷墙及船舶其它部分结构的优化设计提供了设计思路.
参考文献：
[1]中国船舶工业总公司. 船舶设计实用手册[M]. 国防工业出版社， 2000.
[2]IACS. Common structure rules for bulk carriers[S]. 2012.
船舶优化设计范文第7篇
【关键词】应力 自然补偿 优化设计 CAESARII模拟
【中图分类号】TU275.3【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0284-02
前言
在船舶建造、使用过程中，大多数压力管路都是在高于或低于其安装温度下操作的，加之流体介质或周围环境的温度变化影响，压力管路的热胀冷缩现象是普遍存在的。试验证明，以一根2m、外径273mm、壁厚为8mm、两端固定的碳钢直管为例，当温度由安装时的20℃升高到250℃后，由于管子变形受阻，在直管中将受到3536460N的压缩力，相应得压缩应力为531MPa。之所以会产生这样大的热膨胀力和热应力，主要是因为管子的热膨胀受到了阻止。为了保证安装后的管路在热状态下稳定和安全的运行，减少管路受热膨胀时产生的应力，利用管路自身的柔性吸收其位移形变的Ω型自然补偿方法，因其结构简单、运行可靠、投资少被多数管路设计广泛采用。
管路自然补偿的计算比较复杂，本文通过利用理论简化公式和图表，对于Ω型管路进行受力比对分析，总结出适用于实船管路优化布置的设计基准，并运用管路应力解析程序在计算机上进行模拟论证，以证明优化设计具有实际的指导意义和可行性。
1 非补偿管路与补偿管路的差异
1.1 管路伸缩量的设计基准
设计基准：由船体偏差引起的伸缩量+由管路温度变化引起的伸缩量。
船体偏差引起的伸缩率：
K： 经验系数（一般约0.1） D： 管子直径
分析：在固定点间的管长（L）、管径（D）一定时，理论上弯管臂长宽度（B）越长，应力比越小，管路应力越小，补偿的效果越好，而在实船设计过程中，管路的布置受空间限制的条件下，B值应当考虑其合理性。在D、B值一定时，缩短L的长度，即减小固定点的间距也是一种提高管路补偿能力的方法。
2 Ω型管路自然补偿的优化设计计算与分析
Ω型管路自然补偿[4]：又称为方形管路补偿，是由同一个平面内四个
图1 Ω型补偿管路典型图
参照Ω型管路参数（表1），通过方案1和方案2的计算与综合分析，得出Ω型管路：
① U=20000 Ⅰ型 a=2b 普通管路 B普通/液压≥465，蒸汽管路B蒸汽≥2320，计算应力均满足要求且利于管路综合布置；
② 设计许用应力基准[5]：普通、液压管子13Kg/ mm2蒸汽管子10Kg/mm2；
③ B值设计基准：普通/液压管子/蒸汽 10D以上（D：管子公称通径）；
A值设计基准：A=2B-2R （R：弯曲半径）。
3 Ω型管路补偿优化设计最佳方案及软件模拟验证
实船设计模型
（固定点或导架支点对称均布）
4 结束语
通过实船管路的计算分析和模拟验证，本文得出的Ω型补偿管路的优化设计基准兼顾一定的经济性、适用性和可操作性，为今后各种船型船舶上Ω型管路优化设计和实际应用提供了技术支持，对船舶建造质量的提升具有深远的意义。
参考文献
[1] GB 150-1998钢制压力容器[S].
[2] 欧贵宝，朱加铭.材料力学[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社， 2003，（1）.
[3] SH/T？3041-2002石油化工管道柔性设计规范[S] 附录D.
[4] 胡忆沩，李鑫.实用管工手册 第二版[M].北京：化学工业出版社，2008，（1）：947～949.
