船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)范文
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第1篇
關(guān)鍵詞：船舶海洋工程管線優(yōu)化
中圖分類號(hào)：S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
前言
管道被廣泛地應(yīng)用于石油化工"水利工程"建筑"船舶等領(lǐng)域，其在不同的應(yīng)用環(huán)境下需承受不同的外力作用，大規(guī)模、全面地開發(fā)利用海洋資源和空間，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)已列入各沿海國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略。海洋開發(fā)和利用除了需要先進(jìn)的海洋工程技術(shù)，還需要各種海洋工程結(jié)構(gòu)物的支撐。這為與海洋工程裝備業(yè)關(guān)聯(lián)度極大的船舶工業(yè)提供了極好的機(jī)遇。作為未來世界經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，海洋工程和海洋開發(fā)潛力非常巨大。近幾年，全世界對(duì)浮式生產(chǎn)系統(tǒng)的新增需求達(dá)到約120座，全球浮式生產(chǎn)系統(tǒng)的年投資額以高速度遞增，其中FPSO船(浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置)仍將是全球浮式生產(chǎn)市場(chǎng)的建造熱點(diǎn),該船型集生產(chǎn)、儲(chǔ)油、運(yùn)輸多項(xiàng)功能于一身，是當(dāng)前國(guó)際海上石油開發(fā)生產(chǎn)設(shè)施的主流形式。隨著生產(chǎn)向深海的不斷進(jìn)入，F(xiàn)PSO船的優(yōu)勢(shì)將會(huì)更充分顯現(xiàn)出來。中國(guó)海洋石油開發(fā)總公司也需要較大數(shù)量的海洋平臺(tái)、多艘FP-SO平臺(tái)，用于海洋開發(fā)建設(shè)的資金達(dá)到了數(shù)百億元。船舶工業(yè)是海洋工程的天然“霸主”。隨著海洋油氣開發(fā)向深海發(fā)展，船舶工業(yè)與海洋工程的關(guān)系更加緊密，船舶工業(yè)在海洋油氣開發(fā)中的作用更加突出。這主要有兩方面的原因:一方面是技術(shù)上的因素。隨著作業(yè)水深的增加,固定式平臺(tái)海洋構(gòu)造物難以適應(yīng)深海作業(yè)，各種浮式海洋工程結(jié)構(gòu)物成為深海油氣開發(fā)的主角。船舶工業(yè)與其他專業(yè)平臺(tái)廠相比其優(yōu)勢(shì)正是在這類浮式結(jié)構(gòu)物上——海洋開發(fā)裝備具有船舶的屬性，它的基本要求是在水上能浮起來、穩(wěn)得住、移得動(dòng)，這就與船舶有了相近的技術(shù)要求。這種天然優(yōu)勢(shì)為船舶工業(yè)迅速占領(lǐng)深海平臺(tái)市場(chǎng)創(chuàng)造了良好的條件。另一方面是開發(fā)周期的因素。由于海洋油氣開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，國(guó)際石油商對(duì)從發(fā)現(xiàn)油氣到生產(chǎn)的時(shí)間要求越來越緊，而與船舶相近的海洋工程物恰恰可以以最快的時(shí)間迅速部署于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)， 從而大大縮短深海油氣的開發(fā)時(shí)間。正是由于這兩方面的原因，使船舶工業(yè)迅速成為深海油氣開發(fā)裝備生產(chǎn)的主要力量。船舶工業(yè)越來越深地融入海洋開發(fā)裝備領(lǐng)域，已成為當(dāng)前海洋裝備發(fā)展的一個(gè)重要特點(diǎn)。相對(duì)于已經(jīng)成熟的船舶工業(yè)來說，海洋開發(fā)裝備業(yè)是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，正在發(fā)展過程中，據(jù)專家估計(jì),目前及未來幾年,僅油氣開發(fā)生產(chǎn)一項(xiàng)，全世界就需要約100多艘FPSO船、200多座鉆井平臺(tái)，加上其他海洋產(chǎn)業(yè)的需求,海洋開發(fā)裝備甚至比整個(gè)國(guó)際船舶市場(chǎng)的需求還要高。因此未來船舶企業(yè)會(huì)參與更多的海洋工程結(jié)構(gòu)物的建造。
