船舶优化设计大全11篇

船舶优化设计篇（1）

中图分类号：S611文献标识码： A

前言

管道被广泛地应用于石油化工"水利工程"建筑"船舶等领域，其在不同的应用环境下需承受不同的外力作用，大规模、全面地开发利用海洋资源和空间，发展海洋经济已列入各沿海国家的发展战略。海洋开发和利用除了需要先进的海洋工程技术，还需要各种海洋工程结构物的支撑。这为与海洋工程装备业关联度极大的船舶工业提供了极好的机遇。作为未来世界经济的支柱产业，海洋工程和海洋开发潜力非常巨大。近几年，全世界对浮式生产系统的新增需求达到约120座，全球浮式生产系统的年投资额以高速度递增，其中FPSO船(浮式生产储油装置)仍将是全球浮式生产市场的建造热点,该船型集生产、储油、运输多项功能于一身，是当前国际海上石油开发生产设施的主流形式。随着生产向深海的不断进入，FPSO船的优势将会更充分显现出来。中国海洋石油开发总公司也需要较大数量的海洋平台、多艘FP-SO平台，用于海洋开发建设的资金达到了数百亿元。船舶工业是海洋工程的天然“霸主”。随着海洋油气开发向深海发展，船舶工业与海洋工程的关系更加紧密，船舶工业在海洋油气开发中的作用更加突出。这主要有两方面的原因:一方面是技术上的因素。随着作业水深的增加,固定式平台海洋构造物难以适应深海作业，各种浮式海洋工程结构物成为深海油气开发的主角。船舶工业与其他专业平台厂相比其优势正是在这类浮式结构物上——海洋开发装备具有船舶的属性，它的基本要求是在水上能浮起来、稳得住、移得动，这就与船舶有了相近的技术要求。这种天然优势为船舶工业迅速占领深海平台市场创造了良好的条件。另一方面是开发周期的因素。由于海洋油气开发竞争日趋激烈，国际石油商对从发现油气到生产的时间要求越来越紧，而与船舶相近的海洋工程物恰恰可以以最快的时间迅速部署于生产现场， 从而大大缩短深海油气的开发时间。正是由于这两方面的原因，使船舶工业迅速成为深海油气开发装备生产的主要力量。船舶工业越来越深地融入海洋开发装备领域，已成为当前海洋装备发展的一个重要特点。相对于已经成熟的船舶工业来说，海洋开发装备业是一个新兴产业，正在发展过程中，据专家估计,目前及未来几年,仅油气开发生产一项，全世界就需要约100多艘FPSO船、200多座钻井平台，加上其他海洋产业的需求,海洋开发装备甚至比整个国际船舶市场的需求还要高。因此未来船舶企业会参与更多的海洋工程结构物的建造。

管线几何优化设计

管道隔振支座最佳布置设计优化需确定隔振支座的类型"数量及位置!由于支座类型的选择难以依靠程式化优化计算来得到，本研究仅针对支座力学与隔振性能参数给定情况下，研究管线支座的数量与几何位置优化问题涉及到的约束条件包含强度( 应力) "刚度( 位移和变形) "稳定性( 屈曲) 和动力学特性( 管线固有频率和管线响应振幅) ，同时考虑工艺安装方面的特殊要求( 某些位置无法安装支座) 针对上述约束，细化为优化数学模型中考虑应力"位移"固有频率"稳定性和评价点在指定频率区间的振级落差等约束条件简化的支座布局几何优化设计模型见图所示，通常选取支座数目和支座位置为设计变量本模型假定支座总数目事先已知( 通常按照工艺要求确定，但适当增加一定数量) ，通过确定各支座的几何位置坐标实现布局优化!当相邻两个支座的位置坐标非常接近或重合时，代表其中一个支座可以取消。

支座布局几何优化模型

2.管道隔振支座布置设计优化模型迭代解法

上面给出的支座布局优化模型仍为基于连续与离散设计变量的混合数学规划问题，常规优化算法较难解决，可采用迭代优化算法

进行求解!考虑到计算效率的问题，需采用变步长的迭代优化算法!

该迭代算法依据约束条件的满足情况及变步长的临界间距值来确定支座数量的减少与增加，然后通过

常规优化方法得到支座的几何位置坐标，最终得到较优的支座数目及间距!迭代流程见图采用迭代算法求解该支座布局优化模型时，其计算效率有赖于迭代步长的选择!对于特定的管道结构，当假定的支座初始数目与最优支座数目相接近时，即使迭代步长为常数，依然能够获得较好的计算效率，但假定的支座初始数目与最优支座数目相差较多时，则必须选择逐步增加的迭代步长才能获得较为理想的计算效率。

支座布局优化模型迭代解法

由管线各目标函数下的优化结果可知，三种目标函数下的优化模型，优化后满足约束要求，支座最优数目均为6个，各支座位置接近，优化结果基本相同，三种方法迭代次数均为 5-6次，计算效率较为理想，但以关联支座造价为目标函数下的优化模型与其他两个模型相比迭代次数较多，将几何优化设计方法所得优化结果与规范设计方法优化结果比较可知，以管线结构应变能和管线最大下垂为目标函数的优化模型，几何方法和规范法所得优化结果接近!以关联支座造价为目标函数的优化模型，采用几何方法时，尽管迭代次数较多，但仍然取得了满足约束条件的优化结果，其计算过程较规范设计方法更为稳定，结果更为可靠!

