船舶优化设计范文

导语：如何才能写好一篇船舶优化设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：船舶海洋工程管线优化

中图分类号：S611文献标识码： A

前言

管道被广泛地应用于石油化工"水利工程"建筑"船舶等领域，其在不同的应用环境下需承受不同的外力作用，大规模、全面地开发利用海洋资源和空间，发展海洋经济已列入各沿海国家的发展战略。海洋开发和利用除了需要先进的海洋工程技术，还需要各种海洋工程结构物的支撑。这为与海洋工程装备业关联度极大的船舶工业提供了极好的机遇。作为未来世界经济的支柱产业，海洋工程和海洋开发潜力非常巨大。近几年，全世界对浮式生产系统的新增需求达到约120座，全球浮式生产系统的年投资额以高速度递增，其中FPSO船(浮式生产储油装置)仍将是全球浮式生产市场的建造热点,该船型集生产、储油、运输多项功能于一身，是当前国际海上石油开发生产设施的主流形式。随着生产向深海的不断进入，FPSO船的优势将会更充分显现出来。中国海洋石油开发总公司也需要较大数量的海洋平台、多艘FP-SO平台，用于海洋开发建设的资金达到了数百亿元。船舶工业是海洋工程的天然“霸主”。随着海洋油气开发向深海发展，船舶工业与海洋工程的关系更加紧密，船舶工业在海洋油气开发中的作用更加突出。这主要有两方面的原因:一方面是技术上的因素。随着作业水深的增加,固定式平台海洋构造物难以适应深海作业，各种浮式海洋工程结构物成为深海油气开发的主角。船舶工业与其他专业平台厂相比其优势正是在这类浮式结构物上——海洋开发装备具有船舶的属性，它的基本要求是在水上能浮起来、稳得住、移得动，这就与船舶有了相近的技术要求。这种天然优势为船舶工业迅速占领深海平台市场创造了良好的条件。另一方面是开发周期的因素。由于海洋油气开发竞争日趋激烈，国际石油商对从发现油气到生产的时间要求越来越紧，而与船舶相近的海洋工程物恰恰可以以最快的时间迅速部署于生产现场， 从而大大缩短深海油气的开发时间。正是由于这两方面的原因，使船舶工业迅速成为深海油气开发装备生产的主要力量。船舶工业越来越深地融入海洋开发装备领域，已成为当前海洋装备发展的一个重要特点。相对于已经成熟的船舶工业来说，海洋开发装备业是一个新兴产业，正在发展过程中，据专家估计,目前及未来几年,仅油气开发生产一项，全世界就需要约100多艘FPSO船、200多座钻井平台，加上其他海洋产业的需求,海洋开发装备甚至比整个国际船舶市场的需求还要高。因此未来船舶企业会参与更多的海洋工程结构物的建造。

管线几何优化设计

管道隔振支座最佳布置设计优化需确定隔振支座的类型"数量及位置!由于支座类型的选择难以依靠程式化优化计算来得到，本研究仅针对支座力学与隔振性能参数给定情况下，研究管线支座的数量与几何位置优化问题涉及到的约束条件包含强度( 应力) "刚度( 位移和变形) "稳定性( 屈曲) 和动力学特性( 管线固有频率和管线响应振幅) ，同时考虑工艺安装方面的特殊要求( 某些位置无法安装支座) 针对上述约束，细化为优化数学模型中考虑应力"位移"固有频率"稳定性和评价点在指定频率区间的振级落差等约束条件简化的支座布局几何优化设计模型见图所示，通常选取支座数目和支座位置为设计变量本模型假定支座总数目事先已知( 通常按照工艺要求确定，但适当增加一定数量) ，通过确定各支座的几何位置坐标实现布局优化!当相邻两个支座的位置坐标非常接近或重合时，代表其中一个支座可以取消。

支座布局几何优化模型

2.管道隔振支座布置设计优化模型迭代解法

上面给出的支座布局优化模型仍为基于连续与离散设计变量的混合数学规划问题，常规优化算法较难解决，可采用迭代优化算法

进行求解!考虑到计算效率的问题，需采用变步长的迭代优化算法!

该迭代算法依据约束条件的满足情况及变步长的临界间距值来确定支座数量的减少与增加，然后通过

常规优化方法得到支座的几何位置坐标，最终得到较优的支座数目及间距!迭代流程见图采用迭代算法求解该支座布局优化模型时，其计算效率有赖于迭代步长的选择!对于特定的管道结构，当假定的支座初始数目与最优支座数目相接近时，即使迭代步长为常数，依然能够获得较好的计算效率，但假定的支座初始数目与最优支座数目相差较多时，则必须选择逐步增加的迭代步长才能获得较为理想的计算效率。

支座布局优化模型迭代解法

由管线各目标函数下的优化结果可知，三种目标函数下的优化模型，优化后满足约束要求，支座最优数目均为6个，各支座位置接近，优化结果基本相同，三种方法迭代次数均为 5-6次，计算效率较为理想，但以关联支座造价为目标函数下的优化模型与其他两个模型相比迭代次数较多，将几何优化设计方法所得优化结果与规范设计方法优化结果比较可知，以管线结构应变能和管线最大下垂为目标函数的优化模型，几何方法和规范法所得优化结果接近!以关联支座造价为目标函数的优化模型，采用几何方法时，尽管迭代次数较多，但仍然取得了满足约束条件的优化结果，其计算过程较规范设计方法更为稳定，结果更为可靠!

总体来看，两种设计方法所得优化结果是相一致的，几何优化设计方法是可行的!在几何优化设计方法中，由于支座初始数目通过假定得到，且往往与最优数目相差较大，因此迭代次数较多，其计算效率明显低于规范设计方法，但较多的迭代次数同时也保证了迭代过程的稳定性，使计算结果更为可信!因此，尚须进一步研究更为稳定高效的管线隔振支座布局优化算法。

3.总结：将所得结果与规范设计方法优化结果进行了比较，证明了几何优化设计模型及方法的可行性，并得到了与规范设计方法中相一致的结论: 以管线最大下垂或管线结构应变能为目标函数的隔振支座布局模型计算过程更为稳定高效"优化结果更为可靠。

参考文献:

[1] W.Kent.Muhlbauer 《Pipeline Risk Management Manual》

[2] 美国雪佛龙公司 海上油气工程设计实用手册

[3] 海洋石油工程设计概论与工艺设计

ANALYSIS OF PIPING OPTIMIZATION DESIGN IN MARIN SHIP & OFFSHORE PROJECT

Xiaoyimeng

(BOMESC Offshore Engineering Company Limited TEDA TIANJIN CHINA 300457)

Abstract: Ships engineering technology has been mainly based on general navigation of the ship-based, with the development of Deep Ocean, marine construction vessels generally have not restricted, but extends to all parts of marine engineering, such as various engineering ships, offshore oil platforms, FPSO vessels. Ships engineering technology should be based on a ship and the proper development of the situation to increase technical knowledge, so that professionals have mastered the knowledge of other marine engineering structures.

