集装箱的参数化设计与多目标优化外文翻译资料

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集装箱的参数化设计与多目标优化

国际海事组织对能效设计指标（EEDI）的引进和压载水的处理规定，以及燃料价格水平的波动，和航运业对经济与利润增长的不断追求，导致造船业为各类商船开辟新的，具有成本效益的设计。在这方面，对现代计算机辅助设计/计算机辅助工程系统（CAD / CAE）的正确使用可以扩展设计空间，同时能在短时间内创造具有创新特征和竞争性的设计。本文介绍了集装箱船的参数化设计和优化。基于CAESES / Friendship-Framework（Abt＆Harries 2007）系统开发的方法，通过对中型6500TEU集装箱船的概念设计和多目标优化来论证。该方法包含了完整的船舶几何外部和内部的参数模型，以及确定了设计约束所需模型的全部开发和编码，和用于参数化生成设计评估的设计效率指标。这些定义了一个多目标优化问题的目标函数的指标，在能效设计指标（EEDI）中，这些指标包括所需的运费率，船舶空载时的货舱舱容，以及甲板上和舱内集装箱数量的比例。通过使用遗传算法解决了多目标优化的问题，并生成了清晰的帕累托前线。因此，与市场上的标准集装箱设计相比，确定最佳的设计确实非常具有竞争力。

关键词：参数船设计; 整体优化; 集装箱船

1. 绪论

1.1 集装箱船舶行业

自1996年以来，全球集装箱贸易一直在持续增长。2013年，全球集装箱贸易1年内总运量达1.6亿标准箱（Clarkson Research Services 2014），增长4.6％。主要东西方交通线上的三条航线，即亚太地区，亚欧，西班牙，带动了世界制造中心以及被认为是主要消费市场的亚洲、北美和欧洲的经济发展（UNCTAD 2014）。在这个项目中，我们选择了亚 - 北美路线来调查我们模型中所需的运费（RFR）。值得一提的是，这一特定路线在2013年被证明是最有利可图的，直至东西航线的运输量达到15,386,000和7,739,000标准箱（World Shipping Council, 2015）。大多数航运公司都提供亚洲 - 北美航线的服务，这个航线可以在各种公司中找到。其中一个是印度 - 北美航线，通常由6000-7000TEU类别的集装箱船提供服务。

长期以来，直到几年前，燃油价格特别高。然而，自2008年以来，价格已经下降，而如今，重型燃料油（HFO）的成本低至300美元/吨。海洋柴油（MDO）一直遵循相同的路线，价格约为500美元/吨（PLATTS 2015）。然而，这并不总是导致较低运费的原因。关于燃料排放和引入所谓排放控制区（ECAs）的新的国际规定已经导致了船舶使用的燃料类型的变化。在某些地区，承运人现在需要使用低硫燃料。如上所述，燃料类型之间的价格差异可能很大。此外，在随后的几年中，放控制区（ECAs）的数量将会增加，这将使更昂贵的低硫燃料的使用进一步扩大。因此，必须创建具有成本效益的设计，以克服这种负担（Koutroukis 2012）。

由于燃料价格上涨，航运业采取了多项措施来降低油耗。其中一个是慢驶（图1）。虽然几年前，集装箱船的运行速度约为25海里，但现在已不再是这种情况了（Tozer 2008）。大多数集装箱运营商运营速度为18-20节，以降低燃油成本。随着燃料消耗的减少，船舶能够实现较低的能效设计指标（EEDI）水平; 因此，尽管近期燃油价格略有下降，但这种慢驶的趋势似乎仍然停留在这里（White 2010）。

近期技术和工程的进步使得超大型集装箱船的建造成为可能。一个新的趋势，被称为级联，是许多班轮公司发起大量新船舶订单的结果。这些订单主要由非常大的集装箱船组成。这种大型船只持续涌入市场已经对贸易路线上大量的船舶造成冲击，而这些贸易路线在历史上一直由较小型船只服务（Kouml;pke等人，2014年）。因此，目前租船人员优先选择2000-3000TEU集装箱船的航线可能会在不久的将来吸引较大的船只。由于以前的船舶类别主要用于短途海运，因此6000TEU类别的集装箱船在船东和承租人之间可能会广泛流行。

集装箱运输公司在港口不会花费大量的时间，因为港口效率是设计集装箱船时最重要的因素之一。港口所用的时间越少，海上巡航的时间就越多，这意味着船只可以以较低的速度运行，从而降低燃油消耗。因此，港口效率被纳入本研究的优化标准。虽然在处理港口效率的项目中涉及到复杂的分析模拟，但在我们的案例中，通过监测上述甲板上与以甲板下集装箱数量的比例来追踪到更简单的方法。显然，比例越大，集装箱的装卸越快;因此，船舶在港口的时间越少（Soultanias 2014）。