总体来看，两种设计方法所得优化结果是相一致的，几何优化设计方法是可行的!在几何优化设计方法中，由于支座初始数目通过假定得到，且往往与最优数目相差较大，因此迭代次数较多，其计算效率明显低于规范设计方法，但较多的迭代次数同时也保证了迭代过程的稳定性，使计算结果更为可信!因此，尚须进一步研究更为稳定高效的管线隔振支座布局优化算法。

3.总结：将所得结果与规范设计方法优化结果进行了比较，证明了几何优化设计模型及方法的可行性，并得到了与规范设计方法中相一致的结论: 以管线最大下垂或管线结构应变能为目标函数的隔振支座布局模型计算过程更为稳定高效"优化结果更为可靠。

参考文献:

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

[2] 美国雪佛龙公司 海上油气工程设计实用手册

[3] 海洋石油工程设计概论与工艺设计

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.

船舶优化设计篇（2）

中图分类号：TQ051 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（c）-0054-03

Optimization Design for the Manufacturing Process of the Ship Sintering Evaporator

ZHANG Hongdun

（School of Ocean，Yantai University，Yantai Shandong，264005，China）

Abstract：Highly efficient heat transfer systems play more and more important role in the development of modern marine engineering equipment. Compared with the ordinary evaporator，the sintering evaporator’s heat transfer performance is obviously enhanced，which provides reference to saving metal material and reduce size for ship evaporator.A new approach fabricating sintered micro-structured wicks is developed which can help to fabricate the uniform wicks on the sintered surface，which can also provides reference for sintering evaporator with different thickness and copper powder particles diameter by use sintering furnace.

Key words：Sintered particles Micro-channel Porous media Evaporator

中国作为最大的发展中国家，已跻身国际航运大国的行列，伴随着各种贸易的快速发展，我国每年进出口货物的93%～95%是通过船舶运输的方式来实现的，其中很多货物还要通过冷藏运输方式完成，同时，海上作业船、军舰、渔船等为了满足生产、生活以及特殊设备的需要，均需设置制冷装置，制冷装置已是船舶运行不可或缺的重要设备[1]。

船舶的运营成本成是航运经济性的重要指标，随着制冷技术应用的日益广泛以及燃油成本的不断提高，制冷装置消耗的能源也在不断增加，节能减耗是船舶营运经济性的重要发展方向。制冷蒸发器是制冷系统的关键部件，它的换热效率会直接影响制冷装置的能量消耗及效率，如何强化制冷蒸发器的换热系数是当前对制冷装置节能研究的热点之一。

强化传热的目的是适应和促进高热流密度的热交换[2]，以有效的冷却来保证高温部件的安全运行，以经济的手段来传递特定的热量，以高的效率来实现能源的充分利用[3]，确保设备和器件在安全运行的前提下，提高热交换系统的经济性，达到在总传热量一定的情况下减小传热温差或者在传热温差一定的前提下提高总传热量的目的 [4]。

烧结蒸发器的内壁具有多孔烧结表面，该烧结表面有很高的传热系数，可以有效的强化多孔侧传热，通过与同规格光滑管传热性能试验对比，其传热系数比光滑管提高了5～6倍[5]，是强化换热、降低金属耗材、提高能量利用率以及实现能量充分利用的良好换热表面[6]。烧结处理方式是强化传热中的被动技术，被动技术不需要额外消耗功率和其它附属设备，在完全失重或微重力环境中仍可工作，结构简单，运行可靠。

1 烧结表面强化传热原理分析

1.1 概念

烧结[7]是金属的粉末或粉末压坯在一定的温度和保护气体中受热所发生的过程和现象，烧结会使金属颗粒发生相互粘结，提高了密度，而且很多情况下，也会增加烧结体的强度。如果烧结工艺控制恰当，烧结体的机械性能、物理和密度可以接近同成分的致密材料。从工艺上来分，烧结被是一种热处理工艺，它把金属粉末或粉末压坯加热，在低于其基本成分熔点的温度下保温，然后以不同的方式或速度冷却到常温，烧结过程中会发生一系列的物理化学变化，粉末颗粒的聚集体成为颗粒的聚集体，从而得到所需要的物理、机械性能的材料或制品。

以铜粉烧结为例，一般的烧结工艺大致为：选取纯度在99.5%左右的铜粉，它的单体粒径控制在75～150 μm。首先，使用工具将铜管内部清理洁净，除掉毛刺，然后将铜管放到稀H2SO4中采用超声波清洗。清理洁净之后我们将得到一根无氧化物、内外壁都十分光滑的铜管。之后用一根细钢棍插到铜管里（要求工具准确地将细钢棍固定在铜管的中央，以保证铜粉填充均匀），将铜管的底部用铜片或堵头暂时堵住，随后就可以把铜粉颗粒倒入铜管了。填装完毕后就可以拿到烧结炉进行烧结。在烧结过程中，选氮气、氢气或真空作为保护气，同时，烧结温度的控制也很重要，一般情况下烧结炉最大温度控制在800℃～850℃（根据产品要求的渗透率确定）。烧结完之后需用一个辅助工具加紧铜管，使用专用工具把钢棍抽出即可[8]。严格按照上述过程制作的烧结式铜管，铜粉烧结块分布厚度均匀一致，各个部分的毛细结构渗透率大体相同。图1为烧结式铜管纵横截面剖面图，从图中可以看出铜管内壁面上形成的烧结吸液芯。

1.2 强化传热原理分析

烧结蒸发器是将一定目数的金属粉末烧结在管内表面从而形成与管壁一体的多孔介质，这种多孔介质有较高的毛细抽吸力，并较好地减小了径向热阻，可以实现细薄膜蒸发，该烧结式蒸发器可以兼顾高热传量和低热阻的考量。

在换热面上烧结金属颗粒后，加热面和粒子之间形成了许多空隙凹坑，从而增加了表面活化中心的数目。在核沸腾时，凹坑中的汽泡受到多孔介质有限空间的限制会在受热面附近形成汽区或汽团。多孔介质内的液体在汽区汽液弯月界面发生强烈的液体细薄膜蒸发，这种液体细薄膜主要存在于多孔介质的空隙中;另一方面，因为金属颗粒的导热系数好于沸腾工质的导热系数，所以，多孔烧结层对换热壁面而言相当于增加了翅片作用，并且由于烧结层具有很高的比表面积，使固液换热量得到很大提升，有利于细薄膜的受热与蒸发。蒸汽逸出烧结层和液体的补充是由相应的毛细通道的抽吸力来实现的。

