導(dǎo)語：如何才能寫好一篇船舶優(yōu)化設(shè)計，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞：船舶海洋工程管線優(yōu)化

中圖分類號：S611文獻標識碼： 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)濟已列入各沿海國家的發(fā)展戰(zhàn)略。海洋開發(fā)和利用除了需要先進的海洋工程技術(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)提供了極好的機遇。作為未來世界經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，海洋工程和海洋開發(fā)潛力非常巨大。近幾年，全世界對浮式生產(chǎn)系統(tǒng)的新增需求達到約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)儲油裝置)仍將是全球浮式生產(chǎn)市場的建造熱點,該船型集生產(chǎn)、儲油、運輸多項功能于一身，是當(dāng)前國際海上石油開發(fā)生產(chǎn)設(shè)施的主流形式。隨著生產(chǎn)向深海的不斷進入，F(xiàn)PSO船的優(yōu)勢將會更充分顯現(xiàn)出來。中國海洋石油開發(fā)總公司也需要較大數(shù)量的海洋平臺、多艘FP-SO平臺，用于海洋開發(fā)建設(shè)的資金達到了數(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)平臺廠相比其優(yōu)勢正是在這類浮式結(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，這就與船舶有了相近的技術(shù)要求。這種天然優(yōu)勢為船舶工業(yè)迅速占領(lǐng)深海平臺市場創(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)競爭日趨激烈，國際石油商對從發(fā)現(xiàn)油氣到生產(chǎn)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(chǎn)現(xiàn)場， 從而大大縮短深海油氣的開發(fā)時間。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)展的一個重要特點。相對于已經(jīng)成熟的船舶工業(yè)來說，海洋開發(fā)裝備業(yè)是一個新興產(chǎn)業(yè)，正在發(fā)展過程中，據(jù)專家估計,目前及未來幾年,僅油氣開發(fā)生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)的需求,海洋開發(fā)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(yè)會參與更多的海洋工程結(jié)構(gòu)物的建造。

管線幾何優(yōu)化設(shè)計

管道隔振支座最佳布置設(shè)計優(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)化計算來得到，本研究僅針對支座力學(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度( 應(yīng)力) "剛度( 位移和變形) "穩(wěn)定性( 屈曲) 和動力學(xué)特性( 管線固有頻率和管線響應(yīng)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(yōu)化數(shù)學(xué)模型中考慮應(yīng)力"位移"固有頻率"穩(wěn)定性和評價點在指定頻率區(qū)間的振級落差等約束條件簡化的支座布局幾何優(yōu)化設(shè)計模型見圖所示，通常選取支座數(shù)目和支座位置為設(shè)計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實現(xiàn)布局優(yōu)化!當(dāng)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(yōu)化模型

2.管道隔振支座布置設(shè)計優(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

進行求解!考慮到計算效率的問題，需采用變步長的迭代優(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，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，其計算效率有賴于迭代步長的選擇!對于特定的管道結(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，即使迭代步長為常數(shù)，依然能夠獲得較好的計算效率，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，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(yōu)化模型迭代解法

由管線各目標函數(shù)下的優(yōu)化結(jié)果可知，三種目標函數(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，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，計算效率較為理想，但以關(guān)聯(lián)支座造價為目標函數(shù)下的優(yōu)化模型與其他兩個模型相比迭代次數(shù)較多，將幾何優(yōu)化設(shè)計方法所得優(yōu)化結(jié)果與規(guī)范設(shè)計方法優(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)支座造價為目標函數(shù)的優(yōu)化模型，采用幾何方法時，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，其計算過程較規(guī)范設(shè)計方法更為穩(wěn)定，結(jié)果更為可靠!

總體來看，兩種設(shè)計方法所得優(yōu)化結(jié)果是相一致的，幾何優(yōu)化設(shè)計方法是可行的!在幾何優(yōu)化設(shè)計方法中，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，其計算效率明顯低于規(guī)范設(shè)計方法，但較多的迭代次數(shù)同時也保證了迭代過程的穩(wěn)定性，使計算結(jié)果更為可信!因此，尚須進一步研究更為穩(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)計方法優(yōu)化結(jié)果進行了比較，證明了幾何優(yōu)化設(shè)計模型及方法的可行性，并得到了與規(guī)范設(shè)計方法中相一致的結(jié)論: 以管線最大下垂或管線結(jié)構(gòu)應(yīng)變能為目標函數(shù)的隔振支座布局模型計算過程更為穩(wěn)定高效"優(yōu)化結(jié)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(shè)計實用手冊

[3] 海洋石油工程設(shè)計概論與工藝設(shè)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

篇2

【關(guān)鍵詞】 導(dǎo)標；配布；雙向航道；黃驊港

0 引 言

黃驊港煤炭港區(qū)是我國“三西”地區(qū)煤炭外運第二通道出海口，也是北煤南運和冬季電煤運輸?shù)闹匾劭?，全港區(qū)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(qū)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(qū)的開發(fā)擴容，其吞吐量迅速攀升并實現(xiàn)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(qū)能源供應(yīng)發(fā)揮了十分重要的作用。本文結(jié)合黃驊港煤炭港區(qū)7萬噸級船舶雙向通航航道擴寬工程，針對港區(qū)通航重要輔助設(shè)施導(dǎo)標的配布調(diào)整進行分析和優(yōu)化設(shè)計。

1 航道現(xiàn)狀

黃驊港煤炭港區(qū)5萬噸級船舶重載雙向航道總長約44 km，內(nèi)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(qū)航道雙向通航推進會”，規(guī)定外航道里程尺度（見圖1）～ m航段內(nèi)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(dǎo)標現(xiàn)狀

2.1 導(dǎo)標布置情況

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

2.2 導(dǎo)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(shè)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(shè)計底邊線。

