6船舶中剖面结构优化设计
第六章 船舶中剖面结构优化设计
6.1 概述
船舶结构设计通常是从船中剖面设计开始的。中剖面各部分的结构形式、构件尺寸和它们的连接方法，都集中地反映了船舶的结构概貌。船体中部结构是保证其总纵强度的主要部分，也是船体结构重量的主要部分，因此，进行中剖面结构优化设计是十分有意义的。那么，如何运用最优化方法和计算机技术，在保证船体结构必需的强度和刚度情况下，选择最佳的结构方案，使其重量最轻或成本最低呢?这就是本章所要讨论的问题。
本章首先介绍了适用于船舶结构优化问题的混合离散变量的直接搜索法（MDOD 法），接着应用MDOD 法分别讨论了基于“规范”法和直接计算方法的中剖面结构优化设计，并给出了国内外学者（包括编著者）在船舶结构优化设计方面的一些研究成果。
6.2 离散变量的结构优化设计
结构优化设计大体上可分为三个阶段。第一个阶段是建立数学模型，把一个工程结构的设计问题变成一个数学问题；第二个阶段是选择合理、有效的计算方法；第三个阶段是编制计算机程序，进行设计方案的优化计算和评估。
介绍结构优化设计的教材已有一些[1,2]，但由于船舶结构的设计的方法大都是离散的变量, 真正处理起来并不简单。本章将介绍新近发展起来直接处理的混合离散变量优化问题方法[3]。
6.2.1 结构优化的数学模型
混合离散变量优化问题与一般的连续变量优化问题的区别在于，前者的设计变量中既包含有连续变量也有离散变量,而后者只包含连续变量。其数学模型可简单的表达为 min
)(X f （6-1） s.t. (X )≤0 j =1,2,3,…,NC
g j （6-2）
式中
ub i lb i x x x ≤≤ i =1,2,3,…,NN
D T ND D T C D R x x x X X X X ∈==],,,[,
],[21L
C T NN N
D ND C R x x x X ∈=++],.....,,[21, C D n R R R ×=
其中：x i lb 和x i ub 分别为变量的下界值和上界值，D
X 为离散变量的子集合（整型变量可
视为离散变量的特例），C
X 为连续变量的子集合。
6.2.2 结构优化的方法
对离散变量优化设计问题，简单地采用连续变量最优解、或其“整圆”解、或将最优解附近的“拟离散解”作为离散变量最优解都是不合适的。解决这一问题的根本途径在于发展离散变量优化方法。现有的方法如： （1）以一般连续变量优化方法为基础的方法，如拟离散法，离散惩罚函数法等，其可靠性和求解成功率都不高；（2）随机型和半随机型的离散变量优化方法，解题效率低，受随机因素影响较大；（３）离散变量搜索优化方法，这类算法包括有随机、随机离散搜索法，和直接搜索离散点的离散复合形法。
混合离散变量的直接搜索（MDOD ）法是目前应用非常广泛的求解约束非线性混合离
散变量的方法。MDOD 算法是建立在离散空间沿相对混合次梯度方向离散搜索，在某单位邻域内进行组合优化查点的一种约束非线性混合离散变量直接搜索方法。根据混合离散变量的特点，在MDOD 算法中采用了新的搜索方向及其迭代公式，并采用离散一维搜索技术来确定搜索步长。当搜索陷入僵局时，又用一种根据非线性函数特点构造的查点技术，从而可以找到新的点，摆脱困境，使搜索继续进行。
MDOD 算法计算步骤归纳如下： （1） 给定或随机选择一个可行初始点X ； （2） 计算，计算相对混合次梯度向量M ； )(~
X f ?（3） 沿M 用延伸搜索法进行离散一维搜索；
（4） 若得到新点，则令，返回（2）；否则转至（5）； T X T X X =（5） 由点X 开始，进行子空间轮变搜索；
（6） 若得到新点，则令，返回（2）；否则转至（7）；
T X T X X =（7） 如果C R 为空集，则转（8）
；否则，对连续设计变量依次做摄动计算；若得到优于c
x X 的点，则令，返回（2）；否则转至（8）；
T X T X X =（8） 确定适时约束下标集，并计算适时约束次梯度的平均和向量；
)(X I （9） 计算目标函数的负次梯度在x 点的约束切平面上的投影及约束函数的
负次梯度在X 点的目标函数切平面上的投影，由此计算查点向量)(~
X f ??1s )(~
X g ??2s v ，定出X Δ和各增量的正负号；
（10） 检查内由)(X UN X Δ各点分量组合构成的各个离散点。若得到优于X 的点，则
令，返回（2），否由转至（11）；
T X T X X =（11） 输出X ，()X f ，停机；X 即为离散最优解?
X 。
MDOD 算法逻辑结构流程图如下：
图6-1 MDOD算法逻辑结构流程图
6.3 按“规范”要求的船中剖面优化设计
民船传统的结构设计是按“规范”进行的。尽管其合理性取决于规范拟定的水平，但能否设想在满足“规范”要求的前提下，使用优化技术，合理地选取中剖面上各构件尺寸，使钢材得到充分的利用，以达到船体重量减小或造价降低的目的呢?这就是按“规范”要求进行优化设计的基本思想。下面着重介绍这类优化问题数学模型的建立。
6.3.1建立数学模型
（1）设计变量
由于构成中剖面的构件类型较多，所以设计参数也多。另外，可以选择构件尺寸或者构件的布置作为设计变量；当构件尺寸作为设计变量时，又有许多几何和力学量可以选取，如截面面积、惯性矩和剖面模数等。合理选取设计变量是至关重要的。设计变量不宜选得太多，否则会增加计算上的困难。一般是选取影响总强度的构件剖面尺寸及其布置作为变量。图8-2为某货船的中剖面，可选择甲板、船侧、内、外船底板的板厚、甲板和外底纵骨的剖面积以及肋骨间距、双层底高度等作为设计变量。
图6-2某货船的中剖面优化的设计变量
为了减少设计变量数目，可以采取下面的一些途径：根据船体中剖面结构特点，同一部位的纵骨取相同的剖面尺寸和纵骨间距；并且对一些相对部位，例如甲板与船底，船侧与纵仓壁的纵骨间距也可取相同值；对于一些使用上有特殊要求的构件，如舱口纵桁等可根据使用要求和规范规定确定其名义尺寸；另外，按照船体中剖面结构的受力特点，在总纵弯曲中，靠近中和轴的部分构件弯曲应力不大，这部分构件尺寸可不作设计变量，而由“规范”要求来确定。在确定设汁变量时，还应注意下面几个问题：
①板厚是规格化的，取离散变量。
②球扁钢与T 型钢也取离散变量。因为它们已经规格化，形成一个由小到大的骨材系列，如型号为i 的骨材，其高度及厚度等都是固定不变的，表6-1是骨材系列对照表。把纵骨型号，环向肋骨型号作为设计变量。型号为i 的骨材，其剖面积，自身惯性矩，型心位置都是固定不变的。
1N 2N i F oi I ci y 表6-1 骨材系列对照表 面积单位：cm 2
球扁钢型号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
11
剖面面积 2.82 3.42 4.20 4.97 5.74 6.917.4810.9613.80 16.53 17.63球扁钢型号 12 13 14 15 16 17 18 19 20
21
22
剖面面积
20.76
21.79
25.30
26.86
30.76
32.21
36.50
37.03
42.71 43.01 47.27
（2）约束条件
满足“规范”，是按“规范”优化设计的特点：即所决定的构件尺寸或布置，必须以“规范”对构件尺寸和布置的要求值作为限制。“规范”对构件尺寸的要求，一般是以公式的形式表示；而对总纵强度的要求是以船中剖面模数要求值给出。中剖面模数是所有设计变量的隐式函数，在约束条件中，有些是显式函数，有些是隐式函数。由于构件剖面几何--力学量的换算公式是非线性的，所以这些约束条件都是非线性约束。一般有：
① 设计变量必须满足“规范”要求：1/ri i X X 0?≤ ② 设计变量的非负要求：
0i X ?≤③ 为保证船体总纵强度，船中剖面模数必须满足“规范”要求：
1/01/ri i rd d W W W W ?≤?≤0
④ 最大切应力限制： /[]10ττ?≤ ⑤ 最小和最大尺寸限制： i i i X X X ≤≤ ⑥ 总布置对双层底高度的限制：d X h ≤
式中i i d X W W τ、、、 为设计变量、中剖面对甲板或船底的剖面模数以及最大切剪应力；
[]ri ri rd X W W τ、、、为“规范” 的要求值、
“规范”对甲板或船底的中剖面模数要求值以及许用切应力；
i i X 和X 为设计变量的上限和下限。和为双层底高度设计变量及总布置对其限制。
另外，有时也需要考虑动力约束。为使船体固有频率与干扰力频率保持一定的差距，避免发生共振现象，要建立若干个频率禁区，如图8-3所示。例如，建立三个船体低谐调的频率禁区：
图6-3船体低谐调的频率禁区
()()()()()()11