1.2 国际规则

我们在下文中将提到国际海事组织的最新规则，这些规则对未来的船舶设计，特别是集装箱船的设计具有极大影响。

1.2.1能效设计指标

2012年，国际海事组织（IMO）发布了关于新船获得能效设计指标计算方法的指南（Imo Resolution Mepc.212，63，2012）。引进各类船舶的EEDI限值，对于实施船舶能效规定，限制燃油消耗和有毒气体的排放来说是一个重大进步。校核EEDI成为新船的强制性措施，而从2013年1月1日开始，引进的“船舶能效管理计划”成为所有船舶，即现有船舶能源管理计划的要求。EEDI将船舶的有毒气体排放与运输工作相关联，实际上是船舶能源效率的指标。EEDI的确定是基于一个相当复杂的（但确实很简单）的公式，其中需要一个计算值低于IMO对具体船型和尺寸规定水平的坐标。EEDI公式中包括船舶燃料消耗量和相关气体排放量，以及母型船舱容和服务航速，后两个值的乘积代表船舶运输工作。显然，EEDI越低，船舶的效率越高，船舶则更符合IMO规定的最低能效要求。EEDI在静水/海水的试验条件下评估船舶的能源消耗，应同时考虑到推进所需的能量与船员和乘客对辅助发动机所施加的负荷（如果有的话）。 该公式考虑在实际海域中对燃油消耗的增加进行了校核，以适用于评估船舶在海上操作的能力。新船的EEDI在2013年开始设定一些基准值，并逐渐降低（因此变得更加严格），直到2025年，2013年的基准值将减少30％。应该指出的是，对于船舶的安全性，在不利条件下，如果可以通过简单地减少现有船舶设计的发动机功率来实现EEDI要求,且能保证充足的推进动力和有效的转向装置来维持船舶的可操作性是值得密切关注的(IMO MEPC 64/4/13 2012)。这尤其适用于一些船舶，如油轮和散货船，其初始设定的EEDI基线是有争议的。显然，EEDI是一个理想的船舶效率性能指标，应在船舶设计优化的框架中最小化。

1.2.2压载水管理

2004年2月海事组织通过了“国际船舶压载水和沉积物管制管理公约”，此公约适用于至今的所有船舶。对于压载水处理（BWT），目前有各种被认可的技术和系统。所有这些技术和系统都旨在通过压载水将排泄物转移到不同的生态系统，因此后者可能导致严重的环境问题。然而，在现存和新的建筑物上安装这种系统会增加整体建筑和运营成本。因此，目前的研究一直集中在不同的解决方案，以减少所需的压载水量，而不是通过适当的BWT机制有效地处理它们。即使在设计负荷条件下，一味地为集装箱船装载更多的压载水这一问题就会放大，因此，集装箱船甲板上和舱内集装箱装载的比例应当最大化。因此，有前途的现代集装箱设计解决方案应当考虑到零或最小压载水体积。但是，要注意整体货物运输能力，保持各方面的竞争力。

2 计算机辅助船舶参数化设计建模

近年来，几位作者提出了重要的计算机辅助软件（CAD）方法来进行船舶设计和处理固有的优化问题（Brown＆Salcedo2003; Campana et al。2009; Mizine＆Wintersteen 2010）。 前面提到的大部分工作的一个共同特征是它们解决了船舶设计具体方面的问题（例如流体动力学，强度）或为设计过程新提出了系统化的方法。本文提出的项目涉及6500TEU集装箱的快速“整体优化”，重点是优化船舶安排，同时考虑船舶设计，运营和经济的所有副作用（Priftis 2015）。这项工作补充了雅典国家技术大学船舶设计实验室对于8000和9000TEU集装箱设计优化的的另外两项相关的研究（Koutroukis 2012; Soultanias 2014）。“整体论”意为船舶设计的多目标优化，它基于一个主要思想，即一个系统及其属性应该被优化并且被视为一个整体，而不是作为零件的集合（Papanikolaou 2010）。在此背景下，应当首先创建船舶外部和内部几何的参数船模型，然后进行多目标优化以确定最优设计（图2）。

2．1 几何模型

现代CAD / CAE软件工具用于生成参数化船舶模型，完全遵循参数化设计的原则。该模型是在CAESES / Friendship-Framework（Abt＆Harries 2007）中制作的，由四个主要部分组成，即主体，后身，前身和主甲板（图3和图4）。为了充分地建立参数模型，在这个阶段定义了几个参数。除了船体的主要尺寸外，还创建了更多的参数来控制船体的各个部分。例如，舱底高度和宽度以及螺旋桨管的位置和横梁的最低垂直位置都由参数控制。

