孫 利 劉 嵩 次洪恩

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

液化氣船有多種貨罐形式，A 型艙是其中一種，多用于裝載溫度高于-55℃的貨品，如典型的VLGC（very large gas carrier）。A 型艙的形狀為多邊棱柱型，可以較好地利用船體空間，艙容利用率高。A 型艙的分艙設(shè)計(jì)是這類液化氣船的設(shè)計(jì)要點(diǎn)之一。包括運(yùn)輸船重要設(shè)計(jì)指標(biāo)貨艙艙容、典型裝載的浮態(tài)、輕載工況的螺旋槳浸沒、視線以及船體總縱彎矩水平等設(shè)計(jì)要素都受貨艙分艙設(shè)計(jì)的影響；反之，他們也制約著貨艙分艙設(shè)計(jì)方案。此外，液化氣船A 型艙分艙設(shè)計(jì)的另一約束要素是2014年新的IGC 規(guī)則［1］對于貨罐位置的要求。文獻(xiàn)［2］系統(tǒng)地簡述了全冷型VLGC 總體方面主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)，其中詳解了IGC 規(guī)則對于A 型艙貨罐位置的間隙要求。

A 型艙的分艙設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面：貨罐典型中橫剖面形狀、橫艙壁位置以及內(nèi)殼折角設(shè)計(jì)。貨艙區(qū)船體中橫剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)多是針對結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方面，如文獻(xiàn)［3］提出了基于可靠性的船體中剖面設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn)［4］融入支持向量機(jī)這一機(jī)器學(xué)習(xí)算法提出了快速的船體中橫剖面多目標(biāo)優(yōu)化方法。文獻(xiàn)［5］介紹了全冷式液化氣船菱形獨(dú)立艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)與方法，包括貨罐主要構(gòu)件尺寸、設(shè)計(jì)載荷、溫度場計(jì)算以及支座設(shè)計(jì)等方面。本文更多針對前期對于主體方案的快速反饋，貨艙典型中橫剖面的結(jié)構(gòu)尺寸雖然對于整船重量有較大關(guān)系，但當(dāng)主尺度基本確定后，中橫剖面對于結(jié)構(gòu)空船質(zhì)量的影響會(huì)相對固定，而貨艙中橫剖面的形狀，如貨罐的上下斜邊角度、貨罐邊長的寬度，這些要素對于前期確定貨艙艙容，典型裝載浮態(tài)等信息更為關(guān)鍵。

而在橫艙壁位置優(yōu)化，文獻(xiàn)［6］對超大型油船壓載艙分艙優(yōu)化進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［7］以降低總縱彎矩為主要優(yōu)化目標(biāo)，考慮了完整穩(wěn)性、破艙穩(wěn)性、溢油指數(shù)等方面約束條件下的油船貨艙區(qū)邊倉分艙優(yōu)化設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)［8］基于多目標(biāo)優(yōu)化算法，以艙壁位置為優(yōu)化變量，提出了滾裝船多重指標(biāo)方案決策設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn)［9］則提出了一種簡化的全船彎矩剪力計(jì)算方法并將其應(yīng)用于船體艙壁位置優(yōu)化設(shè)計(jì)中。本文所針對的橫艙壁優(yōu)化主要是分隔貨艙的主橫艙壁位置優(yōu)化。貨艙主橫艙壁位置的不同對于貨罐容積的分配、貨罐與船體外板間隙要求都有影響。通過橫艙壁位置解決破艙穩(wěn)性問題主要是針對壓載艙的邊倉水量分配問題；而通過分艙降低全船總縱彎矩剪力水平需要更多的裝載工況支撐，尤其是壓載水置換工況對于全船彎矩剪力水平影響更大，而對于總體方案設(shè)計(jì)前期，這些條件顯然不夠充分，而且通過貨艙主橫艙壁位置移動(dòng)對于彎矩剪力水平的影響是有限的。因此，破艙穩(wěn)性與總縱彎矩剪力水平不作為A 型貨艙分艙優(yōu)化設(shè)計(jì)法（parametric optimization method for subdivision of type A tanks，POMSA）的主要考慮因素。