2233
111111N n a N b N n b N c N n c N ≤≤?+≤≤?+≤≤?＋a （6-3）
式中是船体低谐调固有频率；n 是干扰力频率(如主机转速)；a 、b 、c 为频率禁区的范围控制系数。
12N N N 、、3（3）目标函数
作为最优化设计的评价，有船体重量最小和建造费用最小两种标准。
以船体重量最小作为评价指标时，把船中剖面附近的纵向强力构件的单位长度钢材重量作为目标函数：
∑=+==n
i i a A W X f 1
0)()(ρ
（6-4）
式中ρ为比重；为给定尺寸的构件总剖面积；为第纵向强力构件的剖面积；n 为可变尺寸的纵向强力构件总数。
0A i a i 由于型材的剖面积与剖面模数或剖面惯性矩成非线性关系，所以()F X 一般是设计变量的非线性函数。
以建造费用最小作为评价指标时，把船中剖面附近的纵向强力构件的单位长度的建造费作为目标函数。
这里的建造费，是指钢料费和建造工程中各工种所必需的加工费之和。计算钢材费用时，可以根据钢种来确定钢材的单价，加工费是以板和纵骨的小合拢、大合拢和船台建造所需要的焊接工作费用作为标准。其它的工作费由实船的实际情况加以确定，予以模式化。加工费的确定，是一项十分繁复的工作。
6.3.2数学优化方法
按“规范”要求的船中剖面优化设计，一般有十几个设计变量和几十个约束条件的中等规模的约束非线性优化问题，并包含板厚这样的离散变量。因此，可选用解混合离散变量非线性规划问题的一些方法，如MDOD 方法等。
6.3.3实 例
以某万吨货舱中剖面优化设计为例。其主要参数为:船长L ＝148米；型宽B ＝21.2米；吃水d ＝9.2米；型深H ＝12.5米；静水弯矩M ＝222750千牛米；排水量Δ＝19650吨；主机转速n ＝l15转／分；上甲板使用高强度钢，其余全部使用船用低碳钢。
解：本题选取9个设汁变量；23个约束条件；以船体重量最小为目标函数；采用混合离散变量非线性规划问题的MDOD 方法，进行优化设计，优化结果列于表8-2中及图8-4所示。
表6-2 优化结果
最优解
实船尺寸
纵骨间距
X 1
mm 780 750
双层底高度 X 2mm 1240 1400 上甲板纵骨剖面积 X 3cm 2?31.36 ?27.36
船底纵骨剖面积 X 4cm 2
42.0 37.75
船侧板厚 X 5mm 16 18 上甲板板厚 X 6mm
?22 ?22
下甲板板厚 X 7mm 12 12 内底板板厚 X 8mm 12 16 外底板板厚 X 9mm 18 22 最小中剖面纵 向构件总面积 F （X ）
cm 2
9480.9 10485.1
中剖面对甲板 剖面模数 W j
2
cm m
0.71x1050.71x105
一阶固有频率 N 1转/分 77.2 二阶固有频率 N 2转/分 139 三阶固有频率
N 3
转/分
195.3
?为高强度钢
（a ）某货轮优化前中剖面 （b ）某货轮优化后中剖面
图6-4
6.4 基于直接计算的船舶中剖面结构优化
如前所述，船舶结构计算设计是一种从结构力学原理出发的校核性计算方法。它比“规范”设计更为合理。鉴于船体结构的构造和受力情况都十分复杂，因此以结构力学原理为依据的中剖面优化设计的难度也增加。我们知道，船体是由板和型材构成的空心薄壁结构，可以人为地将它分成为许多板列，假定每-板列取纵骨剖面积、纵骨间距和壳板厚度3个参数
作为设计变量时，那么就有(3×板列)数个设计变量之多。如果进行整体舱段优化，设计变量就更多。另外，根据现行的强度计算方法；表征舰船总纵强度的状态变量就有21个特征应力；还要考虑衡量船舶过载能力的极限强度以及构件尺寸的最小限制，约束条件也很多。而且大部分约束条件是互相制约的，所以这是一个大型优化问题，下面介绍采用解大系统优化问题的分级优化技术，进行船中剖面的优化设计。
6.4.1分级优化技术的基本思想
船舶结构计算设计是视船体为一两端完全自由的空心梁。先以满足甲板和船底的强度条件为前提，即要求甲板上总纵弯曲应力和船底上总纵弯曲应力与板架应力的合成应力各不大于相应的许用应力，进行第一次和第二次近似计算，确定甲板和船底的相当厚度。然后，根据局部强度和稳定性要求选择板和骨架尺寸。再需校核强度和稳定性，直到满足为止。这种分级处理的思想，有可能引进分组优化的方法，即引进协调变量，将原系统分成若干比较简单的子系统，由各子系统的分别优化和系统之间的协调，得到原问题的最优解。这样，大幅度地减少了分析次数，提高了优化计算的效率。这里，将船中剖面优化设计分成三级优化处理。整个系统的优化流程如图6-5所示。
6.4.2 建立数学模型
（1）第I 级优化
第一级优化是在已知计算载荷和船中剖面几何模式情况下，进行中剖面材料的最优配置。
① 设计变量
根据船体结构各部分所处位置和受力特点，人为地分成船底板架、船侧板架和甲板板架等。每一板如又可以划分成若干不同的板列。取板架相当厚度12δδ、和3δ作为设计变量。它们分别代表甲板、船侧和船底的相当厚度。同一板架中，各板列的相当厚度之间的关系，用一个间断函数表示。于是，每一板列的实际相当厚度为
()ik i k δξδ=
式中i 是板架序号；是扳列序号。间断函数k ()k ξ根据经验预先给定。如图8-6所示。
② 目标函数
以船中剖面纵向构件的最小重量作为目标函数，可用纵向构件剖面积总和来表示：
图6-6 中剖面几何模式
()()01
I
K
i
i k i
A A k
B k ξδ
===+∑
∑
式中为给定尺寸的纵向构件剖面积；0A ()B k 为第k 板列的宽度；I 和K 分别为板架数目和每一板架内板列的数目。 ③ 约束条件
这一级优化设计，要求甲板处总纵弯曲应力1d
σ和船底的总纵弯曲应力与板架弯曲应力的合应力12d
σ、以及船侧的剪切应力τ分别小于或等于规定的许用应力。另外，为保证舰船具有足够的过载能力，要求结构所能承受的极限弯矩大于计算弯矩的1.6-2倍。这些约束条件的数学表达式为：
()
11max 0d
d σσ???≤?? 记作 10g ≤
[]max 0ττ?≤ 20g ≤
()
1212max 0b
b
σσ???≤??、、
30g ≤ ()()()
()
0i i i s d cr s M M W ασ+?≤ 40g ≤ 12i =、
式中和[112d d
σσ????????、
、]τ是许用应力；s σ为材料屈眼应力；为极限剖面模数；cr W α为过载能力系数(取α＝I.7 2)；s M 为静水弯矩；d M 为波浪附加弯矩;1i =代表中垂状态；代表中拱状态。
2i =④ 优化方法
这一级是具有三个设计变量和四个以上约束条件的优化问题，可以应用一般的解约束非线性规划方法，加约束界面直接搜索方法或惩罚函数法等求优[1]，也可用MDOD 法。
第-级优化以后，对第二级优化输出相当厚度和相应的别面模数、总纵弯曲应力等。 （2）第II 级优化
这一级的任务是，按照上一级优化所得的()123i i δ=、、进行板列的最优分配，即把具有相当厚度的每一板列转化为一列加筋板格。在最优分配中，必须一个板列一个板列地进行。
① 设计变量
取每一板列的基本尺：壳板厚度、纵骨剖面积k t k f 和纵骨间矩作为设计变量，为板列序号。这一级优化采用混合离散变量优化方法。
k b k ② 约束条件
这一级应满足甲板、船侧、内底的局部弯曲应力、构件稳定性和外板的总纵强度合成应力等约束条件。
对于甲板： 记作 330d d
σσ???≤??50g ≤ 记作 440d d σσ???≤??60g ≤ 对于船侧： 记作 330s s σσ???≤??70g ≤ 记作 440s s σσ???≤??80g ≤ 对于内底： 记作 330b b σσ???≤??90g ≤ 记作 440b b σσ???≤??100g ≤
式中33d s 3b
σσσ、、分别是甲板、船侧、内底纵骨弯曲应力；333d s b
σσσ????????????、、为相应的许
用应力；
44d s 4b σσσ、、分别是甲板、船侧、内底板格弯曲应力；444d s b σσσ????????????、、为相应的许
用应力。
考虑在极限弯矩作用下，纵骨应保证稳定性，则
110s cr g ασσ?≤≤记作 0
（6-5）
式中cr σ是纵骨临界应力，近似采用下式：
()
22
cr EI
a
F bt πση
=+
（6-6）
式中I 为纵骨带附连翼板的惯性矩；η为应力超过材料比例板限的修正系数；F 为纵骨剖面积；t 为带板厚度；a 为纵骨长度；b 为带板宽度。
另外，中和轴处船侧板格还领检验剪切稳定性，则有：
120.500s c g στ?≤≤记作
（6-7）
式中2
1001070c t b τ??
