随机晃荡载荷下基于概率破损稳性的船舶压载水置换与分舱布置耦合设计

The Sequential Ballast Water Exchange (SBWE) design and the ships' subdivision design directly concern ships' many performances and safety at sea. The two design issues have coupling factors and influence each other. The traditional subdivision first and SBWE second design method have problems in simultaneously satisfying all the complex technical performances involved in both designs. And furthermore, the influences of some key performance factors such as the stochastic multi free surface sloshing in tanks/holds and the probabilistic damaged stability, have not been considered in the traditional design methods. This project aims to study the coupling factors and develop a coupling design methodology for both the SBWE design and the subdivision design taking into consideration of all the complex safety performances including the sloshing loads, the probabilistic stability, the intact stability, the hull girder strength, and many other performances required. Based on the mutual interact mechanism of the multi free surface sloshing in tanks/holds and the movement of the ship body, both the experimental method and the numerical simulation method will be used to study the distribution and stochastic abrupt change characteristics of the sloshing loads in tanks/holds and the coupling relationship of the SBWE design and the subdivision design. A coupling design model will be built, the correlate matrix describing the coupling factors will be designed, and the clustering analysis and the model decomposition will be carried out based on the study of the correlative degree of the coupled factors. And finally, a coupling design system of the cooperative coevolution of the SBWE design subsystem and the subdivision design subsystem will be developed. Using real ship design project data, the above mentioned theories and methodologies will be tested, validated, and perfected.

船舶压载水置换设计与分舱布置设计直接关系到船舶的结构、稳性等海上安全性能。两者相互耦合，相互影响。而传统的先分舱再置换的串行设计方法很难同时满足所涉及的复杂技术性能要求，且没有考虑到随机突变的晃荡载荷及概率破损稳性的影响。为实现复杂性能要求下压载水置换与分舱布置的耦合设计，本课题综合考虑包括晃荡载荷和概率破损稳性在内的多种复杂性能要求，基于置换过程中多自由液面晃荡载荷与船体相互作用机理，采用仿真与实验相结合的策略，研究复杂海况下置换过程中多自由液面晃荡载荷的分布规律与随机突变特性，研究压载水置换设计与分舱布置设计的耦合关系，建立置换与分舱设计的耦合模型，构建设计关联矩阵，根据耦合因素关联程度进行聚类分析及模型分解，研究双子系统协同进化的置换方案设计与分舱适应性布置耦合设计方法，最终依托实船设计项目进行相关理论方法的验证与完善，为我国船舶压载水置换优化设计提供一定的理论方法支撑。

船舶压载水置换与分舱布置耦合设计是船舶设计的核心关键之一，本课题针对船舶分舱布置设计和压载水置换设计都具有存在方案数众多，存在计算组合爆炸、设计周期长、人工工作量大、设计易反复、对人工经验依赖重的难题，进行了以下研究：①提出了一种基于概率破损稳性的船舶分舱优化设计方法，建立了数学模型，并研究了求解该模型的多目标遗传算法。可以解决计算组合爆炸、设计周期长、设计易反复、对人工经验依赖重这一难题。②提出了一种同时考虑船舶压载水置换性能与概率破损稳性的分舱布置优化设计方法。建立了同时考虑概率破损稳性与压载水置换性能的船舶分舱优化设计模型，并研究了求解该模型的多目标遗传算法。解决了设计时难以同时考虑多种性能约束，采用人工经验法几乎无法实现这一难题。③提出了一种复杂约束下压载水置换方案多目标优化设计方法。建立了压载水置换过程中概率破损稳性、完整稳性、船体梁强度与装载率之间的映射关系集，以此为依据建立了基于概率破损稳性等多种性能指标的压载水置换优化设计数学模型，提出了基于概率破损稳性等多种性能指标的压载水置换优化设计方法。克服了现有方法设计速度慢、周期长、人工计算及反复修改的工作量大、不能求得可行方案的难题。④提出了两种可以实现简易快速设计的单舱辅助启发式对称置换策略。这两种策略可以同时避免复杂优化算法的设计与实现，以及船体梁扭转强度的计算校核工作，可使设计过程简易快速，设计出的方案安全可靠、操作灵便性好。⑤建立了一种分舱适应性布置与压载水置换设计的耦合模型并提出了一种协同求解方法。根据关联属性将系统耦合模型分解为分舱适应性布置子模型和压载水置换设计子模型，设计了求解该模型的协同进化遗传算法。使用该方法可以同时解决分舱布置与压载水置换方案设计问题，与传统的先分舱后置换的串行设计方法相比，该并行设计方法可以大大提高效率，通过对比工程实例中优化前后的目标函数可知使用该方法得到的设计方案使船舶性能也得到显著提升。⑥在此基础上，构建了三类不同舱型的晃荡仿真模型，发明一种柔性悬链线盖板式液舱制荡装置的设计方法来适应各种船舶与海洋结构物具有的各种液舱形式，以合作单位设计的“50,000DWT 双壳成品油船”和“176,000DWT 双壳散货船”为母型船，构建了船体缩尺试验模型方案，开发了船舶压载水置换过程仿真计算软件和船舶启发式策略压载水置换优化设计软件。