CN110162895B - 一种两阶段的高能效船型优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种两阶段的高能效船型优化设计方法，本发明基于仿真的船型优化设计模式，立足于不确定性思想，深入考虑设计参数的摄动对高能效船型优化设计的影响，提高设计结果对设计参数不确定性的可靠性与免疫能力；针对具有非概率信息的摄动设计参数，构建适应性强的完整船型表达方法，结合约束条件构建确定性船型优化模型，得到确定性船型方案；进行设计参数与优化目标的敏感度分析，提取具有重要影响价值的设计参数着重考虑，得出设计参数与优化目标的相关分析图谱；考虑参数的摄动影响，引入可靠性优化理念，进行船型参数可靠性分析与优化设计，通过多种计算方法得到强可靠性船型优化方案。本发明为船型设计向数据化、可靠化方向发展提供理论依据和技术支持。

Description

一种两阶段的高能效船型优化设计方法
技术领域
本发明涉及船舶设计技术领域，具体而言，尤其涉及一种两阶段的高能效船型优化设计方法。
背景技术
船型优化设计是船舶总体设计的核心环节，近年来一种面向知识化、智能化的船型设计模式——基于仿真的设计(Simulation Based Design,SBD)技术悄然兴起，将传统的“先提方案后做评估”的正向设计模式转变为新型的“以设计目标驱动方案生成”的逆向设计模式，大幅提升了船型智能设计能力。
可靠性(Reliability)是指系统在一定时间内、在一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性，可通过可靠度、失效率、平均无故障间隔等来评价系统的可靠性。在实际问题中，外部环境或系统内部的参数摄动是普遍存在的。“摄动”的概念源于天体动力学，指天体的规则运动受其它力影响而产生小范围偏离与波动的现象，在工程中可泛指由干扰而使系统在规定状态的运行发生小范围不规则的偏离，体现了实际环境的不确定性。在实际设计中，船体的设计参数不可避免地受到外部环境和船体系统运行不确定性的干扰，产生摄动现象。其中，航速作为最重要的航行参数之一，对于以最小阻力为目标的优化模式，具有至关重要的地位，其直接决定了航行状态与阻力评估的准确性。参数摄动产生的不确定幅值虽然在多数情况下数值较小，但在SBD模式中，持续的迭代计算和与其他参数耦合影响会使系统响应产生较大的偏差。因此，考虑设计参数摄动的不确定性影响，对于船型可靠性优化设计意义重大。
传统的船型SBD优化模式一般基于确定的系统参数和求解模型，并借助确定性优化方法进行计算，忽略了参数不确定性的影响，使结果稳健性降低。
发明内容
根据上述提出传统的船型SBD优化模式一般基于确定的系统参数和求解模型，并借助确定性优化方法进行计算，忽略了参数不确定性的影响，使结果稳健性降低的技术问题，而提供一种两阶段的高能效船型优化设计方法。本发明方法能够深入考虑设计参数的摄动对高能效船型优化设计的影响，提高船舶设计结果对设计参数不确定性的可靠性与免疫能力。
本发明采用的技术手段如下：
一种两阶段的高能效船型优化设计方法，包括如下步骤：
步骤S1：针对具有非概率信息的设计参数，构建完整船型表达方法，结合约束条件构建确定性船型优化模型，得到确定性船型方案；
步骤S2：对设计参数与优化目标进行敏感度分析，得出设计参数与目标的相关分析图谱；
步骤S3：考虑参数的摄动影响，引入可靠性理念，对确定性船型方案进行参数可靠性分析；
步骤S4：根据可靠性分析结果，结合可靠性优化数学模型，得到强可靠性船型优化方案。
进一步地，在所述步骤S1和步骤S4中，优化目标设定为能效设计指数的最小化。
进一步地，所述步骤3中还包括针对设计约束与设计目标进行可靠性分析的步骤。
进一步地，所述步骤S2中对设计参数与优化目标采用有效进行“空间填充”的拉丁超立方设计对输出响应进行敏感度分析。
进一步地，所述可靠性优化数学模型表达式如下：
Figure BDA0002074140780000021
式中：X是不确定性变量，F与G为被期望μ和标准差σ定义的可靠性优化的目标与约束函数；±ΔX为X的波动域，XLSL与XUSL为X的上下限。
进一步地，所述目标函数F可以分解为两部分：平均目标与最小偏差：
Figure BDA0002074140780000031
式中：i为性能参数矩的元素标号；M为期望平均性能目标；ω1与ω2为期望μ与标准差σ的权重，S1与S2为μ与σ的归一化系数。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的两阶段的高能效船型优化设计方法，能够深入考虑设计参数的摄动对高能效船型优化设计的影响，提高设计结果对设计参数不确定性的可靠性与免疫能力的船型设计方法。
2、本发明为船型设计向数据化、可靠化方向发展提供理论依据和技术支持。
基于上述理由本发明可在船舶设计等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明两阶段高能效船型优化设计方法流程图。
图2为本发明实施例可靠度与σ水平示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本发明提出一种两阶段的高能效船型优化设计方法，在船型优化设计中考虑设计参数的不确定性影响，包括如下步骤：