管道隔振支座最佳布置設(shè)計(jì)優(yōu)化需確定隔振支座的類型"數(shù)量及位置!由于支座類型的選擇難以依靠程式化優(yōu)化計(jì)算來得到，本研究?jī)H針對(duì)支座力學(xué)與隔振性能參數(shù)給定情況下，研究管線支座的數(shù)量與幾何位置優(yōu)化問題涉及到的約束條件包含強(qiáng)度( 應(yīng)力) "剛度( 位移和變形) "穩(wěn)定性( 屈曲) 和動(dòng)力學(xué)特性( 管線固有頻率和管線響應(yīng)振幅) ，同時(shí)考慮工藝安裝方面的特殊要求( 某些位置無法安裝支座) 針對(duì)上述約束，細(xì)化為優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中考慮應(yīng)力"位移"固有頻率"穩(wěn)定性和評(píng)價(jià)點(diǎn)在指定頻率區(qū)間的振級(jí)落差等約束條件簡(jiǎn)化的支座布局幾何優(yōu)化設(shè)計(jì)模型見圖所示，通常選取支座數(shù)目和支座位置為設(shè)計(jì)變量本模型假定支座總數(shù)目事先已知( 通常按照工藝要求確定，但適當(dāng)增加一定數(shù)量) ，通過確定各支座的幾何位置坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)布局優(yōu)化!當(dāng)相鄰兩個(gè)支座的位置坐標(biāo)非常接近或重合時(shí)，代表其中一個(gè)支座可以取消。
支座布局幾何優(yōu)化模型
2.管道隔振支座布置設(shè)計(jì)優(yōu)化模型迭代解法
上面給出的支座布局優(yōu)化模型仍為基于連續(xù)與離散設(shè)計(jì)變量的混合數(shù)學(xué)規(guī)劃問題，常規(guī)優(yōu)化算法較難解決，可采用迭代優(yōu)化算法
進(jìn)行求解!考慮到計(jì)算效率的問題，需采用變步長(zhǎng)的迭代優(yōu)化算法!
該迭代算法依據(jù)約束條件的滿足情況及變步長(zhǎng)的臨界間距值來確定支座數(shù)量的減少與增加，然后通過
常規(guī)優(yōu)化方法得到支座的幾何位置坐標(biāo)，最終得到較優(yōu)的支座數(shù)目及間距!迭代流程見圖采用迭代算法求解該支座布局優(yōu)化模型時(shí)，其計(jì)算效率有賴于迭代步長(zhǎng)的選擇!對(duì)于特定的管道結(jié)構(gòu)，當(dāng)假定的支座初始數(shù)目與最優(yōu)支座數(shù)目相接近時(shí)，即使迭代步長(zhǎng)為常數(shù)，依然能夠獲得較好的計(jì)算效率，但假定的支座初始數(shù)目與最優(yōu)支座數(shù)目相差較多時(shí)，則必須選擇逐步增加的迭代步長(zhǎng)才能獲得較為理想的計(jì)算效率。
支座布局優(yōu)化模型迭代解法
由管線各目標(biāo)函數(shù)下的優(yōu)化結(jié)果可知，三種目標(biāo)函數(shù)下的優(yōu)化模型，優(yōu)化后滿足約束要求，支座最優(yōu)數(shù)目均為6個(gè)，各支座位置接近，優(yōu)化結(jié)果基本相同，三種方法迭代次數(shù)均為 5-6次，計(jì)算效率較為理想，但以關(guān)聯(lián)支座造價(jià)為目標(biāo)函數(shù)下的優(yōu)化模型與其他兩個(gè)模型相比迭代次數(shù)較多，將幾何優(yōu)化設(shè)計(jì)方法所得優(yōu)化結(jié)果與規(guī)范設(shè)計(jì)方法優(yōu)化結(jié)果比較可知，以管線結(jié)構(gòu)應(yīng)變能和管線最大下垂為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型，幾何方法和規(guī)范法所得優(yōu)化結(jié)果接近!以關(guān)聯(lián)支座造價(jià)為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型，采用幾何方法時(shí)，盡管迭代次數(shù)較多，但仍然取得了滿足約束條件的優(yōu)化結(jié)果，其計(jì)算過程較規(guī)范設(shè)計(jì)方法更為穩(wěn)定，結(jié)果更為可靠!
