導語：如何才能寫好一篇船舶優化設計，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：船舶海洋工程管線優化

中圖分類號：S611文獻標識碼： A

前言

管道被廣泛地應用于石油化工"水利工程"建筑"船舶等領域，其在不同的應用環境下需承受不同的外力作用，大規模、全面地開發利用海洋資源和空間，發展海洋經濟已列入各沿海國家的發展戰略。海洋開發和利用除了需要先進的海洋工程技術，還需要各種海洋工程結構物的支撐。這為與海洋工程裝備業關聯度極大的船舶工業提供了極好的機遇。作為未來世界經濟的支柱產業，海洋工程和海洋開發潛力非常巨大。近幾年，全世界對浮式生產系統的新增需求達到約120座，全球浮式生產系統的年投資額以高速度遞增，其中FPSO船(浮式生產儲油裝置)仍將是全球浮式生產市場的建造熱點,該船型集生產、儲油、運輸多項功能于一身，是當前國際海上石油開發生產設施的主流形式。隨著生產向深海的不斷進入，FPSO船的優勢將會更充分顯現出來。中國海洋石油開發總公司也需要較大數量的海洋平臺、多艘FP-SO平臺，用于海洋開發建設的資金達到了數百億元。船舶工業是海洋工程的天然“霸主”。隨著海洋油氣開發向深海發展，船舶工業與海洋工程的關系更加緊密，船舶工業在海洋油氣開發中的作用更加突出。這主要有兩方面的原因:一方面是技術上的因素。隨著作業水深的增加,固定式平臺海洋構造物難以適應深海作業，各種浮式海洋工程結構物成為深海油氣開發的主角。船舶工業與其他專業平臺廠相比其優勢正是在這類浮式結構物上——海洋開發裝備具有船舶的屬性，它的基本要求是在水上能浮起來、穩得住、移得動，這就與船舶有了相近的技術要求。這種天然優勢為船舶工業迅速占領深海平臺市場創造了良好的條件。另一方面是開發周期的因素。由于海洋油氣開發競爭日趨激烈，國際石油商對從發現油氣到生產的時間要求越來越緊，而與船舶相近的海洋工程物恰恰可以以最快的時間迅速部署于生產現場， 從而大大縮短深海油氣的開發時間。正是由于這兩方面的原因，使船舶工業迅速成為深海油氣開發裝備生產的主要力量。船舶工業越來越深地融入海洋開發裝備領域，已成為當前海洋裝備發展的一個重要特點。相對于已經成熟的船舶工業來說，海洋開發裝備業是一個新興產業，正在發展過程中，據專家估計,目前及未來幾年,僅油氣開發生產一項，全世界就需要約100多艘FPSO船、200多座鉆井平臺，加上其他海洋產業的需求,海洋開發裝備甚至比整個國際船舶市場的需求還要高。因此未來船舶企業會參與更多的海洋工程結構物的建造。

管線幾何優化設計

管道隔振支座最佳布置設計優化需確定隔振支座的類型"數量及位置!由于支座類型的選擇難以依靠程式化優化計算來得到，本研究僅針對支座力學與隔振性能參數給定情況下，研究管線支座的數量與幾何位置優化問題涉及到的約束條件包含強度( 應力) "剛度( 位移和變形) "穩定性( 屈曲) 和動力學特性( 管線固有頻率和管線響應振幅) ，同時考慮工藝安裝方面的特殊要求( 某些位置無法安裝支座) 針對上述約束，細化為優化數學模型中考慮應力"位移"固有頻率"穩定性和評價點在指定頻率區間的振級落差等約束條件簡化的支座布局幾何優化設計模型見圖所示，通常選取支座數目和支座位置為設計變量本模型假定支座總數目事先已知( 通常按照工藝要求確定，但適當增加一定數量) ，通過確定各支座的幾何位置坐標實現布局優化!當相鄰兩個支座的位置坐標非常接近或重合時，代表其中一個支座可以取消。

支座布局幾何優化模型

2.管道隔振支座布置設計優化模型迭代解法

上面給出的支座布局優化模型仍為基于連續與離散設計變量的混合數學規劃問題，常規優化算法較難解決，可采用迭代優化算法

進行求解!考慮到計算效率的問題，需采用變步長的迭代優化算法!

該迭代算法依據約束條件的滿足情況及變步長的臨界間距值來確定支座數量的減少與增加，然后通過

常規優化方法得到支座的幾何位置坐標，最終得到較優的支座數目及間距!迭代流程見圖采用迭代算法求解該支座布局優化模型時，其計算效率有賴于迭代步長的選擇!對于特定的管道結構，當假定的支座初始數目與最優支座數目相接近時，即使迭代步長為常數，依然能夠獲得較好的計算效率，但假定的支座初始數目與最優支座數目相差較多時，則必須選擇逐步增加的迭代步長才能獲得較為理想的計算效率。

支座布局優化模型迭代解法

由管線各目標函數下的優化結果可知，三種目標函數下的優化模型，優化后滿足約束要求，支座最優數目均為6個，各支座位置接近，優化結果基本相同，三種方法迭代次數均為 5-6次，計算效率較為理想，但以關聯支座造價為目標函數下的優化模型與其他兩個模型相比迭代次數較多，將幾何優化設計方法所得優化結果與規范設計方法優化結果比較可知，以管線結構應變能和管線最大下垂為目標函數的優化模型，幾何方法和規范法所得優化結果接近!以關聯支座造價為目標函數的優化模型，采用幾何方法時，盡管迭代次數較多，但仍然取得了滿足約束條件的優化結果，其計算過程較規范設計方法更為穩定，結果更為可靠!

總體來看，兩種設計方法所得優化結果是相一致的，幾何優化設計方法是可行的!在幾何優化設計方法中，由于支座初始數目通過假定得到，且往往與最優數目相差較大，因此迭代次數較多，其計算效率明顯低于規范設計方法，但較多的迭代次數同時也保證了迭代過程的穩定性，使計算結果更為可信!因此，尚須進一步研究更為穩定高效的管線隔振支座布局優化算法。

3.總結：將所得結果與規范設計方法優化結果進行了比較，證明了幾何優化設計模型及方法的可行性，并得到了與規范設計方法中相一致的結論: 以管線最大下垂或管線結構應變能為目標函數的隔振支座布局模型計算過程更為穩定高效"優化結果更為可靠。

參考文獻:

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

[2] 美國雪佛龍公司 海上油氣工程設計實用手冊

[3] 海洋石油工程設計概論與工藝設計

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

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【關鍵詞】 導標；配布；雙向航道；黃驊港

0 引 言

黃驊港煤炭港區是我國“三西”地區煤炭外運第二通道出海口，也是北煤南運和冬季電煤運輸的重要港口，全港區煤炭通過能力達到萬t，運營航線通達我國華東、華南沿海、臺灣地區和日本、韓國以及東南亞部分國家。近年來，隨著黃驊港煤炭港區的開發擴容，其吞吐量迅速攀升并實現跨越式增長，對增加神府-東勝煤田的煤炭外運量，保障華東、華南沿海地區能源供應發揮了十分重要的作用。本文結合黃驊港煤炭港區7萬噸級船舶雙向通航航道擴寬工程，針對港區通航重要輔助設施導標的配布調整進行分析和優化設計。