經(jīng)調(diào)研，內(nèi)航道導(dǎo)標使用效果較好；外航道導(dǎo)標受能見度、導(dǎo)標背景條件、導(dǎo)標終導(dǎo)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(guī)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(wù)水平產(chǎn)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(chǎn)生應(yīng)有的經(jīng)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(shè)施的完善，將使煤炭港區(qū)防波堤口門處橫流有所改善。因此，有必要調(diào)整現(xiàn)狀航道的通航規(guī)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(yīng)調(diào)整燈浮標，航道設(shè)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(jié)合煤炭運輸船舶重載出港、壓載進港的特點，利用現(xiàn)狀航道（航道挖槽寬度不變）北側(cè)邊坡水域作為可利用的通航水域，確定現(xiàn)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(xué)品船等液體散貨船及10萬噸級散貨船，仍按現(xiàn)狀通航規(guī)則，采用單向通航。

4 導(dǎo)標調(diào)整方案

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

4.1 內(nèi)航道導(dǎo)標調(diào)整方案設(shè)計

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

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

4.2 方案比選

從導(dǎo)標引導(dǎo)效果來看，方案1和方案2均能保證導(dǎo)標有較好的引導(dǎo)效果。方案1符合引航習(xí)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(guī)范要求的問題；方案2滿足規(guī)范要求，但與引航習(xí)慣要求不一致。

經(jīng)綜合比較后發(fā)現(xiàn)，方案1基本接近規(guī)范要求，且移標數(shù)量少，工程費用低，又能滿足引航部門的習(xí)慣要求。因此，推薦方案1作為導(dǎo)標調(diào)整方案（見圖5）。

4.3 導(dǎo)標使用規(guī)則

4.3.1 單向通航

（1）進出港船舶觀察導(dǎo)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(dǎo)標使用規(guī)則如下：

（1）進出港船舶應(yīng)觀察導(dǎo)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(cè)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。

篇3

[關(guān)鍵詞]船舶結(jié)構(gòu)；發(fā)展現(xiàn)狀；結(jié)構(gòu)簡化；魯棒性；優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

早年建造的鋼質(zhì)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(jié)構(gòu)。這種船型貨艙底二側(cè)設(shè)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(jié)構(gòu)抗扭性較好，剛度較大，使用壽命也較長?，F(xiàn)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(jié)構(gòu)從模型試驗來看，抗扭效果、穩(wěn)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(fā)生。這一演變引起我們極大的關(guān)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(xiàn)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(guān)巨大的波浪外載荷等外力會引起板材蠕動、材質(zhì)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(fù)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(fā)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(guān)。

（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(jié)構(gòu)最為科學(xué)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其道理就在樹干上長出許多樹叉，樹叉的根部即樹的節(jié)疤，將樹木展開就可看到不在同一高度的許多節(jié)疤，這一高一低的節(jié)疤就是“訣竅”，造船業(yè)如果引進這一結(jié)果，可使艙壁加固，抗扭性可大大提高，舷側(cè)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(jīng)濟效益。通過計算，采用新的結(jié)構(gòu)形式，船舶自重可以較大幅度地減輕。

2.船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法

船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，就是要尋求合理的結(jié)構(gòu)形式和適當(dāng)?shù)臉?gòu)件尺寸，使船體結(jié)構(gòu)在滿足強度、剛度、穩(wěn)定性及頻率等條件下具有較好的力學(xué)性能、工藝性能、經(jīng)濟性能及使用性能。隨著計算機的普及和計算技術(shù)的發(fā)展，建立在計算機分析和模擬基礎(chǔ)上的船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計通過吸收有關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的研究成果，借鑒相關(guān)工程學(xué)科的共同規(guī)律，已取得了卓有成效的進展在可靠性設(shè)計方面進行了大量的基礎(chǔ)性工作在以人工智能原理和專家系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)的智能型設(shè)計方法方面進行了開創(chuàng)性的研究在綜合評估船舶結(jié)構(gòu)性能方面進行了探索性的工作。這些研究構(gòu)成了船舶結(jié)構(gòu)現(xiàn)代設(shè)計方法的基本內(nèi)容。

2.1多目標模糊優(yōu)化設(shè)計方法

在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，都是根據(jù)確定性條件來進行的，即目標函數(shù)和約束條件都是人為的或按某種規(guī)定給出的，是一個確定的值。而實際上，船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中，約束條件，評價指標及多個評價指標間的協(xié)調(diào)，都包含著許多模糊因素。要處理好涉及模糊因素的優(yōu)化間題，必須借助于模糊數(shù)學(xué)才能獲得令人滿意的結(jié)果。

模糊優(yōu)化設(shè)計大大增加了設(shè)計者選擇優(yōu)化方案的余地，使設(shè)計者對方案的性態(tài)有更深入的了解。模糊優(yōu)化設(shè)計方法研究發(fā)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(shè)計對象，正確確定描述目標函數(shù)滿意度和約束函數(shù)滿足度的隸屬函數(shù)。

2.2基于可靠性的優(yōu)化設(shè)計方法

前蘇聯(lián)首先將概率論和數(shù)理統(tǒng)計方法引入結(jié)構(gòu)設(shè)計之中，形成了安全度理論。以超載系數(shù)、材料勻質(zhì)系數(shù)和工作條件系數(shù)來考慮載荷、材料及環(huán)境的一些隨機性因素，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展成為結(jié)構(gòu)的可靠性理論。

船舶結(jié)構(gòu)可靠性的基本理論和方法，隨設(shè)計目標要求的不同，可以給出不同的船舶結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計準則，一般可分為以下三種。（1）給定結(jié)構(gòu)的可靠度要求，使結(jié)構(gòu)的重量最輕；（2）給定結(jié)構(gòu)的最大允許重量，使結(jié)構(gòu)的可靠度最大或破損概率為最?。唬?）兼顧結(jié)構(gòu)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(shè)計

