基于抗冰性能的極地船舶首部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)研究

盧 雨，顧朱浩，劉社文，闖振菊，李子瑩，李春鄭

（大連海事大學(xué)，遼寧大連 116026）

0 引 言

針對(duì)極地船舶在極地航行時(shí)的船首破冰強(qiáng)度問題，白旭[1]使用LS-DYNA 對(duì)船首與冰的碰撞進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)最大碰撞應(yīng)力與航速有關(guān)。毛方云[2]通過首柱傾角、外傾角和水線進(jìn)角的改變使用正交變化法對(duì)船首的變形定義了9 種變形方案，利用顯式非線性動(dòng)力分析技術(shù)對(duì)船首的碰撞問題進(jìn)行了分析，得出冰層的損傷主要發(fā)生在冰層與極地航行船舶碰撞的區(qū)域；在破冰過程中，碰撞力時(shí)歷曲線具有高度非線性的特征；由于存在冰力卸載的現(xiàn)象，在總體趨勢(shì)上，碰撞力先上升后下降。南明宇[3]通過內(nèi)外機(jī)理耦合原理以及被撞船舶剛體運(yùn)動(dòng)的滯后性，完整地模擬了船冰碰撞的全過程，計(jì)算了冰力時(shí)歷曲線以及冰船碰撞載荷的其它特性。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于破冰船船首的碰撞狀態(tài)和受力情況進(jìn)行了大量研究，而本研究主要對(duì)破冰船船首進(jìn)行全參數(shù)化構(gòu)型，以IACS規(guī)范中的平均壓強(qiáng)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，使用快速非支配排序改進(jìn)遺傳算法，來優(yōu)化船首形式，以達(dá)到增強(qiáng)船首的破冰能力，進(jìn)而建立一套可以優(yōu)化破冰船首性能的系統(tǒng)。

1 參數(shù)化模型建立

1.1 參數(shù)化建模原理

船型優(yōu)化的前提是對(duì)模型進(jìn)行有效的參數(shù)化定義。參數(shù)化是使用角度、坐標(biāo)、面積等變量來控制船體的曲面，選取不同的數(shù)學(xué)函數(shù)曲線（以下簡(jiǎn)稱特征曲線）相互擬合，定義擬合后的的積分范圍，得到參數(shù)化曲面。參數(shù)化的船模具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）可控性強(qiáng)；（2）曲面光順、無奇點(diǎn)。

1.2 參數(shù)化模型函數(shù)曲線

1.2.1 B-spline

如圖1 所示，B-樣條曲線（B-spline curve）是Isaac Jacob Schoenberg 創(chuàng)造的數(shù)學(xué)函數(shù)曲線中的一種，它是B-樣條基曲線的線性組合。給定n+ 1 個(gè)控制點(diǎn)P0,P1,…,Pn和一個(gè)節(jié)點(diǎn)的向量U={u0,u1,...,um}，k次B-樣條曲線由這些控制點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)向量U定義：

圖1 B-spline的形狀參數(shù)Fig.1 Shape parameters of B-spline

B-樣條曲線形式與貝塞爾曲線相似。B-樣條曲線與貝塞爾曲線不同之處在于其包含更多信息，即一系列的n+ 1個(gè)控制點(diǎn)、m+ 1個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)向量和次數(shù)k。注意n、m和k必須滿足m=n+k+ 1。

盡管Ni,k(u)看起來像貝塞爾基函數(shù)(Nn,i(u) )，B-樣條基函數(shù)的次數(shù)（degree）是一個(gè)輸入數(shù)，而貝塞爾基函數(shù)的次數(shù)取決于控制點(diǎn)的數(shù)目。為了改變B-樣條曲線的形狀，可以修改一個(gè)或多個(gè)控制參數(shù)：控制點(diǎn)的位置(n+ 1)、節(jié)點(diǎn)位置(m+ 1)和曲線的次數(shù)k。

