基于代理模型技术的江海直达船体结构可靠性优化设计

为提高船体结构可靠性优化设计这类多参数、高维度、高非线性优化问题的效率,弥补传统船体结构确定性优化设计对影响结构安全不确定性因素考虑的欠缺,本文以一艘江海直达船为研究对象,采用BP(Back Propagation)神经网络代理模型技术,结合SMOTE(Synthetic Minority Oversampling Technique)过采样算法增加极限状态失效面附近样本点数量,实现以较少的样本点获得较高精度的船体舱段结构极限状态代理模型,进而利用蒙特卡洛抽样模拟方法编制船体结构可靠度计算程序,在结构可靠性分析的基础上以降低船体舱段结构重量为目标,采用模拟退火优化算法开展船体结构可靠性优化设计。本文建立了一套完整有效的、基于代理模型技术的船体结构可靠性优化设计系统,有效提高了优化设计的效率,对江海直达船体结构可靠性优化设计具有指导意义。

基于船舶-流场耦合作用的内河航段船舶航行虚拟辅助驾引

[目的]为进一步提高船舶航行的安全性,对船舶辅助驾驶决策相关内容开展研究。[方法]针对选取的两段内河典型航段,基于实时数字航道流场信息,考虑航行规则约束,模拟船舶-流场耦合作用下的复杂流场航段虚拟辅助驾引。模拟南京和东流航段的虚拟辅助驾引,给出相应的安全驾驶方案,在航行过程中对船舶速度、位置和航向等信息进行实时追踪。[结果]仿真结果表明,基于Fluent二次开发的船舶-流场耦合作用的算法可有效解决船舶多自由度运动耦合和船舶-流场多物理场耦合的解耦问题;遇见弯道或分汊时,操小舵角长距离航行可以在避免降速和较大横移的同时实现船舶的安全航行。[结论]该算法可以有效对接数字航道流场信息,开展复杂流场环境下内河航段船舶航行的过程模拟,结果可为内河航段船舶智能航行决策提供数据支撑。

基于CFD的FPSO风载荷规范计算适用性研究

[目的]目前,设计人员多使用针对大型油轮的OCIMF规范和针对海上平台的API规范对FPSO风载荷进行计算,但因FPSO船舶上层建筑更为复杂,需进一步研究这2种规范对于FPSO风载荷计算的适用性。[方法]建立具有通用型上部模块的某30万吨级大型FPSO数值模型,对恶劣海况下不同风向角、横倾角下的FPSO所受风载荷进行数值模拟,分析其中存在的遮蔽效应;与规范计算结果进行对比分析,讨论在风载荷作用下FPSO受到的横倾力矩。[结果]结果显示,船舶正浮状态受到的最大风载荷和横倾力矩出现在270°风向角;船舶横倾状态下受到的风载荷和横倾力矩比正浮状态更大,最大横倾力矩出现在10.5°横倾角280°风向角;采用API规范和OCIMF规范得到的FPSO风载荷计算结果与CFD计算结果相差较大,二者在270°风向角的结果与CFD分别相差13.6%和24.5%。[结论]数值仿真给出的流场细节有利于分析上部模块间的遮蔽效应,能够较为准确地预报船舶所受到的风载荷,可以为考虑遮蔽效应的FPSO稳性设计提供参考。

基于SMOTE算法的船体结构极限状态代理模型研究

建立典型集装箱船舱段结构参数化有限元模型,基于SMOTE过采样算法,增加样本数据中失效面附近样本点的数量,分别采用BP神经网络、径向基神经网络以及支持向量机三种代理模型技术,结合十折交叉验证法调试模型参数以提高模型的泛化能力,完成构建船体舱段结构极限状态代理模型并对其进行测试与分析,获得了效果与泛化能力均较为优良的船体结构极限状态高精度代理模型.结果表明:经SMOTE算法处理的样本数据结合BP神经网络代理模型技术,能够在不增加有限元计算任务量的同时提高船体结构极限状态代理模型的精度.

多个柔性梁V型集群行为节能机理研究

V型排列是自然界中常见的动物(如大雁等迁徙性鸟类)集群模式,普遍推测该模式可以有效地降低能耗,然而目前没有研究给出相关的直接数据证据.开展其节能机理研究有助于提升对集群自然现象的认知水平,为集群仿生应用打下基础.本文采用基于Fluent二次开发的数值方法求解多个柔性体−流体介质相互作用的流固耦合问题,其中流体动力学方程采用有限体积法进行求解,柔性体动力学控制方程通过用户自定义模块(UDF)嵌入,并采用模态叠加法和4阶龙格库塔法求解,流固交界面形变使用动网格技术处理.实现了多个自推进二维柔性梁自主形成V型集群运动过程的数值模拟,并将得到的推进性能参数(平均速度,输入功率和效率)与单独自推进柔性体的数据进行对比.研究发现:该V型集群运动中不仅后排柔性梁的速度和推进效率得到提升,领头柔性梁性能也得到大幅提升,增幅均超过14%.此外,对V型集群运动的流场细节(涡量和压力云图)开展分析,揭示了多柔性梁V型集群行为产生的原因和节能的内在机理,特别是对领头柔性梁的节能机理进行了阐述.