魯棒設(shè)計是現(xiàn)代設(shè)計方法中的一種重要設(shè)計方法，是提高質(zhì)量特性的一個重要途徑?，F(xiàn)代魯棒設(shè)計方法是在田口方法的基礎(chǔ)上發(fā)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(jié)論：（1）容差模型主要解決設(shè)計變量的變差對目標函數(shù)的影響。設(shè)計變量的變差會以一定的規(guī)律傳遞給目標函數(shù)。基于容差模型法的魯棒設(shè)計要求目標函數(shù)和約束函數(shù)均具有一定的魯棒性。目標函數(shù)魯棒性是指產(chǎn)品特性既要使波動小，又要使偏差小；約束函數(shù)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(shù)對某一設(shè)計變量的偏導(dǎo)數(shù)最小而求得魯棒設(shè)計解。（3）靈敏度分析法主要是通過估計出設(shè)計變量發(fā)生微小波動后對目標函數(shù)和約束函數(shù)影響大小，進而通過這種影響的大小來改變設(shè)計變量以達到改善設(shè)計質(zhì)量的目的。

3.船舶結(jié)構(gòu)簡化方向展望：

現(xiàn)有主船體結(jié)構(gòu)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(shù)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(yù)制，從而減小建造周期和維修難度。新的船體結(jié)構(gòu)形式可以在原有的基礎(chǔ)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(shè)，腸娓部外板僅作適當(dāng)鼓起或凹進處理，使船殼板不易出現(xiàn)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(xiàn)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(jù)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(cè)外板用交叉肋骨，并與縱銜相結(jié)合（或肋骨加斜束腰）。經(jīng)整段有限元對比計算，重量比常規(guī)結(jié)構(gòu)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(yīng)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(xiàn)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(xiàn)垂向瘦馬型時，在肋骨間加斜肘板；出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)剛度，這是比較治本的辦法。（4）散貨船高邊柜內(nèi)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(dāng)好。

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【關(guān)鍵詞】 船舶；風(fēng)機；離心風(fēng)機；優(yōu)化設(shè)計

新時期下，對于設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計是我國工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵途徑，對于風(fēng)機來說也是如此，其應(yīng)用十分廣泛，是很多工業(yè)單位部門中輸送相關(guān)氣體介質(zhì)的關(guān)鍵設(shè)備和核心耗能裝置，提高其工作效率是節(jié)約現(xiàn)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(nèi)外大量相關(guān)科研人員根據(jù)實際運行情況和模擬數(shù)據(jù)對風(fēng)機進行了大量的理論和實驗研究，已經(jīng)對風(fēng)機有了很有效的優(yōu)化。

隨著計算機科學(xué)的不斷進步，利用相關(guān)模擬軟件對實際的風(fēng)機運行情況進行較為真實的模擬，改進其預(yù)發(fā)生的問題，可以很好的對其進行優(yōu)化，節(jié)約了時間和資金。在船舶領(lǐng)域，也有很多種類的風(fēng)機得到應(yīng)用，離心風(fēng)機應(yīng)用在二沖程柴油機啟動和低負荷運行時，需要用離心鼓風(fēng)機提高進氣壓力，完成氣缸掃氣。為了進一步減小風(fēng)機尺寸，節(jié)約金屬材料，對船用風(fēng)機進一步優(yōu)化設(shè)計是很有必要的。要想優(yōu)化風(fēng)機設(shè)計，必須對風(fēng)機內(nèi)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(guān)參數(shù)，進一步分析其內(nèi)部流體特征，細致研究內(nèi)部能耗損失，針對結(jié)果剖析其影響因素，根據(jù)可能影響效率的幾個幾何結(jié)構(gòu)進行參數(shù)分析，反復(fù)試驗優(yōu)化方案才能得到滿意結(jié)果。

1、國內(nèi)外船用風(fēng)機設(shè)計方法簡介

風(fēng)機的發(fā)展在全球范圍內(nèi)已經(jīng)有100多年的歷史，國外的相關(guān)生產(chǎn)和設(shè)計已經(jīng)比較成熟，但是延長分級壽命和提高風(fēng)機效率仍然是現(xiàn)在工作的重心。我國在風(fēng)機設(shè)計方面的發(fā)展就相對較晚了，自上世紀五十年代我國第一個機器工業(yè)局成立以來，我國工業(yè)設(shè)備的發(fā)展十分迅猛，這一時期也是風(fēng)機發(fā)展的關(guān)鍵時期，直到六七十年代我國才進入自行設(shè)計階段，經(jīng)過我國科研人員的不斷努力，有很多類型的風(fēng)機已經(jīng)發(fā)展成為了高效節(jié)能的產(chǎn)品，尤其九十年代以后，我國在風(fēng)機制造方面有了國外先進技術(shù)的支持和國外大型風(fēng)機企業(yè)在中國建廠的實際支持，風(fēng)機設(shè)計優(yōu)化方面發(fā)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(xué)習(xí)階段。

1.1、一元設(shè)計方法

一元設(shè)計法要求對模型進行一定的假設(shè)，針對風(fēng)機內(nèi)部復(fù)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(guān)重要的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，分析其變化規(guī)律，確定相關(guān)蝸殼和葉輪的尺寸和結(jié)構(gòu)。其主要缺點還是簡化的過程過多，不能夠變現(xiàn)實際的風(fēng)機工況，大多數(shù)情況下是根據(jù)相關(guān)模擬人員的工程和模擬經(jīng)驗來進行修改，得到相對值得信賴的結(jié)果，為了改進，研究人員提出了過流斷面的設(shè)計概念。

1.2、二元葉片設(shè)計方法

相對于一元設(shè)計法，二元葉片設(shè)計方法是針對風(fēng)機的葉輪設(shè)計優(yōu)化進行改進的方法，其中主要應(yīng)用等擴張度方法和等減速方法。等擴張度方法主要是根據(jù)實際工程中風(fēng)機的擴張角問題提出的方法，當(dāng)其過大時風(fēng)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(guī)律，通過簡單的幾何關(guān)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(guī)定，計算出其中的葉輪流動的損失，保證流場內(nèi)的氣流用相同的速率改變相對速度。