總體來看，兩種設(shè)計(jì)方法所得優(yōu)化結(jié)果是相一致的，幾何優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是可行的!在幾何優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中，由于支座初始數(shù)目通過假定得到，且往往與最優(yōu)數(shù)目相差較大，因此迭代次數(shù)較多，其計(jì)算效率明顯低于規(guī)范設(shè)計(jì)方法，但較多的迭代次數(shù)同時(shí)也保證了迭代過程的穩(wěn)定性，使計(jì)算結(jié)果更為可信!因此，尚須進(jìn)一步研究更為穩(wěn)定高效的管線隔振支座布局優(yōu)化算法。
3.總結(jié)：將所得結(jié)果與規(guī)范設(shè)計(jì)方法優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了比較，證明了幾何優(yōu)化設(shè)計(jì)模型及方法的可行性，并得到了與規(guī)范設(shè)計(jì)方法中相一致的結(jié)論: 以管線最大下垂或管線結(jié)構(gòu)應(yīng)變能為目標(biāo)函數(shù)的隔振支座布局模型計(jì)算過程更為穩(wěn)定高效"優(yōu)化結(jié)果更為可靠。
參考文獻(xiàn):
[1] W.Kent.Muhlbauer 《Pipeline Risk Management Manual》
[2] 美國(guó)雪佛龍公司 海上油氣工程設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)
[3] 海洋石油工程設(shè)計(jì)概論與工藝設(shè)計(jì)
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
第2篇
【關(guān)鍵詞】 長(zhǎng)江口船舶定線制；船舶交通流；優(yōu)化設(shè)計(jì)；上海港；繞航
0 引 言
近年來，隨著長(zhǎng)江“黃金水道”沿岸經(jīng)濟(jì)帶的高速發(fā)展，以上海港為龍頭的長(zhǎng)江沿岸港口貨物吞吐量增長(zhǎng)較快，進(jìn)出長(zhǎng)江的船舶與南北大通道的船舶在長(zhǎng)江口水域產(chǎn)生大量的交叉和匯聚，船舶航跡分布復(fù)雜，船舶交通流之間沖突點(diǎn)多。尤其是從中浚前5 h開始，大量外籍船舶按照引航計(jì)劃起錨進(jìn)入長(zhǎng)江口，其駕駛員與南北大通道航行船舶駕駛員之間語(yǔ)言溝通不暢，導(dǎo)致一些遲來的船舶“搶”計(jì)劃、“搶”位置，從而造成船舶間避讓不協(xié)調(diào)，船舶交通流之間沖突強(qiáng)度大。本文對(duì)2008年版長(zhǎng)江口船舶定線制未能解決的問題進(jìn)行分析，力求降低各船舶交通流之間的沖突強(qiáng)度和等級(jí)，避免出現(xiàn)外籍船舶起錨后進(jìn)入長(zhǎng)江口與南北大通道船舶直角交會(huì)的局面，以緩解現(xiàn)有長(zhǎng)江口水域通航安全壓力，降低該水域通航風(fēng)險(xiǎn)，為海事管理部門決策提供建議和理論依據(jù)。
1 長(zhǎng)江口船舶定線制概況
長(zhǎng)江口地處我國(guó)南北海岸線中部的長(zhǎng)江黃金水道與沿海南北大通道的交匯處，自2002年9月1日起，長(zhǎng)江口開始實(shí)施船舶定線制，由3個(gè)圓形警戒區(qū)、11個(gè)通航分道和11條分隔線組成。而后海事管理部門根據(jù)實(shí)際運(yùn)行效果對(duì)該水域進(jìn)行優(yōu)化，將原先3個(gè)警戒區(qū)簡(jiǎn)化為A、B兩個(gè)警戒區(qū)，簡(jiǎn)化通航分道并調(diào)整相關(guān)燈浮和錨地分布。2008年6月1日起施行的新版本長(zhǎng)江口船舶定線制見圖1。
2 長(zhǎng)江口船舶定線制擬解決的問題
2.1 長(zhǎng)江口警戒區(qū)存在安全風(fēng)險(xiǎn)
