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原文传递基于减速慢航集装箱船的船型优化设计方法研究

论文题名：	基于减速慢航集装箱船的船型优化设计方法研究
关键词：	集装箱船;船型变换;水动力性能;最优化理论;减速慢航
摘要：	随着全球航运业的不断发展，来自船舶营运立场的油耗问题与来自海洋环境保护视角的温室气体排放问题引起了国际范围内的广泛关注。船型优化对于航运业节能减排实现经济环保利益最大化是当今船舶科学研究领域的重点攻关课题。本文瞄准国际船型技术发展前沿，针对节能减排的新型船型优化设计理念，重点突破船型变换技术，依托可靠有效的船舶水动力性能预报技术，以最优化理论作为技术支撑，最终建立稳健的船型优化设计系统，并形成了工程实际应用能力，为船舶设计方法的自主创新和技术能力的跨越发展奠定基础。　　本文系统归纳了国内外船型优化的相关研究成果，分别详尽地论述了船型变换技术，水动力性能预报技术及最优化求解技术三大核心技术模块，指出了船型优化技术的发展趋势。采用船型变换技术中的特征参数化曲线，原创性给出偏参数映射变形方法的理论计算公式，据此开展了船体三维偏参数化几何变形与光顺过渡，证明了此变形技术的可靠性。从势流理论出发，利用Rankine源面元法数值求解船舶静水阻力性能，同时，考虑船舶在波浪中航行的运动特性，基于切片理论假设，采用STF方法完成船舶运动性能的理论预报，此为船型优化设计目标函数的准确评估奠定了必要基础。接着，详细阐述了传统及智能优化算法的基本原理、操作流程以及改进策略等，并开展了多目标优化算法的应用研究，包括多目标遗传及粒子群优化算法以及多目标线性规划思想。基于此三大关键技术，进而完成船型优化设计系统的构建，对于深入理解船型优化内涵与建立设计流程具有指导意义。　　以中高速船为研究对象，选取实用船型S60，对该船舯前体完成了基于设计航速点的多种优化算法的型线优化，减阻效果收益显著，并对各优化算法的减阻差异与计算收敛性进行了对比分析。同时，对 DTMB5415舰船开展了基于多航速点的首部线型优化设计研究。采用多目标遗传算法，得到各航速点子目标函数之间的Pareto解集，最终优化方案船型在各考察航速点下的总阻力均有所减小，优化计算结果较为理想，表明本文建立的船型优化设计系统的可行性与有效性。　　进一步地，选取国际标准船型 KCS集装箱船，借助势流理论及经验公式对该船进行了阻力性能预报，与试验结果吻合较好，整体误差控制在2.0%，确认了本文计算方法的有效性。并据此对该船型的首部及尾部几何形式，开展了基于单一设计航速的型线优化，同时，考虑现代集装箱船整体营运航速较为均布的发展规律及多变航速的营运特点，进行设计吃水下全航速段的首尾型线同步优化设计研究。船舶整体减阻效果比较均衡，基本保持在4.0%。　　最后，提出基于情景分析的集装箱船型线优化设计方法。针对现代集装箱船减速慢航的新型营运措施，并考虑实际营运的变吃水多航速工况，依托9200TEU大型集装箱船，结合船东提供的船舶航行频谱表（Operational Profile）施以航行权重，采用多目标线性规划思想，实现基于船舶航行多工况减阻总收益的船型优化目的，其最优方案的总工况减阻效果达到2.845%。与此同时，计及船舶在实际海浪中的运动性能，引入远东—北美大西洋航线的海浪统计资料，并延续船舶航行频谱表权重工况的线性规划思想，以此作为基于多工况运动性能的另一目标函数，最终完成综合船舶阻力及运动性能的多目标船型优化设计研究。此项研究对于集装箱船实际营运的节能减排问题具有工程意义，也为船舶创新设计和绿色节能船型研发提供了研究手段和技术支撑。
作者：	卢雨
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	胡安康
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文