船舶优化设计范文第8篇
关键词：机械结构；优化设计；发展
中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：
引言
机械优化设计是最优化理论、电子计算机技术与机械工程相结合的一门学科。早在二十世纪五十年代以前,工程设计问题的最佳决策还只是限于古典数学中的微分法和变分法,或用拉格朗日乘子法解决等式约束问题。
1.机械结构优化设计的应用概况
1.1通用机械和机床通用机械和机床的结构优化设计也是一个机械结构优化设计成功应用的领域，把有限元技术与优化技术结合，机械结构优化设计对大型复杂机械结构的设计是一种有效、精确的方法。由于一般的机械零部件都是连续体结构，结构分析非常复杂，进行结构优化设计比较困难。国内的相关研究比较突出，发表了大量的研究论文和报告。通过这些研究工作的开展，机械和机床的设计有了一种快速，有效、可靠的设计方法，提高了机械产品的设计水平。
1.2汽车工业是一个不断创新，发展的重要行业，各个国家和地区都十分重视汽车工业的发展。因此，先进的机械结构优化设计方法也就在此行业得到推广和应用，国内外出现了大量的研究成果。隋允康等研究了把DDDU-2软件包应用于汽车的结构优化设计：冯振东等进行了万向节传动布局的支承动态结果优化设计；田振中研究了特种汽车车身的结构设计；冯国胜对汽车加工的结构优化设计进行了研究。目前汽车工业已经成为机械结构优化设计广泛应用的一个领域。
1.3船舶工业船舶结构优化设计方法研究相对起步较晚，我国自20世纪70年代末开始研究船舶结构优化设计，比国外差不多晚了10年。但是，我国的船舶结构优化设计也取得了较大的成果，在潜艇结构、中小型集装箱结构、游船剖面、潜艇外部液压舱等结构优化设计方面进行了研究，提高了相关研究对象的性能，为船舶设计提供了一种可靠、精确的设计方法。
1.4航空航天技术代表着一个国家科学技术的综合水平与实力，大量的先进科学技术首先在航空航天领域推广应用或发明、开发，而机械结构优化设计发展最快、应用最广和作用最大的领域也在航空航天。由于该领域的特殊地位，机械结构优化设计得到了广泛的应用和充分的重视。
1.5其它机械结构优化设计在其它工业领域也有许多应用的实例。宋天霞等开展并完成了大型水轮机结构优化设计的研究；刘扬等进行了石油钻井井架的结构优化设计；陈树勋等对双模轮台硫化机横梁进行了结构优化设计；赵洪激等进行了高压往复泵维形阀结构优化设计的研究，等等。
2.优化设计方法的选择
根据优化设计问题的特点（如约束问题），选择适当的优化方法是非常关键的，因为同一个问题可以有多种方法，而有的方法可能会导致优化设计的结果不符合要求。选择优化方法有四个基本原则：效率要高、可靠性要高、采用成熟的计算程序、稳定性要好。另外选择适当的优化方法还需要个人经验，深入分析优化模型的约束条件、约束函数及目标函数，根据复杂性、准确性等条件对它们进行正确的选择和建立。
优化设计的选择取决于数学模型的特点，通常认为，对于目标函数和约束函数均为显函数且设计变量个数不太多的问题，采用惩罚函数法较好；对于只含线性约束的非线性规划问题，最适应采用梯度投影法；对于求导非常困难的问题应选用直接解法，例如复合形法；对于高度非线性的函数，则应选用计算稳定性较好的方法，例如BFGS变尺度法和内点惩罚函数相结合的方法。
3.机械结构动态设计的发展
传统的设计方法越来越难以满足市场的迅速变化，同时，很难综合考虑各方面的约束条件，得到的往往只是复杂问题的可行方案，而非最优方案，也难以很好的满足机械设备动态特性要求。对产品进行动态优化设计，可以在很大程度上解决此类问题，其特点是把问题解决在设计阶段;其优点是代价较小，能够适应当前激烈的市场竞争的需要。机械结构动态设计是一项涉及现代动态分析，计算机技术，产品结构动力学理论，设计方法学等众多科学领域的高新技术。其基本思想是对按功能要求设计的结构图纸或要改进的机械结构进行动力学建模，并做动特性分析。根据对其动特性的要求或预定的动态设计目标，进行结构修改，再设计和结构重分析，直到满足结构动特性的设计要求。
3.1机械结构动态设计的内容
3.1.1建立一个切合实际的动力学模型
机械结构的动力学模型有着极其重要的作用。在机床设计阶段，建立动力学模型，可以进行动态分析和设计;预估机床结构的动态特性，分析薄弱环节，寻求改进措施;用数字仿真方法，比较各种设计方案和结构，并为设计自动化打下基础。建模的方法有:有限元法、传递矩阵法、实验模态法、混合建模法、利用人工神经网络理论建模。