內(nèi)殼折角優(yōu)化在油船領(lǐng)域研究最為廣泛，文獻(xiàn)［10-11］針對油船貨艙區(qū)內(nèi)殼折角設(shè)計(jì)問題，提出了一種新的內(nèi)殼參數(shù)化建模方法，并以裝載浮態(tài)、螺旋槳浸沒、視線、和彎矩剪力限制等為約束條件，貨艙容積最大化為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合遺傳優(yōu)化算法，提出了一種油船貨艙內(nèi)殼折角優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。其方法理念對于全冷式液化氣船貨艙分艙優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的建立具有一定的借鑒價(jià)值。

對于液化氣船A 型艙前期總體設(shè)計(jì)，貨罐典型中橫剖面形狀、橫艙壁位置以及內(nèi)殼折角設(shè)計(jì)這三項(xiàng)設(shè)計(jì)工作是相輔相成，相互影響，在設(shè)計(jì)時(shí)需要一并考慮優(yōu)化。針對前期設(shè)計(jì)經(jīng)常需要伴隨頻繁的方案變更并要求快速反饋響應(yīng)的問題，本文提出了一種基于參數(shù)化建模的液化氣船A 型貨艙的分艙優(yōu)化設(shè)計(jì)方法（POMSA）。POMSA 可以綜合考慮中橫剖面形狀優(yōu)化、貨艙主橫艙壁位置優(yōu)化以及貨罐內(nèi)殼折角優(yōu)化問題，并通過引入一些半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)關(guān)系大幅降低優(yōu)化問題設(shè)計(jì)變量的數(shù)量，提高了優(yōu)化效率。為避免局部收斂并提高優(yōu)化效率，POMSA 采用了非劣排序遺傳算法NSGA-II（nondominated sorting genetic algorithm）和局部快速收斂優(yōu)化算法（Hooke-Jeeves 直接搜索法）相結(jié)合的優(yōu)化問題求解方法。

本文首先具體介紹POMSA 的核心——融入了半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)關(guān)系的液化氣船A 型艙貨艙分艙的參數(shù)化建模方式；其次，介紹了POMSA 的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型以及優(yōu)化平臺(tái)搭建等優(yōu)化策略問題；最后，本文將以某VLGC 實(shí)際設(shè)計(jì)案例為研究對象，介紹POMSA 的應(yīng)用情況。

1 A 型艙參數(shù)化分艙建模方法

A 型艙的分艙建模主要分三項(xiàng)工作：首先是貨艙典型中橫剖面形狀設(shè)計(jì)，然后是各貨罐前后端壁位置設(shè)計(jì)，最后是貨罐內(nèi)殼折角線設(shè)計(jì)。本章將分別對這三項(xiàng)工作的參數(shù)化建模方法予以介紹。

本文所有參數(shù)化建模工作均基于NAPA 軟件平臺(tái)，并應(yīng)用NAPA BASIC 語言進(jìn)行開發(fā)［12］。

1.1 貨艙典型中橫剖面形狀參數(shù)化建模

根據(jù)假定，船體主尺度與線型為已知輸入，與典型貨艙中橫剖面形狀相關(guān)的船寬、型深、主甲板梁拱以及舭部半徑等都作為已知條件。A 型貨罐的橫剖面基本形狀為經(jīng)典的八邊形，主要控制參數(shù)如圖1 所示。

圖 1 貨艙典型中橫剖面控制參數(shù)示意圖

控制貨罐橫剖面形狀的基本參數(shù)包括：

（1）兩個(gè)貨罐斜邊傾角角度：a1和a2；

（2）上中下貨罐三個(gè)半寬尺寸：x1、x2和x3；

（3）貨罐高度范圍上下邊界：h1和h2。

此外，貨艙區(qū)的頂邊壓載艙和底部壓載艙的形狀尺寸可以通過與貨罐相關(guān)的C1、C2、C3和C4四個(gè)間距參數(shù)控制。這里隱藏一個(gè)關(guān)系，即壓載艙的頂邊斜板以及底邊斜板與貨罐的兩個(gè)斜邊是相互平行的。