1 航道現狀

黃驊港煤炭港區5萬噸級船舶重載雙向航道總長約44 km，內航道里程為 m，外航道里程為 m，航道挖泥邊坡均為1∶5 （見圖1）。

2012年12月6日，滄州海事局在黃驊市組織召開了“黃驊港煤炭港區航道雙向通航推進會”，規定外航道里程尺度（見圖1）～ m航段內只允許單向通航；其余航段允許3.5萬噸級船舶雙向通航，5萬噸級船舶與2萬噸級船舶雙向通航。

2 導標現狀

2.1 導標布置情況

目前，黃驊港煤炭港區陸域范圍內共布置有外航道前、后導標10座（5組），內航道前、后導標10座（5組）。5組導標分別為：對應航道設計底邊線布置南、北邊線標；對應航道中心線布置中線標；對應分向航道航跡帶中心線布置南、北中線標。導標布置斷面見圖2。

2.2 導標使用情況

單向通航時，船舶觀察中線標航行，南、北邊線標標示航道設計底邊線；雙向通航時，船舶觀察南、北中線標航行，中線標標示分道通航水域的分隔線，邊線標標示航道設計底邊線。

經調研，內航道導標使用效果較好；外航道導標受能見度、導標背景條件、導標終導點距離等影響，使用效果欠佳。

3 航道拓寬工程

3.1 實施背景

近年來，船舶大型化趨勢非常明顯，但受通航規則限制，船舶平均在港停泊時間隨運量增長而大幅增加，對港口服務水平產生較大影響。

由于5萬噸級船舶暫時無法進行雙向通航，故航道條件得不到充分利用，疏浚工程投資未產生應有的經濟效益。另外，隨著綜合港20萬噸級航道和南防波堤工程等周邊設施的完善，將使煤炭港區防波堤口門處橫流有所改善。因此，有必要調整現狀航道的通航規則，允許大型船舶雙向通航。

3.2 實施方案

航道里程尺度0～ m航段向北韌乜30 m，相應調整燈浮標，航道設計底高程仍為 14.0 m （標準段）、 15.0 m （口門段）。航道拓寬段可滿足7萬噸級散貨船重載乘潮雙向通航；拓寬段以外的航段，結合煤炭運輸船舶重載出港、壓載進港的特點，利用現狀航道（航道挖槽寬度不變）北側邊坡水域作為可利用的通航水域，確定現狀航道（全航道）可滿足雙向通航的船型組合。標準段和口門段航道拓寬斷面分別見圖3和圖4。對于油船、化學品船等液體散貨船及10萬噸級散貨船，仍按現狀通航規則，采用單向通航。

4 導標調整方案

外航道導標因受能見度制約而目視效果欠佳，綜合考慮導標遷移的成本與經濟效益，此次拓寬工程暫不對外航道導標進行調整。

4.1 內航道導標調整方案設計

方案1：航道設計底寬4等分法。航道北邊線標和北側分向航道中心標位置不變，中心標向南側移動15 m，南側分向航道中心標、南邊線標同時向南側移動30 m。

方案2：航跡帶法。航道北邊線標位置不變，北側分向航道中心標向南側移動8 m，中心標向南側移動15 m，南側分向航道中心標向南側移動，南邊線標向南側移動30 m。

4.2 方案比選

從導標引導效果來看，方案1和方案2均能保證導標有較好的引導效果。方案1符合引航習慣要求，但存在會船時兩船間富余寬度較大，而船岸間富余寬度略低于規范要求的問題；方案2滿足規范要求，但與引航習慣要求不一致。

經綜合比較后發現，方案1基本接近規范要求，且移標數量少，工程費用低，又能滿足引航部門的習慣要求。因此，推薦方案1作為導標調整方案（見圖5）。

4.3 導標使用規則

4.3.1 單向通航

（1）進出港船舶觀察導標的中線標航行。

（2）邊線標標示通航水域邊界線。單向通航斷面示意見圖6。

4.3.2 雙向重載通航

以7萬噸級船舶重載雙向通航為例，導標使用規則如下：

（1）進出港船舶應觀察導標的北中線標和南中線標航行，此時船長和引航員需注意北中線標和南中線標標示的位置比實際的航跡帶中心線向航道邊坡側偏8.0 m。

（2）中線標標示分道通航水域的分隔線。

（3）邊線標標示通航水域邊界線。雙向通航斷面示意見圖5。

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[關鍵詞]船舶結構；發展現狀；結構簡化；魯棒性；優化設計

中圖分類號：U663.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）27-0150-02

1.船舶結構發展現狀

早年建造的鋼質鉚釘遠洋貨船，舫昵部呈尖形，有舶、艦樓，中部有上層建筑，稱謂“三島式”結構。這種船型貨艙底二側設有污水溝，船殼板通過角鋼與上甲板用鉚釘連接，貨艙口有許多大梁并用插梢梢牢，船殼板并疊鉚接。這種結構抗扭性較好，剛度較大，使用壽命也較長。現代遠洋貨輪主尺度大大增加，舫部加球鼻，艉部削平為三角方昵，上層建筑后移，有的甚至無舶樓，污水溝改為污水井，連接的角鋼沒有了，貨艙口的大梁也沒有了，船殼平整。這種結構從模型試驗來看，抗扭效果、穩定性都較差，使用壽命很少能超過三十年，大型惡性事故頻頻發生。這一演變引起我們極大的關注，通過分析實船存在的問題，為什么脂部鋼板容易銹蝕，新造的船會出現裂縫（倉口圍四角肘板與甲板脫焊）等，并通過模型和有限元計算證實，得出以下觀點。

（1）船舶較大部位的嚴重銹蝕與彎、扭有關巨大的波浪外載荷等外力會引起板材蠕動、材質酥松、涂層撕裂、海水滲入，足以證明有一定柔性的焦油瀝青漆都不能復蓋牢鋼板。

（2）營運船舶是“每彎必扭”，甚至“不彎也扭”船舶主尺度的增加，外力也大大增大，其中扭力不可低估。但肋骨和縱骨不參予船舶的抗扭，甚為可惜，材料潛力沒有發揮出來。

（3）船殼板上逐漸嚴重的垂向或腫部水平向瘦馬型和艙底板瘦馬型與彎、扭有關。

（4）船是很軟的，高邊柜斜底板是散貨船的致命弱點船舶在大海中航行尤如蠶起伏爬動，不但被廣大船員注意到，也被各大船級社在電腦屏上顯示出來。

（5）樹的結構最為科學樹的高度與直徑之比遠大于超高層大樓高度與長x寬之比。塔松（如傘、金字塔形）結構穩定，其道理就在樹干上長出許多樹叉，樹叉的根部即樹的節疤，將樹木展開就可看到不在同一高度的許多節疤，這一高一低的節疤就是“訣竅”，造船業如果引進這一結果，可使艙壁加固，抗扭性可大大提高，舷側加固，抗彎能力也有可觀的提高。

