第33卷 第5期
2009年lO月
武汉理工大学学报(鸯望裂差)
JournalofWuhanUniversityofTechnology
(TransportationScience&Engineering)
V01.33No.5
0ct.2009
基于iSIGHT的船舶多学科综合优化集成平台的建立*
冯佰威” 刘祖源” 聂剑宁2’ 常海超" 程细得”
(武汉理工大学交通学院” 武汉430063)(重庆交通大学交通运输学院” 重庆400044)
摘要:传统船舶设计
方法
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无法兼顾各学科之间的协调平衡,也无法使所设计船舶的系统综合性能
达到最优.因此,提出将多学科综合优化技术应用到船舶设计当中是解决上述问题的有效途径.在
介绍ISIGHT软件的功能特点基础上,利用ISIGHT软件经二次开发将船型参数化调和模块、静
水力计算及输出模块、性能计算模块集成在一个平台上,初步建立了对船舶主尺度及线型优化的
多学科综合优化集成平台.以集装箱船的优化为例对该平台进行了验证.
关键词:多学科综合优化;iSIGHT;集成平台;pareto前沿
中图法分类号:U662.2 DOI:10.3963/j.issn.1006—2823.2009.05.021
船舶是一个系统与结构复杂、涉及的专业领
域众多的复杂聚合体,由于船舶空间环境的局限,
其资源和能源等均十分有限,因而船舶的主尺度、
航速、推进功率、航行性能及结构性能等指标既是
相互联系,又是相互制约的.因此,如何实现全船
总体综合性能优化,提高船舶的设计质量、节约研
制经费、缩短建造周期,是船舶研究和设计人员都
十分关注的问题.
多学科综合优化技术
1.1基本概念
多学科综合优化技术[1屯](multidisciplinary
designoptimization,MD0)是20世纪90年代在
国外迅速发展起来的、旨在解决大规模复杂工程
系统设计过程中多个学科耦合问题和权衡问题的
一种新的设计方法;它通过充分探索和利用工程
系统中相互作用的协同机制,考虑各个学科之间
的相互作用,从整个系统的角度优化设计复杂的
工程系统.美国航天局(NASA)对MDO的定义
是:MD0是一种通过充分探索和利用系统中相
互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方
法论.将多学科综合优化技术应用到船舶的研制
过程中,充分考虑船舶设计中各学科的相互影响,
实现多学科的集成和优化,获得系统总体最优设
计,可有效控制生命周期费用、提高船舶建造质
量、缩短研制时间.
1.2集成框架
为了实现多学科多性能的协同优化设计,必
须有一个稳定、可靠的集成框架.因此对集成框架
的研究是MDO中的重要研究内容。对此方面的
研究,国内还刚刚起步,而国外在这方面的研究已
取得较大进展,并产生了一大批科研成果,部分成
果已经转化为商用软件.比较著名的MDO框架
主要有:iSIGHT,AML和ModelCenter,三者加
在一起的市场占有率在90%以上.这些集成框架
均具有以下特点:(1)能为船舶设计各领域的设计
分析工具提供快速方便的连接;(2)能对地理上分
散的不同设计学科的建模和优化提供有效支持;
(3)能提供各种优化搜索策略;(4)能使用各种模
型近似技术;(5)能描述和构造MDO问题;(6)支
持并行计算;(7)具有可视化的能力.
经过调研分析,选择iSIGHT作为船舶多学
科多目标综合优化设计的集成框架.
2 船舶多学科综合优化集成平台的
建立
本文基于iSIGHT集成框架。通过二次开发
收稿日期;2009—05—15
冯佰威:男。35岁,博士生.主要研究领域为计算机辅助船舶设计
。国家863计划项目(批准号:2006AA042124)·高等学校学科创新引智计划项目(批准号:B08031)资助
万方数据万方数据
·898· 武汉理工大学学报(交通科学与工程版) 2009年第33卷
完成了船舶多学科综合优化问题在该框架上的表
述,建立了符合船舶研制特点的集成优化平台嘲,
如图1~2所示。
目1 船型参数化调和模块与性fl目,itl算模块的集成
图2静水力计算模块的集成
该平台由以下几个主要模块构成.
1)船型参数化调和模块 该模块由2个
NURBS控制顶点调和子模块及船型变换子模块
构成.其开发过程是以数学中常用的调和(blend-
ing)为理论基础,调和的过程实际上就是以现有
的多条母型船为研究对象,通过调节调和系数(权
重因子)。从而可产生一系列光顺的船型.而这一
调和过程则是直接操纵母型船的NURBS控制顶
点。再由合成后的控制顶点产生船体曲面的网格,
进而生成船体曲面,在调和过程中一定要保证调
和系数(权重因子)的总和为1.下面的公式也可
说明这一调和过程.
P=∑C,’Pi‘J‘
l;1
式中:,2为母型船的数量;P为新船的控制顶点坐
标;P。为母型船的控制顶点坐标;Ci为调和系数;
在调和过程中保持≥:c=l,以及o≤C;≤1.
z=l
由于调和系数的和为1,因此无论如何调节
C。的值,调和后生成的船型则总是在以母型船为
边界所构成的船型空间内.
另外,如果在优化过程中主尺度也作为变量,
那么还需要将调和后生成的控制顶点坐标按照比
例缩放到当前的主尺度.现以船长X方向的缩放
为例,控制顶点X坐标可用下面公式计算.