3.1.2选择有效的结构动态优化设计方法
结构动态优化设计是对系统设计变量的初始参数，通过计算，作出必要的修改，使机械机构的动态性能在规定的约束条件下达到最优。目前，动态设计的优化正处于发展与完善阶段，从现有的资料来看，系统的动态优化设计方法可分为3类:基于模态柔度和能量平衡的动态优化设计、基于变分原理的动态优化设计和基于最小值原理的动态优化。
3.2机械结构动态设计的关键技术
机械结构动态设计的关键技术有:结构结合部参数的辨识;系统中阻尼矩阵的确定;模型的修正方法;以设计变量直接作为优化变量，实现结构动力学的求解方法;寻求更快速、更准确的结构动态特性重分析模型与方法。结构动态设计的发展主要集中在对关键技术的研究上，结合面在整机性能研究中的主要作用，最早是在1939年，德国柏林工业大学的一篇论文中提到的，而真正的研究则是1959年，前苏联的Reshetov和Levina所进行的，从此以后，世界各国的众多学者对其进行了大量的研究，也取得了大量的研究成果。随着人工神经网络技术和模糊设计技术的发展，国、内外许多研究人员把神经网络技术和模糊设计技术引人动态设计过程中，为结构动态设计提供了全新的思路。
4.机械结构优化的类型与发展
4.1机械结构的拓扑优化过去一般机械结构优化设计主要集中在结构参数的优化和设计，面对于机械零部件的拓扑结构很少涉及。但是随着人们对机械产品设计创新意识的提高，特别是机械产品概念设计的提出和应用。人们对结构优化设计提出了更高的要求——机械产品的结构拓扑优化设计。
4.2机械结构的形状优化在机械零部件中，连续体结构非常多，形状比较复杂；结构分析存在一定难度，而结构形状对机械零部件的性能影响很大。因此，机械零部件的形状优化可以大大提高其性能。机械结构的形状优化也是提高零部件机械性能的重要方法之一。
4.3机械系统结构动态优化设计机械产品的动态性能对其强度、寿命等影响很大，机械结构的动态性优化设计是结构优化设计的一个重要方向。由于结构的动态特性分析非常复杂，特别是大型复杂结构，对其进行动态优化设计将极富研究价值和应用价值。
5.结束语
机械结构的动态设计是以计算机仿真、建模为基础，集计算机技术、机械动力学、有限元和优化设计方法为一体，由多学科知识组成的综合系统技术，是机械结构动力学设计与分析在计算机环境中数字化、图象化的映射，通过虚拟动态环境，进行虚拟产品开发，对产品的动态特性做出分析，大大提高了机床的整机性能。
参考文献：
[1]张文元,吴知丰;遗传算法在建筑结构优化设计中的应用[J];哈尔滨建筑大学学报;1999年04期
[2]秦东晨,陈江义,胡滨生,王丽霞;机械结构优化设计的综述与展望[J];中国科技信息;2005年09期
船舶优化设计范文第9篇
关键词：螺旋桨后移；航速；振动；噪音；
中图分类号：U661.34 文献标识码：A
Analysis on the Influence of Propeller Back on Ship Performance
ZHENG Yan Ling
（Foshan Nanhai Zhufeng Shipbuilding Co.，Ltd. Foshan 528244）
Abstract： by testing result verification， this paper discusses the influence of propeller back on the ship speed， vibration and noise. Think to optimize the ship performance has a positive role.
Key words： propeller back； ship speed； vibration； noise；
1 引 言
螺旋桨在设计过程中，一般会充分考虑船型特点、主机功率等要素进行分析估算，而螺旋桨的位置则需考虑与船体尾部型线的配合，保持一定的间隙。在充分考虑各种设计要素的情况下，为保证足够的间隙，螺旋桨的位置尽量往船后方向移会对船舶性能产生什么样的影响呢？我们通过修理一艘装载量150 t的沿海货船来探讨这个问题。
2 实船验证
进厂修理的150 t沿海货船为单机单桨，航速11 kn。该船因航行时打弯了尾轴而进厂更换尾轴，船东提出能否解决船体尾部的振动噪音问题。该船由于出厂时先天不足，航行时尾部振动明显，噪音每隔一段时间会明显增大。在此之前，同一批船的另一艘尝试由原来的3叶桨更换为4叶桨，下水后通过航行试验，振动明显减小，但航速下降至9 kn。