Keywords: Marine engineeringOffshore EngineeringPiping optimization

篇2

【关键词】 导标；配布；双向航道；黄骅港

0 引 言

黄骅港煤炭港区是我国“三西”地区煤炭外运第二通道出海口，也是北煤南运和冬季电煤运输的重要港口，全港区煤炭通过能力达到万t，运营航线通达我国华东、华南沿海、台湾地区和日本、韩国以及东南亚部分国家。近年来，随着黄骅港煤炭港区的开发扩容，其吞吐量迅速攀升并实现跨越式增长，对增加神府-东胜煤田的煤炭外运量，保障华东、华南沿海地区能源供应发挥了十分重要的作用。本文结合黄骅港煤炭港区7万吨级船舶双向通航航道扩宽工程，针对港区通航重要辅助设施导标的配布调整进行分析和优化设计。

1 航道现状

黄骅港煤炭港区5万吨级船舶重载双向航道总长约44 km，内航道里程为 m，外航道里程为 m，航道挖泥边坡均为1∶5 （见图1）。

2012年12月6日，沧州海事局在黄骅市组织召开了“黄骅港煤炭港区航道双向通航推进会”，规定外航道里程尺度（见图1）～ m航段内只允许单向通航；其余航段允许3.5万吨级船舶双向通航，5万吨级船舶与2万吨级船舶双向通航。

2 导标现状

2.1 导标布置情况

目前，黄骅港煤炭港区陆域范围内共布置有外航道前、后导标10座（5组），内航道前、后导标10座（5组）。5组导标分别为：对应航道设计底边线布置南、北边线标；对应航道中心线布置中线标；对应分向航道航迹带中心线布置南、北中线标。导标布置断面见图2。

2.2 导标使用情况

单向通航时，船舶观察中线标航行，南、北边线标标示航道设计底边线；双向通航时，船舶观察南、北中线标航行，中线标标示分道通航水域的分隔线，边线标标示航道设计底边线。

经调研，内航道导标使用效果较好；外航道导标受能见度、导标背景条件、导标终导点距离等影响，使用效果欠佳。

3 航道拓宽工程

3.1 实施背景

近年来，船舶大型化趋势非常明显，但受通航规则限制，船舶平均在港停泊时间随运量增长而大幅增加，对港口服务水平产生较大影响。

由于5万吨级船舶暂时无法进行双向通航，故航道条件得不到充分利用，疏浚工程投资未产生应有的经济效益。另外，随着综合港20万吨级航道和南防波堤工程等周边设施的完善，将使煤炭港区防波堤口门处横流有所改善。因此，有必要调整现状航道的通航规则，允许大型船舶双向通航。

3.2 实施方案

航道里程尺度0～ m航段向北韧乜30 m，相应调整灯浮标，航道设计底高程仍为 14.0 m （标准段）、 15.0 m （口门段）。航道拓宽段可满足7万吨级散货船重载乘潮双向通航；拓宽段以外的航段，结合煤炭运输船舶重载出港、压载进港的特点，利用现状航道（航道挖槽宽度不变）北侧边坡水域作为可利用的通航水域，确定现状航道（全航道）可满足双向通航的船型组合。标准段和口门段航道拓宽断面分别见图3和图4。对于油船、化学品船等液体散货船及10万吨级散货船，仍按现状通航规则，采用单向通航。

4 导标调整方案

外航道导标因受能见度制约而目视效果欠佳，综合考虑导标迁移的成本与经济效益，此次拓宽工程暂不对外航道导标进行调整。

4.1 内航道导标调整方案设计

方案1：航道设计底宽4等分法。航道北边线标和北侧分向航道中心标位置不变，中心标向南侧移动15 m，南侧分向航道中心标、南边线标同时向南侧移动30 m。

方案2：航迹带法。航道北边线标位置不变，北侧分向航道中心标向南侧移动8 m，中心标向南侧移动15 m，南侧分向航道中心标向南侧移动，南边线标向南侧移动30 m。

4.2 方案比选

从导标引导效果来看，方案1和方案2均能保证导标有较好的引导效果。方案1符合引航习惯要求，但存在会船时两船间富余宽度较大，而船岸间富余宽度略低于规范要求的问题；方案2满足规范要求，但与引航习惯要求不一致。

经综合比较后发现，方案1基本接近规范要求，且移标数量少，工程费用低，又能满足引航部门的习惯要求。因此，推荐方案1作为导标调整方案（见图5）。

4.3 导标使用规则

4.3.1 单向通航

（1）进出港船舶观察导标的中线标航行。

（2）边线标标示通航水域边界线。单向通航断面示意见图6。

4.3.2 双向重载通航

以7万吨级船舶重载双向通航为例，导标使用规则如下：

（1）进出港船舶应观察导标的北中线标和南中线标航行，此时船长和引航员需注意北中线标和南中线标标示的位置比实际的航迹带中心线向航道边坡侧偏8.0 m。

（2）中线标标示分道通航水域的分隔线。

（3）边线标标示通航水域边界线。双向通航断面示意见图5。

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[关键词]船舶结构；发展现状；结构简化；鲁棒性；优化设计

中图分类号：U663.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）27-0150-02

1.船舶结构发展现状

早年建造的钢质铆钉远洋货船，舫昵部呈尖形，有舶、舰楼，中部有上层建筑，称谓“三岛式”结构。这种船型货舱底二侧设有污水沟，船壳板通过角钢与上甲板用铆钉连接，货舱口有许多大梁并用插梢梢牢，船壳板并叠铆接。这种结构抗扭性较好，刚度较大，使用寿命也较长。现代远洋货轮主尺度大大增加，舫部加球鼻，艉部削平为三角方昵，上层建筑后移，有的甚至无舶楼，污水沟改为污水井，连接的角钢没有了，货舱口的大梁也没有了，船壳平整。这种结构从模型试验来看，抗扭效果、稳定性都较差，使用寿命很少能超过三十年，大型恶性事故频频发生。这一演变引起我们极大的关注，通过分析实船存在的问题，为什么脂部钢板容易锈蚀，新造的船会出现裂缝（仓口围四角肘板与甲板脱焊）等，并通过模型和有限元计算证实，得出以下观点。

（1）船舶较大部位的严重锈蚀与弯、扭有关巨大的波浪外载荷等外力会引起板材蠕动、材质酥松、涂层撕裂、海水渗入，足以证明有一定柔性的焦油沥青漆都不能复盖牢钢板。

（2）营运船舶是“每弯必扭”，甚至“不弯也扭”船舶主尺度的增加，外力也大大增大，其中扭力不可低估。但肋骨和纵骨不参予船舶的抗扭，甚为可惜，材料潜力没有发挥出来。

（3）船壳板上逐渐严重的垂向或肿部水平向瘦马型和舱底板瘦马型与弯、扭有关。

（4）船是很软的，高边柜斜底板是散货船的致命弱点船舶在大海中航行尤如蚕起伏爬动，不但被广大船员注意到，也被各大船级社在电脑屏上显示出来。

（5）树的结构最为科学树的高度与直径之比远大于超高层大楼高度与长x宽之比。塔松（如伞、金字塔形）结构稳定，其道理就在树干上长出许多树叉，树叉的根部即树的节疤，将树木展开就可看到不在同一高度的许多节疤，这一高一低的节疤就是“诀窍”，造船业如果引进这一结果，可使舱壁加固，抗扭性可大大提高，舷侧加固，抗弯能力也有可观的提高。