1.3、三元葉片設(shè)計方法

三元葉片設(shè)計主要由全可控渦設(shè)計法和載荷法組成，前者采用在風(fēng)機葉輪流道的中間面附近上應(yīng)用流線的曲率設(shè)計法，它需要結(jié)合研究人員的實際工程經(jīng)驗才能較好的進行葉片的設(shè)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(fēng)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(yīng)用統(tǒng)計學(xué)理論，采用隨機類優(yōu)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(nèi)對設(shè)計的準確性有一定的保證，合理觀察設(shè)

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(yōu)化設(shè)計過程中，用該模型取代耗時的高精度的計算流體動力學(xué)分析，可以加速設(shè)計過程，降低設(shè)計成本

2、船用風(fēng)機的優(yōu)化設(shè)計步驟

2.1、風(fēng)機葉輪設(shè)計指導(dǎo)思想

2.2、各項參數(shù)指標的確定

對于轉(zhuǎn)速來說，原則上在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)取最佳效率的電機轉(zhuǎn)速，對于交流電機，最好確定在電機同步轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)差率0.2以內(nèi)，因為在此區(qū)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(shè)計

葉片的設(shè)計步驟首先要根據(jù)客戶要求或者提供的壓力和流量確定通風(fēng)機的轉(zhuǎn)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(huán)的氣流參數(shù)，再根據(jù)所得數(shù)據(jù)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。

篇5

1 傳統(tǒng)工業(yè)的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用

傳統(tǒng)機械優(yōu)化設(shè)計方法大多應(yīng)用于機械結(jié)構(gòu)和零件功能的優(yōu)化設(shè)計，針對機械結(jié)構(gòu)的性能和形態(tài)進行優(yōu)化。在機械結(jié)構(gòu)上，內(nèi)點罰函數(shù)優(yōu)化法，能夠?qū)偠群蛪簭澖M合強度結(jié)構(gòu)進行良好的優(yōu)化，既能夠滿足尺寸要求又能良好的控制結(jié)構(gòu)自重。在形態(tài)方面，典型的是軸對稱鍛造部件的毛坯形狀的優(yōu)化。在性能方面，采用坐標轉(zhuǎn)換法和黃金分割法對部分兩岸結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，使得機械結(jié)構(gòu)更加準確保持運動平衡性，提高了傳力性能。這樣看來，傳統(tǒng)機械優(yōu)化設(shè)計方法依然能夠取得良好的效果，所以在機械設(shè)計發(fā)展中不能忽略傳統(tǒng)優(yōu)化方法的

作用。

2 現(xiàn)代工業(yè)的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用

現(xiàn)代高新設(shè)計方法在機械優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用已越來越廣泛。但應(yīng)該看到，現(xiàn)代的設(shè)計不僅僅是單一的完成給定產(chǎn)品的設(shè)計，而應(yīng)該要將產(chǎn)品使用及設(shè)備維修等因素統(tǒng)一進行考慮。所以，機械優(yōu)化設(shè)計在強調(diào)環(huán)保設(shè)計和可靠性設(shè)計等考慮綜合性因素的機械優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用工作更為活躍，機械優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用領(lǐng)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(yōu)化設(shè)計；涉及到水利、橋梁和船舶機械優(yōu)化設(shè)計；涉及到汽車和鐵路運輸行業(yè)及通訊行業(yè)機械優(yōu)化設(shè)計；涉及到輕工紡織行業(yè)、能源工業(yè)和軍事工業(yè)機械優(yōu)化設(shè)計；涉及到建筑領(lǐng)域機械優(yōu)化設(shè)計；涉及到石油及石化行業(yè)機械優(yōu)化設(shè)計；涉及到食品機械等機械優(yōu)化設(shè)計。機械優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用還能夠解決具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)問題。

2.1 優(yōu)化設(shè)計網(wǎng)絡(luò)軟件的應(yīng)用

優(yōu)化算法的研究已經(jīng)有所成績，利用網(wǎng)絡(luò)平臺逐漸開發(fā)一些工業(yè)化在線優(yōu)化軟件，便于工業(yè)設(shè)計使用。對于在線機械優(yōu)化設(shè)計軟件來說，亟待解決的問題就是模型問題，對于非常復(fù)雜的系統(tǒng)來說，結(jié)構(gòu)、流程、物料和系統(tǒng)參數(shù)等，都非常復(fù)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(yōu)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(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和學(xué)習(xí)特點進行數(shù)據(jù)的識別，讓在線優(yōu)化軟件也能夠良好的應(yīng)用于各種模型，比如國內(nèi)比較成熟的 NEUMAX 軟件包，基于神經(jīng)遺傳算法的在線優(yōu)化軟件包，都能夠良好的實現(xiàn)各種模型的遺傳算法，這些軟件已經(jīng)成功應(yīng)用于甲醇合成機械設(shè)計的優(yōu)化工作中。

2.2 優(yōu)化設(shè)計在MATLAB中的應(yīng)用

在機械設(shè)計中引入優(yōu)化設(shè)計方法不僅能使設(shè)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(yōu)。利用 MATLAB優(yōu)化工具箱求解機械優(yōu)化設(shè)計問題不僅避免了傳統(tǒng)的設(shè)計方法中人工試湊、分析比較過程中的繁雜與重復(fù)，而且編程簡單、結(jié)果可靠。在上述實例中，利用 MATLAB 軟件中FEMINCON函數(shù)求解夾具設(shè)計問題，最 終設(shè)計的 夾具要比采用傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計的質(zhì)量輕、成本低，并且設(shè)計效率高。

2.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在機械優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人類模仿大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能而建立的一種信息處理系統(tǒng)，是理論化的人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從事例中學(xué)習(xí)，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(shù)據(jù)集合，模糊信息以及高度復(fù)雜問題等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

Hopfield 網(wǎng)絡(luò) 2.BP 網(wǎng)絡(luò)