根据以上分析，多孔烧结表面沸腾换热主要受液体的激烈细薄膜蒸发和烧结层中汽-液两相运动特性这两个因素的影响。随着这两个因素的改变会出现不同的传热特性。在低热负荷时，液体的细薄膜蒸发占主要地位，烧结层对沸腾换热起强化作用，这一区域称为传热控制区;而在高热负荷时，由于液体的补充和蒸汽的脱离受烧结层骨架结构的限制，减弱了传热强化性能，这一区域称为阻力控制区。在阻力控制区和传热控制区的临界转折点，换热系数达到最高，传热强化效果最好[6]。

2 烧结时芯棒对中固定存在的问题

烧结层是发生热量交换的场所，是换热芯最重要的部分，而要在细小的铜管内壁烧结铜粉颗粒层形成烧结式吸液芯，芯棒的对中和固定工艺非常重要，该工艺将直接影响到烧结颗粒层的成型，进而会影响到烧结蒸发器的强化传热性能[9]。

尽管目前的铜粉烧结流程早已成熟，但是在微小的铜管内表面烧结铜粉层形成烧结芯毛细结构却是一个难题。目前烧结时常用一根不锈钢棒作为芯棒，如图2所示，从紫铜管一端放入不锈钢芯棒和大堵头，从另一端装入铜粉颗粒，然后放上小堵头，随后放在烧结支架上，放入具有保护气体保护的烧结炉中进行烧结，烧结结束之后采用专用工具把芯棒与两个堵头取出。该方法虽然工艺简单，但存在下列两个缺点：

（1）由于芯棒较长，使用一根不锈钢棒作芯棒时，大堵头对对中其固定得不到控制，芯棒容易产生倾斜，对后续的铜粉颗粒填入不利，不利于保证烧结层厚度的均匀性;

（2）在不锈钢芯棒和铜管所形成的环形空间灌入铜粉颗粒后，装置在移动过程中铜粉颗粒容易从两端堵头处漏出来。

不锈钢芯棒在铜管中是否对中准确会对烧结层的性能非常大影响的影响：芯棒比较细长，如果在填入铜粉颗粒前没有准确地定中，则容易产生较大的挠度，单靠两端大小堵头是无法纠正的，制成的烧结层会出现偏心现象，如图3所示，偏心会导致芯棒抽出时的摩擦力增加，芯棒抽出时的运动会是曲线而不是直线，抽出时需要的外力较大，在抽出过程中容易导致烧结层的脱落而破坏烧结层。

3 烧结芯棒定位装置的优化

针对烧结蒸发器制造过程中芯棒定位不好烧结芯会出现偏心现象以及铜粉颗粒灌装后容易漏出的问题，本文设计了一套芯棒对中固定装置，如图4所示。

该装置中的烧结芯棒与定位支架做成一体，两者相对位置固定不变，通过两个定位孔和铜管外壁来实现铜管和烧结芯棒相对位置的精确定位，将紫铜管放入两个定位孔内，从另一端灌入铜粉，然后放入堵头防止铜粉漏出，放入烧结炉中进行烧结。

图4中所示装置的烧结芯棒直径为6 mm，两个定位孔直径为8 mm，按照此装置可获得规格为壁厚0.6 mm，烧结层厚度为0.4 mm，外径为8 mm的烧结式管。通过调节芯棒的高度和直径以及两个定位孔直径，可以制得不同大小的烧结式管，这一设计优化了现有的烧结定位工艺，为用烧结炉制造不同直径和烧结层厚度的烧结蒸发器提供了借鉴。

从图1所示铜管内壁烧结铜粉颗粒的显微组织图可以看出，对中良好的芯棒烧结出来的微热管铜粉颗粒分布均匀，致密性好，对称性好，已基本形成了均匀且界面分开的组织，铜粉颗粒均匀的表面可以为液体提供高的毛细压力。

4 结语

烧结蒸发器的强化传热性能要优于普通蒸发器，为船舶蒸发器缩小尺寸、节省金属耗材提供了参考，本文探讨了烧结蒸发器内表面烧结芯毛细结构的制造工艺，针对烧结芯棒对中困难及烧结铜粉颗粒灌装后容易漏出的问题，设计了一套优化方案，通过调节芯棒的直径和高度以及两个定位孔直径，可以制得不同规格的烧结式管，为用烧结炉制造不同直径和烧结层厚度的烧结蒸发器提供了参考，同时也为提高生产效率，得到均匀致密对称性好的烧结蒸发器提供了借鉴。

参考文献

[1] 费千.船舶辅机[M].大连：大连海事出版社，2000.

[2] Bergles A.E. Heat transfer enhancement the encouragement and accommodation of high heat fluxes[J].ASME Journal of Heat Transfer，1997（119）：8-19

[3] 顾维藻，神家锐，马重芳，等.强化传热[M].北京：科学出版社，1990

[4] Rohsenow W.M.，Hartnett J.P.，Ganic，E.N..Handbook of heat transfer applications[M].2nd edition.New York：McGraw-Hill，1985.

[5] 刘建新，金海波.多孔表面管沸腾传热试验研究[J].动力工程，1999，19（1）.

[6] 蒋绿林.多孔烧结表面强化沸腾换热最佳结构的研究[J].江苏石油化工学院学报，1995，7（4）.