（6）船舶刚度的提高，目的是要减少无谓的蠕动这可延长使用年限，降低折旧费，改善经济效益。通过计算，采用新的结构形式，船舶自重可以较大幅度地减轻。

2.船舶结构优化设计方法

船舶结构优化设计，就是要寻求合理的结构形式和适当的构件尺寸，使船体结构在满足强度、刚度、稳定性及频率等条件下具有较好的力学性能、工艺性能、经济性能及使用性能。随着计算机的普及和计算技术的发展，建立在计算机分析和模拟基础上的船舶结构优化设计通过吸收有关基础学科的研究成果，借鉴相关工程学科的共同规律，已取得了卓有成效的进展在可靠性设计方面进行了大量的基础性工作在以人工智能原理和专家系统技术为基础的智能型设计方法方面进行了开创性的研究在综合评估船舶结构性能方面进行了探索性的工作。这些研究构成了船舶结构现代设计方法的基本内容。

2.1多目标模糊优化设计方法

在传统结构优化过程中，都是根据确定性条件来进行的，即目标函数和约束条件都是人为的或按某种规定给出的，是一个确定的值。而实际上，船舶结构优化设计过程中，约束条件，评价指标及多个评价指标间的协调，都包含着许多模糊因素。要处理好涉及模糊因素的优化间题，必须借助于模糊数学才能获得令人满意的结果。

模糊优化设计大大增加了设计者选择优化方案的余地，使设计者对方案的性态有更深入的了解。模糊优化设计方法研究发展很快，但目前尚未达到完全实用化程度。其难点在于到底如何针对具体的设计对象，正确确定描述目标函数满意度和约束函数满足度的隶属函数。

2.2基于可靠性的优化设计方法

前苏联首先将概率论和数理统计方法引入结构设计之中，形成了安全度理论。以超载系数、材料匀质系数和工作条件系数来考虑载荷、材料及环境的一些随机性因素，并以此为基础发展成为结构的可靠性理论。

船舶结构可靠性的基本理论和方法，随设计目标要求的不同，可以给出不同的船舶结构可靠性优化设计准则，一般可分为以下三种。（1）给定结构的可靠度要求，使结构的重量最轻；（2）给定结构的最大允许重量，使结构的可靠度最大或破损概率为最小；（3）兼顾结构重量及可靠度或破损概率，使其某种组合满意度达到最大。

2.3鲁棒性设计

鲁棒设计是现代设计方法中的一种重要设计方法，是提高质量特性的一个重要途径。现代鲁棒设计方法是在田口方法的基础上发展出来的方法。通过使用容差模型法、最小灵敏度法以及灵敏度分析法，得到以下结论：（1）容差模型主要解决设计变量的变差对目标函数的影响。设计变量的变差会以一定的规律传递给目标函数。基于容差模型法的鲁棒设计要求目标函数和约束函数均具有一定的鲁棒性。目标函数鲁棒性是指产品特性既要使波动小，又要使偏差小；约束函数鲁棒性一般采用最坏情况容差来处理。（2）最小灵敏度法通过使性能参数对某一设计变量的偏导数最小而求得鲁棒设计解。（3）灵敏度分析法主要是通过估计出设计变量发生微小波动后对目标函数和约束函数影响大小，进而通过这种影响的大小来改变设计变量以达到改善设计质量的目的。

3.船舶结构简化方向展望：

现有主船体结构有球扁钢，扁钢，刚板，角钢，槽钢，折边肘板，带面板的肘板等。未来在不降低总纵强度和剖面模数的情况下可以尽量的加强互换性和通用性，不论船型和吨位，都可以提前下料预制，从而减小建造周期和维修难度。新的船体结构形式可以在原有的基础上在以下几个方向做简化。

3.1对新造船第一阶段

（1）线型基本照旧，球鼻照设，肠娓部外板仅作适当鼓起或凹进处理，使船壳板不易出现垂向瘦马型，这就增加了船的抗扭性。（2）三角方尾的娓封板略为单曲面鼓起，如公共汽车车头的驾驶玻璃，其目的也是为了增加抗扭，避免出现娓封板的垂向瘦马型，这几乎是不增加重量的情况下获得的抗扭刚度和昵部横向强度。（3）躺娓部肋骨改为纵骨，这种纵骨参予抗扭。若因钢板太薄，使用焊条太粗引起水平瘦马型也无碍，反而更可增加船舶抗扭性。据肋骨或纵骨对比计算，整段船的自重还可较大幅度地减轻，如今台湾、日本、西德造的船，都采用这一纵向的办法。（4）肿部舷侧外板用交叉肋骨，并与纵衔相结合（或肋骨加斜束腰）。经整段有限元对比计算，重量比常规结构减小，挠度减少，抗扭能力提高。而且整段平面也不易翘曲，刚度大大提高，货仓肋骨脱焊的事将可改观。（5）甲板下的肋骨也交叉，使肋骨或纵骨与板“同舟共济”，减少无谓蠕动，也即减少钢板的锈蚀，并使甲板负荷可以增加。（6）需精确确定外载荷的大小，然后整段计算抗扭刚度，刚度不足，需相应增加舱壁等的刚度。

3.2对旧船原则上与新造船一样

（1）减少无谓的蠕动，具体表现在相对锈蚀严重的部位，在锈蚀严重部位表面的背面作交叉肋板加强。（2）消除低频高幅的振动出现垂向瘦马型时，在肋骨间加斜肘板；出现水平向瘦马型时，在纵骨（纵析）间加斜肋板；舱底板有瘦马型时，在舱壁下墩等处加强。（3）发现裂缝要对症下药治本，治表（如改为大圆弧形时肘板，鸡爪式肘板）只能掩盖矛盾，对安全、延长船龄不利。加固槽形舱壁可增加船体的扭转刚度，这是比较治本的办法。（4）散货船高边柜内加斜杆。（5）提倡“贴条”式修补一条旧船，如一件旧衣服，补衣服要讲究匹配，事实证明贴得好，工艺好，效果相当好。

参考文献

[1] 戎嘉隆.船舶结构的演变与展望[J].世界海运，1998，21（5）：28-29.

[2] 陈伯真，胡毓仁.船舶结构若干研究方向的现状及发展[J].上海造船，1998，2.

[3] 徐昌文.船舶结构优化设计的研究进展[J].上海交通大学学报，1998，32（11）：118-120.

[4] 曾广武，程远胜，郝刚.船舶结构优化设计方法的研究进展[J].计算结构力学及其应用，1994，1.

[5] 白勇，徐向东.船体结构极限强度的影响参数与敏感度探讨[J].船舶力学，1998，2（5）：35-43.

[6] 崔维成，祁恩荣，黄小平.船舶结构强度预报/评估方法的现状和未来发展趋势[J].2005年中国船舶工业发展论坛论文集，2005.

[7] 王越.船体总纵极限强度分析[D].大连理工大学，2008.

[8] 刘明瑞.典型船体结构的极限强度分析[D].哈尔滨工程大学，2012.

