CN108711203A - 一种基于代理模型的破损船体波浪载荷快速预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于代理模型的破损船体波浪载荷快速预报方法，其特征在于，包括以下步骤：1)确定以破舱位置、对应的重量增加量系数、航速和海况四个因素为设计变量；2)由设计变量生成样本空间；3)计算样本空间内各样本点的载荷响应，输出船舶各站位处的弯矩与剪力值；4)构造破损船体波浪载荷预报代理模型；5)重复步骤2)‑4)，直至破损船体波浪载荷预报代理模型满足精度要求；6)给定任意一种破损状态对应的设计变量输入，运用破损船体波浪载荷预报代理模型，计算得到破损船体的波浪载荷。本发明的方法能够解决破损船体波浪载荷求解耗时长的问题，在保证有效精度前提下，快速获得破损船体波浪载荷。

Description

一种基于代理模型的破损船体波浪载荷快速预报方法

技术领域

本发明属于船舶安全性预报与评估技术领域，特别涉及一种基于代理模型的破损船体波浪载荷快速预报方法。

背景技术

船舶在波浪中航行所承受的外载荷，可分为静水状态产生的静水载荷和波浪产生的附加波浪载荷(简称波浪载荷)。船体外载荷与船体浮态密切相关。当船舶在航行中遭遇偶然状况(如搁浅、碰撞、爆炸等)，水线以下结构可能会出现破损的情况。一方面，船体浮态会因此而发生改变，从而会改变船体外载荷；另一方面，船体极限承载能力会随结构破损而降低。为满足船舶安全航行的要求，当船体结构出现破口时，只有外载荷低于主船体结构所能承受的极限载荷并满足安全储备要求时，方可安全航行。

当船体结构出现破口时，急需快速获得破损船体所受外载荷情况，以便尽快决策船舶安全处置方案。在外载荷的组成部分中，静水载荷是一个相对确定的静态量，主要取决于船体浸入水中部分的形状，当船体破损状态确定后，可由重力与浮力平衡条件快速获得静水载荷。对于波浪载荷，现有技术中通常采用专业软件建模求解，计算过程耗时较长(通常耗时几个小时甚至数天以上)，无法快速获得破损船体的波浪载荷。同时由于船体结构破损的范围具有不确定性，预先计算所有可能破损状态下的波浪载荷显然不现实。因此，根据船舶遭遇的不同海况及破损状态，快速获得破损船体的波浪载荷是开展破损船体结构性能综合评估和确定安全航行策略的关键，而如何快速获得破损船体的波浪载荷，是本发明要解决的问题。

发明内容

本发明的发明目的在于解决面向真实破损船体航行环境的波浪载荷求解耗时长的问题，提供一种在保证有效精度前提下，快速获得破损船体波浪载荷的基于代理模型的破损船体波浪载荷预报方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的具体技术方案是一种基于代理模型的破损船体波浪载荷快速预报方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定以破舱位置、对应的重量增加量系数、航速和海况四个因素为设计变量；

2)由设计变量生成样本空间；

3)计算样本空间内各样本点的载荷响应，输出船舶各站位处的弯矩与剪力值；

4)构造破损船体波浪载荷预报代理模型；

5)重复步骤2)-4)，直至破损船体波浪载荷预报代理模型满足精度要求。

6)给定任意一种破损状态对应的设计变量输入，通过破损船体波浪载荷预报代理模型，计算得到破损船体的波浪载荷。

更进一步地，所述的步骤1)中的破舱位置取值为1-20的整数，与船体站号相对应，所述的相应的重量增加量系数由重量增加量归一化处理得到，设破舱位置处的最大重量增加量为M_最大，计算时该破舱位置处破口导致进水重量为M_增加，则该破舱位置处的重量增加量系数为M_增加/M_最大，所述的海况因素选取有义波高这一参数。

更进一步地，所述的步骤2)的生成样本空间的方法有正交设计方法或拉丁超立方。

更进一步地，所述的步骤3)中计算样本空间内各样本点的载荷响应的方法可采用挪威船级社SESAM软件系统中的WASIM模块计算。

更进一步地，所述的构造破损船体波浪载荷预报代理模型的数学方法有响应面代理模型(Response Surface Model)、径向基函数代理模型(Radial Basis Functions)或Kriging代理模型(Kriging surrogate model)。