=????
除了上述应力约束外，最重要的是必须满足船底外板总纵强度条件：
()
1
1234123413max
0b b g σσ???≤??、、、、、
、记作 0≤ （6-8）
式中
()
1234max b
σ
、、、是船底外扳最大合成应力，其对应的许用应力是1234b
σ????、、、
。 但是，
()
1234max
b
σ
、、、这里还不能计算，所以还无法进行船底板列的材料分配。现引入协
调系数和，补充建立两个新的约束条件: 1k 2k 1
311300b s k g σσ?≤≤记作
2421300b s k g σσ?≤≤记作 式中3b
σ和4b
σ是船底纵骨弯曲应力和板格弯曲应力。系数和称为协调变量。调节和
，来控制船底外扳局部弯曲应力的大小，并使最后的合成应力满足。
1k 2k 1k 2k 130g ≤③ 目标函数
这一级是进行板列材料的最优分配。希望在满足纵骨强度和稳定性要求前提下，尽可能提高板格的强度和稳定性，以便节省材料。由结构力学可知，板格的欧拉应力与()2
t b 成正
比，板格在静水压力下之弯曲应力(短边中点)与()2
t
b 成反比。因此，这一级把t b 作为目
标函数，使它达到最大值。(其中t 为壳板厚度，b 为纵骨间距)。
（3）第III 级优化
进行总强度检验及协调变量的优选。即调整协调变量和，使满足船底外板总纵强度条件，并实现中剖面重量最小。这一级采用连续变量优化方法。
1k 2k 130g ≤ 协调变量和的优选，是通过第II 级和第III 级反复迭代来解决。即先初选协调变量，进行优化设计；然后，作总纵强度分析，井修改协调变量。如此反复调整，最后获得最
1k 2k
优解。
6.4.3实例
对某海上救生船进行中剖面优化设计，原设计中剖面构件尺寸如图6-7所示。中剖面纵向构件的总面积为2281.5厘米2．经过优化设计后的中剖面构件尺寸如图6-8所示。此中剖面纵向构件总面积是1972厘米2。可见，优化后船体重量有所下降。
由于MDOD 法是既可用于连续变量，又可用于离散变量，以及离散混合变量的优化方法，实际编程时，仅用此方法进行上述的三级优化。
×7×8
×7×8
×7×8×7×8
×7×8
图6-7 某船原设计中剖面 图6-8 优化设计后中剖面
船舶建造流程
船舶建造流程 一、船体放样 1.线形放样：分手工放样和机器(计算机)放样，手工放样一般为1：1比例，样台需占用极大面积，需要较大的人力物力，目前较少采用;机器放样又称数学放样，依靠先进技术软件对船体进行放样，数学放样精确性较高，且不占用场地和人力，目前较为广泛的采用机器放样。 2.结构放样、展开：对各结构进行放样、展开，绘制相应的加工样板、样棒。 3.下料草图：绘制相应的下料草图。 二、船体钢材预处理：对钢材表面进行预处理，消除应力。 1.钢材矫正：一般为机械方法，即采用多辊矫夹机、液压机、型钢矫直机等。 2.表面清理：a.机械除锈法，如抛丸除锈法喷丸除锈法等，目前较为广泛采用;b.酸洗除锈法，也叫化学除锈，利用化学反应;c.手工除锈法，用鎯头等工具敲击除锈 三、构件加工 1.边缘加工：剪切、切割等; 2.冷热加工：消除应力、变形等; 3.成型加工：油压床、肋骨冷弯机等。 四、船体装配：船体(部件)装配，把各种构件组合拼接成为各种我们所需的空间形状。 五、船体焊接：把装配后的空间形状通过焊接使之成为永久不可分割的一个整体。 六、密性试验：各类密性试验，如着色试验、超声波、X光等。 七、船舶下水：基本成形后下水，设计流水线以下的所有体积均为浸水体积。
1.重力下水：一般方式为船台下水，靠船舶自重及滑动速度下水; 2.浮力下水：一般形式为船坞; 3.机器下水：适用于中小型船舶，通过机器设备拖拉或吊下水。 八、船舶舾装：全面开展舾装系统、系泊系统、机装、电装、管装等方面的工作。 九、船舶试验：系泊试验、倾斜试验，试航(全面测试船舶各项性能)。 十、交船验收。 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 船舶建造工艺流程简要介绍 本讲座从管理者的角度，按照“壳舾涂一体化总装造船”现代造船管理模式的要求，结合我国船厂的探索实践，介绍船舶建造在各工艺阶段的组织方式、应注意的问题，同时提供 对施工状态的评价标准。 一、造船生产管理模式的演变由焊接代替铆接建造钢质船，造船生产经历了从传统造船向现代造船的演变，主要推动力是造船技术的发展。传统造船分两个阶段： 1、常规的船体建造和舾装阶段。在固定的造船设施按照先安装龙骨系统、再安装肋骨框、最后装配外板系统等。 2．由于焊接技术的引进，船体实行分段建造；舾装分为两个阶段：分段舾装和船上舾装，即开展予舾装。 现代造船又历经以下阶段： 3、由于成组技术的引进，船体实行分道建造；舾装分为三个阶段： 单元舾装、分段舾装和船上舾装，即开展区域舾装。 4、由于船体建造和舾装、涂装相互结合组织，实现“壳舾涂一体化总装造船”。 5、随着造船技术的不断发展，精益造船、标准造船、数字造船、绿色造船将成为船厂的努力方向。目前国内主要船厂一般处于三级向四级过渡阶段；国内先进船厂已达到四级水平；外高桥船厂、建设中的江南长兴岛造船基地明确提出将精益造船、标准造船、数字造船、绿色造船作为发展目标。
机械优化设计大作业2011 - 副本
宁波工程学院机械工程学院 机械优化设计大作业 班级 姓名 学号 教师
机械优化设计大作业 1.题目 行星减速器结构优化设计 NGW型行星减速器应用非常广泛。 1.1结构特点 (1)体积小、重量轻、结构紧凑、传递功率大、承载能力高； (2)传动效率高，工作高； (3)传动比大。 1.2用途和使用条件 某行星齿轮减速器主要用于石油钻采设备的减速，其高速轴转速为1300r/min；工作环境温度为-20℃～60℃，可正、反两向运转。 按该减速器最小体积准则，确定行星减速器的主要参数。 2.已知条件 传动比u=4.64，输入扭矩T=1175.4N.m，齿轮材料均选用38SiMnMo钢，表面淬火硬度HRC 45~55，行星轮个数为3。要求传动比相对误差02 ?u。 .0 ≤ 弹性影响系数Z E=189.8MPa1/2；载荷系数k=1.05； 齿轮接触疲劳强度极限[σ]H=1250MPa； 齿轮弯曲疲劳强度极限[σ]F=1000MPa； =2.97；应力校正系数Y Sa=1.52； 齿轮的齿形系数Y Fa 小齿轮齿数z取值范围17--25；模数m取值范围2—6。 注： 优化目标为太阳轮齿数、齿宽和模数，初始点[24，52，5]T
3.数学模型的建立 建立数学模型见图1，即用数学语言来描述最优化问题，模型中的数学关系式反映了最优化问题所要达到的目标和各种约 束条件。 3.1设计变量的确定 影响行星齿轮减速器体积的独立参数为中心轮齿数、齿宽、模数及行星齿轮的个数,将他们列为设计变量，即： x=[x 1 x 2 x 3 x 4 ]T=[z 1 b m c]T [1] 式中：z 1ˉ￣ 太阳轮齿数；b―齿宽（mm）；m—模数（mm）;行星轮的个数。通常情况下，行星轮个数根据机构类型以事先选定，由已知条件c=3。这样，设计变量为： x=[x 1 x 2 x 3 ]T=[z 1 b m]T [1] 3.2目标函数的确定 为了方便，行星齿轮减速器的重量可取太阳轮和3个行星轮体积之和来代替，即： V=π/4（d 12+Cd 2 2）b 式中：d 1--太阳轮1的分度圆直径，mm；d 2 --行星轮2的分度圆 直径，mm。 将d 1=mz 1， d 2 =mz 2 ，z 2 =z 1 （u－2）/2代入（3）式整理，目标函数 则为： F（x）=0.19635m2z 1 2b［4+（u－2）2c］[1] 式中u--减速器传动比;c--行星轮个数 由已知条件c=3,u=4.64,因此目标函数可简化为： F（x）=4.891x 32x 1 2x 2
基于多学科优化的船舶结构设计研究