[9] 王凤阳.钢夹层板船体结构优化设计及强度分析[D].哈尔滨工程大学，2012.

[10] 邵伟.基于鲁棒性的船舶结构优化设计研究[D].江苏科技大学，2012.

[11] 刘峰.基于耐撞性的新型船舶结构形式研究[D][D].上海：上海交通大学，2007.

[12] 王其红，刘家驹.舰船材料发展研究[J].舰船科学技术，2001，2：002.

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【关键词】 船舶；风机；离心风机；优化设计

新时期下，对于设备的优化设计是我国工业发展的关键途径，对于风机来说也是如此，其应用十分广泛，是很多工业单位部门中输送相关气体介质的关键设备和核心耗能装置，提高其工作效率是节约现有能源的有效途径，对于合理的能源配置方面有重要的意义，长期以来国内外大量相关科研人员根据实际运行情况和模拟数据对风机进行了大量的理论和实验研究，已经对风机有了很有效的优化。

随着计算机科学的不断进步，利用相关模拟软件对实际的风机运行情况进行较为真实的模拟，改进其预发生的问题，可以很好的对其进行优化，节约了时间和资金。在船舶领域，也有很多种类的风机得到应用，离心风机应用在二冲程柴油机启动和低负荷运行时，需要用离心鼓风机提高进气压力，完成气缸扫气。为了进一步减小风机尺寸，节约金属材料，对船用风机进一步优化设计是很有必要的。要想优化风机设计，必须对风机内部流体的情况有清晰的了解，对其进行深入的分析，得到较为详细的相关参数，进一步分析其内部流体特征，细致研究内部能耗损失，针对结果剖析其影响因素，根据可能影响效率的几个几何结构进行参数分析，反复试验优化方案才能得到满意结果。

1、国内外船用风机设计方法简介

风机的发展在全球范围内已经有100多年的历史，国外的相关生产和设计已经比较成熟，但是延长分级寿命和提高风机效率仍然是现在工作的重心。我国在风机设计方面的发展就相对较晚了，自上世纪五十年代我国第一个机器工业局成立以来，我国工业设备的发展十分迅猛，这一时期也是风机发展的关键时期，直到六七十年代我国才进入自行设计阶段，经过我国科研人员的不断努力，有很多类型的风机已经发展成为了高效节能的产品，尤其九十年代以后，我国在风机制造方面有了国外先进技术的支持和国外大型风机企业在中国建厂的实际支持，风机设计优化方面发展迅猛，但是跟国外最先进水平的差距还是十分明显，目前我国仍处在学习阶段。

1.1、一元设计方法

一元设计法要求对模型进行一定的假设，针对风机内部复杂的三维勃性非定常流动，将其简化成一元无勃流动，从中获取几个相关重要的结构性能参数，分析其变化规律，确定相关蜗壳和叶轮的尺寸和结构。其主要缺点还是简化的过程过多，不能够变现实际的风机工况，大多数情况下是根据相关模拟人员的工程和模拟经验来进行修改，得到相对值得信赖的结果，为了改进，研究人员提出了过流断面的设计概念。

1.2、二元叶片设计方法

相对于一元设计法，二元叶片设计方法是针对风机的叶轮设计优化进行改进的方法，其中主要应用等扩张度方法和等减速方法。等扩张度方法主要是根据实际工程中风机的扩张角问题提出的方法，当其过大时风机效率下降明显，此方法可以控制相对平均流速沿流线的变化规律，通过简单的几何关系就可以得到叶片形线。等减速方法可以为叶轮中的相对速度沿着平均流线的分布进行规定，计算出其中的叶轮流动的损失，保证流场内的气流用相同的速率改变相对速度。

1.3、三元叶片设计方法

三元叶片设计主要由全可控涡设计法和载荷法组成，前者采用在风机叶轮流道的中间面附近上应用流线的曲率设计法，它需要结合研究人员的实际工程经验才能较好的进行叶片的设计。后一种方法就是对叶片上的压力面和吸力面上的速度差进行控制，以此来对叶片压力进行载荷控制，计算得到风机流道中平均流线速度，模拟所需叶片形状。

1.4、近似模型法

应用统计学理论，采用随机类优化方法在工程中进行实践操作，可以避免其中的计算量过大问题，在一定范围内对设计的准确性有一定的保证，合理观察设

目标的实际要求，着力使用近似模型，提供快速的空间探测分析工具，在气动优化设计过程中，用该模型取代耗时的高精度的计算流体动力学分析，可以加速设计过程，降低设计成本

2、船用风机的优化设计步骤

2.1、风机叶轮设计指导思想

2.2、各项参数指标的确定

对于转速来说，原则上在转速范围内取最佳效率的电机转速，对于交流电机，最好确定在电机同步转速的转差率0.2以内，因为在此区间电机的效率比较高。对于直流电机，没有严格的指标。

2.3、叶片设计

叶片的设计步骤首先要根据客户要求或者提供的压力和流量确定通风机的转速n，叶轮直径d，然后确定叶轮叶片z和叶片宽度b 以及稠度τ，接着确定需要计算叶片截面；以及叶环的气流参数，再根据所得数据计算各截面的气流角以及叶珊几何角，最后进行叶形状的绘制。

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1 传统工业的优化设计应用

传统机械优化设计方法大多应用于机械结构和零件功能的优化设计，针对机械结构的性能和形态进行优化。在机械结构上，内点罚函数优化法，能够对刚度和压弯组合强度结构进行良好的优化，既能够满足尺寸要求又能良好的控制结构自重。在形态方面，典型的是轴对称锻造部件的毛坯形状的优化。在性能方面，采用坐标转换法和黄金分割法对部分两岸结构进行优化设计，使得机械结构更加准确保持运动平衡性，提高了传力性能。这样看来，传统机械优化设计方法依然能够取得良好的效果，所以在机械设计发展中不能忽略传统优化方法的

作用。

2 现代工业的优化设计应用

现代高新设计方法在机械优化设计中的应用已越来越广泛。但应该看到，现代的设计不仅仅是单一的完成给定产品的设计，而应该要将产品使用及设备维修等因素统一进行考虑。所以，机械优化设计在强调环保设计和可靠性设计等考虑综合性因素的机械优化设计应用工作更为活跃，机械优化设计的应用领域更加广泛，涉及到航空航天工程机械及通用机械与机床的机械优化设计；涉及到水利、桥梁和船舶机械优化设计；涉及到汽车和铁路运输行业及通讯行业机械优化设计；涉及到轻工纺织行业、能源工业和军事工业机械优化设计；涉及到建筑领域机械优化设计；涉及到石油及石化行业机械优化设计；涉及到食品机械等机械优化设计。机械优化设计的应用还能够解决具有复杂结构的系统问题。

2.1 优化设计网络软件的应用

优化算法的研究已经有所成绩，利用网络平台逐渐开发一些工业化在线优化软件，便于工业设计使用。对于在线机械优化设计软件来说，亟待解决的问题就是模型问题，对于非常复杂的系统来说，结构、流程、物料和系统参数等，都非常复杂，如果计算对象比较模糊，运算效率会受到严重的影响，这就给在线优化软件带来了巨大的困难。为了解决这种情况，通过合适的算法解决辨别模型，结合神经网络和学习特点进行数据的识别，让在线优化软件也能够良好的应用于各种模型，比如国内比较成熟的 NEUMAX 软件包，基于神经遗传算法的在线优化软件包，都能够良好的实现各种模型的遗传算法，这些软件已经成功应用于甲醇合成机械设计的优化工作中。