在不更换螺旋桨的情况下，我们尝试将螺旋桨往后移。经过方案论证，尾轴线夹角不变，尾轴加长100 mm，螺旋桨沿尾轴线往后移，与舵系保持适当距离，螺旋桨桨叶与船底板的距离增大。轴系改造完成后进行下水试验，结果振动明显减小，异常噪音消失，航速增加至12.5 kn。
随后，我们将这种方法应用到此类型新造的船舶上，进一步论证螺旋桨后移对船舶性能的影响。
2012年建造的一艘100 t渔政船，总长33 m，单层连续甲板，主船体为钢质焊接结构，上层建筑为铝合金焊接结构，倾斜船尾、方尾、圆舭线型，采用双主机、双桨，近海航区，螺旋桨为日本 MAU型的4叶桨，试航航速是16.8 kn，船舶各项性能优越，无明显振动，无异常噪音。2013年按照相同图纸再建造一艘，我们对其进行优化设计，将螺旋桨后移170 mm，如图1、图2。
船舶建造完成下水试验，与母型船各项性能对比见表1。
两船在相同的水道进行航行试验，试验当天的天气及海况相差不大，试验结果表明，优化设计船航速稍有增加，螺旋桨对应的舵机舱噪声有所减小。从以上的实船验证结果来看，螺旋桨位置往船后方向移对船舶的航速、振动及噪音均有一定的改善。
3 理论分析
我们从理论上分析一下螺旋桨定位后移对船舶的影响。
3.1 有效推力增大
螺旋桨在船后工作时，由于它的抽吸作用，使桨盘前方的水流速度增大，根据伯努利定理，水流速度增大压力必然下降，故在螺旋桨吸水作用处及整个区域内压力都要降低，导致船体压阻力增加，这个由螺旋桨在船后工作时所引起的船体附加阻力称为阻力增额R。若螺旋桨发出的推力为T，则其中一部份用于克服船的阻力R（不带螺旋桨的阻力），而另一部分则为克服阻力增额R，则有T=R+R，其中有效推力为（T-R）。螺旋桨桨叶与船体间的相对位置增大，增额阻力R减小，则螺旋桨有效推力（T-R）增加，有效推力增加则航速增大。
3.2 激振力减小
由于螺旋桨在不均匀的船尾伴流场中运转，必将产生激振力，在螺旋桨振源中以螺旋桨诱导的脉动压力，即表面力为最主要因素。螺旋桨的安装，需考虑与船体尾部型线的配合，保持足够的间隙，避免产生过大的激振力。通常情况下，桨叶和船体间隙不得小于船级社规范的要求。
按照挪威船级社对脉动压力测量数据指出，与船体表面压力紧密有关的因素有伴流场、叶梢至船体的间隙、螺旋桨设计状况和尾吃水等。表面力与叶梢至船体的间隙成反比，叶梢至船体的间隙越大，表面力越小，产生的激振力越小。激振力的减小可减轻船舶振动，降低噪音。
4 应用
当然，螺旋桨后移是有一定局限性的。首先后移会加长尾轴的长度，对轴的强度有一定的影响，要满足轴的强度要求，不能无限加长，只能作局部调整；其次，螺旋桨与舵系的距离既要保证舵机在舱内的运作，也要保证在维修时部件有足够的距离拆卸。
5 结束语
本文通过实船验证的方式探讨了螺旋桨后移对船舶的影响。这种方式对船舶航速、振动及噪音有积极的影响，虽然使用上有一定的局限性，但可以作为一种优化设计应用在船舶的修理建造上。
参考文献
[1] 应业炬、赵连恩.船舶快速性[M] .人民交通出版社.2007.7.
[2] 中国船舶工业集团公司等编著. 船舶设计实用手册（第3版）―总体
船舶优化设计范文第10篇
关键词：船舶结构；机械 工程；设计
中图分类号：TH122文献标识码： A 文章编号：
引言
如前所述，在船舶结构的设计中能用到的变量都有好几个限定条件，多个限定条件使得优化结构中出现一些问题，为解决相关问题应选用有效的离散变量。在船舶结构方面的设计中，主要参考现代数学理论、计算机技术以及工程的一些特征作为其未来的发展方向或前景。综观以往研究，国外更加注重开发优化算法，在规范设计、数据设计以及专家经验的运用方面有所忽视。机械 工程在优化结构设计中的运用减少了用户的计算量以及对经验和机械 的需求，很大程度上提高了结构优化设计的水平。
基本原理介绍
结构设计中机械 工程的应用
作为一种工程理论，机械 工程实现了机械 在不同领域的多重使用，它以将在相关领域长期实践经验总结得到的相关标准嵌入新型软件为核心，通过推理和逻辑分析达到产品设计的目的。
对结构进行优化时，要求在条件限制下，设计一组包含数学函数以及其变量等参考数据，以便满足目标最优化。结构设计中运用机械 工程能够帮助用户在最初目标函数的基础上进项设计，以求在参数的不断变化中找到最佳设计方案。