2.4 模糊優(yōu)化方法在機械優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用應(yīng)用模糊優(yōu)化理論能夠?qū)⒃O(shè)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(shù)、目標函數(shù)的容許值、期望值及其模糊分布 （隸屬函數(shù)） 來 “軟化”邊界條件，擴大尋優(yōu)范圍和體現(xiàn)專家的經(jīng)驗、觀點和某些公認的設(shè)計準則。把模糊技術(shù)應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)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(fù)雜問題簡化，使優(yōu)化模型更加合理。采用模糊理論建立優(yōu)化設(shè)計模型對求解復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計問題具有重要意義。

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關(guān)鍵詞：船舶 配電系統(tǒng) 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(tǒng)的發(fā)展，越來越多的電力變換裝置逐漸應(yīng)用到船舶配電系統(tǒng)中。電力電子器件本身的非線性特性會使得電力變換系統(tǒng)之間產(chǎn)生互相影響，從而發(fā)生不穩(wěn)定、諧波以及其他的系統(tǒng)級問題。船舶電力系統(tǒng)在船舶上具有極為重要的地位，電力系統(tǒng)供電的連續(xù)性！可靠性和供電品質(zhì)，將直接影響船舶的經(jīng)濟指標、技術(shù)指標和生命力在現(xiàn)代化船舶上，電站操作越來越復(fù)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(tǒng)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(shù)的重要標志。船舶電站供配電系統(tǒng)一是供電質(zhì)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(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，船舶電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大程度的變化，船舶電站逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的船舶電站自動化控制、管理信息系統(tǒng)，集監(jiān)、控、管于一體的網(wǎng)絡(luò)型船舶電站綜合自動化系統(tǒng)。

船舶電力系統(tǒng)發(fā)展到一定階段以后必然會進入船舶綜合電力系統(tǒng)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(tǒng)，就是動力推進和日常用電共同用一個電力系統(tǒng)，從而構(gòu)成一個綜合的電力系統(tǒng)。IPS最大的特點是模塊化，根據(jù)功能不同，這些模塊在具體的艦艇IPS系統(tǒng)中，被劃分在4個子系統(tǒng)中，即發(fā)電和推進子系統(tǒng)、艦艇日用電配電子系統(tǒng)、區(qū)域配電子系統(tǒng)和系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)。

在船舶綜合電力系統(tǒng)中，發(fā)電機組、配電裝置、系統(tǒng)調(diào)度和監(jiān)控、電力推進和高能武器通過電力網(wǎng)絡(luò)集成在一起共同工作和運行。電能在船舶電力系統(tǒng)中一開始只是作為一種輔助能源，實現(xiàn)船舶的照明等一般。隨著綜合電力推進技術(shù)的發(fā)展以及采用電力作為能源的先天優(yōu)點，原先一些采用常規(guī)動力系統(tǒng)作為能量來源的設(shè)備，也逐漸向電力化方向發(fā)展，另外電能開始逐漸取代傳統(tǒng)動力成為艦船的推進能源。因此，綜合電力系統(tǒng)（IPS）的出現(xiàn)滿足了船舶的實際應(yīng)用需求，促進了船舶電力系統(tǒng)向集成化與模塊化方向的過渡。

2 船舶配電系統(tǒng)的新技術(shù)

作為船舶綜合全電力推進技術(shù)的重要研究內(nèi)容之一，基于電力變換裝置的船舶直流區(qū)域配電系統(tǒng)得到了越來越多的關(guān)注和研究。傳統(tǒng)的船舶輻射式配電方式靜態(tài)和動態(tài)負載自動調(diào)節(jié)性能比較差，冗余電源實現(xiàn)方案較為復(fù)雜，難以滿足余度供電和不間斷供電的要求。

船舶區(qū)域配電系統(tǒng)具有和分布式電源系統(tǒng)類似的特點，比如：（1）系統(tǒng)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(fā)電機的容量接近；（2）電能經(jīng)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(yīng)與負載效應(yīng)較明顯；（3）全控型半導(dǎo)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(dǎo)體器件本身具有開關(guān)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(wěn)態(tài)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(guān)頻率不同而發(fā)生一定的變化。

隨著綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展，僅僅對電力變換裝置的功率器件、拓撲結(jié)構(gòu)以及各種先進的控制算法進行研究已經(jīng)不能滿足船舶電力變換系統(tǒng)的要求了。因此，需要從系統(tǒng)的角度出發(fā)，對電力變換裝置進行優(yōu)化設(shè)計和穩(wěn)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(tǒng)具有冗余度高、控制靈活等優(yōu)點。在船舶配電系統(tǒng)中，其電能的主要來源是燃氣輪機發(fā)電機組和儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各種獨立、并聯(lián)的負載從左右直流母線上獲取電能。雖然系統(tǒng)中的這些電力變換裝置能夠獨立穩(wěn)定運行，但在系統(tǒng)中運行由于模塊之間互聯(lián)的相互影響，會導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降甚至發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。

在進行船舶電力變換系統(tǒng)設(shè)計的過程中，由于缺少了對船舶電力變換系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的系統(tǒng)級分析和設(shè)計，因此，影響了船舶區(qū)域配電系統(tǒng)的可靠性。一般情況下，船舶電力變換系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)中運行的穩(wěn)定性和對其他裝置的影響。在實際應(yīng)用中，由于電力變換裝置的互聯(lián)，可能出現(xiàn)獨立工作時性能指標合格的電力變換裝置在系統(tǒng)中發(fā)生嘯叫或者振蕩的現(xiàn)象，極端情況下還會導(dǎo)致器件損毀。目前，關(guān)于船舶電力變換系統(tǒng)的穩(wěn)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(dǎo)，造成了大量時間的浪費，增加了系統(tǒng)研發(fā)和制造成本。在實際船舶區(qū)域配電系統(tǒng)中，存在著各種不同的用電設(shè)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(shè)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(tǒng)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(tǒng)中運行時也可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，影響配電系統(tǒng)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(shè)計過程中從系統(tǒng)級角度出發(fā)，通過優(yōu)化設(shè)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(tǒng)中穩(wěn)定運行而不對系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重影響。