基于多学科优化的船舶结构设计研究 发表时间：2017-09-21T14:15:44.680Z 来源：《防护工程》2017年第12期作者：叶帆[导读] 满足其实际设计要求，建立健全相关管理机制，合理解决其中存在的设计问题，提高优化设计工作效果。 武汉船舶设计研究院有限公司湖北省武汉市 430000 摘要：在船舶结构设计的过程中，设计者需要积极应用多学科优化设计方式，建立专门的框架体系，在继承有限元建模与分析软件优化技术的支持之下，科学开展船舶设计工作，逐渐提高设计质量与可靠性，增强其工作成效。 关键词：多学科；船舶结构；优化设计 在船舶设计的过程中，设计人员应用多学科优化设计方式，可以有效提高设计工作质量，建立科学的计算结构，对其进行校核处理，应用专门的软件设计技术，明确约束条件，提高结构的耐波性与操控性，满足其实际设计要求，建立健全相关管理机制，合理解决其中存在的设计问题，提高优化设计工作效果。 一、优化设计模型的构建措施 在建立优化设计模型期间，需要对船舱区域结构进行重点分析，主要因为其占有整个船体重量的70%左右，决定着船舶的造价与费用，因此，需要对其进行全面的处理，提高结构设计的优化型，做好区域结构设计工作。 第一，设计模型范围。对于模型范围而言，需要根据船舱实际情况，对其货仓进行划分处理，利用先进的定位技术，明确船舱的各类区域。一方面，需要建设完善的有限元模型，按照工作要求，对其进行优化处理。另一方面，需要建设有效分析区域模型，根据传承的设计要求，对其设计质量进行控制。且在结构优化设计期间，需要对燃油舱与淡水舱等重量进行检验，通过多点约束的方式，对其进行等效划分处理，全面调节空船重量与实体船舱重量之间的关系，及时发现其中存在的差值问题，采取有效措施对其进行改革，以此增强设计成效。 第二，边界条件的明确。设计者需要科学明确边界条件，按照国家《钢制海船入级规范》等条例，对船舱模型进行独立点约束，明确独立点的位置，对其横剖面与轴高速进行分析，提高前后端面约束处理工作质量。 第三，荷载调节措施。为了做好简化设计工作，需要对于船舱的装载情况进行分析，及时发现危险荷载中存在的问题，例如：静水荷载、波浪荷载等，科学计算船舱压力数据信息，以此提高优化设计工作效果。 二、舱段优化设计模型 在结构优化设计的过程中，需要对舱段优化设计模型进行全面分析，在严格控制的情况下，提高设计质量。 第一，设计变量的分析。在多学科优化设计期间，需要利用多个学科对船舶主尺度进行全面的分析，明确结构优化设计要求，在获取相关确定值之后，科学开展设计工作。首先，对于船体而言，可以利用高级强度钢对其进行建造处理，例如：AH32强度钢材料，对于货仓区域而言，需要对其纵向构件进行处理，利用AH36级强度的钢材料开展制作工作，提高优化设计工作质量，增强其工作效果[1]。其次，在有限元软件的限制之下，板单元的应力数据信息分析工作受到广泛重视，需要相关设计者对其设计参数进行全面的处理，在参数改变的情况下，提高系统设计质量。最后，需要对各类板单元的厚度进行控制，根据实际设计情况，对设计方案进行简化处理，在减少计算时间的基础上，提高设计工作效率与质量，满足其实际发展需求。同时，需要规范计算方式，选择离散设计变量开展优化设计工作，提高工作成效。 第二，边界条件的明确。设计者需要科学明确边界条件，按照国家《钢制海船入级规范》等条例，对船舱模型进行独立点约束，明确独立点的位置，对其横剖面与轴高速进行分析，提高前后端面约束处理工作质量。 第三，荷载调节措施。为了做好简化设计工作，需要对于船舱的装载情况进行分析，及时发现危险荷载中存在的问题，例如：静水荷载、波浪荷载等，科学计算船舱压力数据信息，以此提高优化设计工作效果。 二、舱段优化设计模型 在结构优化设计的过程中，需要对舱段优化设计模型进行全面分析，在严格控制的情况下，提高设计质量。 第一，设计变量的分析。在多学科优化设计期间，需要利用多个学科对船舶主尺度进行全面的分析，明确结构优化设计要求，在获取相关确定值之后，科学开展设计工作。首先，对于船体而言，可以利用高级强度钢对其进行建造处理，例如：AH32强度钢材料，对于货仓区域而言，需要对其纵向构件进行处理，利用AH36级强度的钢材料开展制作工作，提高优化设计工作质量，增强其工作效果[1]。其次，在有限元软件的限制之下，板单元的应力数据信息分析工作受到广泛重视，需要相关设计者对其设计参数进行全面的处理，在参数改变的情况下，提高系统设计质量。最后，需要对各类板单元的厚度进行控制，根据实际设计情况，对设计方案进行简化处理，在减少计算时间的基础上，提高设计工作效率与质量，满足其实际发展需求。同时，需要规范计算方式，选择离散设计变量开展优化设计工作，提高工作成效。 第二，约束条件分析。对于约束条件而言，需要参考屈服应力数据信息，对其进行全面的处理，满足相关工作要求。在此期间，需要根据国家规范，对其强度进行计算，如果将刚才的屈服应力条件作为约束条件，就要对其最小值进行计算，获取合理的优化设计成果。同时，在货仓区域优化设计期间，由于材料等级存在差异，系数也会有所不同，因此，在实际设计期间，需要制定针对性的约束条件设计方案，提高优化设计工作的合理性与有效性[2]。 第三，目标函数的分析。对于目标函数而言，在实际分析期间，需要科学设定重量值，对其进行最小化的优化处理，将表达式设置为： ×X2....X6]7 minFX 三、多学科优化船舶结构设计实现措施 （一）工作流程分析 第一，做好准备工作。首先，需要利用相关软件，建立有限元的模型，明确相关材料与各类属性，对荷载问题进行全面的分析与处理。其次，需要对属性进行分析，在强度检验的情况下，生成文件。再次，需要利用计算方式，对文件中的各类数据信息进行全面的计算，以此提高优化设计质量。最后，需要计算质量与应力报告，对各类模型进行分析[3]。
结构优化设计是在满足规范要求
结构优化设计是在满足规范要求、保证结构安全和建筑产品品质的前提下，通过合理的结构布置、科学的计算论证、适度的构造措施，充分发挥材料性能、合理节约造价的设计方法。结构优化设计在当前竞争日益激烈的建筑设计市场成为大势所趋。如何在满足建筑功能的前提下，保证结构安全并控制含钢量成为摆在结构设计工程师面前的现实课题。本文总结了以往的设计经验，参考了相关文献，给出了结构优化设计的步骤和一些具体措施，供设计人员参考。 1结构优化设计的步骤 笔者认为，结构优化设计的合理步骤应该是：①在方案阶段，通过与建筑专业的充分沟通，对建筑的平面布置、立面造型、柱网布置等提出合理的建议和要求，使结构的高度、复杂程度、不规则程度均控制在合理范围内，避免抗震审查，为降低含钢量争取主动权；②在初步设计阶段，通过对结构体系、结构布置、建筑材料、设计参数、基础型式等内容的多方案技术经济性比较，选出最优方案，整体控制含钢量；③在具体计算过程中，通过精确的荷载计算、细致的模型调整，使结构达到最优受力状态，进一步降低用钢量；④在施工图阶段通过精细的配筋设计抠出多余钢筋，彻底降低含钢量。 在进行多方案的技术经济性比较时，应综合考虑材料费、模板费、基坑开挖降水支护费用、措施费、施工难易、工期长短等因素，与甲方协商后择优选用。 2结构体系与布置优化 结构体系和布置对造价影响很大，应予重视。 1)应根据建筑布置、高度和使用功能要求选择经济合理的结构体系。比如，异形柱框架比普通框架用钢量大，在可能的情况下尽量采用前者；短肢剪力墙比普通剪力墙含钢量高，在可能的情况下尽量采用后者。 2)应选择比较规则的平面方案和立面方案。尽量避免平面凸凹不规则或楼板开大洞，控制平面长宽比，合理设缝，使结构刚度中心与质量中心尽量靠近。竖向应避免有过大的外挑或内收，同时注意限制薄弱层、跃层、转换层等不利因素，使侧向刚度和水平承载力沿高度尽量均匀平缓变化。 3)应选择合理、均匀的柱网尺寸，使板、梁、柱、墙的受力合理，从而降低构件的用钢量。柱网大则楼盖用钢量大，柱网小则柱子用钢量增大，应根据建筑实际情况和经验合理布置。例如，住宅中小开间结构中墙柱的作用不能得到充分发挥，过多的墙柱还会导致较大的地震作用，可考虑采用大开间结构体系，既节约造价，又便于建筑灵活布置。 4)应选择经济合理的楼盖体系。楼盖质量大，层数多，占整体造价比重高，对楼盖的类型、构件的尺寸、数量、间距等应进行对比分析，选择最优的方案。一般住宅宜采用现浇梁板楼盖，预应力楼盖的预应力钢筋容易被二次装修破坏，井字梁楼盖影响室内美观，均不推荐。办公楼等大空间结构宜采用十字梁、井字梁、预应力梁板方案。双向板比单向板经济，应多做双向板。板的厚度，双向板宜控制在短跨的1／35，单向板宜控制在短跨的1／30，此时板易满足强度和变形要求，经济性好。 5)剪力墙结构的优化空间很大，应下大力气优化。剪力墙的布置宜规则、均匀、对称，以控制结构扭转变形。在满足规范和计算的前提下应尽量减少墙的数量，限制墙肢长度，控制连梁刚度，剪力墙能落地的就全部落地不做框支转换层，平面能布置成大开问的尽量布置成大开间，墙体的厚度满足构造要求和轴压比的要求即可。连梁刚度太大时可通过梁中开水平缝变成双梁、增大跨高比等措施降低连梁刚度。尽量少用短肢剪力墙，限制“一”字墙，少做转换。 6)降低含钢量的小技巧：①楼电梯间不宣布置在房屋端部或转角处。因其空间刚度较小，设在端部对抗扭不利，设在转角处应力集中。②框架结构层刚度较弱时，加大柱尺寸或梁高都可显著增大层刚度，而提高混凝土强度效果不明显。③柱的截面尺寸，多层宜2层～3层