（6）船舶剛度的提高，目的是要減少無謂的蠕動這可延長使用年限，降低折舊費，改善經濟效益。通過計算，采用新的結構形式，船舶自重可以較大幅度地減輕。

2.船舶結構優化設計方法

船舶結構優化設計，就是要尋求合理的結構形式和適當的構件尺寸，使船體結構在滿足強度、剛度、穩定性及頻率等條件下具有較好的力學性能、工藝性能、經濟性能及使用性能。隨著計算機的普及和計算技術的發展，建立在計算機分析和模擬基礎上的船舶結構優化設計通過吸收有關基礎學科的研究成果，借鑒相關工程學科的共同規律，已取得了卓有成效的進展在可靠性設計方面進行了大量的基礎性工作在以人工智能原理和專家系統技術為基礎的智能型設計方法方面進行了開創性的研究在綜合評估船舶結構性能方面進行了探索性的工作。這些研究構成了船舶結構現代設計方法的基本內容。

2.1多目標模糊優化設計方法

在傳統結構優化過程中，都是根據確定性條件來進行的，即目標函數和約束條件都是人為的或按某種規定給出的，是一個確定的值。而實際上，船舶結構優化設計過程中，約束條件，評價指標及多個評價指標間的協調，都包含著許多模糊因素。要處理好涉及模糊因素的優化間題，必須借助于模糊數學才能獲得令人滿意的結果。

模糊優化設計大大增加了設計者選擇優化方案的余地，使設計者對方案的性態有更深入的了解。模糊優化設計方法研究發展很快，但目前尚未達到完全實用化程度。其難點在于到底如何針對具體的設計對象，正確確定描述目標函數滿意度和約束函數滿足度的隸屬函數。

2.2基于可靠性的優化設計方法

前蘇聯首先將概率論和數理統計方法引入結構設計之中，形成了安全度理論。以超載系數、材料勻質系數和工作條件系數來考慮載荷、材料及環境的一些隨機性因素，并以此為基礎發展成為結構的可靠性理論。

船舶結構可靠性的基本理論和方法，隨設計目標要求的不同，可以給出不同的船舶結構可靠性優化設計準則，一般可分為以下三種。（1）給定結構的可靠度要求，使結構的重量最輕；（2）給定結構的最大允許重量，使結構的可靠度最大或破損概率為最小；（3）兼顧結構重量及可靠度或破損概率，使其某種組合滿意度達到最大。

2.3魯棒性設計

魯棒設計是現代設計方法中的一種重要設計方法，是提高質量特性的一個重要途徑。現代魯棒設計方法是在田口方法的基礎上發展出來的方法。通過使用容差模型法、最小靈敏度法以及靈敏度分析法，得到以下結論：（1）容差模型主要解決設計變量的變差對目標函數的影響。設計變量的變差會以一定的規律傳遞給目標函數。基于容差模型法的魯棒設計要求目標函數和約束函數均具有一定的魯棒性。目標函數魯棒性是指產品特性既要使波動小，又要使偏差小；約束函數魯棒性一般采用最壞情況容差來處理。（2）最小靈敏度法通過使性能參數對某一設計變量的偏導數最小而求得魯棒設計解。（3）靈敏度分析法主要是通過估計出設計變量發生微小波動后對目標函數和約束函數影響大小，進而通過這種影響的大小來改變設計變量以達到改善設計質量的目的。

3.船舶結構簡化方向展望：

現有主船體結構有球扁鋼，扁鋼，剛板，角鋼，槽鋼，折邊肘板，帶面板的肘板等。未來在不降低總縱強度和剖面模數的情況下可以盡量的加強互換性和通用性，不論船型和噸位，都可以提前下料預制，從而減小建造周期和維修難度。新的船體結構形式可以在原有的基礎上在以下幾個方向做簡化。

3.1對新造船第一階段

（1）線型基本照舊，球鼻照設，腸娓部外板僅作適當鼓起或凹進處理，使船殼板不易出現垂向瘦馬型，這就增加了船的抗扭性。（2）三角方尾的娓封板略為單曲面鼓起，如公共汽車車頭的駕駛玻璃，其目的也是為了增加抗扭，避免出現娓封板的垂向瘦馬型，這幾乎是不增加重量的情況下獲得的抗扭剛度和昵部橫向強度。（3）躺娓部肋骨改為縱骨，這種縱骨參予抗扭。若因鋼板太薄，使用焊條太粗引起水平瘦馬型也無礙，反而更可增加船舶抗扭性。據肋骨或縱骨對比計算，整段船的自重還可較大幅度地減輕，如今臺灣、日本、西德造的船，都采用這一縱向的辦法。（4）腫部舷側外板用交叉肋骨，并與縱銜相結合（或肋骨加斜束腰）。經整段有限元對比計算，重量比常規結構減小，撓度減少，抗扭能力提高。而且整段平面也不易翹曲，剛度大大提高，貨倉肋骨脫焊的事將可改觀。（5）甲板下的肋骨也交叉，使肋骨或縱骨與板“同舟共濟”，減少無謂蠕動，也即減少鋼板的銹蝕，并使甲板負荷可以增加。（6）需精確確定外載荷的大小，然后整段計算抗扭剛度，剛度不足，需相應增加艙壁等的剛度。

3.2對舊船原則上與新造船一樣

（1）減少無謂的蠕動，具體表現在相對銹蝕嚴重的部位，在銹蝕嚴重部位表面的背面作交叉肋板加強。（2）消除低頻高幅的振動出現垂向瘦馬型時，在肋骨間加斜肘板；出現水平向瘦馬型時，在縱骨（縱析）間加斜肋板；艙底板有瘦馬型時，在艙壁下墩等處加強。（3）發現裂縫要對癥下藥治本，治表（如改為大圓弧形時肘板，雞爪式肘板）只能掩蓋矛盾，對安全、延長船齡不利。加固槽形艙壁可增加船體的扭轉剛度，這是比較治本的辦法。（4）散貨船高邊柜內加斜桿。（5）提倡“貼條”式修補一條舊船，如一件舊衣服，補衣服要講究匹配，事實證明貼得好，工藝好，效果相當好。

參考文獻

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【關鍵詞】 船舶；風機；離心風機；優化設計

新時期下，對于設備的優化設計是我國工業發展的關鍵途徑，對于風機來說也是如此，其應用十分廣泛，是很多工業單位部門中輸送相關氣體介質的關鍵設備和核心耗能裝置，提高其工作效率是節約現有能源的有效途徑，對于合理的能源配置方面有重要的意義，長期以來國內外大量相關科研人員根據實際運行情況和模擬數據對風機進行了大量的理論和實驗研究，已經對風機有了很有效的優化。