2008年版長(zhǎng)江口船舶定線制在2002年版的基礎(chǔ)上作了簡(jiǎn)化，并很好地對(duì)接了長(zhǎng)江口深水航道治理三期工程，對(duì)梳理船舶交通流有著較為理想的效果。[1] 但是，當(dāng)南北大通道的船舶與東西向的船舶因下列3種情況積聚時(shí)，其間的交通流沖突并沒有得到解決。
（1）在正常天氣條件下，中浚前5 h左右，長(zhǎng)江口水域開始初漲，大批船舶開始從海上或錨地起錨駛進(jìn)引航作業(yè)區(qū)水域或進(jìn)入通航分道、警戒區(qū)，然后分別從長(zhǎng)江口深水航道、南槽航段進(jìn)入，直至中浚時(shí)結(jié)束。
（2）因風(fēng)、霧等惡劣天氣導(dǎo)致上海港南北槽封航，待天氣和能見度好轉(zhuǎn)、船舶交通管理系統(tǒng)（VTS）解除禁令后，此時(shí)耽擱的船舶必然魚貫而入，從而導(dǎo)致船舶積聚。
（3）因特殊船舶進(jìn)出、發(fā)生船舶故障、海事和軍事演習(xí)等導(dǎo)致臨時(shí)交通管制，待管制結(jié)束后出現(xiàn)船舶交通流積聚情況。
當(dāng)船舶交通流積聚時(shí)，大量外籍船舶與南北大通道上的本國(guó)船舶密集交匯且溝通不暢，導(dǎo)致避讓難度加大，存在重大安全隱患。排隊(duì)等待進(jìn)長(zhǎng)江口上引航員的外籍船舶與南北大通道上的船舶之間交通流沖突見圖2。
2.2 船舶交通流復(fù)雜
根據(jù)對(duì)A警戒區(qū)內(nèi)交通流量長(zhǎng)期觀察結(jié)果，該區(qū)域船舶交通流較為復(fù)雜，主要有以下幾個(gè)情形：大型船舶進(jìn)出長(zhǎng)江口深水航道、采用我國(guó)沿海南北習(xí)慣航線、出港的小型船舶在A警戒區(qū)附近轉(zhuǎn)向北上、從長(zhǎng)江口1號(hào)錨地起錨駛往南北槽進(jìn)港等。
按照常規(guī)，D3通航分道沿南北方向的延長(zhǎng)線為管制線，也就是說船舶在進(jìn)入管制線以前都是根據(jù)自身計(jì)劃（其中交管時(shí)間期間按交管批復(fù)時(shí)間）安排進(jìn)入長(zhǎng)江口的。那么，在長(zhǎng)江口初漲或臨時(shí)管制解封后，進(jìn)入長(zhǎng)江口的船舶分別從A、C1通航分道匯聚至長(zhǎng)江口A警戒區(qū)（見圖3），其中不乏有大型重載船舶和大型超寬船舶。由于長(zhǎng)江口燈船至D3通航分道水域過于狹小，造成很多船舶間來不及溝通便已經(jīng)匯聚至報(bào)告線水域的尷尬，往往還會(huì)出現(xiàn)按照計(jì)劃原本應(yīng)該優(yōu)先進(jìn)入長(zhǎng)江口的船舶卻被堵在后面的情況。
2.3 長(zhǎng)江口錨地容量不足
由于長(zhǎng)江口現(xiàn)有錨地?zé)o法滿足進(jìn)出上海港船舶錨泊的需要，經(jīng)常會(huì)有船舶錨泊于長(zhǎng)江口錨地邊線以外，甚至侵占A通航分道。
3 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)
3.1 優(yōu)化方案的主要原則
3.1.1 安全第一
海上航行安全最為重要，航道規(guī)劃應(yīng)充分滿足通航的安全性，以適應(yīng)港口未來發(fā)展的需要。
3.1.2 兼顧經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益
在確保通航安全的情況下，航道規(guī)劃應(yīng)充分考慮航運(yùn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，減少不必要的經(jīng)濟(jì)支出；同時(shí)不能對(duì)海上環(huán)境構(gòu)成威脅，確保海上環(huán)境不因航道規(guī)劃而遭受破壞，以促進(jìn)海上交通和諧。
3.1.3 充分考慮航海習(xí)慣
長(zhǎng)江口是大型船舶進(jìn)入長(zhǎng)江的唯一入口，中外船舶匯聚于此，對(duì)于長(zhǎng)江口船舶定線制而言，最終的受用者是廣大國(guó)際海員。因此，在制定優(yōu)化方案時(shí)需要充分尊重國(guó)際海員的航海習(xí)慣，同時(shí)充分考慮優(yōu)化后通航分道與原有航道之間的延續(xù)性，盡可能少作改動(dòng)，以便于航經(jīng)此水域的駕（引）人員掌握、理解和執(zhí)行。
