多目标优化在船型设计中的应用研究

多 目标优 化在船型设计 中的应 用研 究
程 红蓉 ，刘晓 东 ，冯佰威
（ １ ． 中国船舶科 学研 究 中心 上海分部 ，上海 ２ ０ ０ ０ １ １ ；２ ． 武汉理工 大学，武汉 ４ ３ ０ ０ ６ ３ ） 摘 Nhomakorabea要
Ｅ Ｅ Ｄ Ｉ （ 能效设计指数 ） 是 国际海 事组 织 Ｉ ＭＯ 推 出的第一部专 门 针 对海运温室气体减排的强制性法律文 件 ，对绿色船型的研 发和优化提 出了更高的要求。论文提 出 了一种适合 于概念设计 阶段 的多 目 标优 化研 究设 计方法，并 以一艘阿芙拉型油船为例 ，实现 了 该船概念设计 阶段 中关于 主尺度连 同船 型的水 动力性 能的多 目 标 优化，为后阶段主尺度 和船型的进一步优化提供 了 良 好基础 。
模型框架 已初步建立 ，优化设计通常涉及船型参数 、螺旋桨和舵等 。其 中，快速性 能取决于船舶 的
阻力 和 推 进 性 能 ，通 常 以海 军 常 数作 为 目标 函 数 ；操 纵 性 能 通 常选 取 直 线 稳 定性 指 数 、相 对 回 转直 径 以及 无 因次初 转 期 作 为 目标 函 数 ；耐 波 性 能 则通 常 选 取 横 摇 、纵 摇 或 无 因 次 的 阻力 增 加 系数 作 为 目标 函数 。当然 ，不 同 的船 型所 选 取 的 目标 函数 各 有侧 重 。Ｅ Ｅ ＤＩ 作为衡量 Ｃ Ｏ２ 排 放 量 的指 标 ，是 当
优 化 技术 作 为一种 现代 设计 理念 被 引入 到船 舶 设计之 中。本 文 围绕船 舶水 动力 性 能 ，结合热 点 Ｅ Ｅ ＤＩ ，
在 进 行概 念设 计 的阶段 同时考 虑主 尺度 和线 型 的多 目标优 化 ， 利用 Ｆ ｒ ｉ ｅ ｎ ｄ ｓ ｈ ｉ ｐ ． Ｆ ｒ ａ ｍｅ ｗｏ ｒ ｋ船 型优化 软件 平 台 ，以一艘 阿 芙 拉型 油船 为例 开展 了全参 数化 建 模 ，并 集成 多 目标优 化 函数 ，成功 实现 了主尺 度 结
关 键 词 ：船舶；能效设计指数 （ Ｅ Ｅ Ｄ Ｉ ） ；概念设计；船型优化；多 目 标优化 中图分 类号 ：Ｕ ６ ６ １ ． ３ １ 文 献标 识码 ：Ａ
０ 引 言
节 能减 排 是现 代和 未 来船 舶 的主 要特 征 和 发展 趋势 ，也 是新船 设 计 中最 重要 的硬 性 要 求之 一 ¨ 】 。 国 际海事 组织 Ｉ ＭＯ 已经 或正 在 为此制 定造 船 的新标 准 、新 规 范 ，如协 调共 同结 构规 范 （ ＨＣ Ｓ Ｒ） 、船舶 专用 海 水 压载 舱和 散 货船 双 舷侧 处保 护 涂层 性 能标 准 （ Ｐ Ｓ Ｐ Ｃ） 、燃 油舱 双 壳化 等 ，最 近 的热 点是 船 舶 能效 设 计指 数 Ｅ Ｅ ＤＩ（ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｅ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ Ｉ ｎ ｄ ｅ ｘ ） 。Ｅ Ｅ ＤＩ 是 一个 集船 体水 动力 外形 优 化技 术 、快 速 性 、耐 波性 、主 机 与辅机 、节 能减 排 技术 等于 一体 的衡 量船 舶 Ｃ Ｏ ： 排 放量 的指 标 。制 定这 一指 标 的 目 的是提 高船 舶 能效和 降低 二氧 化碳 的排放 。Ｅ Ｅ Ｄ Ｉ已于 ２ ０ １ ３年 １月 １日起 强制执 行 ，这是 Ｉ ＭＯ在 海 事 界减 排 领域 中最 先推 出的实质 性 的强 制措 施 。 Ｅ Ｅ ＤＩ 的强 制执 行意 味着 不达 标 的船 不 能进入 国 际市场 ，
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第 １期（ 总第 ２ ０ ８期 ）
中
国
造
船
、 ， ０ １ ． ５ ５ Ｎｏ ． １（ Ｓｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｎｏ ． ２ ０ ８）
Ｍａ ｒ ｏ ２ ０１ ４
２ ０ １ ４年 ３ 月
Ｓ ＨＩ Ｐ Ｂ Ｕ Ｉ Ｌ Ｄ Ｉ ＮＧ ＯＦ Ｃ Ｈ ＮＡ Ｉ
文章编号 ：１ ０ ０ ０ ． ４ ８ ８ ２（ ２ ０ １ ４ ）Ｏ １ ． ０ ０ ７ ６ — ０ ７
合 型 线 的多 目标优 化 。
收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ － ０ ６ － ２ ８ ；修 改稿 收稿 日期 ：２ ０ １ ４ － ０ ２ — １ ０
５ ５ 卷
第 １期 （ 总第 ２ ０ ８期 ）
程红蓉， 等 ：多 目标优 化在 船 型设 计 中的应 用研 究
１ 目标 函数
船 舶 的水 动 力 性 能 主要 包 括 船 舶 的 快速 性 、操 纵 性 和 耐波 性 。衡 量 常 规船 舶 的水 动 力性 能优 化
今船舶节能减排领 域关注的焦 点，随着 Ｅ Ｅ Ｄ Ｉ 的强制执行 ，它相 比海 军常数更具有代表性和说服力 。
因此 本 文选 取 Ｅ Ｅ ＤＩ 作 为 衡量 快 速 性 的 目标 函数 。Ｅ Ｅ ＤＩ 可用 Ｃ Ｏ２ 排放 量 和 货运 能 力 的 比值来 表 示 ，
其 计 算 公 式【 】 如下：
这 对我 国众 多船 企 和设 计院 所提 出了挑 战 ，对 绿色 船 型 的研 发 提 出了更 高 的要求 。
提 高船 舶 能效 的重要 措施 包括 ：线 型优化 、螺旋 桨 设计 优化 、 主机 与辅 机选 型优 化 以及 节 能装 置 的应 用 等 。主 尺度 优 化和 线 型优化 作 为绿 色 船舶 研 发 的关键 环节 之 一 ，对船 舶 的水 动力 性 能产 生直 接 影 响 ， 由此 对 Ｅ Ｅ Ｄ Ｉ 的影 响 也是 不言而 喻 的 。传 统 的船 舶设 计通 常是 在 主尺度 确 定下 来后 再确 定线 型 ， 接 下来 总 布置 设计 ，之后 再进 行 性 能计算 。这种 传 统设 计方 法存 在 着设 计 空间 有 限、无 法 得到 系 统整 体 最优 解 、未 能考 虑 各学 科 之 间的相 互耦 合 等诸 多 问题 。面 对传 统 设计 思想 存 在 的 问题 ，多 目标 设计