船舶优化设计篇（3）

中图分类号：F407.474 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）15-0355-02

在船舶设计领域，针对船舶的稳性、快速性、操纵性及耐波性等分别具有一套理论完善、实用有效的设计方法。因此，随着航运业的高速发展，船舶的经济性、环保及安全性日益受到重视，对船舶的综合性能提出了更高的要求。螺旋桨作为主要的船舶推进装置，其综合性能直接影响着船舶的快速性、安全性与舒适性。同时，随着船舶向高速化、大型化发展，螺旋桨负荷日益加重，而丰满型船尾容易导致伴流场的不均匀程度增加，使得单纯考虑效率的螺旋桨设计方法无法满足现代螺旋桨的性能要求，必须发展新的设计方法，从推力、效率、空泡及激振等多方面对螺旋桨进行综合优化。

1 优化设计方法

1.1 优化问题

螺旋桨螺距与拱度的优化设计问题主要是在给定桨叶负荷的面分布形式时对螺距与拱度的配合进行优化设计。优化过程中，桨叶径向负荷的分布形式被指定的归一化形式限制，叶剖面采用 NACA a=0.8 拱弧线或其他形式，通过调整螺距与拱度的匹配，使桨叶负荷的弦向分布形式与给定形式的方差最小。采用升力面理论涡格法程序计算桨叶负荷及水动力，优化问题的提法如下：

其中：Γmn、Γ0mn分别为桨叶附着涡强度的计算值和要求值，依次根据计算得到的负荷弦向分布及给定的负荷弦向分布形式来确定。M、N 分别为桨叶径向和弦向涡格数，本文取 M=15，N=10。

限制条件式（2）中，Tσ为推力系数计算值TK与设计要求值T0K 之绝对误差，Tε为误差限，本文取Tε=0.025%。另外

式（5）中Γ0m为给定的桨叶负荷径向分布形式，归一化方法同Γm。rε为rσ的允许误差，本文取rε=0.05%。

选择桨叶各半径剖面的螺距比PDi和最大拱度与相应的弦长的比值0Mif为优化变量，为了减少计算量，可根据设计条件限定优化变量的取值范围，本文取DLP=0.5、DUP=1.3，0ML

f=0.0、0MUf=0.1。在优化过程中，发现桨叶梢部对径向载荷的变化特别敏感，而负荷径向分布很难在叶梢部完全与指定负荷分布形式保持一致，所以优化得到的螺距比在叶梢部极易出现突变，这在螺旋桨设计中是不允许的，因此，根据螺旋桨设计经验引入式（7）作为限制条件，以控制叶梢附近螺距沿径向的变化趋势：

其中：LPD=-0.05，UPD=0.0，该限制条件用来使叶梢部的螺距比沿径向递减。

螺旋桨设计中，首先必须满足推力要求，限制条件（2）的第1式即为此而设；第2式用于限制负荷的径向分布形式，这是影响效率的一个主要因素，本文仅考虑负荷的径向分布形式给定的情况，并不进行效率优化，也就是说，保持原桨负荷径向分布不变，改变其弦向分布，通过优化桨叶螺距比与拱度的配合，使桨叶表面压力分布趋于均匀，从而改善桨叶的空泡性能。需要说明的是，上述误差限的取值是为了使相应误差尽可能小，在优化过程中实际的误差常常大于误差限，如限制条件中要求σr≤εr=0.0005，在实际优化计算中常常不能严格满足这一限制要求，而相应的最终优化结果却达到了设计要求，因此这种情况下可认为此限制条件是满足的。同样，σT≤εT的限制出现类似情况时，也不做严格要求。

2 优化案例

2.1 优化对象及其性能分析

本章以某集装箱船五叶螺旋桨为原型，在保持或提高原桨的敞水效率的前提下，以改善桨叶负荷分布为目标，对桨叶螺距与剖面最大拱度的径向分布进行优化。五叶桨的主要参数见表1。

按照上述螺旋桨优化设计流程，得到的优化结果需要通过SPROP（VLM方法）及FLUENT（

CFD 方法）软件从数值计算的角度进行验证，以确定优化目标是否实现。表2比较了原桨在设计工况下的敞水性能的试验结果与数值计算结果。

从表2可知：SPROP 软件预报值的相对误差为：推力-1.5%、扭矩-5.0%、效率+3.7%；FLUENT

预报值的相对误差为：推力+1.0%、扭矩+0.4%、+0.6%。SPROP 软件预报的扭矩与试验差别较大，可能是由其尾涡模型对叶梢卸载桨的适用性差以及粘性阻力估算误差较大引起；而 FLUENT 软件预报值与试验值非常吻合。假定SPROP 软件的计算误差在优化过程中不S设计方案的改变而改变，在优化设计中，设定推力目标值时需按原型桨的预报误差预先给与补偿。

3 优化结果

表3为A桨与B桨的目标函数及限制条件的满足情况。可以看出：与负荷径向分布相比，在整个拱弧面上满足给定的负荷弦向分布相对比较困难；因为B桨负荷的弦向分布形式不同于A桨，而拱弧线形式与A桨相同，所以σs、σr的误差均比A桨大；控制叶梢螺距变化的限制条件则有效地使叶梢的螺距沿径向呈递减趋势，限制了叶梢部螺距的数值波动，使之具有工程实用性。

螺距与拱度的优化结果与原桨之比较分别如图3.1、3.2所示。螺距与拱度的分布趋势表明：当螺距与拱度作为离散变量各自独立变化时，最终得到的螺距与拱度分布难以保持光顺。其原因可能是：负荷径向分布无法精确满足给定值，负荷弦向分布形式与给定的形式也存在一定的误差，以及数值计算的随机误差。因此本章从工程的实用性要求出发，在保持优化结果的分布趋势及满足推力要求的前提下，对优化结果进行光顺处理，并以光顺后的结果为最终优化设计方案，利用FLUENT 对其进行CFD计算分析。

优化设计中，A、B 桨及原桨负荷的径向分布形式保持不变，原桨通过增加叶梢拱度，以弥补叶梢螺距卸载（指叶梢螺距相对于0.7R处螺距的减小量）所损失的负荷。根据图3.1、