隨著計算機科學的不斷進步，利用相關模擬軟件對實際的風機運行情況進行較為真實的模擬，改進其預發生的問題，可以很好的對其進行優化，節約了時間和資金。在船舶領域，也有很多種類的風機得到應用，離心風機應用在二沖程柴油機啟動和低負荷運行時，需要用離心鼓風機提高進氣壓力，完成氣缸掃氣。為了進一步減小風機尺寸，節約金屬材料，對船用風機進一步優化設計是很有必要的。要想優化風機設計，必須對風機內部流體的情況有清晰的了解，對其進行深入的分析，得到較為詳細的相關參數，進一步分析其內部流體特征，細致研究內部能耗損失，針對結果剖析其影響因素，根據可能影響效率的幾個幾何結構進行參數分析，反復試驗優化方案才能得到滿意結果。

1、國內外船用風機設計方法簡介

風機的發展在全球范圍內已經有100多年的歷史，國外的相關生產和設計已經比較成熟，但是延長分級壽命和提高風機效率仍然是現在工作的重心。我國在風機設計方面的發展就相對較晚了，自上世紀五十年代我國第一個機器工業局成立以來，我國工業設備的發展十分迅猛，這一時期也是風機發展的關鍵時期，直到六七十年代我國才進入自行設計階段，經過我國科研人員的不斷努力，有很多類型的風機已經發展成為了高效節能的產品，尤其九十年代以后，我國在風機制造方面有了國外先進技術的支持和國外大型風機企業在中國建廠的實際支持，風機設計優化方面發展迅猛，但是跟國外最先進水平的差距還是十分明顯，目前我國仍處在學習階段。

1.1、一元設計方法

一元設計法要求對模型進行一定的假設，針對風機內部復雜的三維勃性非定常流動，將其簡化成一元無勃流動，從中獲取幾個相關重要的結構性能參數，分析其變化規律，確定相關蝸殼和葉輪的尺寸和結構。其主要缺點還是簡化的過程過多，不能夠變現實際的風機工況，大多數情況下是根據相關模擬人員的工程和模擬經驗來進行修改，得到相對值得信賴的結果，為了改進，研究人員提出了過流斷面的設計概念。

1.2、二元葉片設計方法

相對于一元設計法，二元葉片設計方法是針對風機的葉輪設計優化進行改進的方法，其中主要應用等擴張度方法和等減速方法。等擴張度方法主要是根據實際工程中風機的擴張角問題提出的方法，當其過大時風機效率下降明顯，此方法可以控制相對平均流速沿流線的變化規律，通過簡單的幾何關系就可以得到葉片形線。等減速方法可以為葉輪中的相對速度沿著平均流線的分布進行規定，計算出其中的葉輪流動的損失，保證流場內的氣流用相同的速率改變相對速度。

1.3、三元葉片設計方法

三元葉片設計主要由全可控渦設計法和載荷法組成，前者采用在風機葉輪流道的中間面附近上應用流線的曲率設計法，它需要結合研究人員的實際工程經驗才能較好的進行葉片的設計。后一種方法就是對葉片上的壓力面和吸力面上的速度差進行控制，以此來對葉片壓力進行載荷控制，計算得到風機流道中平均流線速度，模擬所需葉片形狀。

1.4、近似模型法

應用統計學理論，采用隨機類優化方法在工程中進行實踐操作，可以避免其中的計算量過大問題，在一定范圍內對設計的準確性有一定的保證，合理觀察設

目標的實際要求，著力使用近似模型，提供快速的空間探測分析工具，在氣動優化設計過程中，用該模型取代耗時的高精度的計算流體動力學分析，可以加速設計過程，降低設計成本

2、船用風機的優化設計步驟

2.1、風機葉輪設計指導思想

2.2、各項參數指標的確定

對于轉速來說，原則上在轉速范圍內取最佳效率的電機轉速，對于交流電機，最好確定在電機同步轉速的轉差率0.2以內，因為在此區間電機的效率比較高。對于直流電機，沒有嚴格的指標。

2.3、葉片設計

葉片的設計步驟首先要根據客戶要求或者提供的壓力和流量確定通風機的轉速n，葉輪直徑d，然后確定葉輪葉片z和葉片寬度b 以及稠度τ，接著確定需要計算葉片截面；以及葉環的氣流參數，再根據所得數據計算各截面的氣流角以及葉珊幾何角，最后進行葉形狀的繪制。

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1 傳統工業的優化設計應用

傳統機械優化設計方法大多應用于機械結構和零件功能的優化設計，針對機械結構的性能和形態進行優化。在機械結構上，內點罰函數優化法，能夠對剛度和壓彎組合強度結構進行良好的優化，既能夠滿足尺寸要求又能良好的控制結構自重。在形態方面，典型的是軸對稱鍛造部件的毛坯形狀的優化。在性能方面，采用坐標轉換法和黃金分割法對部分兩岸結構進行優化設計，使得機械結構更加準確保持運動平衡性，提高了傳力性能。這樣看來，傳統機械優化設計方法依然能夠取得良好的效果，所以在機械設計發展中不能忽略傳統優化方法的

作用。

2 現代工業的優化設計應用

現代高新設計方法在機械優化設計中的應用已越來越廣泛。但應該看到，現代的設計不僅僅是單一的完成給定產品的設計，而應該要將產品使用及設備維修等因素統一進行考慮。所以，機械優化設計在強調環保設計和可靠性設計等考慮綜合性因素的機械優化設計應用工作更為活躍，機械優化設計的應用領域更加廣泛，涉及到航空航天工程機械及通用機械與機床的機械優化設計；涉及到水利、橋梁和船舶機械優化設計；涉及到汽車和鐵路運輸行業及通訊行業機械優化設計；涉及到輕工紡織行業、能源工業和軍事工業機械優化設計；涉及到建筑領域機械優化設計；涉及到石油及石化行業機械優化設計；涉及到食品機械等機械優化設計。機械優化設計的應用還能夠解決具有復雜結構的系統問題。

2.1 優化設計網絡軟件的應用

優化算法的研究已經有所成績，利用網絡平臺逐漸開發一些工業化在線優化軟件，便于工業設計使用。對于在線機械優化設計軟件來說，亟待解決的問題就是模型問題，對于非常復雜的系統來說，結構、流程、物料和系統參數等，都非常復雜，如果計算對象比較模糊，運算效率會受到嚴重的影響，這就給在線優化軟件帶來了巨大的困難。為了解決這種情況，通過合適的算法解決辨別模型，結合神經網絡和學習特點進行數據的識別，讓在線優化軟件也能夠良好的應用于各種模型，比如國內比較成熟的 NEUMAX 軟件包，基于神經遺傳算法的在線優化軟件包，都能夠良好的實現各種模型的遺傳算法，這些軟件已經成功應用于甲醇合成機械設計的優化工作中。

2.2 優化設計在MATLAB中的應用

在機械設計中引入優化設計方法不僅能使設計的機械零件滿足性能要求，還能使其在某些特定方面達到最優。利用 MATLAB優化工具箱求解機械優化設計問題不僅避免了傳統的設計方法中人工試湊、分析比較過程中的繁雜與重復，而且編程簡單、結果可靠。在上述實例中，利用 MATLAB 軟件中FEMINCON函數求解夾具設計問題，最 終設計的 夾具要比采用傳統設計方法設計的質量輕、成本低，并且設計效率高。