本发明具有的优点和积极效果是：1)本发明的基于代理模型的破损船体波浪载荷快速预报方法充分考虑了破损船舶所遭遇的各种复杂外界环境因素，采用破舱位置、相应的重量增加量系数、航速和波高作为代理模型的设计变量，能够实现代理模型和预报结果精度的统一协调；2)生成样本空间的方法采用正交设计方法或拉丁超立方，这两种方法生成的样本空间具有代表性，适于快速计算；3)本发明的方法操作简捷，只需给定任意一种破损状态对应的设计变量输入，即可得到破损船体的波浪载荷。构造破损船体波浪载荷预报代理模型的数学方法有响应面代理模型(Response Surface Model)、径向基函数代理模型(Radial Basis Functions)或Kriging代理模型(Kriging surrogate model)，生成的代理模型能够快速准确地预报得到破损船体的波浪载荷，计算时间短小、效率高，精度满足破损船舶船体波浪载荷预报要求。

附图说明

图1为本发明的基于代理模型的破损船体波浪载荷快速预报方法的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体技术方案作进一步地描述。

如附图1所示，本发明的一种基于代理模型的破损船体波浪载荷快速预报方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定以破舱位置、对应的重量增加量系数、航速和海况四个因素为设计变量，破舱位置取值为1-20的整数，与船体站号相对应，所述的相应的重量增加量系数由重量增加量归一化处理得到，设破舱位置处的最大重量增加量为M_最大，计算时该破舱位置处破口导致进水重量为M_增加，则该破舱位置处的重量增加量系数为M_增加/M_最大，所述的海况因素选取有义波高这一参数；

2)由设计变量生成样本空间，生成样本空间的方法有正交设计方法或拉丁超立方等；

3)计算样本空间内各样本点的载荷响应，输出船舶各站位处的弯矩与剪力值，计算样本空间内各样本点的载荷响应的方法可采用挪威船级社SESAM软件系统中的WASIM模块计算；

4)构造破损船体波浪载荷预报代理模型，构造破损船体波浪载荷预报代理模型的数学方法有响应面代理模型(Response Surface Model)、径向基函数代理模型(RadialBasis Functions)或Kriging代理模型(Kriging surrogate model)；

5)重复步骤2)-4)，直至破损船体波浪载荷预报代理模型满足精度要求。

6)用户给定任意一种破损状态对应的设计变量输入，运用破损船体波浪载荷预报代理模型，即可快速计算破损船体的波浪载荷。

实施例

以某型散货船为例，用本发明的方法构造适用于该散货船的破损船体波浪载荷代理模型。该散货船的主要参数如下：

1)确定设计变量

设计变量必须是相互独立的。考虑到样本空间会随着设计变量个数的增加呈指数式增长，为了简化波浪载荷快速代理模型的构造，在确定设计变量时，对波浪载荷影响较小的变量可以不予考虑。

影响波浪载荷的因素可分为3类：船体特征参数(如浮态参数、重量分布等)、航行参数(航速、航向等)以及海况参数(波高、周期等)。

对于影响波浪载荷的第1类因素而言，浮态参数与重量分布可通过浮态平衡建立关系，二者取其一即可。船体浮态可由船舯平均吃水、横倾角和纵倾角等3个参数确定，当船舶破损后浮态参数均有可能发生变化，考虑到横倾对重力和浮力的纵向分布影响较小(弯矩和剪力主要由重力和浮力沿纵向分布不一致引起的)，在选择设计变量时，可以忽略横倾的影响。同时，由于不同的舱室容积不相等，以舱室破损的位置和程度作为设计变量是不现实的，因此，本实例选择以理论站破损的位置和程度作为设计变量。

对于第2类因素，在现实中，船舶运营者更为关注的是破损船体在某海况下的波浪载荷极值。因此，在求解波浪载荷过程中，考虑航向角的影响，分别计算0°，30°，…180°等不同航向角下的波浪载荷，取最大值作为某海况下的波浪载荷极值。

对于第3类因素，为了简化计算，实例中考虑了系列典型的充分发展的波浪环境。海浪谱的波谱形式取P-M谱。波高(有义波高，记作T_Z)与周期(跨零周期，记作H_S)的关系为：