1.2.2 F-spline

如圖2所示，F(xiàn)-樣條曲線由7個(gè)變量控制，其具體形式為

圖2 F-spline的形狀參數(shù)Fig.2 Shape parameters of F-spline

式中，α1n,2n為首位點(diǎn)的指定向量角，Sn(x,y,z)為曲線所圍成的面積，fn為豐滿度系數(shù)。

通過限制條件可以精確地控制F-樣條曲線的形狀，如α1n,2n和Sn(x,y,z)。F-spline 是對(duì)B-spline 的優(yōu)化，它添加了首尾角度和曲線豐滿度的設(shè)定，舍去了多點(diǎn)同時(shí)擬合的方法，采用兩點(diǎn)來確定部分曲線的形狀，再通過多段曲線同時(shí)擬合原曲線，在B-樣條曲線的基礎(chǔ)上提高了精度，因此可以準(zhǔn)確地表示出船體的特征曲線。

1.3 參數(shù)化曲面建立

船舶的參數(shù)化變形是通過特征曲線本身發(fā)生光順變形，使得函數(shù)生成的船體發(fā)生改變，對(duì)原船體形狀進(jìn)行變換，最后獲得新的船體形狀數(shù)據(jù)。特征曲線函數(shù)是一種宏觀的數(shù)學(xué)公式，它定義了某個(gè)新形狀所必需的變化程度。在船舶設(shè)計(jì)中，常用的方法是對(duì)船舶基本曲線進(jìn)行變換，變形變換的靈活性和可變性取決于變換函數(shù)的幾何性質(zhì)和適用性。特征曲線函數(shù)有兩種類型:無約束和有約束。

自媒體時(shí)代的到來，開啟了信息傳播的新紀(jì)元，各大宗教資訊網(wǎng)站紛紛上線弘揚(yáng)各教法旨。2017年5月11日，武當(dāng)山特此舉行新媒體論壇會(huì)議，會(huì)上表達(dá)了微信、微博及互聯(lián)網(wǎng)等新媒體對(duì)景區(qū)影響力的重要性，以及如何運(yùn)用新媒體對(duì)武當(dāng)山景區(qū)進(jìn)行宣傳和營(yíng)銷，武當(dāng)山景區(qū)對(duì)自媒體營(yíng)銷的運(yùn)用越來越密集，營(yíng)銷理念越來越年輕化。

無約束函數(shù)即對(duì)船體產(chǎn)生曲面可以隨著其他曲面的變化而自動(dòng)光順船體表面，它是隨機(jī)且連貫的。有約束函數(shù)是指對(duì)船體表面某個(gè)部分施加人為因素，通過人為的變化或者給予一個(gè)固定的區(qū)間使之變化，這在船舶型線的優(yōu)化過程中起重要的作用。

參數(shù)化船體主要是由船體外殼的幾個(gè)特征曲線構(gòu)成，而特征曲線也是參數(shù)化格式。通過對(duì)參數(shù)化特征曲線進(jìn)行類積分，得出參數(shù)化曲面。此積分與平常的積分有些區(qū)別，主要表現(xiàn)為在積分過程中有矢量的變化，往往這些矢量都是通過人為指定的，同時(shí)類積分也是多控制點(diǎn)的積分形式。下面給出參數(shù)化形式：

其限制條件為

下面對(duì)曲線進(jìn)行矢量化的積分：

式中，Si為特征曲線的集合，F(xiàn)Bi、Di、Dei、Fsi、Zi、Ai和Fli為船體特征曲線，C為船體表面，V為曲線矢量，p、q為積分區(qū)域。圖3為船體建模中部分參數(shù)化模型的展示。

圖3 參數(shù)化模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of parametric model

1.4 模型參數(shù)化變形

適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合基本曲線的形狀參數(shù)和船體截面框架，可以充分地、參數(shù)化地表達(dá)任意船體形式。利用優(yōu)化參數(shù)曲線對(duì)縱向基本曲線進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)，可生成橫向基本曲線。類似地，如果對(duì)橫剖面進(jìn)行參數(shù)化建模推導(dǎo)，會(huì)生成縱向曲面。因此，可以高效地改變基于參數(shù)生成的船體表面，基本曲線可以用F-樣條，滿足最小數(shù)量的曲線要求，使用F-樣條減少了參數(shù)輸入集帶來的復(fù)雜性，同時(shí)增加了靈活性，改善了形狀質(zhì)量。