3 船舶配電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

目前，我國船舶自動化技術(shù)發(fā)展達到了世界先進水平，正朝著微機監(jiān)控、全面電氣化、綜合自動化方向發(fā)展。高可靠性、功能齊全、分布式、多微機網(wǎng)絡(luò)式自動化系統(tǒng)，將是未來船舶電站自動化的發(fā)展方向。

4 結(jié)語

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

參考文獻

篇7

摘要：用熱技術(shù)經(jīng)濟學(xué)原理與BOX非線性約束(復(fù)合型)優(yōu)化法相結(jié)合的方法，對大型柴油機動力系統(tǒng)中廢氣復(fù)合透平系統(tǒng)(Turbo Compound System或TCS)進行了熱技術(shù)經(jīng)濟分析研究和設(shè)計優(yōu)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(shè)計時的參考。關(guān)鍵詞：廢氣復(fù)合透平； 熱經(jīng)濟學(xué)； 優(yōu)化設(shè)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(shù)J-能量系統(tǒng)或單元的能流輸出總數(shù)P-輸出功率，(kW)R-設(shè)計變量總數(shù)T-溫度(℃)或增壓器的廢氣透平

下標

環(huán)境1，2-能量及技術(shù)經(jīng)濟區(qū)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(fā)電機發(fā)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(fā)，結(jié)果是大大減少了產(chǎn)生柴油機壓縮進氣的增壓器消耗的廢氣量；在此基礎(chǔ)上，進一步配套設(shè)計了一種動力透平，用以轉(zhuǎn)換這種高效增壓系統(tǒng)省下的廢氣能量，產(chǎn)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(tǒng)，經(jīng)濟性十分明顯，投資回收期不到兩年［1］。誠然，任何動力系統(tǒng)設(shè)計中，如采用較高效率的設(shè)備，雖其經(jīng)濟性會提高，但也增加系統(tǒng)的初始投資，以致同時增加產(chǎn)品的折舊成本。因此，動力系統(tǒng)的經(jīng)濟設(shè)計和設(shè)備的經(jīng)濟選擇常常是互相矛盾的，要進行優(yōu)化平衡，才有可能達到最佳的參數(shù)組合。對此，提出利用熱技術(shù)經(jīng)濟學(xué)與非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃法中的Box’s Complex法［2，3］相結(jié)合的方法，通過建立廢氣復(fù)合透平系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計模型，對該動力系統(tǒng)進行結(jié)合實例的優(yōu)化設(shè)計計算和熱技術(shù)經(jīng)濟研究分析，以探討較為合理的大型柴油機廢氣透平復(fù)合系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)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(shè)計研究之用。

篇8

關(guān)鍵詞:橋梁結(jié)構(gòu);拓撲優(yōu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是以最少的材料、最低的造價、最簡單的工藝,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)性能,包括強度、剛度、穩(wěn)定性等目標。將優(yōu)化方法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計,不僅可以大大的縮短設(shè)計周期,顯著的提高設(shè)計質(zhì)量,而且還可以解決傳統(tǒng)設(shè)計方法無法解決的復(fù)雜設(shè)計問題。從工程設(shè)計的角度看,結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計大致有三個層次:拓撲優(yōu)化,形狀優(yōu)化以及尺寸優(yōu)化。三者中拓撲優(yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域中最具有挑戰(zhàn)性的研究課題,同時也是具有最大潛在經(jīng)濟效益的設(shè)計方法。拓撲優(yōu)化主要思想是將結(jié)構(gòu)最優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為在給定區(qū)域內(nèi)尋找最優(yōu)的材料分布的問題。通過尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲布局使得結(jié)構(gòu)在滿足一切有關(guān)平衡、應(yīng)力、位移等約束條件的情形下,同時具有某種最優(yōu)性能指標。因此拓撲優(yōu)化被認為是結(jié)構(gòu)初始設(shè)計階段確定材料布局的最有效方法。

橋梁建設(shè)是交通建設(shè)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(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)、大幅度的減少建設(shè)材料,是縮短橋梁設(shè)計周期、節(jié)約橋梁建造成本的關(guān)鍵問題。本文將拓撲優(yōu)化設(shè)計方法應(yīng)用于橋梁設(shè)計,采用大型商用有限元軟件ANSYS中的拓撲優(yōu)化設(shè)計模塊,獲得橋梁結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計方案,可對橋梁結(jié)構(gòu)的拓撲輪廓與外形進行快速和創(chuàng)造性的調(diào)節(jié),為高層次的設(shè)計者提供橋梁結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計模型,從而降低橋梁設(shè)計周期。

一、拓撲優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

拓撲優(yōu)化在廣義上指形狀優(yōu)化,有時也稱為外型優(yōu)化。拓撲優(yōu)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(shè)計區(qū)域內(nèi)尋找一個給定體積V的子區(qū)域mat(有材料區(qū)域),使得該區(qū)域?qū)?yīng)的目標函數(shù)(如結(jié)構(gòu)柔順度、結(jié)構(gòu)位移等)取得極值。引入材料密度函數(shù):

(x)=1ifx∈mat0ifx∈\mat(1)

則結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化模型可描述為:

()

s.t. d≤V (2)

(x)=0 or 1,x ∈

結(jié)合有限元數(shù)值方法,將結(jié)構(gòu)設(shè)計域離散為n個有限單元,相應(yīng)的將密度函數(shù)近似為n維向量,其中xi為有限單元i的密度值。此時的優(yōu)化模型為0~1整數(shù)優(yōu)化模型:

(X)

s.t.V(X)= xivi≤V(3)

xi=0 or 1,i=1,2,…,n

由于整數(shù)模型的計算求解非常困難,通常采用變量連續(xù)化方法,將0-1整數(shù)變量問題變?yōu)?、1間的連續(xù)變量優(yōu)化模型:

(X)

s.t.V(X)= xivi≤V(4)

式(4)即為結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計的基本數(shù)學(xué)模型。本文考慮的橋梁結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計屬于連續(xù)體結(jié)構(gòu)靜力學(xué)優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)的柔順度最小化(即橋梁結(jié)構(gòu)剛度最大化)為目標函數(shù),以結(jié)構(gòu)材料體積限制為約束進行設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)的拓撲形式。具體計算時,將橋梁初始設(shè)計域有限元離散,設(shè)計變量為各單元的材料相對密度。