机械 工程的关键在于其对机械 的表示、获取和推理。实现在结构设计中应用机械 工程要能够利用技术获取机械 ，然后能够将所得机械 按某种形式转化为计算机语言，最后在遇到具体问题时充分利用存储库中的机械 加以解决。
建立机械 库
作为机械 的集合，机械 库中储存了大量的案例、规则和积累的经验。在机械 库建立过程中，首先要对相关文献以及经验进行整理划分，将相关机械 按某种类别加以划分，最后整理出针对不同问题的解决对策，并将其存入数据库，作为机械 储备。在获取机械 时可以根据不同情况采用不同的方法，既可以向相关行业专家咨询，也可以查阅文献，不断进行归类整理。机械 库的建立就是要为用户解决问题、利用机械 提供有效的渠道。
相关概念的界定
结构设计是否合理、是否符合制定的标准，需要我们通过一定的标准、规则和公式来进行检查。以下是对相关概念的界定：
表格设计。其用来表示不同产品的不同性能，由于产品的大小、形状各不相同，因此将产品的各种特性编制成表格更能清晰的反应出来，为产品的设计提供依据。
规则设计。其主要指活动中各项具体规则的制定。
检查设计。通过该设计能实现对信息的快速判断。
结构设计的流程与策略
流程设计
船舶体积庞大，在设计过程中会用到相关离散变量，诸如板材的样式、厚度、宽度等。这些变量学科关联度高、对设计的要求高、需要设定的限定条件也多，这使得设计中多峰性以及非线性问题严重。因此，在该设计中需要大量的计算以及数据的存储，这样耗费的时间过长。在将机械 工程引入以后，有效的解决了这些问题，在机械 库中构建并存储有关船舶设计的专家经验、规范要求以及相关数据使得模型设计与参数实现相互转换。
专家指出船舶支架中的约束条件较为保守，只有满足限定条件才能达到较好的设计效果。对于有些结构较小的部件，由于其占据船舶重量的比例较小，对设计产生较小的影响，因此再设计时可将其作为已经变量，重点放在对传播者横踢影响较大的部件上，这样能够大大提高效率，缩短设计的时间。
（二）策略设计
在设计船舶横舱结构时除了需要用到离散变量以外，会用到随机变量。由于在该设计中用到标准化的材料，因此要在机械 库中选择标准材料；对于水平与垂直材料的焊接，应该选择随机变量来衡量材料的厚度和高度；在依据相关规范对船舶横舱进行设计以后，很容易发现其中的限定条件多为限制横舱材料的厚度；剖面模数主要限制垂直材料；除此之外，板材的高度和厚度也要形成一定比例。在设计过程中还要充分考虑局部设计的稳定性，材料厚度设计要结合机械 库中的相关数据来进行。
在具体设计中，可以将船舶横舱的高度以及宽度设定为已知参数，依据机械 库中存储的数据对其赋值。变量主要是指在设计时能变动的参数，变动的所有数值将会有具体的方案与之相对。因此在设计时要使板材的参数与表格设计中的参数相对，分别对厚度、高度、宽度设置参数。限定条件的设计主要是针对剖面模数的限制以及材料和工艺稳定性的限制。设计中也需要注意公式以及模型的编写，这时机械 库的作用尤为明显。借助机械 库中储存的规则、公式进行结构规划，能够有效的避免公式的重复编写，减小了计算量，同时保护了企业的资产。
通过建立数据和限定条件、选取相关的模型，将会实现机械 理论向数学模型的转变。优化设计应以减轻船舶重量，降低生产成本，提高经济效益为目标。同时该设计也丰富了机械 库中经验的积累，实现了机械 和资源的有效共享。机械 工程在优化结构设计中的运用，在更大程度上提升了结构设计的水平。
结束语
综上所述，机械 工程在船舶设计中的应用，有效的解决了许多设计方面的问题或难题。同时，数据与限定条件的建立以及模型的选取，真正实现了机械 理论向数学模型的转变。在优化设计过程中，船舶的重量在不断减小，生产的投入也在不断降低，而经济效益与实践经验却在日益提高，可以说有效实现了机械 与资源的共享。所以，我们一定要积极推动机械 工程在船舶结构设计中的有效应用，争取取得更好的应用效果。
参考文献：
[1]陈金峰,杨和振,马宁,王德禹.机械 工程应用于船舶局部构件智能化设计研究[J].中国造船.2010（04）.
[2]朱稣骥,顾学康,胡嘉.遗传算法的改进及其在超大型油舶结构优化中的应用[J].船舶力学.2010（01）.
[3]崔进举,王德禹,夏利娟,马冲.基于机械 工程的船舶舯剖面结构设计及优化[J].上海交通大学学报.2012（03）.
[4]陈金峰,杨和振,蒋如宏,王德禹.机械 工程应用于船舶构件的设计研究[J].舰船科学技术.2010（10）.