1.2 貨罐端壁位置參數(shù)化建模

A 型貨罐端壁位置與貨艙主橫艙壁位置相關(guān)。由于考慮校驗(yàn)通道，根據(jù)IGC 要求，對貨罐與主橫艙壁與其附屬結(jié)構(gòu)的間隙有具體限制。因此，確定了貨艙主橫艙壁的縱向位置，也就基本確定了每個(gè)貨罐前后端壁的縱向位置。此外，當(dāng)船體主尺度基本確定后，根據(jù)母型船或經(jīng)驗(yàn)可預(yù)先確定全船共有幾個(gè)貨艙，因此，貨艙主橫艙壁的數(shù)量不會(huì)作為變量參數(shù)。參見圖 2。

圖 2 某VLGC 典型貨艙縱向分艙控制參數(shù)示意圖

A 型艙貨罐端壁的位置可由以下參數(shù)確定：

（1）貨艙主橫艙壁間距：L1、L2、L3以及貨艙段總長度L-CH；

（2）貨罐距貨艙主橫艙壁正反面（包含骨材與否的兩面）的間距：D1和D2。

1.3 貨罐內(nèi)殼折角參數(shù)化建模

貨罐內(nèi)殼折角的本質(zhì)上就是在貨艙區(qū)縱向分布的類似于圖 1 的若干橫剖面形狀，隨著船體線型的變化，不同縱向位置的貨罐橫剖面形狀大小會(huì)隨

圖 3 典型VLGC 內(nèi)殼折角橫剖面形狀

根據(jù)1.1 節(jié)對典型中橫剖面貨罐的控制參數(shù)設(shè)計(jì)可知，每個(gè)貨罐橫剖面包含7 個(gè)控制參數(shù)?？紤]與典型中橫剖面形狀相似特性，可以扣除具有平行關(guān)系的a1和a2參數(shù)，以及由于全船貨罐整體高度一致關(guān)系的h1和h2。這樣，除典型中橫剖面外，其余每個(gè)內(nèi)殼折角剖面只需要3 個(gè)參數(shù)控制剖面形狀，即Xi1、Xi2和Xi3，再加上Si控制內(nèi)殼折角剖面縱向位置（i=1，2，3…n，其中n為內(nèi)殼折角剖面數(shù)量）。

但是通過實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，通過3 個(gè)半寬參數(shù)對貨罐內(nèi)殼剖面形狀進(jìn)行控制帶來的設(shè)計(jì)域太大，優(yōu)化算法的收斂速度很慢，而且優(yōu)化結(jié)果往往不盡人意。其實(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以知道，如果希望得到最大的貨罐總艙容，當(dāng)內(nèi)殼折角剖面的縱向位置確定后，只要每個(gè)剖面對應(yīng)的剖面面積最大即可。因此，根據(jù)這一原則，本文提出了一套基于內(nèi)殼折角橫剖面面積最大化且滿足IGC 對于貨罐與船體外板間隙要求的A 型貨罐內(nèi)殼形狀快速確定方法QMISDA（quick method of inner-hull shape design for type A tank）。此外，通過引入松弛變量ε直接控制貨罐與船體外板間隙裕度，QMISDA 可以對剖面面積和形狀進(jìn)行有效調(diào)節(jié)控制，增大貨罐內(nèi)殼設(shè)計(jì)的靈活性。