综上所述，最终可确定影响波浪载荷的4个典型变量(因素)为：破舱位置(记作x₁)、相应的重量增加量系数(记作x₂)、航速(记作x₃)和波高(记作x₄)。

破舱位置(x₁)取值为1-20的整数，与船体站号相对应。如民船沿船长方向从船艉至船艏等间距取21个理论站，把船长等分为20个站距。则x₁＝1表示船体0-1理论站之间出现破口，x₁＝2表示船体1-2理论站之间出现破口，以此类推，x₁＝20表示船体19-20理论站之间出现破口。

相应的重量增加量系数(x₂)取值为0-1之间的小数，由重量增加量归一化处理得到。如0-1站最大重量增加量为200t，若0-1站之间出现破口导致进水，使得重量增加20t，此时，x₂＝20/200＝0.1。

航速(x₃)取值为0-27之间的小数，对应航行速度，单位节(kn)。

波高(x₄)取值为0-14之间的小数，对应有义波高，单位米(m)。

2)构造样本空间

实例中采用正交设计方法构造样本空间。一个标准正交设计表可表示为L_R(pⁿ)，L表示正交设计表，R表示样本个数，p表示设计变量取值的个数，n表示设计变量的个数。每个设计变量取5个值，得到的正交表L₁₂₅(5⁴)如下：

3)计算样本点的载荷响应

采用挪威船级社SESAM软件系统中的WASIM模块计算载荷响应，包含1-20共20个理论站(由船体结构强度方面的知识可知，0号理论站的剪力弯矩为0，因此载荷响应计算不包含0号理论站)的弯矩和剪力响应值。载荷响应的预报周期取4天(96小时)等。

4)构造代理模型

本实施例中采用Kriging代理模型(回归模型选择二次回归模型，相关函数选择高斯相关函数)，构造破损船体波浪载荷预报代理模型。

5)分析代理模型精度

选取一系列非样本空间内的测试点，利用破损船体波浪载荷预报代理模型计算，并利用SESAM-WASIM求其真实值，对比两者之间相对误差的绝对值，分析代理模型的精度。相对误差绝对值的表达式为：

式中y为真实值，y_approx表示预测值，i＝1,2,3分别表示1/4船长处剪力、船舯弯矩、3/4船长处剪力。|e_r,i|越小，表示代理模型的预报结果越准确。

相对误差结果如下：

6)载荷预报

用户给定任意一种破损状态对应的设计变量输入，运用破损船体波浪载荷预报代理模型，即可快速得到破损船体的波浪载荷。

Claims (5)

1.一种基于代理模型的破损船体波浪载荷快速预报方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定以破舱位置、对应的重量增加量系数、航速和海况四个因素为设计变量；

2)由设计变量生成样本空间；

3)计算样本空间内各样本点的载荷响应，输出船舶各站位处的弯矩与剪力值；

4)构造破损船体波浪载荷预报代理模型；

5)重复步骤2)-4)，直至破损船体波浪载荷预报代理模型满足精度要求；

6)给定任意一种破损状态对应的设计变量输入，基于破损船体波浪载荷预报代理模型，计算得到破损船体的波浪载荷。

2.如权利要求1所述的一种基于代理模型的破损船体波浪载荷快速预报方法，其特征在于，所述的步骤1)中的破舱位置取值为1-20的整数，与船体站号相对应，所述的相应的重量增加量系数由重量增加量归一化处理得到，设破舱位置处的最大重量增加量为M_最大，计算时该破舱位置处破口导致进水重量为M_增加，则该破舱位置处的重量增加量系数为M_增加/M_最大，所述的海况因素选取有义波高这一参数。

3.如权利要求2所述的一种基于代理模型的破损船体波浪载荷快速预报方法，其特征在于，所述的步骤2)的生成样本空间的方法有正交设计方法或拉丁超立方。

4.如权利要求3所述的一种基于代理模型的破损船体波浪载荷快速预报方法，其特征在于，所述的步骤3)中计算样本空间内各样本点的载荷响应的方法可采用挪威船级社SESAM软件系统中的WASIM模块计算。

5.如权利要求4所述的一种基于代理模型的破损船体波浪载荷快速预报方法，其特征在于，所述的构造破损船体波浪载荷预报代理模型的数学方法有响应面代理模型、径向基函数代理模型或Kriging代理模型。