為了將結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)付諸實用,除了建立可靠的優(yōu)化模型外,還需要選擇收斂速度快且計算不是很復(fù)雜的優(yōu)化算法。采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法求解數(shù)學(xué)模型,可歸結(jié)為在給定條件(例如約束條件)下求目標函數(shù)的極值或最優(yōu)值的問題。實際工程優(yōu)化問題中,約束條件和目標函數(shù)不僅是非線性的,而且是隱式函數(shù),所以優(yōu)化算法的選用至關(guān)重要,對于不同層次的優(yōu)化問題需要選用不同的優(yōu)化算法。按優(yōu)化算法的理論基礎(chǔ)劃分,主要有以下3種類型:準則法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法、遺傳算法。本文采用了ANSYS拓撲優(yōu)化設(shè)計模塊中的最優(yōu)準則(Optimality criteria,OC)算法。

二、拓撲優(yōu)化設(shè)計流程

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

圖1給出了拓撲優(yōu)化設(shè)計的基本流程:

圖1拓撲優(yōu)化設(shè)計基本流程

三、橋梁結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)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(shè)計區(qū)域,并承受100ePa均布載荷。橋梁結(jié)構(gòu)材料屬性為:彈性模量E=200GPa,泊松比=0.3。要求分別在結(jié)構(gòu)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(shè)計空間的有限元模型如圖3所示,圖中上表面單元為非設(shè)計單元。

(二)優(yōu)化結(jié)果

采用ANSYS拓撲優(yōu)化設(shè)計模塊進行拓撲優(yōu)化計算,優(yōu)化迭代20次后得到優(yōu)化結(jié)果,如圖4所示。圖5給出了目標函數(shù)的迭代曲線,可以看到,迭代20次后,結(jié)構(gòu)的柔順度降至最小,即此時的橋梁構(gòu)型具有最大剛度。

四、結(jié)論

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

參考文獻

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[3]王健.具有形狀和應(yīng)力約束的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化及其在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用[J].工程力學(xué),2002,19(4).

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篇9

關(guān)鍵詞：高等數(shù)學(xué)；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(shù)學(xué)的基礎(chǔ)知識在工程設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，甚至可以說是無處不在，很多的工程力學(xué)和結(jié)構(gòu)強度分析的模型都和高等數(shù)學(xué)息息相關(guān)。本文通過在建筑、橋梁、船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域一個比較常用的數(shù)學(xué)模型，來說明高等數(shù)學(xué)在工程設(shè)計領(lǐng)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(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域廣泛應(yīng)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(shù)如下圖1所示。我們主要通過一些基本的高等數(shù)學(xué)知識來研究在同樣的載荷條件下，怎樣設(shè)計工字鋼的剖面幾何形狀才能使它的重量最輕，最能節(jié)省材料。因為工字鋼的應(yīng)用范圍非常廣，通過剖面優(yōu)化設(shè)計可以帶來的經(jīng)濟效益非?？捎^。

工字鋼的基本形狀參數(shù)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(zhuǎn)動慣量I，并根據(jù)二元函數(shù)的極值求解方法來設(shè)計工字鋼的最佳剖面形狀。在工程設(shè)計中，選用工字鋼的控制要素一般是最小剖面模數(shù)W，而非轉(zhuǎn)動慣量I。但是根據(jù)材料力學(xué)的基礎(chǔ)知識，工字鋼的最小剖面模數(shù)W＝I/（hw+tf）。也就是說要先求解剖面模數(shù)W，必先求解工字鋼關(guān)于自身中和軸的轉(zhuǎn)動慣量I。通常情況下，工程上會計算一半工字鋼關(guān)于整個工字鋼中和軸的轉(zhuǎn)動慣量然后乘以2的方法來求解整個工字鋼的轉(zhuǎn)動慣量。工字鋼的腹板和面板的轉(zhuǎn)動慣量將分別計算然后線性相加。

根據(jù)材料力學(xué)中轉(zhuǎn)動慣量的計算方法，可以得到一半

工字鋼轉(zhuǎn)動慣量的計算公式應(yīng)為：

■=■t■h■■dh■+■d■t■■dt■ （1）

應(yīng)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(zhuǎn)動慣量的解析解。根據(jù)材料力學(xué)的計算公式進而可以得到工字鋼的最小剖面模數(shù)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(shù)計算公式中有四個變量。要想求得工字鋼的極值應(yīng)將其中兩項設(shè)為常量。我們發(fā)現(xiàn)，工字鋼的剖面模數(shù)對工字鋼的腹板厚度tw最不敏感，從工程應(yīng)用的角度來說，一般將此設(shè)為常量。另外，在工程實際應(yīng)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(guān)系，在這里設(shè)df=a*dw。

經(jīng)過上述基本假設(shè)，則工字鋼的剖面模數(shù)可以設(shè)定為關(guān)于dw和tf的函數(shù)。因此，可以根據(jù)二元函數(shù)的極值求解方法來設(shè)計工字鋼的最佳剖面形狀。即當(dāng)dw和tf之間滿足某種比例關(guān)系時，工字鋼的剖面模數(shù)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(zhuǎn)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(fù)，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(shù)簡化計算公式：W≈（■twdw3+2dftfdw2）/dw=■twdw2+2dftfdw （4），我們優(yōu)化工字鋼剖面的基本思路是假設(shè)工字鋼的剖面總面積As不變，當(dāng)腹板高度和面板厚度滿足一定關(guān)系時，剖面模數(shù)達到最大。即As=2dwtw+dftf dftf=As-2dwtwtf （5），根據(jù)換元法，將（5）代入（4），可得：W≈■twdw2+2（As-2dwtw）dw=2Asdw-■twdw2，根據(jù)二元函數(shù)的極值求解方法，將剖面模數(shù)對dw求導(dǎo)，則可以得到：W'≈2As-■dwtw W''≈-■twdw＜0 （6）。根據(jù)函數(shù)的極值及其求解方法，當(dāng)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(guān)系為工程上工字鋼的剖面設(shè)計是具有重要參考價值的。指導(dǎo)了很多工字鋼剖面的設(shè)計，在船舶設(shè)計領(lǐng)域，與工字鋼剖面具有相仿的T型材的剖面優(yōu)化設(shè)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(shè)計結(jié)果。