QMISDA 的主要設(shè)計(jì)輸入包括：

（1）船體線型與主尺度要素；

（2）典型中橫剖面貨罐形狀參數(shù)（見圖 1）；

（3）每個(gè)貨罐前后端壁位置（見圖 2）；

（4）貨罐內(nèi)殼折角數(shù)量以及每個(gè)折角剖面的縱向位置Si（i=1， 2， 3，…n；n為內(nèi)殼折角數(shù)量）；

（5）每個(gè)貨罐內(nèi)殼剖面與外板間隙裕度松弛變量εi；

（6）內(nèi)殼剖面最小邊長限制參數(shù)ΔL；

（7）最大迭代次數(shù)MaxRunCounter（為避免由于錯(cuò)誤進(jìn)入死循環(huán)）。

QMISDA 的主體基本流程為（參見下頁圖 4）：

（1）初始化以上輸入?yún)?shù)；

（2）基于NAPA 軟件平臺(tái)的NAPA BASIC 語之變化。以典型的VLGC 尺度船型為例，為達(dá)到最大化貨艙艙容，包括貨艙區(qū)首尾兩個(gè)剖面全船一般會(huì)有5～6 個(gè)特征橫剖面形狀，如圖 3 所示。從尾部到首部，貨艙區(qū)在位置S1～S6處對貨罐內(nèi)殼進(jìn)行折角變化。言，參數(shù)化創(chuàng)建內(nèi)殼與艙室模型；

圖4 QMISDA 主體流程

（3）設(shè)置RunCounter=1；

（4）計(jì)算并獲取貨罐容積V.j（j=1， 2， …m。m為貨罐數(shù)量）；

（5）根據(jù)IGC 規(guī)則2.4 節(jié)要求，計(jì)算每個(gè)貨罐與船殼間最小間隙要求RdisC.j；

（6）如果RunCounter=1，進(jìn)行步驟（7）。否則，進(jìn)行步驟（15）；

（7）遍歷內(nèi)殼所有折角位置Si，根據(jù)折角位置所對應(yīng)貨罐范圍，獲取每個(gè)折角位置對應(yīng)的內(nèi)殼與船殼間隙要求Rdis.i；

（8）在Si處，創(chuàng)建典型剖面形狀剖線Sec.i；

（9）獲取Sec.i和船殼Si縱向位置橫剖線間最小間距dis.i；

（10）如果dis.i

（11）根據(jù)幾何關(guān)系判斷，Si處內(nèi)殼剖線是否為底邊角點(diǎn)A超出限界線。如果是，進(jìn)入子過程2；否則表示只有內(nèi)殼剖線的下邊點(diǎn)B超出限界線，則進(jìn)入子過程3；

（12）更新內(nèi)殼與艙室模型；

（13）RunCounter=RunCounter+1；

（14）返回步驟（4）；

（15）判斷如果RunCounter>MaxRunCounter，轉(zhuǎn)入步驟（17）；如果否，轉(zhuǎn)入步驟（16）；

（16）以Δs= 0.5 m 為間隔，剖切貨罐，判斷每個(gè)剖線與船殼最小間距，是否大于RdisC.j，如果是，轉(zhuǎn)入步驟（17）；否則，轉(zhuǎn)入步驟（7）；

（17）程序結(jié)束。

當(dāng)Si處內(nèi)殼剖面直接使用典型中橫剖面形狀參數(shù)后，無法滿足IGC 對于貨罐間隙的要求，則需要對這些折角位置進(jìn)行剖面形狀參數(shù)重新確定，根據(jù)是否包含底邊角點(diǎn)A超出間隙要求限界線的情況判斷，分兩種子過程方法確定該內(nèi)殼剖面形狀參數(shù)。具體原理如下解釋：