3.2中对螺距与拱度分布的定性分析可知A、B桨的螺距与拱度配合能够产生与原桨相同的负荷径向分布形式。

图3.3、3.4分别为SPROP软件计算的A、B桨的负荷弦向分布与A桨相比，B桨负荷的弦向分布在导边附近有所卸载，但卸载程度远小于原桨。与三种负荷弦向分布对应的螺距与拱度配合如图 3.1、3.2所示，其中A桨螺距最大、拱度最小，原桨的螺距最小、拱度最大，

B 桨螺距与拱度均居于A桨与原桨之间。这一结果充分说明负荷的弦向分布形式对螺距与拱度配合的影响。在设计工况下，从三种螺距与拱度配合下的桨叶性能进行分析，A、B 桨各半径处的剖面比原桨剖面更接近翼型的设计状态，可能对桨叶效率有利；但原桨剖面的工作状态更接近于面空泡界限，而A、B 桨偏向背空泡界限，因此原桨在轻载工况下应该容易发生面空泡。

4 结语

通过对弦向负荷分布形式的比较，认为常用的a=0.8的负荷分布形式不太适合于高速、重载的现代船舶螺旋桨设计，该形式使桨叶导边附近的负荷过重，容易在叶背侧的导边附近形成负压峰，进而诱发桨叶背空泡。导边卸载的负荷分布形式（如 a=0.8 & b=0.1）可能是一种更好的选择。

参考文献：

[1] 干洪： 计算结构力学[M].合肥：合肥工业大学出版社，2004.

船舶优化设计篇（4）

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船舶优化设计篇（5）

社会经济的不断发展给交通运输行业带来巨大的考验，车辆、船舶等交通运输加剧了 的排放，其在一定程度上影响了人们的身心健康以及社会经济的健康可持续发展，其中被认为是最清洁、最环保的船舶运输行业也不能幸免。因此，研究船舶运输行业的节能减排具有十分重要的现实意义。

一、船舶节能减排技术重要性

船舶节能减排是航运发展的需要，船舶运输努力的方向就是利用最合理的航速和耗油关系来获得最好的经济效益，对于船舶运输行业来说，船舶节能减排已经成为船舶企业落实科学发展观的关键步骤，其对建设资源节约型、环境友好型社会有着重要意义。在实际的船舶运输中，工作人员需要根据船舶运行航线、工况等实际的变化情况，对船舶实际运行中的耗油等进行分析以及修正，以便得到船舶实际的耗油数据，从而分析船舶实际的节能方式，为满足实际船舶运输需要奠定坚实基础。船舶节能减排也是我国法律法规的强制性要求，我国明确规定了到2020年，我国二氧化碳排放量会降低到16%，船舶运输单位运输周转耗能量降到15%，因此可以说船舶节能减排技术在一定程度上符合我国节能减排总体战略。

二、船舶节能减排的影响因素

1.船舶性能

船舶自身的性能会影响到船舶节能减排的效果，一般来说，不同船舶主辅机状态、涂装底漆以及污底情况、运营年限、型号以及船体浸水体积等都会对船舶节能减排产生不同影响。船舶主辅机是船舶运输过程中重要的耗能设备和安全设备，主辅机运行效率越高，船舶燃烧效率就越高，这样就可以适当降低船舶单位耗油量，在一定程度上对船舶节能减排工作起到重要作用；不同运营年限的船舶主机磨损程度不同，长时间运行的船舶主机磨损较大，其单位耗油量较大，对能源利用效率、污染物排放等存在一定的影响；不同型号的船舶抗风浪性能不同，其甲板受风面积以及船舶耐波性等都会对船舶节能减排效果产生一定的影响；船舶船体浸水体积会在一定程度上影响船舶兴波阻力，进而影响船舶节能减排效果。

2.环境因素

在船舶实际运行的过程中，环境因素会在一定程度上影响船舶燃料燃烧效率，进而船舶节能减排效率。具体来说，环境因素主要指的是船舶运行过程中的地理环境和自然环境，包括温度、气压、航道条件以及气象条件等，这些环境因素很大程度上会影响船舶耗油水平以及排放水平。例如大风会增加船舶运行阻力，影响船舶主机负荷，进而增加船舶耗油量；在海拔比较高的地区运行时，大气压力会随着海拔的升高而降低，空气含氧量也随之降低，这样船舶燃料就不能充分燃烧，单位燃料燃烧的实际功率也会降低；航道弯曲角度、交叉情况、航道宽度以及航道深度等都会在一定程度上影响船舶能源消耗以及废气排放情况，航道弯曲度越小，燃烧消耗越少。

3.效益因素

船舶资金投入成本以及效益水平在一定程度上反映了船舶企业给我国国家社会带来的经济效益以及实施节能减排的效果。船舶企业在进行高效低成本投入时，能够更合理地实施节能减排工作，促进船舶节能减排效果的实现，但船舶企业在进行比较高成本投入时不仅不能带来经济效益，还有可能使企业产生负经济效益，进而打击船舶企业节能减排的积极性，严重影响船舶企业的发展。船舶企业的经济效益指的是在船舶运行中，产品投入比值，其效益的高低在一定程度上影响着整个船舶行业。从国民经济方面来讲，经济效益就是说全部的构成要素和其中某个构成要素之间的百分比，经济效益越高，船舶节能减排发展越迅速。因此可以说，经济效益是船舶节能减排重要影响因素之一。