3.2 優(yōu)化方案調(diào)整的主要內(nèi)容
從緩解既定方案的突出矛盾、提高通航安全性、兼顧航運(yùn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和海上環(huán)保效益及優(yōu)化方案實(shí)用性等角度出發(fā)，充分征詢有經(jīng)常航行于長(zhǎng)江口水域經(jīng)歷的船長(zhǎng)、引航員的意見，建議性地描繪出長(zhǎng)江口船舶定線制優(yōu)化方案（見圖4），其主要內(nèi)容如下：
（1）取消原有C1和C2通航分道。
（2）將A通航分道向正東方向延長(zhǎng)20 n mile，并相應(yīng)增加C警戒區(qū)和C1、C2、C3通航分道。
（3）將B通航分道向正東方向延長(zhǎng)20 n mile，并相應(yīng)更名為B2通航分道；相應(yīng)增加D警戒區(qū)和D1、D2通航分道，并保留B警戒區(qū)和原有C3通航分道。
（4）將長(zhǎng)江口1號(hào)錨地向正東方向延展并擴(kuò)充為長(zhǎng)江口1號(hào)錨地和2號(hào)錨地，將原有長(zhǎng)江口2號(hào)錨地向正東方向延展并擴(kuò)充為長(zhǎng)江口3號(hào)錨地和4號(hào)錨地，深水航道D5燈浮正北面的錨地維持原狀不變。
（5）A警戒區(qū)與B警戒區(qū)之間及A警戒區(qū)北側(cè)水域?qū)嵤┫拗菩酝ê剑春叫杏诒辈奂敖K、浙江附近口岸的船舶可以使用該限制性分道，但必須提前報(bào)備，謹(jǐn)慎駕駛，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)必須征得VTS同意。
（6）其余相應(yīng)增加相關(guān)燈浮和虛擬浮標(biāo)。
4 優(yōu)化方案總體評(píng)價(jià)及說明
4.1 安全性評(píng)價(jià)
李松等[2]提出兩艘或多艘船舶在一定的時(shí)間和空間上彼此接近到一定程度時(shí)，若不改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，就有發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)，這種現(xiàn)象稱為水上交通沖突，同時(shí)引入“交通沖突技術(shù)”對(duì)水上交通沖突的發(fā)生過程及其嚴(yán)重性進(jìn)行定量測(cè)量和判別，并應(yīng)用于安全評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。評(píng)價(jià)警戒區(qū)交通沖突嚴(yán)重性的4個(gè)指標(biāo)分別是沖突點(diǎn)數(shù)量、沖突區(qū)域的復(fù)雜性、沖突出現(xiàn)頻率和沖突等級(jí)。本文以北槽與南槽水域作為比較單元，按照以上4個(gè)指標(biāo)對(duì)船舶定線制優(yōu)化前后兩個(gè)水域的警戒區(qū)沖突情況對(duì)比作簡(jiǎn)要評(píng)價(jià)（見表1）。[3]
由表1可知，船舶定線制優(yōu)化以后，北槽水域警戒區(qū)外移，避讓余地更大，對(duì)緩解在錨地起錨進(jìn)入引航作業(yè)區(qū)的船舶與南北大通道上的船舶之間水上交通沖突作用明顯，水域安全性將會(huì)明顯提高；南槽水域雖然“多”出一個(gè)警戒區(qū)，沖突點(diǎn)數(shù)量有所增加，但優(yōu)化方案會(huì)分隔一部分船舶流，減小局部水域船舶密度，使船舶沖突強(qiáng)度和等級(jí)均有所下降，水域安全性將會(huì)有所提高。[4]
4.2 兼顧經(jīng)濟(jì)效益
南北大通道整體向東“搬遷”，將會(huì)大大提高該水域的安全性，從而減少航經(jīng)此地的船舶因航行安全引發(fā)的經(jīng)濟(jì)損失，但同時(shí)會(huì)使得部分船舶產(chǎn)生一定程度的繞航，增加繞航船舶的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，尤其是從上海港至江蘇、浙江附近港口的船舶繞航明顯。