2.2 优化设计在MATLAB中的应用

在机械设计中引入优化设计方法不仅能使设计的机械零件满足性能要求，还能使其在某些特定方面达到最优。利用 MATLAB优化工具箱求解机械优化设计问题不仅避免了传统的设计方法中人工试凑、分析比较过程中的繁杂与重复，而且编程简单、结果可靠。在上述实例中，利用 MATLAB 软件中FEMINCON函数求解夹具设计问题，最 终设计的 夹具要比采用传统设计方法设计的质量轻、成本低，并且设计效率高。

2.3 人工神经网络法在机械优化设计中的应用

人工神经网络是人类模仿大脑神经网络结构和功能而建立的一种信息处理系统，是理论化的人脑神经网络的数学模型。人工神经网络从事例中学习，可以处理非线性问题，特别擅长处理那些需要人直观判断的信息匮乏的问题，如不完全数据集合，模糊信息以及高度复杂问题等。人工神经网络应用于优化设计，主要体现在以下两个方面：

Hopfield 网络 2.BP 网络

2.4 模糊优化方法在机械优化设计中的应用应用模糊优化理论能够将设计中的模糊因素和模糊主观信息定量化，通过合理给定约束函数、目标函数的容许值、期望值及其模糊分布 （隶属函数） 来 “软化”边界条件，扩大寻优范围和体现专家的经验、观点和某些公认的设计准则。把模糊技术应用于优化设计建模，其特长不仅在于它善于表达模糊概念，处理模糊因素，而且还可将复杂问题简化，使优化模型更加合理。采用模糊理论建立优化设计模型对求解复杂系统优化设计问题具有重要意义。

篇6

关键词：船舶 配电系统 电力变换装置

中图分类号：F407 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（b）-0097-01

随着船舶综合电力系统的发展，越来越多的电力变换装置逐渐应用到船舶配电系统中。电力电子器件本身的非线性特性会使得电力变换系统之间产生互相影响，从而发生不稳定、谐波以及其他的系统级问题。船舶电力系统在船舶上具有极为重要的地位，电力系统供电的连续性！可靠性和供电品质，将直接影响船舶的经济指标、技术指标和生命力在现代化船舶上，电站操作越来越复杂、电站自动化程度日益提高，对电站管理人员的要求也越来越高。

1 船舶配电系统的概述

船舶电站是船舶的一个重要组成部分，其自动化程度是船舶技术的重要标志。船舶电站供配电系统一是供电质量和供电可靠性，二是船舶电站自动化程度。随着计算机技术、控制技术、通信技术以及网络技术的发展，船舶电站自动化系统的结构也发生了很大程度的变化，船舶电站逐步形成以网络集成自动化系统为基础的船舶电站自动化控制、管理信息系统，集监、控、管于一体的网络型船舶电站综合自动化系统。

船舶电力系统发展到一定阶段以后必然会进入船舶综合电力系统阶段，其主要标志之一就是集成化和模块化。所谓综合全电力推进系统，就是动力推进和日常用电共同用一个电力系统，从而构成一个综合的电力系统。IPS最大的特点是模块化，根据功能不同，这些模块在具体的舰艇IPS系统中，被划分在4个子系统中，即发电和推进子系统、舰艇日用电配电子系统、区域配电子系统和系统监控子系统。

在船舶综合电力系统中，发电机组、配电装置、系统调度和监控、电力推进和高能武器通过电力网络集成在一起共同工作和运行。电能在船舶电力系统中一开始只是作为一种辅助能源，实现船舶的照明等一般。随着综合电力推进技术的发展以及采用电力作为能源的先天优点，原先一些采用常规动力系统作为能量来源的设备，也逐渐向电力化方向发展，另外电能开始逐渐取代传统动力成为舰船的推进能源。因此，综合电力系统（IPS）的出现满足了船舶的实际应用需求，促进了船舶电力系统向集成化与模块化方向的过渡。

2 船舶配电系统的新技术

作为船舶综合全电力推进技术的重要研究内容之一，基于电力变换装置的船舶直流区域配电系统得到了越来越多的关注和研究。传统的船舶辐射式配电方式静态和动态负载自动调节性能比较差，冗余电源实现方案较为复杂，难以满足余度供电和不间断供电的要求。

船舶区域配电系统具有和分布式电源系统类似的特点，比如：（1）系统容量有限，同时由于推进负载和高能武器等大功率负载的存在，负载的容量和发电机的容量接近；（2）电能经过多次变换，最终为全船负载供电。同一个电力变换装置既是前端变换装置的负载，同时也是后端负载变换装置的源，各个电力变换装置之间相互耦合，源效应与负载效应较明显；（3）全控型半导体器件在电力变换装置的大量使用，提高了功率密度。但是由于半导体器件本身具有开关特性，因此电力变换装置也同样具有非线性特性。这种情况下，在某一稳态工作点对电力变换装置作小信号线性化处理和分析而得到的阻抗特性也会随着电力电子器件的开关频率不同而发生一定的变化。

随着综合电力系统的发展，仅仅对电力变换装置的功率器件、拓扑结构以及各种先进的控制算法进行研究已经不能满足船舶电力变换系统的要求了。因此，需要从系统的角度出发，对电力变换装置进行优化设计和稳定控制，以便更好的满足不同类型负载的供电要求。

船舶电力变换系统具有冗余度高、控制灵活等优点。在船舶配电系统中，其电能的主要来源是燃气轮机发电机组和储能系统，系统中的各种独立、并联的负载从左右直流母线上获取电能。虽然系统中的这些电力变换装置能够独立稳定运行，但在系统中运行由于模块之间互联的相互影响，会导致系统性能的下降甚至发生不稳定现象。

在进行船舶电力变换系统设计的过程中，由于缺少了对船舶电力变换系统稳定性方面的系统级分析和设计，因此，影响了船舶区域配电系统的可靠性。一般情况下，船舶电力变换系统设计的主要标准是各个电力变换装置模块的电气性能、功率密度和外部接口等，而没有考虑模块在系统中运行的稳定性和对其他装置的影响。在实际应用中，由于电力变换装置的互联，可能出现独立工作时性能指标合格的电力变换装置在系统中发生啸叫或者振荡的现象，极端情况下还会导致器件损毁。目前，关于船舶电力变换系统的稳定性分析和验证主要还是通过实验进行验证，这种方法缺乏有效的理论指导，造成了大量时间的浪费，增加了系统研发和制造成本。在实际船舶区域配电系统中，存在着各种不同的用电设备，很多电力变换装置的负载往往是容性或者感性，亦或是其他电力变换装置。在设计的过程中，如果没有考虑和分析单个电力变换装置对系统整体的影响，那么即使装置满足单独测试时的性能要求，在系统中运行时也可能会出现不稳定现象，影响配电系统和其他电力变换装置的安全性及可靠性。因此有必要在单个电力变换装置设计过程中从系统级角度出发，通过优化设计和控制方法的研究使得电力变换装置能够在满足自身各方面电气性能要求的同时，也能够保证其在系统中稳定运行而不对系统产生严重影响。