三、船舶节能减排技术的应用

1.船体减阻降耗

船舶船体减阻降耗是船舶节能减排重要手段之一。从船舶设计层面上讲，船体减阻降耗可以从船体低阻力线型设计、浮态调整、船舶船体表面减阻以及低风阻上层建筑等方面进行设计研究。低阻力线型设计主要包括线型优化和总体设计优化两个方面，如下图3.1所示。低阻力线型设计中的总体设计优化指的是设计优化人员根据设计经验和母型船等，在保证船舶具有足够排水量的前提下，调整方形系数和浮心位置，选取合适的船型尺寸比。而线型优化则指的是船舶船体线型的UV度、水线进流角以及去流角等的设计对船舶船体阻力具有一定的影响，设计优化人员依靠模型试验和CFD手段等，反复调整船舶线型，并最终确定船体的低阻力线型。船舶在实际航行中的阻力不仅仅取决于船舶的静水阻力，还与航线上风浪流等环境因素有关，研究人员对船舶在多种转载工况下的阻力性能进行研究，实现了在全航程多工况下船舶综合阻力性能全面提升的目标，从而形成了船舶船体减阻降耗的浮态调整方法。低风阻上层建筑则指的是设计人员通过优化船舶船体上层建筑的外形，降低风阻力，从而实现节能减排。

2.使用经济航速

船舶的燃油消耗是一种综合反映船舶节能减排技术与经济性的指标，其与船舶航速息息相关。在实际的船舶运行过程中，经济航速的概念主要有三种，也即最低燃油消耗率航速、最高盈利航速以及最低燃油费用航速，实际意义上的经济航速常指的是最低燃油消耗率航速。船舶主要部分有锅炉、船舶主机以及发电柴油机等，其中最重要的耗油就是船舶主机耗油，其重要的耗油特点就是在运行船舶主机时，船舶功率和船舶航速之间具有三次方关系，因此应适当地降低船舶航速。从实际的船舶运行方面进行考虑，当船舶转速和功率变化时，船舶主机消耗燃油量就会受到船速、换气量以及喷油量的影响，因此就要找到一个船舶航速和耗油的最佳平衡点。最佳平衡点主要从以下几个方面进行考虑：船舶航速和主机耗油量关系、船舶耗油设备的状态、船舶运营年限、船舶航行条件、船舶实际的运行路线等。因此，船舶使用经济航速的基本原理就是工作人员在主机安全的转速范围内，根据主机实际的运行情况，找到船舶耗油和航速最佳的平衡点。

3.提高推进效率

提高船舶推进效率主要有改进尾部伴流场、主机降功率使用等方式，改进尾部半流场指的是在船舶船体上加装螺旋桨整流罩，这种技术主要应用到对螺旋桨尺寸有限制的以及拖轮等高负荷低航速的船舶。加装螺旋桨整流罩后的螺旋桨后流场、桨轴上下不完全对称，其螺旋桨桨轴上方流场偏右，桨轴下方流场偏左。因此，使船舵上下部成一定角度，来分别对齐螺旋桨后流场，进而减少船舵所受扭矩，这种节能措施可在服务航速工况下节省4%的功率。主机降功率使用指的是将船舶主机的功率降低，进而降低船舶燃油消耗率，达到船舶节能的目的。这种节能技术较为成熟，虽然初次投入成本较大，但从整个船舶生命周期来看，该节能技术经济性较好。目前，很多的大型船舶公司可以接受这种优化设计方案，其通过主机的优化配置可实现3%―6%的降耗。

4.废热回收及废气处理

船舶废热回收及废气处理也是一种较为重要的船舶节能减排手段，其中船舶废热回收主要指的是船舶废热利用技术，其回收原理图如下图3.2所示，在船舶燃油消耗中，大概有50%的热量以热辐射、废气以及热交换的形式浪费掉。船舶主机废热利用透平转化功率为最大功率的0.6%到4%，这种利用技术初次投入资金较多，多用在大型集装箱船上；船舶主机冷却水废热再利用则可对船舶扫气和缸套的废热进行再次利用，从而提高2%到3.5%的主机功率，这种回收系统较为复杂，通常需要与蒸汽透平和废气透平等联合使用，因此多用在大型集装箱船上。船舶废气处理主要指的是船舶安装废气净化器以及船舶采用废气循环系统，船舶废气净化器可以有效去除船舶废气中的SOX以及微尘颗粒等，其去除率可达到98%、80%，船舶废气循环系统则可以有效减少船舶中的NOX，其主要是加装一个EGR单元，以降低船舶废气的峰值温度，从而减少船舶的产生。

结语

总而言之，船舶节能减排不仅能满足我国航运发展的需要，还能符合我国节能减排的总体国家战略，因此工作人员要采取合适的措施，对船舶进行节能减排优化设计，例如船体减阻降耗、使用经济航速、提高推进效率以及废热回收及废气处理，从而提高船舶节能减排效果，推动我国船舶运输行业的健康发展。

参考文献

[1]何放平，王海松.浅析船舶节能减排技术的应用[J].山东工业技术，2016（1）

船舶优化设计篇（6）

中图分类号：U662 文献标识码：A

船舶舾装工作在整个船舶制造过程中起着至关重要的作用，主要包括主体设备和舾装管件的安装、电气设备安装、船舶室内设备安装、油漆涂装、敷料绝缘敷设等。在现代船舶制造行业中，规范船舶舾装制度，制定标准化舾装流程，利用科学的舾装方法、建立严格的监管制度必定会使船舶舾装行业效率更高，质量更优，成本更低，综合性能更好。本文就以下几个方面探讨船舶舾装的优化与设计。