2.3 人工神經網絡法在機械優化設計中的應用

人工神經網絡是人類模仿大腦神經網絡結構和功能而建立的一種信息處理系統，是理論化的人腦神經網絡的數學模型。人工神經網絡從事例中學習，可以處理非線性問題，特別擅長處理那些需要人直觀判斷的信息匱乏的問題，如不完全數據集合，模糊信息以及高度復雜問題等。人工神經網絡應用于優化設計，主要體現在以下兩個方面：

Hopfield 網絡 2.BP 網絡

2.4 模糊優化方法在機械優化設計中的應用應用模糊優化理論能夠將設計中的模糊因素和模糊主觀信息定量化，通過合理給定約束函數、目標函數的容許值、期望值及其模糊分布 （隸屬函數） 來 “軟化”邊界條件，擴大尋優范圍和體現專家的經驗、觀點和某些公認的設計準則。把模糊技術應用于優化設計建模，其特長不僅在于它善于表達模糊概念，處理模糊因素，而且還可將復雜問題簡化，使優化模型更加合理。采用模糊理論建立優化設計模型對求解復雜系統優化設計問題具有重要意義。

篇6

關鍵詞：船舶 配電系統 電力變換裝置

中圖分類號：F407 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（b）-0097-01

隨著船舶綜合電力系統的發展，越來越多的電力變換裝置逐漸應用到船舶配電系統中。電力電子器件本身的非線性特性會使得電力變換系統之間產生互相影響，從而發生不穩定、諧波以及其他的系統級問題。船舶電力系統在船舶上具有極為重要的地位，電力系統供電的連續性！可靠性和供電品質，將直接影響船舶的經濟指標、技術指標和生命力在現代化船舶上，電站操作越來越復雜、電站自動化程度日益提高，對電站管理人員的要求也越來越高。

1 船舶配電系統的概述

船舶電站是船舶的一個重要組成部分，其自動化程度是船舶技術的重要標志。船舶電站供配電系統一是供電質量和供電可靠性，二是船舶電站自動化程度。隨著計算機技術、控制技術、通信技術以及網絡技術的發展，船舶電站自動化系統的結構也發生了很大程度的變化，船舶電站逐步形成以網絡集成自動化系統為基礎的船舶電站自動化控制、管理信息系統，集監、控、管于一體的網絡型船舶電站綜合自動化系統。

船舶電力系統發展到一定階段以后必然會進入船舶綜合電力系統階段，其主要標志之一就是集成化和模塊化。所謂綜合全電力推進系統，就是動力推進和日常用電共同用一個電力系統，從而構成一個綜合的電力系統。IPS最大的特點是模塊化，根據功能不同，這些模塊在具體的艦艇IPS系統中，被劃分在4個子系統中，即發電和推進子系統、艦艇日用電配電子系統、區域配電子系統和系統監控子系統。

在船舶綜合電力系統中，發電機組、配電裝置、系統調度和監控、電力推進和高能武器通過電力網絡集成在一起共同工作和運行。電能在船舶電力系統中一開始只是作為一種輔助能源，實現船舶的照明等一般。隨著綜合電力推進技術的發展以及采用電力作為能源的先天優點，原先一些采用常規動力系統作為能量來源的設備，也逐漸向電力化方向發展，另外電能開始逐漸取代傳統動力成為艦船的推進能源。因此，綜合電力系統（IPS）的出現滿足了船舶的實際應用需求，促進了船舶電力系統向集成化與模塊化方向的過渡。

2 船舶配電系統的新技術

作為船舶綜合全電力推進技術的重要研究內容之一，基于電力變換裝置的船舶直流區域配電系統得到了越來越多的關注和研究。傳統的船舶輻射式配電方式靜態和動態負載自動調節性能比較差，冗余電源實現方案較為復雜，難以滿足余度供電和不間斷供電的要求。

船舶區域配電系統具有和分布式電源系統類似的特點，比如：（1）系統容量有限，同時由于推進負載和高能武器等大功率負載的存在，負載的容量和發電機的容量接近；（2）電能經過多次變換，最終為全船負載供電。同一個電力變換裝置既是前端變換裝置的負載，同時也是后端負載變換裝置的源，各個電力變換裝置之間相互耦合，源效應與負載效應較明顯；（3）全控型半導體器件在電力變換裝置的大量使用，提高了功率密度。但是由于半導體器件本身具有開關特性，因此電力變換裝置也同樣具有非線性特性。這種情況下，在某一穩態工作點對電力變換裝置作小信號線性化處理和分析而得到的阻抗特性也會隨著電力電子器件的開關頻率不同而發生一定的變化。

隨著綜合電力系統的發展，僅僅對電力變換裝置的功率器件、拓撲結構以及各種先進的控制算法進行研究已經不能滿足船舶電力變換系統的要求了。因此，需要從系統的角度出發，對電力變換裝置進行優化設計和穩定控制，以便更好的滿足不同類型負載的供電要求。

船舶電力變換系統具有冗余度高、控制靈活等優點。在船舶配電系統中，其電能的主要來源是燃氣輪機發電機組和儲能系統，系統中的各種獨立、并聯的負載從左右直流母線上獲取電能。雖然系統中的這些電力變換裝置能夠獨立穩定運行，但在系統中運行由于模塊之間互聯的相互影響，會導致系統性能的下降甚至發生不穩定現象。

在進行船舶電力變換系統設計的過程中，由于缺少了對船舶電力變換系統穩定性方面的系統級分析和設計，因此，影響了船舶區域配電系統的可靠性。一般情況下，船舶電力變換系統設計的主要標準是各個電力變換裝置模塊的電氣性能、功率密度和外部接口等，而沒有考慮模塊在系統中運行的穩定性和對其他裝置的影響。在實際應用中，由于電力變換裝置的互聯，可能出現獨立工作時性能指標合格的電力變換裝置在系統中發生嘯叫或者振蕩的現象，極端情況下還會導致器件損毀。目前，關于船舶電力變換系統的穩定性分析和驗證主要還是通過實驗進行驗證，這種方法缺乏有效的理論指導，造成了大量時間的浪費，增加了系統研發和制造成本。在實際船舶區域配電系統中，存在著各種不同的用電設備，很多電力變換裝置的負載往往是容性或者感性，亦或是其他電力變換裝置。在設計的過程中，如果沒有考慮和分析單個電力變換裝置對系統整體的影響，那么即使裝置滿足單獨測試時的性能要求，在系統中運行時也可能會出現不穩定現象，影響配電系統和其他電力變換裝置的安全性及可靠性。因此有必要在單個電力變換裝置設計過程中從系統級角度出發，通過優化設計和控制方法的研究使得電力變換裝置能夠在滿足自身各方面電氣性能要求的同時，也能夠保證其在系統中穩定運行而不對系統產生嚴重影響。

3 船舶配電系統的發展趨勢

目前，我國船舶自動化技術發展達到了世界先進水平，正朝著微機監控、全面電氣化、綜合自動化方向發展。高可靠性、功能齊全、分布式、多微機網絡式自動化系統，將是未來船舶電站自動化的發展方向。