在本研究中，基于船體中前部進(jìn)行的全參數(shù)化建模，優(yōu)化過程中保持中后體船型不變。船體中前部形態(tài)的參數(shù)化模型包括船舶尺寸等全局參數(shù)和基本曲線（表示位置、切線、曲率、面積等幾何參數(shù)的縱向分布）。表1給出了確定船舶主要形狀特征的基本曲線。圖4是基于幾個(gè)基本曲線和形式的全參數(shù)化前體模型。

表1 描述船體形狀的基本曲線Tab.1 Basic curve describing the hull shape

圖4 參數(shù)化變形示意圖Fig.4 Schematic diagramof parametric deformati on

基于母型船模型，生成前體和后體的稠密偏置分布作為偏置數(shù)據(jù)。從給定的母型船模型中提取描述船體形狀各基本曲線的形狀參數(shù)值，開始參數(shù)化建模，形狀參數(shù)的數(shù)量強(qiáng)烈依賴于形狀變化策略。為了充分發(fā)揮F-樣條的優(yōu)化作用，開發(fā)出一種全新的船體中前體形狀，采用了大約80 種形狀參數(shù)。選取其中的2 個(gè)參數(shù)來對(duì)船體的型線進(jìn)行改變，如表2所示。

表2 描述船體變形的基本變量Tab.2 Description of the basic variables of hull deformation

文中對(duì)“雪龍?zhí)枴贝瓦M(jìn)行了參數(shù)化建模，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，船型如圖5 所示，具體船舶尺度，如表3所示。

圖5“雪龍”號(hào)模型Fig.5 Ship model of‘Xuelong’

表3 船舶尺度Tab.3 Ship main dimensions

2 規(guī)范設(shè)計(jì)計(jì)算

本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算方法主要采用了IACS 極地船舶規(guī)范法，規(guī)范對(duì)船舶抗冰等級(jí)做出了要求，如表4所示。文中主要使用PC6的冰級(jí)船舶進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[4-5]。

表4 冰區(qū)船船級(jí)表[6]Tab.4 Ship class in ice zone

計(jì)算的主要公式為[6]

式中，F(xiàn)i為力的大小，單位為MN。

式中，ARi表示負(fù)荷面的縱橫比。

式中，Qi為線載荷,單位為MN/m。

式中，Pi為壓力，單位為MPa；i為次區(qū)域；L表示沿著冰的船長(zhǎng)，單位為m；x為考慮從前垂線到站的距離，單位為m；α為水線角，單位為°，如圖6所示；β'表示肋骨垂向角，單位為°；D為船舶排水量，單位為kt，不得少于5 kt；CFc表示擠壓破壞等級(jí)因子；CFF為彎曲破壞等級(jí)因子；CFD表示負(fù)荷面的縱橫比等級(jí)因子。

圖6 船舶破冰性能計(jì)算船體角度[6]Fig.6 Hull angle calculation of ship icebreaking performance

設(shè)計(jì)負(fù)荷面的縱橫比有寬度、船首、高度等尺寸，定義如下：

設(shè)計(jì)荷載區(qū)間內(nèi)的平均壓力Pavg確定如下:

對(duì)于規(guī)范計(jì)算，分別選取如圖7所示的船首4個(gè)計(jì)算點(diǎn)（0.027L，0.08L，0.133L，0.187L處）進(jìn)行計(jì)算比較，選取最大值作為最后的結(jié)果來進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，優(yōu)化后結(jié)果越小，變形后船首所需要承受的平均壓強(qiáng)越小，以此來達(dá)到增強(qiáng)船首破冰性能的能力。船首型線每變化一次，各處的夾角均會(huì)發(fā)生改變，最后通過最優(yōu)船艏的夾角來對(duì)船首進(jìn)行型線設(shè)計(jì)。