i.子過程2（參考圖 5 和圖 6 左側(cè)示意圖）

圖 5 QMISDA-內(nèi)殼初始剖面下邊點(diǎn)B超出限界線剖面參數(shù)更新方法

圖 6 子過程2幾何關(guān)系參考示意圖

i1）引入間隙松弛變量εi，確定該折角剖面目標(biāo)間隙RA=Rdis.i+εi；

i2）截取Si位置船殼橫剖線，并向船體內(nèi)側(cè)偏置RA，形成新的剖線CC1；

i3）沿軌跡線CC1，遍歷P2.k（k為每次遍歷循環(huán)的代號(hào)）；

i4）考慮最小邊長ΔL的限制，確定第k次遍歷的剖面形狀參數(shù)W1.k、W2.k、W3.k；

i5）計(jì)算第k次遍歷得到的剖面橫剖面積SecA.k；

i6）經(jīng)過循環(huán)，比較得到最大橫剖面積SecA.max 對應(yīng)的剖面形狀參數(shù)W1、W2和W3；

i7）返回結(jié)果，Si的內(nèi)殼折角剖面形狀參數(shù)Xi1=W1，Xi2=W2，Xi3=W3。

ii.子過程3（參考下頁圖 7 和圖 8 示意圖）

ii1）同i1）；

ii2）同i2）；

ii3）獲取船殼底角段平均角度θ1，該段橫剖線取高度范圍H1～H1+ΔL；

ii4）判斷如果θ1>180-a1，則轉(zhuǎn)入步驟ii8），（參考示意圖 8 左半邊剖面）；否則，轉(zhuǎn)入步驟ii5），（參考示意圖 8 右半邊剖面）；

ii5）獲得CC1 在高度h1處交點(diǎn)P3；

ii6）確定W1，即P3至中心線的水平距離；

ii7）遍歷內(nèi)殼特征寬度W2.k，W2.k∈（W1+ΔL，X2），并轉(zhuǎn)入步驟ii9），其中k為每次遍歷循環(huán)的代號(hào)；

ii8）同i3）；

ii9）同i4）；

ii10）同i5）；

ii11）同i6）；

ii12）同i7）。

至此，貨罐的內(nèi)殼參數(shù)化建模方法就完成了。通過圖 1 可知，貨艙區(qū)的頂邊壓載艙和底邊壓載艙的艙壁與貨罐內(nèi)殼是相互關(guān)聯(lián)平行的關(guān)系，僅有設(shè)定的固定間隙參數(shù)確定。因此，貨罐內(nèi)殼折角一經(jīng)確定，貨艙區(qū)壓載艙的幾何形狀和艙容也就相應(yīng)確定了。

圖7 QMISDA-內(nèi)殼初始剖面底邊角點(diǎn)A超出限界線剖面參數(shù)更新方法

圖8 子過程3幾何關(guān)系參考示意圖

2 A 型艙分艙優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

在第1 章，對液化氣船A 型艙的貨艙分艙進(jìn)行了參數(shù)化建模。本章將設(shè)計(jì)具體優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，以最終確定給定條件和目標(biāo)下的貨艙最優(yōu)分艙參數(shù)結(jié)果。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

同其他運(yùn)輸船一樣，對于液化氣船前期方案設(shè)計(jì)，首先最為關(guān)心的問題就是在滿足一系列約束條件下貨罐容積能否做到最大化。貨罐容積最大化意味著在同樣船體尺度與空船質(zhì)量下，可以裝載更多的貨品，載重量更大，艙容利用率更高。

因此，本文選用以全船貨罐總?cè)莘e最大為設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)。

式中：m為貨罐數(shù)量，個(gè)；V.j為第j個(gè)貨罐艙容，m3。

2.2 設(shè)計(jì)變量

根據(jù)第1 章參數(shù)建模方法可知，以某典型VLGC，4 個(gè)貨艙，6 個(gè)內(nèi)殼折角位置為例，整個(gè)貨艙的分艙形狀主要由以下參數(shù)控制：

（1）貨罐典型中橫剖面形狀控制參數(shù)：a1、a2、x1、x2、x3；

（2）貨罐端壁的位置控制參數(shù)：L1、L2、L3；

（3）貨罐內(nèi)殼折角形狀控制參數(shù)：Si（i=2，3，…5），εi（i=1，3，…6），其中S1和S6由于為貨艙區(qū)首尾兩個(gè)剖面，位置已由貨艙起止位置確定。為避免內(nèi)殼折角位置S1～S6的相對前后關(guān)系正確，將Si位置參數(shù)轉(zhuǎn)換成相對距離參數(shù)li，i-1：