在提高船舶通航安全性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)方案充分考慮航經(jīng)該水域船舶的經(jīng)濟(jì)效益，減少不必要的繞航，保留B2通航分道，對(duì)南槽出口南下的船舶以及浙江沿岸北上由南槽進(jìn)口的船舶均不會(huì)造成影響。同時(shí)，保留A警戒區(qū)北側(cè)水域、A警戒區(qū)與B警戒區(qū)之間的限制性通航，減少船舶在北槽水域和浙江附近港口之間的繞航。
4.3 兼顧社會(huì)和環(huán)保效益
船舶主機(jī)在額定功率的60%以下運(yùn)行時(shí)，將會(huì)造成柴油機(jī)氣缸內(nèi)柴油燃燒不良，運(yùn)轉(zhuǎn)效率下降、滑油消耗率增加，使燃燒室部件、排氣系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的燃?xì)馕廴尽Ｒ虼耍瑑?yōu)化方案實(shí)施以后將大大提高長(zhǎng)江口水域船舶運(yùn)轉(zhuǎn)的通暢度，減少主機(jī)換擋、停復(fù)主機(jī)及低速航行的次數(shù)，減少主機(jī)內(nèi)柴油不充分燃燒及其產(chǎn)生的污染氣體排放。
4.4 尊重航海習(xí)慣
長(zhǎng)江口船舶定線制優(yōu)化方案是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上將南北大通道整體向正東方向“搬遷”20 n mile，盡可能地少作改動(dòng)，以便于航經(jīng)此水域的國(guó)際船舶海員對(duì)“新”方案的理解和適應(yīng)。
5 結(jié) 語(yǔ)
長(zhǎng)江口是整個(gè)長(zhǎng)江航道系統(tǒng)的咽喉，是長(zhǎng)江深水航道和南槽航道的重要組成部分。本方案從實(shí)際問題出發(fā)，在理論上尋求突破口，為海事管理部門在制定方案時(shí)提供理論建議和參考。但是，長(zhǎng)江口船舶定線制優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在提高長(zhǎng)江口船舶通航安全性的同時(shí)，也造成部分船舶繞航和海事部門監(jiān)管投入成本增加等不利影響。長(zhǎng)江口船舶定線制的設(shè)置直接影響到整個(gè)上海港的船舶安全及進(jìn)出上海港船舶交通的暢通或阻滯，因此需要作進(jìn)一步深入研究和評(píng)估，權(quán)衡利弊。
參考文獻(xiàn)：
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第3篇
[關(guān)鍵詞]船舶；螺旋槳；優(yōu)化；設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：F407.474 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）15-0355-02
在船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域，針對(duì)船舶的穩(wěn)性、快速性、操縱性及耐波性等分別具有一套理論完善、實(shí)用有效的設(shè)計(jì)方法。因此，隨著航運(yùn)業(yè)的高速發(fā)展，船舶的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保及安全性日益受到重視，對(duì)船舶的綜合性能提出了更高的要求。螺旋槳作為主要的船舶推進(jìn)裝置，其綜合性能直接影響著船舶的快速性、安全性與舒適性。同時(shí)，隨著船舶向高速化、大型化發(fā)展，螺旋槳負(fù)荷日益加重，而豐滿型船尾容易導(dǎo)致伴流場(chǎng)的不均勻程度增加，使得單純考慮效率的螺旋槳設(shè)計(jì)方法無法滿足現(xiàn)代螺旋槳的性能要求，必須發(fā)展新的設(shè)計(jì)方法，從推力、效率、空泡及激振等多方面對(duì)螺旋槳進(jìn)行綜合優(yōu)化。
1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
1.1 優(yōu)化問題