2.1.1 拉肯比改造

在初始几何模型完成后，进行静水压计算以确定船体的基本性质。这是通过使用内置静液压连接来实现的。运行连接后，可以得到截面积曲线，并将其输入到拉肯比改造。最终目的是通过调整棱形系数和浮心纵向位置纵向（LCB）来生成船体的最终模型。这个过程允许截面向前向后移动，同时也可以使用dB-样条来进行光顺和优化。因此，最终可以得到一个充分流畅和光顺的船体表面（Abt＆Harries 2007）。

2.1.2货物处所和上层建筑的布置

直到这一步，一个船体已经建成，此后，两种略有不同的船体模型已经建成（图5）。这两种模型设计的区别主要是上层建筑，货物存储区的内部和外部的布置。就第一种模型（Model-1）（图6）而言，上层建筑和机舱传统上位于船的后方。另一方面，第二个模型（Model-2）（图7）说明了现代激进的方法，通常在较大的集装箱运输船上出现。在这种情况下，采用双岛排列，即发动机室位于船体尾部，而上层建筑的最大部分，包括船员舱和驾驶室，位于船体首部，烟囱和储藏室位于机舱的上方，靠近船尾。

就上层建筑而言，内置程序用于确定上层建筑的表面。如甲板的数量和高度，以及上层建筑的梁和纵向位置这些参数用来确定甲板房屋的结构。主甲板下方和上方的货物布置随后进行。负责执行内部货物布置的程序创建集装箱堆放的表面，同时监测该内表面与船体外部单元的距离。我们的模型中的这个距离由两个设计变量——舷侧和双层底参数表示。

负责确定主甲板以上货物装卸的方案，是以这样的方式设计的，以便考虑到国际海事组织对可见视角的规定。程序自动将我们模型中定义的可见度线作为输入，从而防止主甲板上集装箱堆放的垂直高度过高，导致违反法规。此外，该程序遵循对甲板线的法规，并能测量出沿船体梁的可用空间，以确定在主甲板上布置适当量的集装箱行数。

在这两种情况下，设置了几个参数，以定义货物的空间，例如集装箱间隔和标准集装箱单元的尺寸。在程序中执行的计算结果被限制为一个间隔长度，从而确保最大的货物存储容量。

2.2 海军建筑法

该项目的这一部分是最耗时的，因为负责计算货舱舱容、载重量、推进和船舶阻力的所有子系统都是在这一阶段建成的。下面描述的计算在模型的两个变体中是相同的。

2.2.1 货舱舱容

在构建几何模型（包括货舱空间布置和上层建筑）后，可以继续计算船舶的实际载箱能力。为了实现这一点，创建了两个程序，一个用于主甲板下货舱的容量计算，另一个用于主甲板上方的容量计算。除了主甲板以下实际箱数的测量之外，这些程序还设计用于计算垂向和纵向力矩以及垂向和纵向重心位置，作为其他计算中的输入数据。

2.2.2 静水力计算

在进行余下计算之前，必须先进行静水力学计算。此前，已经进行过同样的计算，是在最后的船体产生之前进行的。由于其特性在最后一次静水力计算后发生变化，因此需要对项目的以下步骤进行重新计算。

2.2.3阻力

设计计算所需的另一个基本要素是船舶阻力。为此，使用了一种流行的阻力预测和计算的方法，即Holtrop和Mennen法（Holtrop＆Mennen，1978）。由于该方法需要对整体阻力的各个方面进行大量计算，所以在软件中开发出了一个需要输入限定值的定制程序，以便尽可能简单。总体阻力分为Holtrop和Mennen定义的两种阻力。在这个阶段，我们的模型计算所需要的服务航速是确定的。考虑到最近的慢驶趋势，运行速度设定为20节。

2.2.4 推力

Holtrop和Mennen法包括有效马力（EHP）和轴功率（SHP）计算的公式（Holtrop＆Mennen 1978）。 首先，计算有效马力，因为船舶的总阻力和速度是已知的。从阻力计算中已经发现了所需的推力和效率因子，那么轴功率的计算是可能的。最终计算结果会由于海底状况不佳以及船体状况有所增加。接下来，辅助功率的估计如下，最后计算燃油消耗量。

2.2.5 空船重量

下一步是对船舶模型进行空船重量计算。虽然用于此步骤的方法是半经验方法，但是对于精确值的近似，我们旨在获得最准确的结果。在这种情况下，应该注意的是，计算所需的几个参数是从应用程序中导出的，而详细计算是在CAESES / Friendship-Framework上运行的，例如船体的封闭体积，这个参数对于其他几个计算非常重要。此外，同样的计算程序也适用于类似的6300TEU集装箱船的计算，对此我们有详细的空船数据和其他数据。这个步骤的目的是计算校正系数，这将改善我们船舶模型的最终计算结果，因为参考船的实际重量和重心是已知的。因此，首先，在Microsoft Excel中进行参考船所有需要的计算，并在CAESES / Friendship-Framework中开发了一个自定义代码，包括与第一步相同的技术，以确定模型的空船特性。应该注意的

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