4 結語

綜上所述，船舶電力變換系統穩定性研究的目的和意義是為了從系統級的角度出發，對船舶電力變換系統及其互聯系統的相互影響進行分析和研究，為船舶區域配電系統的穩定性研究奠定理論分析基礎，為故障情況下船舶配電系統的供電路徑重構提供理論依據和現實參考，從而提高船舶配電系統的運行穩定性和生命力。

參考文獻

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摘要：用熱技術經濟學原理與BOX非線性約束(復合型)優化法相結合的方法，對大型柴油機動力系統中廢氣復合透平系統(Turbo Compound System或TCS)進行了熱技術經濟分析研究和設計優化計算。探討的方法也可用作動力廠(站)可行性研究階段方案設計時的參考。關鍵詞：廢氣復合透平； 熱經濟學； 優化設計

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

符號說明

下限值b-上限值C-定壓比熱En-能量，(kJ)I-隱式約束方程總數J-能量系統或單元的能流輸出總數P-輸出功率，(kW)R-設計變量總數T-溫度(℃)或增壓器的廢氣透平

下標

環境1，2-能量及技術經濟區1、2a-新鮮空氣bt-廢氣增壓器前c-廢氣增壓器的壓縮機e-排氣ebt-增壓器前的廢氣ep-由柴油發電機發電exh-增壓器后的廢氣hf-重燃油j,j’-第j或j’能量流m-機械ME-噴入柴油主機的燃油pa-定壓壓縮空氣pe-定壓廢氣PT-動力透平shaft-柴油機的主軸t-透平或溫度T-增壓器的廢氣透平

前言

從80年代初開始，大型柴油機增壓器制造商一直致力于不斷提高其效率的研究開發，結果是大大減少了產生柴油機壓縮進氣的增壓器消耗的廢氣量；在此基礎上，進一步配套設計了一種動力透平，用以轉換這種高效增壓系統省下的廢氣能量，產生有用的動力(如電力、機械功)。已有實例在大型柴油機船舶動力站(5 000 kW以上)采用這套系統，經濟性十分明顯，投資回收期不到兩年［1］。誠然，任何動力系統設計中，如采用較高效率的設備，雖其經濟性會提高，但也增加系統的初始投資，以致同時增加產品的折舊成本。因此，動力系統的經濟設計和設備的經濟選擇常常是互相矛盾的，要進行優化平衡，才有可能達到最佳的參數組合。對此，提出利用熱技術經濟學與非線性數學規劃法中的Box’s Complex法［2，3］相結合的方法，通過建立廢氣復合透平系統的優化設計模型，對該動力系統進行結合實例的優化設計計算和熱技術經濟研究分析，以探討較為合理的大型柴油機廢氣透平復合系統參數的優化選擇方法和途徑。本文探討的方法也可作為動力廠(站)可行性研究方案設計研究之用。

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關鍵詞:橋梁結構;拓撲優化;有限元分析;ANSYS

中圖分類號:U442文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2009)20-0038-02

結構優化的目的是以最少的材料、最低的造價、最簡單的工藝,實現結構的最優性能,包括強度、剛度、穩定性等目標。將優化方法應用于結構設計,不僅可以大大的縮短設計周期,顯著的提高設計質量,而且還可以解決傳統設計方法無法解決的復雜設計問題。從工程設計的角度看,結構優化設計大致有三個層次:拓撲優化,形狀優化以及尺寸優化。三者中拓撲優化是結構優化領域中最具有挑戰性的研究課題,同時也是具有最大潛在經濟效益的設計方法。拓撲優化主要思想是將結構最優化問題轉化為在給定區域內尋找最優的材料分布的問題。通過尋求結構的最優拓撲布局使得結構在滿足一切有關平衡、應力、位移等約束條件的情形下,同時具有某種最優性能指標。因此拓撲優化被認為是結構初始設計階段確定材料布局的最有效方法。

橋梁建設是交通建設中的重要組成部分,隨著我國各種跨越大江(河)、海峽(灣)的大型橋梁的相繼修建,如何高效率的設計橋梁結構、大幅度的減少建設材料,是縮短橋梁設計周期、節約橋梁建造成本的關鍵問題。本文將拓撲優化設計方法應用于橋梁設計,采用大型商用有限元軟件ANSYS中的拓撲優化設計模塊,獲得橋梁結構的初始設計方案,可對橋梁結構的拓撲輪廓與外形進行快速和創造性的調節,為高層次的設計者提供橋梁結構的概念設計模型,從而降低橋梁設計周期。

一、拓撲優化數學模型

拓撲優化在廣義上指形狀優化,有時也稱為外型優化。拓撲優化的目標是尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案,即在設計區域內尋找一個給定體積V的子區域mat(有材料區域),使得該區域對應的目標函數(如結構柔順度、結構位移等)取得極值。引入材料密度函數:

(x)=1ifx∈mat0ifx∈\mat(1)

則結構拓撲優化模型可描述為:

()

s.t. d≤V (2)

(x)=0 or 1,x ∈

結合有限元數值方法,將結構設計域離散為n個有限單元,相應的將密度函數近似為n維向量,其中xi為有限單元i的密度值。此時的優化模型為0~1整數優化模型:

(X)

s.t.V(X)= xivi≤V(3)

xi=0 or 1,i=1,2,…,n

由于整數模型的計算求解非常困難,通常采用變量連續化方法,將0-1整數變量問題變為0、1間的連續變量優化模型:

(X)

s.t.V(X)= xivi≤V(4)

式(4)即為結構拓撲優化設計的基本數學模型。本文考慮的橋梁結構拓撲優化設計屬于連續體結構靜力學優化設計問題,目的是在外力作用和位置以及約束的位置確定的條件下,以結構的柔順度最小化(即橋梁結構剛度最大化)為目標函數,以結構材料體積限制為約束進行設計橋梁結構的拓撲形式。具體計算時,將橋梁初始設計域有限元離散,設計變量為各單元的材料相對密度。

為了將結構優化技術付諸實用,除了建立可靠的優化模型外,還需要選擇收斂速度快且計算不是很復雜的優化算法。采用適當的優化算法求解數學模型,可歸結為在給定條件(例如約束條件)下求目標函數的極值或最優值的問題。實際工程優化問題中,約束條件和目標函數不僅是非線性的,而且是隱式函數,所以優化算法的選用至關重要,對于不同層次的優化問題需要選用不同的優化算法。按優化算法的理論基礎劃分,主要有以下3種類型:準則法、數學規劃法、遺傳算法。本文采用了ANSYS拓撲優化設計模塊中的最優準則(Optimality criteria,OC)算法。

二、拓撲優化設計流程

拓撲優化的基本過程,可以描述如下:(1)確定設計區域,選擇合適的設計變量、目標函數以及約束函數等其他邊界條件;(2)結構離散化,進行有限元分析,獲取目標函數、約束函數及設計變量對目標函數變化的敏度信息;(3)根據得到的信息,用合適的優化方法計算,計算出當前的設計變量的新值;(4)根據終止準則判斷優化結果是否收斂,如果不收斂,重復(2)到(4),如果收斂,則終止迭代;(5)拓撲優化后處理,得到最優拓撲的形式。