1.国内船舶舾装设计现状

我国船舶舾装历史悠久，伴随着对船舶制造的需求不断变化，船舶制造工艺也日趋完善。但仍与发达国家差距比较大，尤其是在舾装行业标准方面，目前我国的舾装标准仅相当于日本20世纪末的水准，落后的技术决定其标准相对较低，从而制约了我国船舶制造的发展步伐。我国传统造船技术模式为系统导向型造船模式和系统区域导向型造船模式。第一种模式包括船台散装、码头舾装和整船涂装，第二种模式包括分段制造、预舾装和预涂装。我国现代造船技术模式包括区域、类型及阶段型造船模式和中间产品导向型阶段模式。前一种模式包括分段建造、区域舾装和区域涂装，后一种模式主要为壳舾涂一体化。随着我国对造船行业需求的变化，国内舾装发展逐渐呈现模块化、标准化和数字化趋势。自20世纪70年代左右便提出了模块化设计理念，后来在船舶的设计、制造、管理及维护各个方面都起着重大作用。模块化技术是将控制系统、机电装置系统、舾装设备系统及自动化系统等从整体划分到部分，从而优化整个建造周期，也使舾装过程更加标准、规范。目前我国造船的突出问题主要为生产周期长、效率低、成本大、工作环境差，这些因素制约了我国船舶舾装的发展。

2.船舶舾装的模块化创新设计思路

2.1船舶舾装模块化的设计特点

船舶舾装包括内舾装和外舾装两个部分。

2.1.1船舶外舾装的工程进度会受到总体装配进度的影响，因此，船舶外舾装就要完善设备的配套功能模块化，严格按制度执行。舾装设备的详细设计布置比较分散，且外舾装影响着船体的整体美观性，在设计的过程中需重点考虑。详细设计的布置图按不同的系统来分，主要有锚、系泊、舵系统、桅樯信号系统和救生消防系统等，不同的系统有不同的配备设备和布置方法。

2.1.2船舶内舾装模块化设计时一般考虑主甲板以下的舱室多为机械处所，不做内装，这样可在一定程度上控制重量，保证设备及管通的净空高度。但需对大型设备及高声源处所进行减振降噪、防火和隔热处理；主甲板上的居住区舱室、医疗间、公共处所等以内装围壁分隔，可采用复合棉板或铝质蜂窝板作为装饰材料；厨房及潮湿处所一般采用不锈钢或防潮型内装板。传统的现场拼装方法在生产节点和成本及质量上严重制约了船舶舾装的发展。因此，设计一种新的模块化建造方式来适应船舶舾装的发展是非常有必要的。

2.2船舶舾装模块化设计的方法和应用

舾装设备模块化的设计首先要考虑设备功能方面。子系统的设计是其中的重点。对于子系统的设计，首先要了解各个系统原理、功能、包括部件及与其他部件协同构成成体系统成分的方法，设计几个可行性方法，通过各个方案在系统功能、质量、协同性、成本预算方面进行比较，综合选择最优方案。在船舶舾装的设计中有着几个子系统的设计，主要包括：管通设计、电器设计、舱室布置设计和铁舾装件模块设计。在模块实施过程中，也包括多系统模块化设计、整体式单元模块化设计和集控室单元模块化设计等。

管系设计分为3个模块，分别为：管系原理设计模块、管路建模模块和生产信息提取模块。三维模式的应用极大地促进了船舶舾装设计的发展，设计时可应用Tribon软件进行三维建模。管系原理设计要综合考虑设计过程中的管材、阀门零部件等因素，管路建模模块主要是对综合管线的布置，使之具有立体直观感，使设计思路更为清晰，减少施工图纸的同时又缩短施工的周期，使效率大大提高。生产信息模块主要为生产信息的生成和输出，便于管路建模后的查看与编辑，同时，可以从模型中直接导出图和生成表格，对各种信息进行管理。电缆设计模块主要为电缆原理图设计和电缆放样。电缆原理图设计过程可以方便调出电缆布放图及相关配套设施的列表，在对电缆进行放样的过程中，电缆的具体路径及托架布置中可以调入船体分段、电器设备等，在检查线路联通性过程中非常方便。舱室布置设计过程中，通过软件进行绘制，设计将每个房间作为一个单位进行，同时各个设备的配套参数，重量重心一应齐全。各种铁舾装件的模块设计，是使之能够与相关模块信息能够共享，主要包括铁舾装件、扶梯及设备支架等的模块设计。以上每项模块设计都具有独立性，但又需设计相应的输入和输出接口。通过模块的组合配置来满足优化设计的目的。

2.3船舶舾装标准设计

由于船舶设计工程复杂，各个系统结合紧密，专业综合性要求较高，因此在设计相关研究的标准也显得相对复杂，包括相应的舾装托盘数据标准（其管理流程如图1所示）、舾装设计图纸目录标准、和舾装图纸编码标准。

结语

船舶的发展是社会经济发展的一个重要部分，在一定程度上体现出综合国力的强弱，在未来将会发挥更为重要的作用。船舶舾装的研究对整个船舶制造行业有着决定性作用。健全船舶舾装设计标准，完善舾装技术技术指导手册，采用合理的管理方式，必定会使我国船舶制造行业更为精进一步，进而逐渐缩短与发达国家在船舶设计与建造上的差距。

参考文献

船舶优化设计篇（7）

嘉兴目前大多数船企所建造船舶的吨位不大，以总吨200-300吨为主，由整体造船到分段造船的模式难以转变，做不到壳舾涂一体化，也做不到绿色造船技术体系的要求。但在局部上也可以进行小构件制作，预舾装、预涂装等；或在船舶建造中对具体的施工流程、行为进行合理的优化、规范和约束；特别是在船舶设计环节多做一些经济型船型和基于环境保护的绿色设计因素考量。从而既能提高造船效率，又能减少有害物的排放、提高节能降耗水平。

船舶设计

设计人员必须要树立绿色设计观，在船舶设计中对节省资源、降低能耗方面给予重视。加强船型的研究开发和储备，形成一系列技术经济性能优良的标准船型和系列船型，从设计的源头上推动嘉兴造船的绿色进程。