3 船舶配电系统的发展趋势

目前，我国船舶自动化技术发展达到了世界先进水平，正朝着微机监控、全面电气化、综合自动化方向发展。高可靠性、功能齐全、分布式、多微机网络式自动化系统，将是未来船舶电站自动化的发展方向。

4 结语

综上所述，船舶电力变换系统稳定性研究的目的和意义是为了从系统级的角度出发，对船舶电力变换系统及其互联系统的相互影响进行分析和研究，为船舶区域配电系统的稳定性研究奠定理论分析基础，为故障情况下船舶配电系统的供电路径重构提供理论依据和现实参考，从而提高船舶配电系统的运行稳定性和生命力。

参考文献

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摘要：用热技术经济学原理与BOX非线性约束(复合型)优化法相结合的方法，对大型柴油机动力系统中废气复合透平系统(Turbo Compound System或TCS)进行了热技术经济分析研究和设计优化计算。探讨的方法也可用作动力厂(站)可行性研究阶段方案设计时的参考。关键词：废气复合透平； 热经济学； 优化设计

Abstract: hot technology economics principle and BOX nonlinear constraints (Compound) optimization method combined with the method of dynamic System of large diesel engine exhaust gas turbine composite System (Turbo Compound System or TCS) hot technology economic analysis research and design optimization calculation. Discusses the method also used for utility plants (station) the feasibility study stage design reference.

Keywords: waste gas turbine compound; Hot economics; Optimization design

符号说明

下限值b-上限值C-定压比热En-能量，(kJ)I-隐式约束方程总数J-能量系统或单元的能流输出总数P-输出功率，(kW)R-设计变量总数T-温度(℃)或增压器的废气透平

下标

环境1，2-能量及技术经济区1、2a-新鲜空气bt-废气增压器前c-废气增压器的压缩机e-排气ebt-增压器前的废气ep-由柴油发电机发电exh-增压器后的废气hf-重燃油j,j’-第j或j’能量流m-机械ME-喷入柴油主机的燃油pa-定压压缩空气pe-定压废气PT-动力透平shaft-柴油机的主轴t-透平或温度T-增压器的废气透平

前言

从80年代初开始，大型柴油机增压器制造商一直致力于不断提高其效率的研究开发，结果是大大减少了产生柴油机压缩进气的增压器消耗的废气量；在此基础上，进一步配套设计了一种动力透平，用以转换这种高效增压系统省下的废气能量，产生有用的动力(如电力、机械功)。已有实例在大型柴油机船舶动力站(5 000 kW以上)采用这套系统，经济性十分明显，投资回收期不到两年［1］。诚然，任何动力系统设计中，如采用较高效率的设备，虽其经济性会提高，但也增加系统的初始投资，以致同时增加产品的折旧成本。因此，动力系统的经济设计和设备的经济选择常常是互相矛盾的，要进行优化平衡，才有可能达到最佳的参数组合。对此，提出利用热技术经济学与非线性数学规划法中的Box’s Complex法［2，3］相结合的方法，通过建立废气复合透平系统的优化设计模型，对该动力系统进行结合实例的优化设计计算和热技术经济研究分析，以探讨较为合理的大型柴油机废气透平复合系统参数的优化选择方法和途径。本文探讨的方法也可作为动力厂(站)可行性研究方案设计研究之用。

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关键词:桥梁结构;拓扑优化;有限元分析;ANSYS

中图分类号:U442文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)20-0038-02

结构优化的目的是以最少的材料、最低的造价、最简单的工艺,实现结构的最优性能,包括强度、刚度、稳定性等目标。将优化方法应用于结构设计,不仅可以大大的缩短设计周期,显著的提高设计质量,而且还可以解决传统设计方法无法解决的复杂设计问题。从工程设计的角度看,结构优化设计大致有三个层次:拓扑优化,形状优化以及尺寸优化。三者中拓扑优化是结构优化领域中最具有挑战性的研究课题,同时也是具有最大潜在经济效益的设计方法。拓扑优化主要思想是将结构最优化问题转化为在给定区域内寻找最优的材料分布的问题。通过寻求结构的最优拓扑布局使得结构在满足一切有关平衡、应力、位移等约束条件的情形下,同时具有某种最优性能指标。因此拓扑优化被认为是结构初始设计阶段确定材料布局的最有效方法。

桥梁建设是交通建设中的重要组成部分,随着我国各种跨越大江(河)、海峡(湾)的大型桥梁的相继修建,如何高效率的设计桥梁结构、大幅度的减少建设材料,是缩短桥梁设计周期、节约桥梁建造成本的关键问题。本文将拓扑优化设计方法应用于桥梁设计,采用大型商用有限元软件ANSYS中的拓扑优化设计模块,获得桥梁结构的初始设计方案,可对桥梁结构的拓扑轮廓与外形进行快速和创造性的调节,为高层次的设计者提供桥梁结构的概念设计模型,从而降低桥梁设计周期。

一、拓扑优化数学模型

拓扑优化在广义上指形状优化,有时也称为外型优化。拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配方案,即在设计区域内寻找一个给定体积V的子区域mat(有材料区域),使得该区域对应的目标函数(如结构柔顺度、结构位移等)取得极值。引入材料密度函数:

(x)=1ifx∈mat0ifx∈\mat(1)

则结构拓扑优化模型可描述为:

()

s.t. d≤V (2)

(x)=0 or 1,x ∈

结合有限元数值方法,将结构设计域离散为n个有限单元,相应的将密度函数近似为n维向量,其中xi为有限单元i的密度值。此时的优化模型为0~1整数优化模型:

(X)

s.t.V(X)= xivi≤V(3)

xi=0 or 1,i=1,2,…,n

由于整数模型的计算求解非常困难,通常采用变量连续化方法,将0-1整数变量问题变为0、1间的连续变量优化模型:

(X)

s.t.V(X)= xivi≤V(4)

式(4)即为结构拓扑优化设计的基本数学模型。本文考虑的桥梁结构拓扑优化设计属于连续体结构静力学优化设计问题,目的是在外力作用和位置以及约束的位置确定的条件下,以结构的柔顺度最小化(即桥梁结构刚度最大化)为目标函数,以结构材料体积限制为约束进行设计桥梁结构的拓扑形式。具体计算时,将桥梁初始设计域有限元离散,设计变量为各单元的材料相对密度。

为了将结构优化技术付诸实用,除了建立可靠的优化模型外,还需要选择收敛速度快且计算不是很复杂的优化算法。采用适当的优化算法求解数学模型,可归结为在给定条件(例如约束条件)下求目标函数的极值或最优值的问题。实际工程优化问题中,约束条件和目标函数不仅是非线性的,而且是隐式函数,所以优化算法的选用至关重要,对于不同层次的优化问题需要选用不同的优化算法。按优化算法的理论基础划分,主要有以下3种类型:准则法、数学规划法、遗传算法。本文采用了ANSYS拓扑优化设计模块中的最优准则(Optimality criteria,OC)算法。