船舶生产设计及管理信息化 函授试答案
船舶生产设计及管理信息化 1.世界造船业当前己逐渐形成四极结构，分别是日本、韩国、西欧和以中国为代表的其它国家。在经济全球化的今天，国际造船业已发展成为全球一体化市场，世界各国造船企业在全球范围内展开了技术、性能、质量和服务多方面全方位的竞争。从当前国际造船业的竞争态势以及对日本、韩国、欧洲和中国造船业的分析可知,世界造船能力约为5100万载重吨(DWT)，而实际可能的新船需求不会超过4000万DWT，能力过剩率达到21.6%。这种能力相对过剩的状况已持续多年，并有愈演愈烈之势，给世界船舶工业带来了更为激烈的竞争。1 当今国际造船业己发展成为全球一体化市场，世界各国造船企业在全球范围内展开了技术、性能、质量和服务多方面全方位的竞争。由于市场竞争激烈，世界造船业在技术、体制上发生了重大革命，其中以造船技术的发展最为突出。 自1956年到1999年，连续44年，日本造船产量一直占据全球的30、50%，居世界首位。在船舶产量、船台周期、生产效率、船舶大型化、造船职工和人均产量诸方面，半个多世纪来，日本持续提高，特别是近二十年来，攀升速率明显加快。 上世纪90年代以来，日本每家骨干船厂的职工由70年代的万人左右，下降到800-1300人。日本全国造船工人也由十多万减少到2万，提高了效率，降低了成本，并从根本上改变了传统造船业的“肮脏、困难、危险”劳动力密集的状态，成为现代化按流水线方式生产的高技术产业。（1）结合材料所述日本造船业的发展历史，对比我国造船业存在的问题，从集成制造设计管理、生产管理、质量管理三方面提出相应的对策。（20分） 答：设计管理： 现设计过程标准化、流程化的工具，是沟通设计与生产管理之间的桥梁，通过统一的标准和编码，将船舶产品以数据的方式进行统筹管理，实现数字化造船的功能，所以从某种意义上来说，设计管理信息系统实现的更多的是一种船舶设计数据的组织与管理模式。 船舶集成制造模式的设计包括以下原则。 (1) 按区域设计的原则 (2) 以中间产品为导向的设计原则 (3) 设计、制造、管理、信息一体化的设计原则 (4) 壳舾涂一体化的设计原则 (5) 各设计阶段相互结合的设计原则 生产管理： 根据现代造船管理模式的要求，结合总装造船的主要工艺过程、生产作业主流程、主流程作业分析，讨论现代造船模式下造船生产管理的要求、原则、生产组织管理方式和应注意的问题。 现代造船生产组织管理的要求 １）工程管理。编制建造方针，建造方针中能充分体现总装造船的方法。根据造船大日程计划细化为精确到日的设计所托盘出图计划、舾装件托盘集配计划、分段完工 《船舶生产设计及管理信息化》试卷A 第1页共6页《船舶生产设计及管理信息化》试卷A 第2页共6页
数控机床主轴结构的改进和优化设计
数控机床主轴结构的改进和优化设计 严鹤飞 （天水星火机床有限责任公司技术中心 甘肃 天水 741024） 摘 要： 掌握机床主轴的关键部件，安装方式，轴承的调制环节以及材料、操作维护等，并且各种原因中又包含着多种影响因素互相交叉，因此必须对每个影响因素作具体分析。而对于优化设计理论的基本思想及其求解方法，将其应用于机床主轴的结构设计，建立了机床主轴结构优化设计的数学模型，并用内点惩罚函数法求解模型，得到了整体最优的结构设计方案，使机床主轴在满足各种约束要求条件下，刚度最好，材料最省。 关键词：机床主轴；轴承；调整；优化设计；数学模型 在数控机床中，主轴是最关键的部件，对机床起着至关重要的作用，主轴结构的设计首先考虑的是其需实现的功能，当然加工及装配的工艺性也是考虑的因素。 1. 数控机床主轴结构改进： 目前机床主轴设计普遍采用的结构如图1所示。图中主轴1支承在轴承4、5、8上，轴承的轴向定位通过主轴上的三个压块紧锁螺母3、7、9来实现。主轴系统的精度取决于主轴及相关零件的加工精度、轴承的精度等级和主轴的装配质量。在图1中主轴双列圆锥滚子轴承4的内锥孔与主轴1:12外锥配合的好坏将直接影响株洲的工作精度，一般要求其配合接触面积大于75%，为了达到这一要求，除了在购买轴承时注意品牌和等级外，通常在设计时对主轴的要求较高，两端的同轴度为0.005mm，对其相关零件，如螺母3、7、9和隔套6的端面对主轴轴线的跳动要求也较高，其跳动值一般要求在0.008mm以内。对一般压块螺母的加工是很难保证这么高的精度的，因而经常出现主轴精度在装配时超差，最终不得不反复调整圆螺母的松紧，而勉强达到要求，但这样的结果往往是轴承偏紧，精度稳定性差，安装位置不精确，游隙不均匀，造成工作时温升较高，噪音大，震动厉害，影响工件的加工质量和轴承的寿命。但对于重型数控机床用圆锥滚子轴承其承载负荷大，运转平稳，精度调整好时，其对机床的精度保持性较好，可对与轻型及高速机床就不十分有力了。 图1 通用机床主轴结构图 1— 主轴；2—法兰盘；3—圆螺母；4—双列圆柱滚子轴承；5—球轴承 6— 调整垫；7—圆螺母；8—双列圆柱滚子轴承；9-螺母
6船舶中剖面结构优化设计
第六章 船舶中剖面结构优化设计 6.1 概述 船舶结构设计通常是从船中剖面设计开始的。中剖面各部分的结构形式、构件尺寸和它们的连接方法，都集中地反映了船舶的结构概貌。船体中部结构是保证其总纵强度的主要部分，也是船体结构重量的主要部分，因此，进行中剖面结构优化设计是十分有意义的。那么，如何运用最优化方法和计算机技术，在保证船体结构必需的强度和刚度情况下，选择最佳的结构方案，使其重量最轻或成本最低呢?这就是本章所要讨论的问题。 本章首先介绍了适用于船舶结构优化问题的混合离散变量的直接搜索法（MDOD 法），接着应用MDOD 法分别讨论了基于“规范”法和直接计算方法的中剖面结构优化设计，并给出了国内外学者（包括编著者）在船舶结构优化设计方面的一些研究成果。 6.2 离散变量的结构优化设计 结构优化设计大体上可分为三个阶段。第一个阶段是建立数学模型，把一个工程结构的设计问题变成一个数学问题；第二个阶段是选择合理、有效的计算方法；第三个阶段是编制计算机程序，进行设计方案的优化计算和评估。 介绍结构优化设计的教材已有一些[1,2]，但由于船舶结构的设计的方法大都是离散的变量, 真正处理起来并不简单。本章将介绍新近发展起来直接处理的混合离散变量优化问题方法[3]。 6.2.1 结构优化的数学模型 混合离散变量优化问题与一般的连续变量优化问题的区别在于，前者的设计变量中既包含有连续变量也有离散变量,而后者只包含连续变量。其数学模型可简单的表达为 min )(X f （6-1） s.t. (X )≤0 j =1,2,3,…,NC g j （6-2） 式中 ub i lb i x x x ≤≤ i =1,2,3,…,NN D T ND D T C D R x x x X X X X ∈==],,,[, ],[21L C T NN N D ND C R x x x X ∈=++],.....,,[21, C D n R R R ×= 其中：x i lb 和x i ub 分别为变量的下界值和上界值，D X 为离散变量的子集合（整型变量可 视为离散变量的特例），C X 为连续变量的子集合。 6.2.2 结构优化的方法