螺旋槳螺距與拱度的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題主要是在給定槳葉負(fù)荷的面分布形式時(shí)對(duì)螺距與拱度的配合進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化過程中，槳葉徑向負(fù)荷的分布形式被指定的歸一化形式限制，葉剖面采用 NACA a=0.8 拱弧線或其他形式，通過調(diào)整螺距與拱度的匹配，使槳葉負(fù)荷的弦向分布形式與給定形式的方差最小。采用升力面理論渦格法程序計(jì)算槳葉負(fù)荷及水動(dòng)力，優(yōu)化問題的提法如下：
其中：Γmn、Γ0mn分別為槳葉附著渦強(qiáng)度的計(jì)算值和要求值，依次根據(jù)計(jì)算得到的負(fù)荷弦向分布及給定的負(fù)荷弦向分布形式來確定。M、N 分別為槳葉徑向和弦向渦格數(shù)，本文取 M=15，N=10。
限制條件式（2）中，Tσ為推力系數(shù)計(jì)算值TK與設(shè)計(jì)要求值T0K 之絕對(duì)誤差，Tε為誤差限，本文取Tε=0.025%。另外
式（5）中Γ0m為給定的槳葉負(fù)荷徑向分布形式，歸一化方法同Γm。rε為rσ的允許誤差，本文取rε=0.05%。
選擇槳葉各半徑剖面的螺距比PDi和最大拱度與相應(yīng)的弦長(zhǎng)的比值0Mif為優(yōu)化變量，為了減少計(jì)算量，可根據(jù)設(shè)計(jì)條件限定優(yōu)化變量的取值范圍，本文取DLP=0.5、DUP=1.3，0ML
f=0.0、0MUf=0.1。在優(yōu)化過程中，發(fā)現(xiàn)槳葉梢部對(duì)徑向載荷的變化特別敏感，而負(fù)荷徑向分布很難在葉梢部完全與指定負(fù)荷分布形式保持一致，所以優(yōu)化得到的螺距比在葉梢部極易出現(xiàn)突變，這在螺旋槳設(shè)計(jì)中是不允許的，因此，根據(jù)螺旋槳設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)引入式（7）作為限制條件，以控制葉梢附近螺距沿徑向的變化趨勢(shì)：
其中：LPD=-0.05，UPD=0.0，該限制條件用來使葉梢部的螺距比沿徑向遞減。
螺旋槳設(shè)計(jì)中，首先必須滿足推力要求，限制條件（2）的第1式即為此而設(shè)；第2式用于限制負(fù)荷的徑向分布形式，這是影響效率的一個(gè)主要因素，本文僅考慮負(fù)荷的徑向分布形式給定的情況，并不進(jìn)行效率優(yōu)化，也就是說，保持原槳負(fù)荷徑向分布不變，改變其弦向分布，通過優(yōu)化槳葉螺距比與拱度的配合，使槳葉表面壓力分布趨于均勻，從而改善槳葉的空泡性能。需要說明的是，上述誤差限的取值是為了使相應(yīng)誤差盡可能小，在優(yōu)化過程中實(shí)際的誤差常常大于誤差限，如限制條件中要求σr≤εr=0.0005，在實(shí)際優(yōu)化計(jì)算中常常不能嚴(yán)格滿足這一限制要求，而相應(yīng)的最終優(yōu)化結(jié)果卻達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，因此這種情況下可認(rèn)為此限制條件是滿足的。同樣，σT≤εT的限制出現(xiàn)類似情況時(shí)，也不做嚴(yán)格要求。
2 優(yōu)化案例
2.1 優(yōu)化對(duì)象及其性能分析
本章以某集裝箱船五葉螺旋槳為原型，在保持或提高原槳的敞水效率的前提下，以改善槳葉負(fù)荷分布為目標(biāo)，對(duì)槳葉螺距與剖面最大拱度的徑向分布進(jìn)行優(yōu)化。五葉槳的主要參數(shù)見表1。
按照上述螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，得到的優(yōu)化結(jié)果需要通過SPROP（VLM方法）及FLUENT（
CFD 方法）軟件從數(shù)值計(jì)算的角度進(jìn)行驗(yàn)證，以確定優(yōu)化目標(biāo)是否實(shí)現(xiàn)。表2比較了原槳在設(shè)計(jì)工況下的敞水性能的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果。