圖7 船首計(jì)算節(jié)點(diǎn)圖Fig.7 Ship bow calculation nodes

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建

對(duì)于破冰船船首破冰能力的評(píng)估采用IACS 規(guī)范作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過每一次優(yōu)化變形，計(jì)算出不同變形狀態(tài)下船首所承受的平均壓強(qiáng)，若計(jì)算出的平均壓強(qiáng)值越小，船首形式就越優(yōu)。通過變形模塊、計(jì)算模塊、數(shù)學(xué)算法搜尋模塊、判斷模塊這幾大模塊構(gòu)建一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)，以達(dá)到在全局中自動(dòng)搜索計(jì)算判別最優(yōu)個(gè)體的能力。

在對(duì)船首設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程中，主要采用單目標(biāo)優(yōu)化方法，優(yōu)化目標(biāo)為抗冰性能，使用改進(jìn)非支配排序遺傳算法（NSGA-II），在優(yōu)化計(jì)算中設(shè)定種群大小為20，進(jìn)化代數(shù)為20，交叉概率Pc=0.9，變異概率Pm=0.01。通過NSGA-II來自動(dòng)選取設(shè)計(jì)變量中的合適數(shù)值，在參數(shù)化船模中測(cè)量出優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的角度，輸入到計(jì)算模塊中，同時(shí)船舶排水量與濕面積采用2%的限制條件，對(duì)船首的最大點(diǎn)Pavg進(jìn)行規(guī)范計(jì)算。使用優(yōu)化結(jié)果與母型船設(shè)計(jì)結(jié)果的比值作為優(yōu)化目標(biāo)來對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，具體流程如圖8所示。

圖8 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖Fig.8 Optimization design flow chart

4 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果分析

通過一體化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出最優(yōu)船型。表5 所示為計(jì)算出的優(yōu)化船與母型船的載荷力F、線載荷Q和平均壓強(qiáng)Pavg等。通過規(guī)范可知，最終評(píng)判船首抗冰性能的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為Pavg，而優(yōu)化船比母型船的值較小，破冰性能的優(yōu)化得到了一定的改善。同時(shí)，圖9 給出了該目標(biāo)函數(shù)的收斂歷程，可以發(fā)現(xiàn)，通過算法的自動(dòng)搜索，優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)逐漸變小，最后趨于一條直線，選出抗冰性能的最終優(yōu)化結(jié)果，其Pavg減量趨于3.39%。

表5 船首抗冰性能計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation results of bow ice-breaking capability

圖9 NSGA-II優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)解集Fig.9 Target solution set of NSGA-II optimal design

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)得出優(yōu)化船的船首參數(shù)，如表6所示。可以看出各位置處的角度較母型船均偏小。從圖10 顯示的船首型線圖能看出，優(yōu)化船整個(gè)船首型線較母型船的更為尖瘦，但艏傾角適當(dāng)變大。通過計(jì)算分析，此種船首形式可以抵抗更大的冰壓，其抗冰能力更優(yōu)。

表6 優(yōu)化船船首不同位置特征角度Tab.6 Optimization of the characteristic angles of different bow positions

圖10 優(yōu)化前后型線對(duì)比圖Fig.10 Lines comparison chart before and after optimization

5 結(jié) 論

本文對(duì)破冰船船首進(jìn)行了參數(shù)化建模研究，并利用極地規(guī)范對(duì)抗冰性能進(jìn)行了評(píng)估，對(duì)船首進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要結(jié)論如下：

（1）使用全參數(shù)化技術(shù)對(duì)船首進(jìn)行建模，船首變形前后始終保持光順。在變形過程中，使用個(gè)數(shù)不定的變量來對(duì)船首進(jìn)行變形，可以大大提高變形的多樣性和可控性，使得計(jì)算解集更為寬廣。

（2）使用IACS 的極地規(guī)范來對(duì)破冰船船首進(jìn)行優(yōu)化，其優(yōu)化結(jié)果更接近工程實(shí)際。使用本文優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可給出最佳船首型線，使破冰船船首所需承受平均圧力變小，提高船首的破冰能力。