總計(jì)18 個(gè)參數(shù)，均作為設(shè)計(jì)變量。另外，其他形狀參數(shù)均作為輔助參數(shù)，預(yù)先設(shè)定固定值，如貨罐內(nèi)殼與頂、底邊壓載艙艙壁間隙C1，C2、C3、C4，以及貨罐頂邊和底邊高度h1和h2等。

以上設(shè)計(jì)變量的設(shè)計(jì)范圍根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或參考母型船設(shè)定。

2.3 約束條件

液化氣船A 型艙分艙設(shè)計(jì)在前期主要考慮的設(shè)計(jì)約束包括：

（1）船東要求的最低貨罐總艙容

全船貨罐總艙容指標(biāo)往往是船東最重要也是最基本的設(shè)計(jì)要求。如果經(jīng)過分艙優(yōu)化設(shè)計(jì)無法滿足這一設(shè)計(jì)約束，可能意味著全船主尺度或線型需要重大調(diào)整。

（2）IGC 規(guī)范要求的貨罐位置與船殼間隙要求

該條是規(guī)范的硬性要求，必須滿足。不過根據(jù)本文的設(shè)計(jì)方法，IGC 規(guī)則對于貨罐位置的要求已反應(yīng)在QMISDA 中，因此在優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中無需體現(xiàn)。

（3）輕載工況的螺旋槳浸沒以及視線要求

這兩條要求主要與貨艙壓載水量相關(guān)，并基本都反映在液化氣船的壓載到港工況。

（4）工藝要求

主要是對于貨罐的棱邊長度進(jìn)行限制，該約束也已在QMISDA 通過邊長限制參數(shù)ΔL的設(shè)定予以反映。

（5）典型中橫剖面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮

典型貨罐剖面的形狀設(shè)計(jì)其實(shí)離不開結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的考慮，尤其是貨罐中橫剖面頂邊邊長對于主甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)橫梁跨距影響極大。然而，在方案設(shè)計(jì)初期，交叉考慮總體設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化有一定復(fù)雜度，因此，目前的做法是：參考母型船設(shè)計(jì)，通過引入對變量X1 的范圍限制來控制其對甲板強(qiáng)梁跨距的影響。在以后，可考慮對POMSA 方法進(jìn)行功能拓展，融入更多前期主要學(xué)科設(shè)計(jì)因素。

此外，隨著設(shè)計(jì)的不斷深入，還可以包含以下附加設(shè)計(jì)約束。

（6）全船總縱靜水彎矩剪力水平小于某設(shè)計(jì)值

這主要是考慮貨艙與壓載艙縱向分布優(yōu)化，以減少特征工況的總縱彎矩剪力水平，從而降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸。

（7）浮態(tài)與最小首吃水要求

這條要求與（6）相似，主要也還是考慮貨艙與壓載艙的縱向分布優(yōu)化，盡量控制縱傾水平，以及首部吃水，從而降低首部抨擊影響。

針對作為方案設(shè)計(jì)前期的快速反饋特點(diǎn)，約束（1）～（5）已基本滿足對于整體方案大方向的判斷需求，而（6）和（7）需要更多詳細(xì)的工況支撐，可變化的影響因素也更多，如浮心位置、配載方式等。本文主要針對前期快速反饋能力，因此，僅將（1）～（5）作為優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件。

2.4 優(yōu)化平臺(tái)與算法策略

本文選用iSIGHT 商業(yè)優(yōu)化軟件作為POMSA的優(yōu)化設(shè)計(jì)基本平臺(tái)。iSIGHT 集成了許多優(yōu)秀的優(yōu)化算法以及靈敏度分析、近似模型等輔助設(shè)計(jì)工具。此外，它還提供了良好而豐富的軟件接口和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)文本信息提取與寫入功能。

本文以NAPA 為主體參數(shù)化建模和總體計(jì)算分析模塊，利用iSIHGT 的軟件接口集成功能和數(shù)據(jù)讀寫功能與NAPA 進(jìn)行連接，再結(jié)合Excel 等輔助數(shù)據(jù)處理模塊，搭建整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)。