步骤S1：针对具有非概率信息的设计参数，构建完整船型表达方法，结合约束条件构建确定性船型优化模型，得到确定性船型方案；本实施例中，在船型优化模型的构建研究中，以船型SBD优化模式为基础研究框架，其中以最小总阻力(兴波阻力+粘性阻力)作为优化目标，并引入船舶能效设计指数EEDI来判别生成方案的可行性，以反映船体形状变化的控制参数作为设计变量，以排水量非大幅改变作为约束条件，采用神经网络法建立船体阻力CFD数值仿真结果的近似模型，以数学船型为研究对象进行优化计算。
步骤S2：为了分析设计变量的变化对输出的响应关系，对设计参数与优化目标进行敏感度分析，从而提取具有重要影响价值的设计参数着重考虑，得出设计参数与目标的相关分析图谱；本实施例中，采用能够有效进行“空间填充”的拉丁超立方(LHD)设计对输出响应进行敏感度分析。
拉丁超立方设计方法的优点为：
(1)有效的空间填充能力。拉丁超立方设计试验次数＝水平数≥因子数+1。
(2)拟合非线性响应。与正交试验相比，拉丁超立方设计用同样的点数可以研究更多的组合。相比正交试验，拉丁超立方设计对水平值分级宽松，试验次数可以人为控制。
从敏感度分析结果中可提取对输出响应产生主要影响的设计参数，从而更加明确了优化设计问题的目标导向并净化设计空间。
步骤S3：考虑参数的摄动影响，引入可靠性理念，对确定性船型方案进行参数可靠性分析；可靠性可以用两个指标表示：
(1)失效概率(Pf)，指产品的性能违反约束条件的概率，它可以通过计算性能指标概率分布位于规定限值之外的面积而得到。
(2)可靠度(R)，指产品的性能满足约束条件的概率，它可以通过计算性能指标概率分布位于规定限值之内的面积而得到。
Sigma表示产品性能的标准方差。如图2所示，通过测量产品性能指标在平均值μ周围的概率分布，评价产品性能与理想值的偏差。假设产品性能波动是正态分布的，那么σ水平范围内所包含的面积，直接与取值范围区域里的性能损失率有关(例如：±1σ的概率为0.683)。
常用的可靠性分析方法有：
(1)一阶可靠性方法(FORM)
一阶可靠性方法(First Order Reliability Method，FORM)是根据线性功能函数和独立正态随机变量二阶矩所提出的计算方法。其基本原理是：对于非线性功能函数，首先将其线性化，按照Taylor级数展开并近似取其一次式，利用随机变量的一阶矩、二阶矩计算功能函数的均值和标准差，从而计算其可靠性指标。对于基本变量是非独立和非正态变量的，需要作相应的变换处理。最早出现的是均值FORM法，该方法是在均值点附近将非线性功能函数线性化，其可靠性指标误差大。
(2)二阶可靠性方法(FORM)
相较于一阶可靠性方法，二阶可靠性方法(Second order reliability method，SORM)在失效率函数对MPP是非线性时，对结果的可靠性指标会有一个更好的评价。二阶可靠性方法完善了一阶可靠性方法在失效面的曲率上的近似评价。SORM是一个概率性方法，给定一个或多个随机变量的确定，关注的焦点在评估结构可靠度分析的失败率。
步骤S4：根据可靠性分析结果，结合可靠性优化数学模型，得到强可靠性船型优化方案。可靠性优化可使结果远离不可行边界，提高结果的可靠性。
可靠性优化数学模型表达式如下：
Figure BDA0002074140780000051
式中：X是不确定性变量，F与G为被期望μ和标准差σ定义的可靠性优化的目标与约束函数；±ΔX为X的波动域，XLSL与XUSL为X的上下限。
目标函数F可以分解为两部分：平均目标与最小偏差：
Figure BDA0002074140780000052
式中：i为性能参数矩的元素标号；M为期望平均性能目标；ω1与ω2为期望μ与标准差σ的权重，S1与S2为μ与σ的归一化系数。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种两阶段的高能效船型优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：针对具有非概率信息的设计参数，构建完整船型表达方法，结合约束条件构建确定性船型优化模型，得到确定性船型方案；
步骤S2：对设计参数与优化目标进行敏感度分析，得出设计参数与目标的相关分析图谱；
步骤S3：考虑参数的摄动影响，引入可靠性理念，对确定性船型方案进行参数可靠性分析；
步骤S4：根据可靠性分析结果，结合可靠性优化数学模型，得到强可靠性船型优化方案；
所述可靠性优化数学模型表达式如下：
Figure FDA0003970873140000011
式中：X是不确定性变量，F与G为被期望μ和标准差σ定义的可靠性优化的目标与约束函数；±ΔX为X的波动域，XLSL与XUSL为X的上下限；
目标函数F可以分解为两部分：平均目标与最小偏差：
Figure FDA0003970873140000012
式中：i为性能参数矩的元素标号；M为期望平均性能目标；ω1与ω2为期望μ与标准差σ的权重，S1与S2为μ与σ的归一化系数。
2.根据权利要求1所述的两阶段的高能效船型优化设计方法，其特征在于，在所述步骤S1和步骤S4中，优化目标设定为能效设计指数的最小化。
3.根据权利要求1所述的两阶段的高能效船型优化设计方法，其特征在于，所述步骤3中还包括针对设计约束与设计目标进行可靠性分析的步骤。
4.根据权利要求1所述的两阶段的高能效船型优化设计方法，其特征在于，所述步骤S2中对设计参数与优化目标采用有效进行“空间填充”的拉丁超立方设计对输出响应进行敏感度分析。
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