X。t=XbI。。d。ng*Lba。i。。h谛/LⅥi。bk
式中:X。。。为新船的控制顶点X坐标;Xsh蛔为调
和船的控制顶点X坐标;L嘲。幽。为母型船的船长;
L。砒。。为通过优化器得到的船长。船宽y方向和
型深Z方向的缩放以此类似.
利用以上所述的调和理论,开发相应的计算
模块,并将其集成到MDO优化过程中.利用此模
块可实现用较少的设计变量生成一系列的光顺三
维船型L4J.
2)静水力计算模块该模块对优化过程中
生成的系列船型分别进行静水力计算,计算后输
出静水力计算结果及型值,为后面的计算模块提
供了数据源.
3)性能计算模块该模块实际上是各计算
程序的集合体,具体有哪些计算程序,视具体的优
化问题而定.本文中的计算模块主要包括重量、快
速性、经济性,各指标均采用经验公式计算.此处
没有采用高精度分析程序(如CFD计算软件),主
要是希望通过这些执行速度较快的计算程序来验
证所开发平台的稳定性及可靠性.
3 集成优化平台的验证
优化问题描述如下.
目标函数最小运输成本(mintco)、重量最
轻(minIs)、最大年收益率(maxannca).
设计变量 调和系数C、船长L、船宽W、型
深D、吃水T.
计算程序均采用文献E33中所用经验公式.
母型船 选取2条集装箱船,尾部横剖线形
状不同.
。
优化算法多目标遗传算法,种群数设置为
100,进化代数设置为50.
经5050次优化运行,获得了pareto前沿,如
图3所示.在前沿上的点表示所有可能的最优解,
设计人员可以根据各指标的重要程度在pareto
前沿选择相应的
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
,如设计人员选择A点,则
A点对应方案C值为0.5,生成的船型如图4.
值得说明的是,尽管每次优化均生成了不同
万方数据万方数据
第5期 冯佰威。等:基于iSIGHT的船舶多学科综合优化集成平台的建立 ·899·
图3优化结果的后处理
图4优化后的船型
的船型,但本例所考虑的指标只与船的主尺度有
关,与控制船型的调和系数并没有直接的关联,实
际上本例只是对尺度进行了优化,在后面的研究
中将考虑增加与线型相关的水动力性能(快速性、
操纵性、耐波性)指标,并应用高精度CFD程序
(如Shipflow、Fluent)求解,从而完成船舶主尺度
及线型的多学科综合优化,最终建立一个完善的
船舶多学科综合优化集成平台.
4 结束语
不同于传统的优化设计,船舶多学科综合优
化技术是在传统优化技术上的延伸,因其研究的
范围很广,常将多个学科综合考虑,故也增加了优
化设计的难度.因此,建立一个稳定、可靠的集成
平台是必须的.本文在借鉴国外相关技术的基础
上[5],自行开发了船型参数化调和模块,并利用
iSIGHT集成框架建立了船舶多学科综合优化集
成平台.该平台具有很大的灵活性及可扩展性.利
用该平台可完成主尺度的优化,也可以完成型线
的优化,甚至可以完成尺度及线型的综合优化,一
步到位设计出型线.这改变了传统的型线设计方
法,具有重要的工程应用价值.
参考文献
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研究[M].北京:国防工业出版社,2006.
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[5]覃峰,詹志刚.基于遗传算法的船舶推进系统船、
机、桨匹配优化设计[J].武汉理工大学学报:交通科
学与工程版,2003,27(1):50—52.
EstablishmentofShipMulti——disciplinaryDesign
OptimizationPlatformBasedontheiSIGHT
FengBaiweil’LiuZuyuanl’NieJianningd’ChangHaicha01’
(SchoolofTransportation,WuhanUniversityo/1Technology,Wuhan430063)1’
(SchoolofNavigation,ChongqingJiaotongUniversity400044)2’
Abstract
Traditionalshipdesignmethodcannotconsiderthebalanceinallkindsofdisciplines.Thegeneral
performanceofshipcannotachievethebestdesign.So,ThisarticlesimplyintroducedtheiSIGHT
software’sfunctions,andintegratedhullformblendingmodule,thehydrostaticcalculationmoduleand
theperformancecomputationmoduleinaplatformbythere-development,hasinitiallyestablishedthe
integrateplatformthatoptimizedtheshipmaindimensionsandhullform.Finally,ancontainership。S
optimizationasanexampleispresentedanddiscussed.
Keywords:multi—disciplinaryoptimization;iSIGHT;integrateplatform;Paretofront
万方数据万方数据
基于iSIGHT的船舶多学科综合优化集成平台的建立
作者: 冯佰威, 刘祖源, 聂剑宁, 常海超, 程细得
作者单位: 冯佰威,刘祖源,常海超,程细得(武汉理工大学交通学院,武汉,430063), 聂剑宁(重庆交通
大学交通运输学院,重庆,400044)
刊名: 武汉理工大学学报(交通科学与工程版)
英文刊名: JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(TRANSPORTATION SCIENCE & ENGINEERING)
年,卷(期): 2009,33(5)
被引用次数: 1次
参考文献(5条)
1.王振国.陈小前 飞行器多学科设计优化理论与应用研究 2006
2.钟毅芳.陈柏鸿 多学科综合优化设计原理与方法 2006
3.Parsons M G.Scott R L Formulation of multicriterion design optimization problems for solution with
scalar numerical optimization methods 2004(01)
4.施法中 计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条 2001
5.覃峰.詹志刚 基于遗传算法的船舶推进系统船、机、桨匹配优化设计 2003(01)
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两栖轮桨驱动装置结构设计。
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