關(guān)于優(yōu)化算法，本文采用一種探索型全局優(yōu)化算法（非劣排序遺傳算法，NSGA-II）結(jié)合局部快速收斂優(yōu)化算法（Hooke-Jeeves 直接搜索法）的組合算法策略求解優(yōu)化模型，既降低局部收斂概率又可提高優(yōu)化整體收斂速度。

3 應(yīng)用POMSA 的84 000 m3 VLGC貨艙分艙優(yōu)化

在這一章將應(yīng)用本文提出的POMSA 方法對某84 000 m3VLGC 進(jìn)行貨艙分艙優(yōu)化，該船基本主尺度信息如表1 所示。

表 1 84 000 m3 VLGC主尺度參數(shù)

3.1 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置如表 2 所示。

表 2 輔助參數(shù)設(shè)置

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

經(jīng)過優(yōu)化迭代，得到如表3 優(yōu)化結(jié)果：

表3 優(yōu)化結(jié)果

除典型橫剖面形狀參考了某母型船參數(shù)作為初始值，主橫艙壁的縱向位置以及折角線縱向位置均以貨艙區(qū)長度等分得到初始值。從結(jié)果可以看出，應(yīng)用POMSA 可在滿足給定約束條件下對貨艙分艙形狀予以優(yōu)化。該例最終優(yōu)化結(jié)果貨艙容積遠(yuǎn)超人為初始定義方案，且內(nèi)殼形狀較初始內(nèi)殼更為合理，優(yōu)化前后內(nèi)殼形狀參見下頁圖 9。

從圖9 可以看出，相對于初始方案的折角剖面縱向位置均分的做法，優(yōu)化后的結(jié)果將折角剖面更多的布置在靠近貨艙區(qū)首尾的位置，該區(qū)域由于線型相對船舯更消瘦、曲率更大，船舯區(qū)域線型則更平緩。由于內(nèi)殼距離外板間隙的要求，導(dǎo)致貨倉首尾必然剖面內(nèi)縮，而船舯線型平緩區(qū)域?qū)o定中橫剖面形狀基本可以滿足間隙要求，無需調(diào)整。在給定折角剖面最大數(shù)量的情況下，將折角剖面盡可能布置在線型曲率變化較大的區(qū)域更能提高艙容利用率。因此，該方法的優(yōu)化結(jié)果是合理有效的。

圖9 貨罐內(nèi)殼優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié) 語

本文針對液化氣船A 型艙的貨艙分艙設(shè)計(jì)問題，提出了一種參數(shù)化建模為核心的液化氣船A型艙分艙優(yōu)化設(shè)計(jì)方法——POMSA。該方法為減少優(yōu)化變量，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)引入了A 型貨罐內(nèi)殼形狀快速確定方法——QMISDA，相對普通全參數(shù)分艙設(shè)計(jì)方法節(jié)省了近一半設(shè)計(jì)變量，大大縮短了優(yōu)化迭代時(shí)間，提高了優(yōu)化效率。以貨罐總艙容最大化為目標(biāo)函數(shù)，貨艙分艙主要控制參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，引入船東設(shè)計(jì)要求、規(guī)則規(guī)范、工藝、浮態(tài)等多方面要素為設(shè)計(jì)約束構(gòu)成了POMSA 的基礎(chǔ)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；以iSIGHT 優(yōu)化軟件為基礎(chǔ)平臺(tái)，連接NAPA 作為參數(shù)化建模與總體性能分析模塊，搭建了POMSA 的主體優(yōu)化平臺(tái)。此外，通過對某84 000 m3VLGC 的POMSA 方法的實(shí)際應(yīng)用，證明了該方法可在方案設(shè)計(jì)階段為設(shè)計(jì)者快速地提供一套優(yōu)秀的貨艙分艙設(shè)計(jì)方案，可方便設(shè)計(jì)者在尺度及線性等總體優(yōu)化層面上得到更加準(zhǔn)確且快速的貨艙分艙方案支撐，對于A 型艙液化氣船總體優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效的反饋手段。