從表2可知：SPROP 軟件預(yù)報(bào)值的相對(duì)誤差為：推力-1.5%、扭矩-5.0%、效率+3.7%；FLUENT
預(yù)報(bào)值的相對(duì)誤差為：推力+1.0%、扭矩+0.4%、+0.6%。SPROP 軟件預(yù)報(bào)的扭矩與試驗(yàn)差別較大，可能是由其尾渦模型對(duì)葉梢卸載槳的適用性差以及粘性阻力估算誤差較大引起；而 FLUENT 軟件預(yù)報(bào)值與試驗(yàn)值非常吻合。假定SPROP 軟件的計(jì)算誤差在優(yōu)化過程中不S設(shè)計(jì)方案的改變而改變，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，設(shè)定推力目標(biāo)值時(shí)需按原型槳的預(yù)報(bào)誤差預(yù)先給與補(bǔ)償。
3 優(yōu)化結(jié)果
表3為A槳與B槳的目標(biāo)函數(shù)及限制條件的滿足情況。可以看出：與負(fù)荷徑向分布相比，在整個(gè)拱弧面上滿足給定的負(fù)荷弦向分布相對(duì)比較困難；因?yàn)锽槳負(fù)荷的弦向分布形式不同于A槳，而拱弧線形式與A槳相同，所以σs、σr的誤差均比A槳大；控制葉梢螺距變化的限制條件則有效地使葉梢的螺距沿徑向呈遞減趨勢(shì)，限制了葉梢部螺距的數(shù)值波動(dòng)，使之具有工程實(shí)用性。
螺距與拱度的優(yōu)化結(jié)果與原槳之比較分別如圖3.1、3.2所示。螺距與拱度的分布趨勢(shì)表明：當(dāng)螺距與拱度作為離散變量各自獨(dú)立變化時(shí)，最終得到的螺距與拱度分布難以保持光順。其原因可能是：負(fù)荷徑向分布無法精確滿足給定值，負(fù)荷弦向分布形式與給定的形式也存在一定的誤差，以及數(shù)值計(jì)算的隨機(jī)誤差。因此本章從工程的實(shí)用性要求出發(fā)，在保持優(yōu)化結(jié)果的分布趨勢(shì)及滿足推力要求的前提下，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行光順處理，并以光順后的結(jié)果為最終優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，利用FLUENT 對(duì)其進(jìn)行CFD計(jì)算分析。
優(yōu)化設(shè)計(jì)中，A、B 槳及原槳負(fù)荷的徑向分布形式保持不變，原槳通過增加葉梢拱度，以彌補(bǔ)葉梢螺距卸載（指葉梢螺距相對(duì)于0.7R處螺距的減小量）所損失的負(fù)荷。根據(jù)圖3.1、
3.2中對(duì)螺距與拱度分布的定性分析可知A、B槳的螺距與拱度配合能夠產(chǎn)生與原槳相同的負(fù)荷徑向分布形式。
圖3.3、3.4分別為SPROP軟件計(jì)算的A、B槳的負(fù)荷弦向分布與A槳相比，B槳負(fù)荷的弦向分布在導(dǎo)邊附近有所卸載，但卸載程度遠(yuǎn)小于原槳。與三種負(fù)荷弦向分布對(duì)應(yīng)的螺距與拱度配合如圖 3.1、3.2所示，其中A槳螺距最大、拱度最小，原槳的螺距最小、拱度最大，
B 槳螺距與拱度均居于A槳與原槳之間。這一結(jié)果充分說明負(fù)荷的弦向分布形式對(duì)螺距與拱度配合的影響。在設(shè)計(jì)工況下，從三種螺距與拱度配合下的槳葉性能進(jìn)行分析，A、B 槳各半徑處的剖面比原槳剖面更接近翼型的設(shè)計(jì)狀態(tài)，可能對(duì)槳葉效率有利；但原槳剖面的工作狀態(tài)更接近于面空泡界限，而A、B 槳偏向背空泡界限，因此原槳在輕載工況下應(yīng)該容易發(fā)生面空泡。
4 結(jié)語(yǔ)
通過對(duì)弦向負(fù)荷分布形式的比較，認(rèn)為常用的a=0.8的負(fù)荷分布形式不太適合于高速、重載的現(xiàn)代船舶螺旋槳設(shè)計(jì)，該形式使槳葉導(dǎo)邊附近的負(fù)荷過重，容易在葉背側(cè)的導(dǎo)邊附近形成負(fù)壓峰，進(jìn)而誘發(fā)槳葉背空泡。導(dǎo)邊卸載的負(fù)荷分布形式（如 a=0.8 & b=0.1）可能是一種更好的選擇。
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