船舶生产设计
?现代船舶设计可分为：初步设计(合同设计),详细设计,和生产设计三阶段 ?初步设计与详细设计是解决造什么样的船的问题.生产设计则是解决怎样造船和怎样合理组织造船生产的问题。 ?生产设计特点:1生产设计要解决的是“怎样造船”的问题2生产设计将涉及,工艺,管理融为一体3生产设计必将涉及整个生产体系4生产设计将通过事前准备工作而贯穿整个船舶设计过程的始终5生产设计的过程是在图面上“模拟造船”的过程6生产设计的工作图表式现场生产的唯一依据。 生产设计的基本内容：生产设计的事前准备工作、生产设计图纸和管理表的绘制。 ?生产设计包括两部分内容:船体生产设计和舾装生产设计 ?舾装生产设计又分为：船装,机装,和电装生产设计.船装又可分为内装,外装,管装和涂装.内装是以居住舱室为主的室内舾装设计,外装指舱室外全船各层甲板的舾装设计,又称甲板舾装,管装是指除机舱以外的全船性管系舾装,涂装是指全船的除锈处理与涂料涂装设计,包括原材料的预处理 ?生产设计前的准备工作,主要有生产技术准备,计划准备和工程控制准备三项工作 ?原则工艺说明书与船舶建造方针书的区别:1前者在推行生产设计前编制的综合性造船工艺文件后者是在推行生产设计之后编制的2，前者是由船厂设计部门或者是船体车间,在方案设计,初步设计和技术设计的同时或之后(在施工设计阶段),从整个船厂,船舶产品的角度,以船体为中心和重点,后者是以船体和舾装为中心和重点 ?船舶建造方针书是以船体为基础,以舾装为中心,以现代化造船技术为主导 ?建造方针书的内容一般可分为两部分:一为合同概要,主要技术参数和主要无量,基本方针和部门方针二为附图,附表和综合协调。 ?分段划分的原则：1吊车最大起重原则2原材料最佳利用原则3均衡组织生产原则4船体结构强度合理性原则5施工工艺合理性原则6安全施工原则7扩大分段舾装原则。?船台建造法分为：1塔式建造法2环形总段建造法3岛式建造法4一条半建造法5两段建造法6一线两点建造法。 ?造船网络是网络计划技术在造船工程中的应用,他表示整个造船生产过程各工序之间的先后顺序,衔接关系和作业时间,用以组织造船生产,控制尽可能缩短造船周期。 ?网络图优化和调整：增加劳动力，实行多班制，延长作业时间，采用新工艺，新技术。?日程计划表：1船厂建造计划线表(在船厂所有船的日程进度)2综合日程表（反应一条船建造总计划）3主日程表（也是一条船，作为各车间进行生产活动的直接依据，包括船台吊装主日程表，船体舾装主日程表和平台周期表）4月计划表（各工作部门生产的依据，某个车间，班组，场地一个月所要做的具体工作的开工日期及完工日期）。 ?分段建造方法:1按基准面:正造法,反造法,卧造法,侧造法2按装配顺序:分离法,放射法,插入法,框架法 ?胎架形式有：平面胎架,曲面胎架(包括斜切胎架),活络胎架 ?生产设计的计划准备包括确定船舶建造的顺序计划,负荷计划和日程计划 ?负荷计划即工程量的测算计划,也就是船厂所具有的生产能力和预想的工作量之间的对比.它主要由船厂生产负荷计划,各阶段负荷计划和分段负荷计划三部分组成, ?船厂生产负荷计划是在订货计划阶段编制的负荷计划,是在生产技术准备中确定建造法时进行编制的, ?日程计划是从船体完工交船日期倒推到加工开始和钢材到厂交货日期为止 ?船厂建造计划线表反映加工开始,分段制造,上船台,下水和交船 ?所谓船体零件是指经号料,加工后可供装配的船体构件.船体部件是指两个或两个以上的船体零件装焊成的船体构件.组合件是指零件和部件或者是部件与部件装焊成的船体
机械结构优化设计
机械结构优化设计 ——周江琛2013301390008 摘要：机械优化设计是一门综合性的学科，非常有发展潜力的研究方向，是解决复杂设计问题的一种有效工具。本文重点介绍机械优化设计方法的同时，对其原理、优缺点及适用范围进行了总结，并分析了优化方法的最新研究进展。关键词：优化方法约束特点函数 优化设计是一门新兴学科,它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上,通过计算机的数值计算,能从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案,使期望的经济指标达到最优,它可以成功地解决解析等其它方法难以解决的复杂问题,优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法,因而采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量。优化设计主要包括两个方面:一是如何将设计问题转化为确切反映问题实质并适合于优化计算的数学模型,建立数学模型包括:选取适当的设计变量,建立优化问题的目标函数和约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式,约束条件反映的是设计变量取得范围和相互之间的关系;二是如何求得该数学模型的最优解:可归结为在给定的条件下求目标函数的极值或最优值的问题。机械优化设计就是在给定的载荷或环境条件下,在机械产品的形态、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内,以机械系统的功能、强度和经济性等为优化对象,选取设计变量,建立
目标函数和约束条件,并使目标函数获得最优值一种现代设计方法,目前机械优化设计已广泛应用于航天、航空和国防等各部门。优化设计是20世纪60年代初发展起来的，它是将最优化原理和计算机技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。利用这种新方法，就可以寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计效率和质量。因此优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域，它已广泛应用于各个工业部门。优化方法的发展经历了数值法、数值分析法和非数值分析法三个阶段。20世纪50年代发展起来的数学规划理论形成了应用数学的一个分支，为优化设计奠定了理论基础。20世纪60年代电子计算机和计算机技术的发展为优化设计提供了强有力的手段，使工程技术人员把主要精力转到优化方案的选择上。最优化技术成功地运用于机械设计还是在20世纪60年代后期开始，近年来发展起来的计算机辅助设计（CAD），在引入优化设计方法后，使得在设计工程中既能够不断选择设计参数并评选出最优设计方案，又可加快设计速度，缩短设计周期。在科学技术发展要求机械产品更新日益所以今天，把优化设计方法与计算机辅助设计结合起来，使设计工程完全自动化，已成为设计方法的一个重要发展趋势。 优化设计方法多种多样，主要有以下几种：1无约束优化设计法；无约束优化设计是没有约束函数的优化设计，无约束可以分为两类，一类是利用目标函数的一阶或二阶导数的无约束优化方法，如最速下降法、共轭梯度法、牛顿法及变尺度法等。另一类是只利用目标函数值的无约束优化方法，如坐标轮换法、单形替换法及鲍威尔法等。此法具有计算
机械结构优化设计