圖1給出了拓撲優化設計的基本流程:

圖1拓撲優化設計基本流程

三、橋梁結構拓撲優化設計算例

(一)問題描述

一座拱橋所在的空間位置如圖2所示,長方體上表面為路面,路面長20m,寬3m,橋高4m。圖2標出了拱橋五個橋墩的位置點。路面指定為非設計區域,并承受100ePa均布載荷。橋梁結構材料屬性為:彈性模量E=200GPa,泊松比=0.3。要求分別在結構體積減少70%和50%的條件下尋找具有最大剛度的拱橋橋型。初始設計空間的有限元模型如圖3所示,圖中上表面單元為非設計單元。

(二)優化結果

采用ANSYS拓撲優化設計模塊進行拓撲優化計算,優化迭代20次后得到優化結果,如圖4所示。圖5給出了目標函數的迭代曲線,可以看到,迭代20次后,結構的柔順度降至最小,即此時的橋梁構型具有最大剛度。

四、結論

本文以橋梁結構剛度最大為目標函數,基于大型商用有限元軟件ANSYS中的拓撲優化設計模塊,對橋梁結構進行了給定體積分數下的拓撲優化設計。通過拓撲優化設計方法可以獲得橋梁結構初始設計階段的輪廓布局,從而為橋梁工程設計人員提供可靠的、指導性的和粗定量的頂層結構設計方案,避免了復雜繁瑣的初始設計方案定制過程,縮短了橋梁設計周期。

參考文獻

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[2]夏立娟,吳嘉蒙,金咸定.工程結構的拓撲優化設計研究[J].船舶力學,2002,6(6).

[3]王健.具有形狀和應力約束的連續體結構拓撲優化及其在框架結構設計中應用[J].工程力學,2002,19(4).

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

[5]榮見華,姜節勝,顏東煌,徐斌.多約束的橋梁結構拓撲優化[J].工程力學,2002,19(4).

篇9

關鍵詞：高等數學；定積分；極值；工字鋼

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）08-0015-02

高等數學的基礎知識在工程設計領域中的應用非常廣泛，甚至可以說是無處不在，很多的工程力學和結構強度分析的模型都和高等數學息息相關。本文通過在建筑、橋梁、船舶結構設計領域一個比較常用的數學模型，來說明高等數學在工程設計領域具有很強的實用性。下面讓我們來介紹在建筑、橋梁、船舶結構設計領域廣泛應用的一種鋼制型材：工字鋼。顧名思義，工字鋼就是剖面形狀酷似“工”的鋼制型材，形狀參數如下圖1所示。我們主要通過一些基本的高等數學知識來研究在同樣的載荷條件下，怎樣設計工字鋼的剖面幾何形狀才能使它的重量最輕，最能節省材料。因為工字鋼的應用范圍非常廣，通過剖面優化設計可以帶來的經濟效益非常可觀。

工字鋼的基本形狀參數有以下幾個（如圖1所示）：腹板高度hw、腹板厚度tw、面板厚度tf、面板寬度df。在這個實例中我們需要計算工字鋼的轉動慣量I，并根據二元函數的極值求解方法來設計工字鋼的最佳剖面形狀。在工程設計中，選用工字鋼的控制要素一般是最小剖面模數W，而非轉動慣量I。但是根據材料力學的基礎知識，工字鋼的最小剖面模數W＝I/（hw+tf）。也就是說要先求解剖面模數W，必先求解工字鋼關于自身中和軸的轉動慣量I。通常情況下，工程上會計算一半工字鋼關于整個工字鋼中和軸的轉動慣量然后乘以2的方法來求解整個工字鋼的轉動慣量。工字鋼的腹板和面板的轉動慣量將分別計算然后線性相加。

根據材料力學中轉動慣量的計算方法，可以得到一半

工字鋼轉動慣量的計算公式應為：

■=■t■h■■dh■+■d■t■■dt■ （1）

應用定積分中的換元法，用dw來代替■，可以得到■=■t■d■■+■df［（d■+tf）3-dw3］ （2）

上述公式是一半工字鋼轉動慣量的解析解。根據材料力學的計算公式進而可以得到工字鋼的最小剖面模數為：W=■={■twdw3+■df［（dw+tf）3-dw3］}/（dw+tf）；W={■twdw3+■df[tf3+3dwft（dw+tf）]}/（dw+tf） （3）。式（3）中，工字鋼的剖面模數計算公式中有四個變量。要想求得工字鋼的極值應將其中兩項設為常量。我們發現，工字鋼的剖面模數對工字鋼的腹板厚度tw最不敏感，從工程應用的角度來說，一般將此設為常量。另外，在工程實際應用中，工字鋼的腹板高度和面板寬度之間一般存在著某種固定的線性關系，在這里設df=a*dw。

經過上述基本假設，則工字鋼的剖面模數可以設定為關于dw和tf的函數。因此，可以根據二元函數的極值求解方法來設計工字鋼的最佳剖面形狀。即當dw和tf之間滿足某種比例關系時，工字鋼的剖面模數可以達到極值。式（3）看似簡單，但是要用解析解求解該式的極值還是將轉換為dw為變量的以一元五次方程的求解，具體計算過于繁復，在這里就不再贅述。

在這里僅介紹在工程上常用的、誤差可以接受簡化計算的方法。首先由于工字鋼的面板厚度相對于腹板高度而言是個小量，因此可以將dw+tf≈dw，同時tf3作為小量也可以忽略。這樣一來可以得到以下工字鋼的最小剖面模數簡化計算公式：W≈（■twdw3+2dftfdw2）/dw=■twdw2+2dftfdw （4），我們優化工字鋼剖面的基本思路是假設工字鋼的剖面總面積As不變，當腹板高度和面板厚度滿足一定關系時，剖面模數達到最大。即As=2dwtw+dftf dftf=As-2dwtwtf （5），根據換元法，將（5）代入（4），可得：W≈■twdw2+2（As-2dwtw）dw=2Asdw-■twdw2，根據二元函數的極值求解方法，將剖面模數對dw求導，則可以得到：W'≈2As-■dwtw W''≈-■twdw＜0 （6）。根據函數的極值及其求解方法，當W''=0，且W''＜0時，W存在最大值。即通過令W'=2As-■dwtw=0得到As=■dwtw時，亦即工字鋼的腹板面積近似等于總面積的0.75倍時，W存在最大值。從而得到近似的最佳工字鋼剖面。此比例關系為工程上工字鋼的剖面設計是具有重要參考價值的。指導了很多工字鋼剖面的設計，在船舶設計領域，與工字鋼剖面具有相仿的T型材的剖面優化設計也可以用相似的方法求得，只是需要注意的是T型材的帶板面積會直接影響到工字鋼的最佳剖面設計結果。

我們發現，工字鋼剖面優化設計應用到二元函數的極值及其求解、牛頓—萊布尼茨公式、定積分的換元法等，當然還需要有一定的工程實踐經驗。這些完美結合后，就會在工程實際應用中發揮不可思議的作用。