二、拓扑优化设计流程

拓扑优化的基本过程,可以描述如下:(1)确定设计区域,选择合适的设计变量、目标函数以及约束函数等其他边界条件;(2)结构离散化,进行有限元分析,获取目标函数、约束函数及设计变量对目标函数变化的敏度信息;(3)根据得到的信息,用合适的优化方法计算,计算出当前的设计变量的新值;(4)根据终止准则判断优化结果是否收敛,如果不收敛,重复(2)到(4),如果收敛,则终止迭代;(5)拓扑优化后处理,得到最优拓扑的形式。

图1给出了拓扑优化设计的基本流程:

图1拓扑优化设计基本流程

三、桥梁结构拓扑优化设计算例

(一)问题描述

一座拱桥所在的空间位置如图2所示,长方体上表面为路面,路面长20m,宽3m,桥高4m。图2标出了拱桥五个桥墩的位置点。路面指定为非设计区域,并承受100ePa均布载荷。桥梁结构材料属性为:弹性模量E=200GPa,泊松比=0.3。要求分别在结构体积减少70%和50%的条件下寻找具有最大刚度的拱桥桥型。初始设计空间的有限元模型如图3所示,图中上表面单元为非设计单元。

(二)优化结果

采用ANSYS拓扑优化设计模块进行拓扑优化计算,优化迭代20次后得到优化结果,如图4所示。图5给出了目标函数的迭代曲线,可以看到,迭代20次后,结构的柔顺度降至最小,即此时的桥梁构型具有最大刚度。

四、结论

本文以桥梁结构刚度最大为目标函数,基于大型商用有限元软件ANSYS中的拓扑优化设计模块,对桥梁结构进行了给定体积分数下的拓扑优化设计。通过拓扑优化设计方法可以获得桥梁结构初始设计阶段的轮廓布局,从而为桥梁工程设计人员提供可靠的、指导性的和粗定量的顶层结构设计方案,避免了复杂繁琐的初始设计方案定制过程,缩短了桥梁设计周期。

参考文献

[1]Hassani B,Hinton E, A review of homogenization and topology optimization Part III:Topology optimization using optimality criteria[M].Computers & Structures,1998.

[2]夏立娟,吴嘉蒙,金咸定.工程结构的拓扑优化设计研究[J].船舶力学,2002,6(6).

[3]王健.具有形状和应力约束的连续体结构拓扑优化及其在框架结构设计中应用[J].工程力学,2002,19(4).

[4]Bendse M P, Sigmund O.Topology Optimization Theory,Methods and Applications[M].New York:Springer,2003.

[5]荣见华,姜节胜,颜东煌,徐斌.多约束的桥梁结构拓扑优化[J].工程力学,2002,19(4).

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关键词：高等数学；定积分；极值；工字钢

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）08-0015-02

高等数学的基础知识在工程设计领域中的应用非常广泛，甚至可以说是无处不在，很多的工程力学和结构强度分析的模型都和高等数学息息相关。本文通过在建筑、桥梁、船舶结构设计领域一个比较常用的数学模型，来说明高等数学在工程设计领域具有很强的实用性。下面让我们来介绍在建筑、桥梁、船舶结构设计领域广泛应用的一种钢制型材：工字钢。顾名思义，工字钢就是剖面形状酷似“工”的钢制型材，形状参数如下图1所示。我们主要通过一些基本的高等数学知识来研究在同样的载荷条件下，怎样设计工字钢的剖面几何形状才能使它的重量最轻，最能节省材料。因为工字钢的应用范围非常广，通过剖面优化设计可以带来的经济效益非常可观。

工字钢的基本形状参数有以下几个（如图1所示）：腹板高度hw、腹板厚度tw、面板厚度tf、面板宽度df。在这个实例中我们需要计算工字钢的转动惯量I，并根据二元函数的极值求解方法来设计工字钢的最佳剖面形状。在工程设计中，选用工字钢的控制要素一般是最小剖面模数W，而非转动惯量I。但是根据材料力学的基础知识，工字钢的最小剖面模数W＝I/（hw+tf）。也就是说要先求解剖面模数W，必先求解工字钢关于自身中和轴的转动惯量I。通常情况下，工程上会计算一半工字钢关于整个工字钢中和轴的转动惯量然后乘以2的方法来求解整个工字钢的转动惯量。工字钢的腹板和面板的转动惯量将分别计算然后线性相加。

根据材料力学中转动惯量的计算方法，可以得到一半

工字钢转动惯量的计算公式应为：

■=■t■h■■dh■+■d■t■■dt■ （1）

应用定积分中的换元法，用dw来代替■，可以得到■=■t■d■■+■df［（d■+tf）3-dw3］ （2）

上述公式是一半工字钢转动惯量的解析解。根据材料力学的计算公式进而可以得到工字钢的最小剖面模数为：W=■={■twdw3+■df［（dw+tf）3-dw3］}/（dw+tf）；W={■twdw3+■df[tf3+3dwft（dw+tf）]}/（dw+tf） （3）。式（3）中，工字钢的剖面模数计算公式中有四个变量。要想求得工字钢的极值应将其中两项设为常量。我们发现，工字钢的剖面模数对工字钢的腹板厚度tw最不敏感，从工程应用的角度来说，一般将此设为常量。另外，在工程实际应用中，工字钢的腹板高度和面板宽度之间一般存在着某种固定的线性关系，在这里设df=a*dw。

经过上述基本假设，则工字钢的剖面模数可以设定为关于dw和tf的函数。因此，可以根据二元函数的极值求解方法来设计工字钢的最佳剖面形状。即当dw和tf之间满足某种比例关系时，工字钢的剖面模数可以达到极值。式（3）看似简单，但是要用解析解求解该式的极值还是将转换为dw为变量的以一元五次方程的求解，具体计算过于繁复，在这里就不再赘述。

在这里仅介绍在工程上常用的、误差可以接受简化计算的方法。首先由于工字钢的面板厚度相对于腹板高度而言是个小量，因此可以将dw+tf≈dw，同时tf3作为小量也可以忽略。这样一来可以得到以下工字钢的最小剖面模数简化计算公式：W≈（■twdw3+2dftfdw2）/dw=■twdw2+2dftfdw （4），我们优化工字钢剖面的基本思路是假设工字钢的剖面总面积As不变，当腹板高度和面板厚度满足一定关系时，剖面模数达到最大。即As=2dwtw+dftf dftf=As-2dwtwtf （5），根据换元法，将（5）代入（4），可得：W≈■twdw2+2（As-2dwtw）dw=2Asdw-■twdw2，根据二元函数的极值求解方法，将剖面模数对dw求导，则可以得到：W'≈2As-■dwtw W''≈-■twdw＜0 （6）。根据函数的极值及其求解方法，当W''=0，且W''＜0时，W存在最大值。即通过令W'=2As-■dwtw=0得到As=■dwtw时，亦即工字钢的腹板面积近似等于总面积的0.75倍时，W存在最大值。从而得到近似的最佳工字钢剖面。此比例关系为工程上工字钢的剖面设计是具有重要参考价值的。指导了很多工字钢剖面的设计，在船舶设计领域，与工字钢剖面具有相仿的T型材的剖面优化设计也可以用相似的方法求得，只是需要注意的是T型材的带板面积会直接影响到工字钢的最佳剖面设计结果。