机械结构优化设计 ——周江琛 2013301390008 摘要：机械优化设计是一门综合性的学科，非常有发展潜力的研究方向，是解决复杂设计问题的一种有效工具。本文重点介绍机械优化设计方法的同时，对其原理、优缺点及适用范围进行了总结，并分析了优化方法的最新研究进展。关键词：优化方法约束特点函数 优化设计是一门新兴学科,它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上,通过计算机的数值计算,能从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案,使期望的经济指标达到最优,它可以成功地解决解析等其它方法难以解决的复杂问题,优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法,因而采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量。优化设计主要包括两个方面:一是如何将设计问题转化为确切反映问题实质并适合于优化计算的数学模型,建立数学模型包括:选取适当的设计变量,建立优化问题的目标函数和约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式,约束条件反映的是设计变量取得范围和相互之间的关系;二是如何求得该数学模型的最优解:可归结为在给定的条件下求目标函数的极值或最优值的问题。机械优化设计就是在给定的载荷或环境条件下,在机械产品的形态、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内,以机械系统的功能、强度和经济性等为优化对象,选取设计变量,建立
目标函数和约束条件,并使目标函数获得最优值一种现代设计方法,目前机械优化设计已广泛应用于航天、航空和国防等各部门。优化设计是20世纪60年代初发展起来的，它是将最优化原理和计算机技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。利用这种新方法，就可以寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计效率和质量。因此优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域，它已广泛应用于各个工业部门。优化方法的发展经历了数值法、数值分析法和非数值分析法三个阶段。20世纪50年代发展起来的数学规划理论形成了应用数学的一个分支，为优化设计奠定了理论基础。20世纪60年代电子计算机和计算机技术的发展为优化设计提供了强有力的手段，使工程技术人员把主要精力转到优化方案的选择上。最优化技术成功地运用于机械设计还是在20世纪60年代后期开始，近年来发展起来的计算机辅助设计（CAD），在引入优化设计方法后，使得在设计工程中既能够不断选择设计参数并评选出最优设计方案，又可加快设计速度，缩短设计周期。在科学技术发展要求机械产品更新日益所以今天，把优化设计方法与计算机辅助设计结合起来，使设计工程完全自动化，已成为设计方法的一个重要发展趋势。 优化设计方法多种多样，主要有以下几种：1无约束优化设计法；无约束优化设计是没有约束函数的优化设计，无约束可以分为两类，一类是利用目标函数的一阶或二阶导数的无约束优化方法，如最速下降法、共轭梯度法、牛顿法及变尺度法等。另一类是只利用目标函数值的无约束优化方法，如坐标轮换法、单形替换法及鲍威尔法等。此法具有计算
船舶生产设计复习要点
船舶生产设计复习要点 1.船舶生产设计：从广义上来说就是从施工的立场出发，通过设计的形式，考虑高质量、高效率、短周期、并确保安全地解决怎样造船与合理组织造船生产的一种设计。2：50 年代到70 年代船舶设计通常划分：为方案设计、初步设计、技术设计、施工设计；现在的船舶设计分为：初步设计、详细设计、生产设计。 3：按工程内容分生产设计包括两个部分：船体生产设计、舾装生产设计（船装、机装、电装生产设计） 4：船体生产设计负责从船体放样开始到加工、装配、船体总装等船体结构施工的一切设计工作，包括型线放样、结构放样、绘制工作图和管理表。 5：船体生产设计工作图表主要有：钢材套料切割图、部件图及零件表、分段图及零件表、船台工作图、分段重量重心表、脚手架作业图、吊环布置图。 6：如果打破专业的界限，从生产设计的顺序或阶段来划分，生产设计基本内容：一是生产设计的事前准备、二是生产设计图纸和管理表的绘制。 7：生产设计的事前准备：生产设计技术准备、计划准备、工程控制准备。 8：管理表：指设绘生产设计工作图过程中所提供的关于工艺流程、材料、设备、半成品的配套、成本控制、工时、物量负荷的平衡和生产日程计划控制等方面工作所需的图表。 9:造船原则工艺说明书：一般是由船厂设计部门或船体车间，在方案设计、初步设计和技术设计的同时或之后（在施工设计阶段），从整个船厂和船舶产品的特点，以船体为中心和重点，编制的一份造船工艺综合技术文件。 内容： 1）概述。说明船舶的主要尺度、用途、船体结构特征等； 2）介绍船体主要材料及技术要求； 3) 确定造船方法(是分段建造，还是整体散装等)，介绍船体分段的划分情况并作
机械结构优化设计分析
机械结构优化设计分析 摘要：机械结构优化设计具有综合性和专业性的特点，在设计过程中涉及方面很多，对设计人员的综合素质很高。因此，本文就结合实际情况，如何做好机械结构优化设计展开论述。 关键词：机械结构；设计流程；优化设计 一、机械设计的流程 机械的设计是开发和研究重要组成部分。设计人员在设计过程中，要提高自身设计水平，加快技术创新，为社会发展设计出质量优良的生产和机械。第一，要确立良好的设计目标。机械设计与开发要满足实际需要，能够发挥其自身的功能。第二，要严格遵守设计标准和要求，对具体的内容进行提炼，从而有效的设计任务和目标。第三，在承接设计任务书以后，要坚持合适的原则，明确设计责任；还要组织设计方案，对设计方案进行讨论，重视设计样品机械的关键环节和重要步骤，从而形成最初的设计。第四，要组建优秀的项目团队，对方案进行深入讨论，不断优化设计方案，控制方案变更。第五，要组织专家对设计图纸进行严格的审核，保证设计质量，在图纸完成交付以后，要针对存在的问题做好记录，为以后设计提供借鉴和帮助。第六，在机械创建完成后，要做好机械的验收，设计师要对机械进行检查，保证在发现问题能够及时有效的解决，只有在质量验收合格后，才能进行最后的交付使用。第七，在进行机械安装过程中，设计人员要在安装现场进行全程的监督和控制，做好技术指导。第八，为了保证机电和安装质量，要进行生产鉴定和调试，根据机械使用的效果进行合理的评价和鉴定。在以上设计流程中，缺一不可，需要设计人员不断提高自身设计水平，采用先进的设计理念，保证设计质量。 二、机械设计过程中需要注意的问题 为了保证机械设计质量，设计人员要不断总结经验教训，根据实际情况，树立质量第一的理念，实现机械结构的优化设计。 （一）在机械制造阶段，设计水平直接影响到预期的效果，甚至导致机械不能正常投入使用。因此，在设计过程中，设计人员要与制造人员进行协调，多深入生产现场，认真听取制造工人和设计人员的意见、建议，不断优化机械结构，提高机械的精密度。
船舶结构设计方式及优化分析 邱帜
船舶结构设计方式及优化分析邱帜 发表时间：2019-07-16T09:05:47.510Z 来源：《工程管理前沿》2019年第08期作者：邱帜[导读] 在进行具体的船舶结构优化设计时，必须要与实际工程的特点相符合，同时结合计算机技术、现代数学理论等。武汉船舶设计研究院有限公司湖北武汉 430060摘要：船舶结构设计对船舶的应用性有着很大的意义。船舶结构设计的优化方法主要有经典优化设计的数学规划法、多目标模糊优化设计 法、基于可靠性的优化设计法、智能型优化设计法等。在进行具体的船舶结构优化设计时，必须要与实际工程的特点相符合，同时结合计算机技术、现代数学理论等。 关健词：船舶结构；优化；设计方法 引言 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.船舶结构设计的方式 1.1船舶结构设计的设计理念 在设计过程中，由于船舶结构的复杂性，有必要对其设计理念和施工过程中出现的问题进行具体分析。第一要分析船舶运输能力及性能指标。船舶结构的工程量非常大。在正常情况下，它是各种工程建设的基础和综合工作。出于这个原因，船舶的设计过程涉及结构、管系、轮机、电气、舾装等多个专业。因此进行船舶设计时，各专业必须提前做好准备。一方面要分析船舶结构设计和施工过程中的关键点，并针对各关键点制定具体的科学实施方案。另一方面还应设计船舶结构图纸，针对特殊型式有必要与船东方沟通，并按照造船管理的具体过程进行严格管理。