我們發(fā)現(xiàn)，工字鋼剖面優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用到二元函數(shù)的極值及其求解、牛頓—萊布尼茨公式、定積分的換元法等，當(dāng)然還需要有一定的工程實踐經(jīng)驗。這些完美結(jié)合后，就會在工程實際應(yīng)用中發(fā)揮不可思議的作用。

眾所周知，高等數(shù)學(xué)尤其是微積分在材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、斷裂力學(xué)、有限元分析等中的應(yīng)用非常廣泛，學(xué)好高等數(shù)學(xué)不僅僅是為了學(xué)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(shù)基礎(chǔ)。要想成為真正技術(shù)上的王者，高等數(shù)學(xué)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(guī)范公式和經(jīng)驗公式的計算初定航道尺度，再結(jié)合船模試驗對其進行優(yōu)化，最終確定航道尺度。

關(guān)鍵詞：航道尺度 轉(zhuǎn)彎半徑 加寬

近年來，隨著國際、國內(nèi)船舶制造業(yè)的快速發(fā)展，船舶載重噸級日趨大型化，大型海輪?？扛劭谶M行裝卸作業(yè)已經(jīng)非常普遍。中化珠海石化公用碼頭位于高欄港區(qū)南逕灣作業(yè)區(qū)，其南側(cè)泊位原設(shè)計最大靠泊船型為80000DWT船舶。根據(jù)業(yè)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(chǎn)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(yīng)較大船型的安全靠泊要求，現(xiàn)擬將南側(cè)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(xiàn)有一條人工開挖主航道及通向各港區(qū)的支航道若干條。目前主航道口門至南逕灣港區(qū)支航道段航道設(shè)計海底高程為-15.7m（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?，下同），航道底?50m，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(jù)高欄港區(qū)航道規(guī)劃，主航道起點至華聯(lián)支航道區(qū)間按滿足15萬噸級油船通航要求設(shè)計，設(shè)計底寬為290m，設(shè)計底標高-19.0m。15萬噸級主航道計劃2014年內(nèi)完工。

從高欄港主航道至南逕灣港區(qū)華聯(lián)碼頭辟有一條支航道，支航道現(xiàn)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(zhuǎn)彎段航道尺度計算

南側(cè)泊位改造后設(shè)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(shè)計。單向航道航寬和航道設(shè)計水深均采用《海港總平面設(shè)計規(guī)范》中公式計算。

單向航道寬度：W=A+2C=n（Lsinγ+B）+2C

航道設(shè)計水深： D= D0+Z4=T+Z0+Z1+Z2+Z3+Z4

船舶在支航道行駛時風(fēng)流壓偏角按7°，航速按小于6節(jié)考慮，計算出單向航道寬度為241m，航道設(shè)計水深為19.43m，航道底標高-18.00m（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妫?/p>

因進港支航道與港區(qū)主航道軸線夾角為30°，為保證船舶安全轉(zhuǎn)向，船舶從主航道轉(zhuǎn)向支航道行駛時，其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎半徑

海港總平面設(shè)計規(guī)范（JTJ211-99）規(guī)定，航道轉(zhuǎn)彎半徑R應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向角φ和設(shè)計船長確定：10°30°，R=（5～10）L。美國和日本等大多數(shù)國家標準一般要求以φ≤30°為宜，Rmin=3L；超過30°時，Rmax=12L。國內(nèi)楊桂樨提出的海港航道轉(zhuǎn)彎半徑R的經(jīng)驗公式為：

，式中：R為航道轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎段設(shè)計水深（m）； φ為航道轉(zhuǎn)向角度（°）。

根據(jù)表1計算結(jié)果，支航道轉(zhuǎn)彎半徑暫按5倍船長考慮。

2、轉(zhuǎn)彎段拓寬要求

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

式中：R為航道轉(zhuǎn)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(guī)范推薦的公式計算，T為最大船舶滿載吃水（m）；D0為航道轉(zhuǎn)彎段設(shè)計水深（m）； φ為航道轉(zhuǎn)向角度（°）。

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

船模試驗

進港航道內(nèi)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(fēng)速選取6級、風(fēng)向為最不利橫風(fēng)的條件組合，進出港試驗的主航道航速為6～8節(jié)，支航道的航速為4～5節(jié)。漲潮、風(fēng)向045°、風(fēng)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(shè)計寬度241m，進出港航道寬度滿足設(shè)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(zhuǎn)入支航道及由支航道轉(zhuǎn)入港池水域，需要較高的操船水平，存在一定的風(fēng)險，船舶在支航道受風(fēng)流影響漂移較大，船位容易偏向西北側(cè)，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(jīng)與當(dāng)?shù)匾絾T共同反復(fù)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(yōu)化設(shè)計，使支航道與港池銜接段成喇叭口形態(tài)，擴大港池操作水域。

航道尺度優(yōu)化

根據(jù)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(jīng)濟角度分析，結(jié)合主航道規(guī)劃，南側(cè)泊位改造后支航道暫按底標高-14.5m進行維護，對應(yīng)的航道設(shè)計水深為15.93m。根據(jù)經(jīng)驗公式來計算轉(zhuǎn)彎半徑，見表3。

根據(jù)表3計算結(jié)果并結(jié)合船模試驗結(jié)論，最終確定轉(zhuǎn)彎段航道轉(zhuǎn)彎半徑取8L即2192m，轉(zhuǎn)彎段仍采用切角法加寬。

優(yōu)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(qū)域為優(yōu)化后增加的可航行水域。

結(jié)語