發(fā)布時間：2017-11-11 02:08

  本文關(guān)鍵詞：基于知識工程的集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

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【摘要】：隨著計算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)輔助船舶設(shè)計在船舶設(shè)計中起到了越來越重要的作用，計算機(jī)輔助船舶設(shè)計可以大大地提高船舶設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期，并且能夠保證設(shè)計準(zhǔn)確性。知識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，而其在計算機(jī)輔助船舶設(shè)計中的發(fā)展應(yīng)用也處于起步階段。本文將知識工程應(yīng)用于集裝箱船的結(jié)構(gòu)設(shè)計之中。船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個多學(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)驗以及設(shè)計規(guī)范等關(guān)鍵知識，通過對專家經(jīng)驗的有效繼承和對設(shè)計規(guī)范的準(zhǔn)確實(shí)施，知識工程大大提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計的準(zhǔn)確度和效率。本文主要進(jìn)行的工作分為以下部分： (1)基于知識工程和大型船舶設(shè)計軟件Tribon對集裝箱船典型結(jié)構(gòu)，例如典型肋板開孔和中橫剖面進(jìn)行了設(shè)計和檢驗程序開發(fā)，且能自動生成檢驗報告，且通過程序接口方便地進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，使得設(shè)計結(jié)果能夠在Tribon中進(jìn)行3D展示，便利了初始設(shè)計的推進(jìn)。 (2)通過原創(chuàng)程序開發(fā)，并且構(gòu)建設(shè)計規(guī)范庫、標(biāo)準(zhǔn)件庫以及母型船數(shù)據(jù)庫等多個數(shù)據(jù)庫，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。該方法得到了兩種設(shè)計方案：規(guī)范設(shè)計法和插值設(shè)計法。二者均自動滿足CCS規(guī)范要求并符合真實(shí)設(shè)計規(guī)則，并且可以方便地轉(zhuǎn)換為Tribon模型。 (3)通過接口程序自動生成有限元模型，并依據(jù)規(guī)范定義計算工況，最終完成了直接強(qiáng)度分析。通過屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度分析表明，兩種設(shè)計方案均為可行解，驗證了設(shè)計思路的正確性，兩種設(shè)計方案體現(xiàn)了不同的側(cè)重點(diǎn)和設(shè)計理念。并且在直接強(qiáng)度約束下，通過多島遺傳算法對結(jié)構(gòu)重量進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。通過有效的將原創(chuàng)程序的設(shè)計結(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、建模、分析等流程的無縫連接，省去了重復(fù)建模的麻煩，從而使得設(shè)計流程得以優(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，對通過靈敏度分析得到的多個設(shè)計變量（板厚）施加單向高斯分布模型。借助Monte Carlo模擬方法對設(shè)計方案進(jìn)行了基于直接強(qiáng)度的可靠性分析，并指出了關(guān)鍵受腐蝕構(gòu)件及其對應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)，以及規(guī)范設(shè)計法和插值設(shè)計法兩種設(shè)計方案的不同。 (5)基于高斯過程（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，對規(guī)范設(shè)計方案和插值設(shè)計方案對應(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，并且比較了兩種方案的差異。 (6)結(jié)合Pareto front概念，并以GP作為FEM的代理模型，通過原創(chuàng)的多目標(biāo)多島遺傳算法程序?qū)�集裝箱船貨艙段縱向結(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)計方案。此外，對水平集方法進(jìn)行了算法改進(jìn)，得到對于設(shè)計步長無限制的隱式算法且通過一系列改進(jìn)和簡化大大降低了計算量，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，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)研究了基于譜分析的疲勞強(qiáng)度評估方法，將其應(yīng)用于集裝箱船艙口圍面板相交處的結(jié)構(gòu)疲勞損傷計算中，結(jié)合了多種修正因子進(jìn)行了比較說明，并與IACS R56推薦的簡化方法進(jìn)行了比較，驗證了該方法的可行性和正確性。此外，本文還指出了長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。 本文主要創(chuàng)新點(diǎn)為： (1)成功將知識工程原理應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計并獲得兩種可行解，即規(guī)范法和插值法，大大減少了設(shè)計工作的時間，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計、建模與分析的一體化。 (2)根據(jù)高斯過程的假設(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，自主開發(fā)了針對多目標(biāo)優(yōu)化問題的多島遺傳算法程序，通過將優(yōu)化設(shè)計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)對基于水平集的拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行研究，通過采用Delta函數(shù)、邊界影響傳遞函數(shù)以及相應(yīng)的截斷處理等對算法進(jìn)行了改進(jìn)，并通過約束條件對目標(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)化過程中對步長的限制，保證了解的收斂性，且消除了最終結(jié)果對初始解的依賴。 (5)對基于譜的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評估方法進(jìn)行研究，對扭轉(zhuǎn)所引起的翹曲應(yīng)力對于疲勞的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在集裝箱船中翹曲應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響是不容忽視的,文中還指出不同船舶操縱方式等參數(shù)對于結(jié)構(gòu)的疲勞損傷具有較大影響。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：U674.131;TP18

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 李慧麗;郎利輝;張建勇;楊槐;;基于多島遺傳算法的大型預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞承載機(jī)架成本優(yōu)化方法(英文)[J];Chinese Journal of Aeronautics;2011年05期

2 顧新建,祁國寧;知識集成初探[J];計算機(jī)集成制造系統(tǒng)-CIMS;2000年01期

3 蔡乾亞,裘泳銘,陸偉東;基于知識的集裝箱船中剖面結(jié)構(gòu)設(shè)計 CAD 系統(tǒng)[J];上海交通大學(xué)學(xué)報;1997年11期

本文編號：1169335