我们发现，工字钢剖面优化设计应用到二元函数的极值及其求解、牛顿—莱布尼茨公式、定积分的换元法等，当然还需要有一定的工程实践经验。这些完美结合后，就会在工程实际应用中发挥不可思议的作用。

众所周知，高等数学尤其是微积分在材料力学、结构力学、流体力学、断裂力学、有限元分析等中的应用非常广泛，学好高等数学不仅仅是为了学分、为了考研，更是为了能够站在更高、更大的舞台上扎下坚实的技术基础。要想成为真正技术上的王者，高等数学是大家手中最好的利器，只要你能读懂它的精髓，并善于利用它。

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计代表船型，通过规范公式和经验公式的计算初定航道尺度，再结合船模试验对其进行优化，最终确定航道尺度。

关键词：航道尺度 转弯半径 加宽

近年来，随着国际、国内船舶制造业的快速发展，船舶载重吨级日趋大型化，大型海轮停靠港口进行装卸作业已经非常普遍。中化珠海石化公用码头位于高栏港区南迳湾作业区，其南侧泊位原设计最大靠泊船型为80000DWT船舶。根据业主提供的资料，近几年来，格力石化码头实际到港船型中就有超过80000DWT的船舶。自正式投产以来，本码头共安全靠泊多艘次大轮，而且到港大型船舶艘次在逐年增加，为适应较大船型的安全靠泊要求，现拟将南侧8万吨级泊位改造为15万吨级泊位，与码头配套的进港支航道也需浚深拓宽。

航道概况

工程所处的高栏港现有一条人工开挖主航道及通向各港区的支航道若干条。目前主航道口门至南迳湾港区支航道段航道设计海底高程为-15.7m（当地理论最低潮面，下同），航道底宽250m，航道轴线走向350°～170°，可满足8万吨级油船单向满载乘潮通航需要。根据高栏港区航道规划，主航道起点至华联支航道区间按满足15万吨级油船通航要求设计，设计底宽为290m，设计底标高-19.0m。15万吨级主航道计划2014年内完工。

从高栏港主航道至南迳湾港区华联码头辟有一条支航道，支航道现状：长1.6km，底宽201m，航道底标高-13.5m，航道轴线走向20°～200°。支航道与主航道轴线夹角为30°。

转弯段航道尺度计算

南侧泊位改造后设计代表船型为150000DWT油船，其船型尺度为274m×50.0m×24.2m×17.1m（总长×型宽×型深×满载吃水）。本工程支航道通航密度甚小，按单向航道进行设计。单向航道航宽和航道设计水深均采用《海港总平面设计规范》中公式计算。

单向航道宽度：W=A+2C=n（Lsinγ+B）+2C

航道设计水深： D= D0+Z4=T+Z0+Z1+Z2+Z3+Z4

船舶在支航道行驶时风流压偏角按7°，航速按小于6节考虑，计算出单向航道宽度为241m，航道设计水深为19.43m，航道底标高-18.00m（当地理论最低潮面）。

因进港支航道与港区主航道轴线夹角为30°，为保证船舶安全转向，船舶从主航道转向支航道行驶时，其转弯半径和弯道段航宽需合理确定，以下重点分析两者的确定方法。

1、转弯半径

海港总平面设计规范（JTJ211-99）规定，航道转弯半径R应根据转向角φ和设计船长确定：10°30°，R=（5～10）L。美国和日本等大多数国家标准一般要求以φ≤30°为宜，Rmin=3L；超过30°时，Rmax=12L。国内杨桂樨提出的海港航道转弯半径R的经验公式为：

，式中：R为航道转弯半径（m），K0为航道掩护程度，有掩护航道为1.0，无掩护航道为1.2；VS为最大船舶航速（m/s），以小于4m/s为宜，计算时不考虑单位；LPP为最大船舶两柱间长度（m），一般可按LPP=（0.94～0.97）Lo，T为最大船舶满载吃水（m）；D0为航道转弯段设计水深（m）； φ为航道转向角度（°）。

根据表1计算结果，支航道转弯半径暂按5倍船长考虑。

2、转弯段拓宽要求

航道转弯段宽度在直线段航道航宽的基础上需考虑一个拓宽值ΔW。海港总平面设计规范（JTJ211-99）规定：当10°30°，可采用折线切割法加宽。海港工程设计手册建议当φ>25°时，ΔW> ；φ≤25°时，ΔW≤ 。国内杨桂樨⑵提出的航道转弯拓宽ΔW的经验公式为：

式中：R为航道转弯半径（m），为航道掩护程度，有掩护航道为1.0，无掩护航道为1.2； LPP为最大船舶两柱间长度（m），一般可按LPP=（0.94～0.97）L0，详细可按日本规范推荐的公式计算，T为最大船舶满载吃水（m）；D0为航道转弯段设计水深（m）； φ为航道转向角度（°）。

由表2两种公式计算结果可知，经验公式计算值偏小，以手册公式结果来进行判断，则加宽后的航道宽度应大于275.25m。本工程φ=30°，采用切角法加宽后，转弯段航道最小宽度为303m，满足设计手册要求。

船模试验

进港航道内单向通航模拟试验选取自然条件分别为涨、落潮平均流速满载进、出港、风速选取6级、风向为最不利横风的条件组合，进出港试验的主航道航速为6～8节，支航道的航速为4～5节。涨潮、风向045°、风力6级为最不利组合，最不利组合情况下（进港航迹带见图1）。

模拟试验表明：15万吨级油轮进出港单向通航的航迹带宽度为110m，15万吨级油轮进出港单向通航支航道所需单向航道宽度为210m，本工程支航道设计宽度241m，进出港航道宽度满足设计代表船型进出港单向通航航道宽度的要求。

模拟操作过程表明，15万吨级油船进出港由主航道转入支航道及由支航道转入港池水域，需要较高的操船水平，存在一定的风险，船舶在支航道受风流影响漂移较大，船位容易偏向西北侧，船舶在支航道的船位距离航道边界最近的距离仅为20m，特别是防波堤堤头的流场突变的特点，使该段的船舶操作较困难。为保障15万吨级油船安全顺利通过支航道，经与当地引航员共同反复操作试验，建议对支航道及与主航道、港池水域衔接段进行优化设计，使支航道与港池衔接段成喇叭口形态，扩大港池操作水域。

航道尺度优化

根据已开挖航道测量资料比较，支航道开挖后年回淤厚度为0.6～1.22m，维护性疏浚量很大，从工程改造经济角度分析，结合主航道规划，南侧泊位改造后支航道暂按底标高-14.5m进行维护，对应的航道设计水深为15.93m。根据经验公式来计算转弯半径，见表3。

根据表3计算结果并结合船模试验结论，最终确定转弯段航道转弯半径取8L即2192m，转弯段仍采用切角法加宽。

优化后的支航道及与主航道连接段见图3，支航道与港池衔接段见图4，图中斜线区域为优化后增加的可航行水域。

结语