眾所周知，高等數學尤其是微積分在材料力學、結構力學、流體力學、斷裂力學、有限元分析等中的應用非常廣泛，學好高等數學不僅僅是為了學分、為了考研，更是為了能夠站在更高、更大的舞臺上扎下堅實的技術基礎。要想成為真正技術上的王者，高等數學是大家手中最好的利器，只要你能讀懂它的精髓，并善于利用它。

篇10

計代表船型，通過規范公式和經驗公式的計算初定航道尺度，再結合船模試驗對其進行優化，最終確定航道尺度。

關鍵詞：航道尺度 轉彎半徑 加寬

近年來，隨著國際、國內船舶制造業的快速發展，船舶載重噸級日趨大型化，大型海輪停靠港口進行裝卸作業已經非常普遍。中化珠海石化公用碼頭位于高欄港區南逕灣作業區，其南側泊位原設計最大靠泊船型為80000DWT船舶。根據業主提供的資料，近幾年來，格力石化碼頭實際到港船型中就有超過80000DWT的船舶。自正式投產以來，本碼頭共安全靠泊多艘次大輪，而且到港大型船舶艘次在逐年增加，為適應較大船型的安全靠泊要求，現擬將南側8萬噸級泊位改造為15萬噸級泊位，與碼頭配套的進港支航道也需浚深拓寬。

航道概況

工程所處的高欄港現有一條人工開挖主航道及通向各港區的支航道若干條。目前主航道口門至南逕灣港區支航道段航道設計海底高程為-15.7m（當地理論最低潮面，下同），航道底寬250m，航道軸線走向350°～170°，可滿足8萬噸級油船單向滿載乘潮通航需要。根據高欄港區航道規劃，主航道起點至華聯支航道區間按滿足15萬噸級油船通航要求設計，設計底寬為290m，設計底標高-19.0m。15萬噸級主航道計劃2014年內完工。

從高欄港主航道至南逕灣港區華聯碼頭辟有一條支航道，支航道現狀：長1.6km，底寬201m，航道底標高-13.5m，航道軸線走向20°～200°。支航道與主航道軸線夾角為30°。

轉彎段航道尺度計算

南側泊位改造后設計代表船型為150000DWT油船，其船型尺度為274m×50.0m×24.2m×17.1m（總長×型寬×型深×滿載吃水）。本工程支航道通航密度甚小，按單向航道進行設計。單向航道航寬和航道設計水深均采用《海港總平面設計規范》中公式計算。

單向航道寬度：W=A+2C=n（Lsinγ+B）+2C

航道設計水深： D= D0+Z4=T+Z0+Z1+Z2+Z3+Z4

船舶在支航道行駛時風流壓偏角按7°，航速按小于6節考慮，計算出單向航道寬度為241m，航道設計水深為19.43m，航道底標高-18.00m（當地理論最低潮面）。

因進港支航道與港區主航道軸線夾角為30°，為保證船舶安全轉向，船舶從主航道轉向支航道行駛時，其轉彎半徑和彎道段航寬需合理確定，以下重點分析兩者的確定方法。

1、轉彎半徑

海港總平面設計規范（JTJ211-99）規定，航道轉彎半徑R應根據轉向角φ和設計船長確定：10°30°，R=（5～10）L。美國和日本等大多數國家標準一般要求以φ≤30°為宜，Rmin=3L；超過30°時，Rmax=12L。國內楊桂樨提出的海港航道轉彎半徑R的經驗公式為：

，式中：R為航道轉彎半徑（m），K0為航道掩護程度，有掩護航道為1.0，無掩護航道為1.2；VS為最大船舶航速（m/s），以小于4m/s為宜，計算時不考慮單位；LPP為最大船舶兩柱間長度（m），一般可按LPP=（0.94～0.97）Lo，T為最大船舶滿載吃水（m）；D0為航道轉彎段設計水深（m）； φ為航道轉向角度（°）。

根據表1計算結果，支航道轉彎半徑暫按5倍船長考慮。

2、轉彎段拓寬要求

航道轉彎段寬度在直線段航道航寬的基礎上需考慮一個拓寬值ΔW。海港總平面設計規范（JTJ211-99）規定：當10°30°，可采用折線切割法加寬。海港工程設計手冊建議當φ>25°時，ΔW> ；φ≤25°時，ΔW≤ 。國內楊桂樨⑵提出的航道轉彎拓寬ΔW的經驗公式為：

式中：R為航道轉彎半徑（m），為航道掩護程度，有掩護航道為1.0，無掩護航道為1.2； LPP為最大船舶兩柱間長度（m），一般可按LPP=（0.94～0.97）L0，詳細可按日本規范推薦的公式計算，T為最大船舶滿載吃水（m）；D0為航道轉彎段設計水深（m）； φ為航道轉向角度（°）。

由表2兩種公式計算結果可知，經驗公式計算值偏小，以手冊公式結果來進行判斷，則加寬后的航道寬度應大于275.25m。本工程φ=30°，采用切角法加寬后，轉彎段航道最小寬度為303m，滿足設計手冊要求。

船模試驗

進港航道內單向通航模擬試驗選取自然條件分別為漲、落潮平均流速滿載進、出港、風速選取6級、風向為最不利橫風的條件組合，進出港試驗的主航道航速為6～8節，支航道的航速為4～5節。漲潮、風向045°、風力6級為最不利組合，最不利組合情況下（進港航跡帶見圖1）。

模擬試驗表明：15萬噸級油輪進出港單向通航的航跡帶寬度為110m，15萬噸級油輪進出港單向通航支航道所需單向航道寬度為210m，本工程支航道設計寬度241m，進出港航道寬度滿足設計代表船型進出港單向通航航道寬度的要求。

模擬操作過程表明，15萬噸級油船進出港由主航道轉入支航道及由支航道轉入港池水域，需要較高的操船水平，存在一定的風險，船舶在支航道受風流影響漂移較大，船位容易偏向西北側，船舶在支航道的船位距離航道邊界最近的距離僅為20m，特別是防波堤堤頭的流場突變的特點，使該段的船舶操作較困難。為保障15萬噸級油船安全順利通過支航道，經與當地引航員共同反復操作試驗，建議對支航道及與主航道、港池水域銜接段進行優化設計，使支航道與港池銜接段成喇叭口形態，擴大港池操作水域。

航道尺度優化

根據已開挖航道測量資料比較，支航道開挖后年回淤厚度為0.6～1.22m，維護性疏浚量很大，從工程改造經濟角度分析，結合主航道規劃，南側泊位改造后支航道暫按底標高-14.5m進行維護，對應的航道設計水深為15.93m。根據經驗公式來計算轉彎半徑，見表3。

根據表3計算結果并結合船模試驗結論，最終確定轉彎段航道轉彎半徑取8L即2192m，轉彎段仍采用切角法加寬。

優化后的支航道及與主航道連接段見圖3，支航道與港池銜接段見圖4，圖中斜線區域為優化后增加的可航行水域。

結語