这方面主要包括详细设计、生产设计，辅助工装设计，准备工作和管理施工方案。 1.2船体结构设计的设计要求 船体结构的设计必须是可行的，并且应在确保船舶安全的同时进行具体的设计和优化。船舶在海洋中的安全航行是所有工作的重要保证。在设计过程中，必要按照船级设规范要求进行设计，并确保船舶的稳定性。船舶设计时应考虑在航行过程中的海洋环境，气候、水文和极端天气。另船舶的设计需考虑施工的科学性，以方便制造厂进行施工。 船舶结构需有良好的强度和稳性。施工期间必须确保各项材料的质量，例如，船舶构造中使用的板材必须保证强度及机械性能。不能为追求成本而使用有缺陷的材料，导致船舶的安全性降低。在设计过程中，船舶装载能力需高度重视，船舶的舱室和甲板的设计应根据实际装载要求进行优化设计，以便有足够的空间保证人员的生活和货物的装载，同时还应考虑到船员的安全性以及舒适性。 2.船体结构型式 船体结构基础模式属于板以及型材的组合，还可以叫作是板架结构。针对结构处于的地方和功能，手动将其分成几个干板架。例如，船底和甲板板架等。通过分析船体梁，能够清楚甲板与船底板架可以说是船体梁的上冀板和下冀板，舷侧板架则是其腹板。其功能不一样，骨架排列模式不同，一般分为横纵骨架式结构。在纵向结构配置的时候，存在大量纵向构建必须穿过横向构件，在分段合拢过程中，纵向构件有大量的接口，导致纵骨架式结构配置难度较大，因此部分情况下，就算是甲板和船底也应该使用横骨架式的结构。 针对干货船，上面的甲板应该使用横骨架式机构的详细情况为：（1）船只长度不超过 10m 的时候，船只长度在 10m 到 120m，L/D 不超过 11。整个弯矩不大，中刨面模数标准值不大，部分强度要求成为重点的。 （2）上方甲板时常摆放货物，进而横向荷载巨大，若使用纵骨架式结构，相对较大的横梁将会对于舱容造成影响。如图1所示为横骨架式机构图。针对船体应该使用骨架式结构的情况为：（1）船只长度不超过 10m，L/D 不超过 12 的时候，船底外板厚度并不视强度情况确定的，而是以锈蚀和磨损进行掌控。（2）船只中垂弯矩超出拱弯矩较大的时候。（3）船底容易搁浅，或者是舱内使用抓斗起货，同时舱底缺少护板，厚度主要取决于磨损程度。舷侧结构型式，主要是横舱壁之间的距离以及甲板和舱底之间的距离确定的。通常垂向距离不应该使用横骨架式，这对于结冰区域航行十分重要。部分地区在冬天时常存在漂浮的冰排，船只的舷侧结构骨架型式必须充分思考这个因素。 3.船舶板架结构动力优化设计的具体方法
船舶结构优化设计方法及应用实践微探周琦
船舶结构优化设计方法及应用实践微探周琦 发表时间：2019-02-21T15:44:46.337Z 来源：《防护工程》2018年第32期作者：周琦 [导读] 不论何种船舶结构，其创造性、综合性、经验性都比较强，随着市场经济的转型，科学技术的迅速发展，各行各业逐渐开始创新周琦 上海中远海运重工有限公司上海市 200030 摘要：不论何种船舶结构，其创造性、综合性、经验性都比较强，随着市场经济的转型，科学技术的迅速发展，各行各业逐渐开始创新，船舶制造行业也应该进行创新。在实际中采取何种优化方法，才能获取相应的效果，这就需要结合实际的建造需求，文章主要探讨的是船舶结构优化设计的方式及其应用实践。首先分析了船舶结构优化设计的概述，同时阐述了各类优化设计方式及其应用。 关键词：船舶结构；优化设计；概念；应用 近几年，随着我国市场经济的迅速发展，船舶行业也得到了较好的发展，在科技时代背景下，船舶建造行业也面临着较大的挑战，对船舶的制造速度和制造质量提出了更高的要求。借助何种手段，在确保船舶制造质量的同时，缩减制造速度是当前船舶制造企业首要解决的难题。全球范围内的造船大国，仅创建了大量的数字化造船体系。 1船舶结构优化设计概述 1.1船舶结构优化设计概念 随着船舶行业的不断发展，计算机技术的不断转变，与船舶设计相关的知识、技术也在发生了变化。在船舶设计制造过程中不管应用何种设计方式，首先需要确保船舶使用的安全性、便捷性，进而再追求船舶设计的经济利益，这也是船舶结构设计的原则。对船舶结构设计进行优化主要是为了挖掘更大的经济效益，同时创新船舶设计结构形式，在设计过程中主要包含设计大小、设计外形等信息，追求目标与重量的同时，还需要符合相应的标准，满足相应的约束限制，以此确保在船舶设计过程中，实现动力形态与精力形态的完美结合。 1.2船舶结构优化分类 按照变量属性，将船舶结构优化划分为离散模型、连续模型、混合变量模型。由于船舶制造过程中自身的比较繁琐，在建造过程中包括连续性、离散性，在骨材制造中包含连续性，在钢材厚度、型材上涉及离散性内容，因此，船舶结构优化设计本身属于一项混合优化设计方式。 2船舶结构经典优化设计方式 2.1准则优化设计方式 准则法是在力学相关知识和工程设计相关经验的基础上，创建出来的优化设计方式。这类船舶结构经典优化设计方式，在符合所有约束限制的设计方案内，选择最佳的准则法设计方式。 准则法经典优化设计方法的优点包括：（1）物理层的作用比较清晰，能够更好地开展分析工作；（2）准则法计算方式比较简单；（3）在具体的计算环节里，结构分析的次数较少；（4）计算过程中收敛速度较快，在最初使用传播结构优化设计的时候，这类设计方式得到了广泛的应用。准则优化设计方式的缺点包括：（1）无法确保计算结果的最优化；（2）收敛性难以验证；（3）在优化过程中，设计工作人员需要按照实际状况完成各项工作。 基于准则法的缺点，将其融入了形状优化内，通过实践形状优化设计方式，能够有效避免应力集中问题。若是力学模型中涉及大量的变量，使用这类方法能够简化设计环节。目前，在一般的船舶建造工程内，常见的准则法包括：位移准则法、能量准则法、满应力准则法。 2.2数学规划设计方式 随着准则法的不断发展，相关专家学者对数学规划也展开了探讨，在1970年，相关学者创新了结构优化定义，为规范法注入了活力。通常情况下使用的方式为：单目标排序法、降维法、函数评价法等。在使用过程中是将多个目标进行规范，简化为单个目标，通过优化单个目标进行实现设计方式的优化。 数学规划法是在规划论的基础上存在，由于理论较为全面，因此使用范围也比较广，数学规划法自身还具备一定的收敛性。但是在应用中依旧存在一些缺点，主要包括：（1）计算环境较为复杂、收敛耗费的时间比较长，特别是是在变量较多的情况下，收敛耗时比较明显；（2）在计算上还存在一些隐性缺陷。 针对上述问题，相学者进行了改进，在规范法中融入了准则法的优点，依照力学的特征进行了完善，其完善范围包括：选取显示、导入倒数、制约功能、连接变量等方面，很大程度提升了运算速度。 3船舶与海洋工程结构环境载荷来源以及设计原理 船舶结构在服役期间会受到各种外界环境的激励作用，通过设备与海洋平台的相互作用可以产生多种复杂的环境载荷变化，严重时会导致船舶受损。结合研究的现状来看，船舶与海洋工程结构所受到的外界环境载荷在本质上都属于动载荷的范畴。既然属于动载荷，那么其势必成为结构性能设计的重要指标。在船舶与海洋工程平台的结构设计活动中，除了动力优化本身的特点之外，还需要结合静力优化设计的相关要求与内容，通过理论与方法的融合与创新来实现相应的设计目标。一般来说，频率变化较快且动态特性较为稳定的结构可以实现约束目标的效果，动力响应速度、优化约束效果以及目标的结构动力都将成为优化设计工作的主要目标之一。 4船舶与海洋工程结构振动问题的研究现状 随着船舶工程的不断发展以及船舶与海洋工程结构稳定性研究工作的不断深入，当前许多研究人员与学术人员也将注意力集中在了工程结构的振动方面。其中，张生明等人通过使用流体边界法结合结构有限元的方式对于振动的计算特征进行了分析，同时得到了板架结构的相关参数，包括变长比、边界条件以及阻尼参数等不同的内容。另外，邹春萍等人通过结合流固耦合的技术内容实现了用有限元技术对船舶模态分析与动态数值计算的工作，同样为实现在船舶的设计阶段对船舶结构震动进行预测与评估提供了技术依据。目前，板架结构作为船舶与海洋平台结构应用过程中最为重要的结构形式之一，其在结构动态优化中也逐渐成为了核心实践环节。一些学术研究人员开始考