1、船舶设计的原则与考量要素

节省资源角度。对于钢质船舶来说，最大的资源消耗莫过于钢材的消耗，因此钢材用量的控制对船舶造价有很大的影响。设计时，①注意船舶主尺度的合理选择，尤其是船长。因为船长对船体钢料的影响最大，同时对船舶的总纵强度也敏感；②注意结构的合理确定，树立等强度概念，减小不必要的结构裕度，在保证船舶总纵强度和局部强度的情况下降低船舶自重；③注意高强度钢的合理使用，以减轻船舶的自重；

降低能耗角度。作为航行船舶，其消耗包括燃油、淡水、物料等，其中燃油消耗的费用在整个营运成本中占有相当高的比例。即船舶的线型及船上所配主机功率的大小、耗油设备的多少，与船舶的经济性能关系非常密切。因此，在保证航速的情况下，设计时要注意主机机型的选择，具体可从三方面来考虑：①选取合理的主要素和船体线型，使船舶的阻力性能优良；②尽量改善船、机、桨的匹配， 提高船舶的推进效率；③优化船舶动力系统。

船舶高效性。通过对船舶进行优化设计，使下列系数更优，从而提高船舶的节能水平。

2、结合以上要素和设计原则，推进标准化船型研究和使用

通过标准化、模块化设计，可以简化船体结构。采用功能多样化与复合化的零件，使整体装置的零件数减少；合理地设计产品中零件、支撑、载荷的布置，确定适当的整体尺寸，提高材料利用率；设计结构应符合工艺性与加工性，以减少加工过程中的材料损耗与能源消耗；设计的结构便于维修，提高维修的方便程度；设计的结构便于回收、拆解，实现资源的重复利用。

船舶设备的标准化、模块化设计可较好地满足设备更新拆装的互换要求，也可以有效地避免舾装件逐件装船，从而降低舱室内的污染和噪声危害，提高工作效率和工作质量，使劳动量和资金的消耗大大减少。

标准化设计可以提高零部件的通用性、使用的重复性，亦可以促进专业化生产。如对驾驶室、船员室以及客船舱室模块进行标准化、模块化生产。

3、绿色设计的其他措施

优化船型，比如船型的方改（圆）尖，降低船舶阻力、提高能耗比。

新能源船型，开展LNG（LPG）燃料代替燃油驱动主机的新型动力船舶的研究设计。据测算，使用LNG清洁能源比使用柴油节约30%-55%的费用，在大幅降低船舶运营成本的同时，可减少环境污染，具有非常明显的社会效益和经济效益。

船舶布置优化，如干货船采用前驾驶、集装箱船的船首驾驶室布置，解决驾驶盲区问题，减少事故的发生。

新技术的应用。包括船尾附加水动力装置，如前置导管、桨前反映鳍、桨后叶轮装置；采用球鼻艏、涡尾船型等优化船舶线型；溢油监视、鉴别等船舶防污染技术。

新设备的应用。推广使用节能型柴油机、新型燃油添加剂、节油减烟器、主机轴带发电机、岸电技术；优化电子喷油控制装置、机舱自动化控制；舵桨一体化装置、污油水柜和油气回收装置；采用高效推进装置如低转速大直径螺旋桨、适伴流螺旋桨、导管螺旋桨等，提高桨机船的匹配度；设置生活垃圾接收处理装置及油水分离装置等措施实现达标排放，防止船舶对水体的污染。

船舶制造

1、改善造船模式，提高船舶建造水平

1.1改进船舶构件的装配，提高造船效率

对船舶骨架，可多进行一些以小构件为中间产品的制作，并实施预涂装。比如先将船舶底部的龙骨和肋板骨架以几个肋位为单位装配焊接成小构件，对构件进行预涂装，再吊装到船底板上进行施焊。

1.2控制余量，提高造船精度，尽量实施室内造船

控制好船舶余量，就是要提高放样的准确度，增强号料、套料的精细水平，采用放样切割成型加工工艺，控制好船舶构件在加工中的结构余量。而成形的零部件直接或稍加处理即可用于组成产品，从而可以大大减少原材料和能源的消耗。

受技术和资金等因素的限制，嘉兴造船仍然以手工电弧焊为主，而且大多数在露天平台上施工。而钢板的锈蚀，钢材边角料、废焊材，废油、含油污的生产用水、密性用水、油漆泄漏，含生活垃圾、含油揩布、废油漆和废电子元件等，在露天及下雨中及容易对周边环境和河道造成污染，有必要尽量实施室内或棚内造船。

1.3升级焊接技术，改善焊接工艺

在船体建造中，焊接工时约占船体建造总工时的30%-40%，焊接成本约占船体建造总成本的30%-50%。焊接过程中，不可避免地会出现有害气体、粉尘、弧光辐射、电磁、噪音等污染，同时也会消耗大量电力资源，船舶焊接技术的进步对推动绿色造船的发展具有十分重要的意义。

嘉兴船企多采用以传统焊条为材料的电弧焊，该方式飞溅较多、焊条利用率低、电能消耗大，使得船舶建造的效率下降、周期延长、能耗比增加。为此，有必要减少传统焊条的使用，在船厂中推广高效焊接工艺的运用。可重点推广以CO2气保焊和埋弧焊的工艺方法，既减少焊条额飞溅和丢弃又能高焊接速度，生产效率为普通焊条电弧焊的3～5倍，同时操作简单，适用范围广。

有条件的船企，也可采购更高效的焊接技术。①节能逆变焊机。在美国，逆变焊机的产量占弧焊机总产量的比例已超过30%，日本已超过50%。据统计，2000年国产逆变焊机仅占当年生产的弧焊机总产量的8.4%。②搅拌摩擦焊。搅拌摩擦焊是一种固相焊接方法，可用于对金属板材全熔深焊接，而不会达到金属的熔点。搅拌摩擦焊无飞溅、烟尘，不需添加焊丝和保护气体，无气孔、裂纹等焊接缺陷，形成的焊缝强度高、变形小，是一项性能优良的环保焊接新方法。③激光焊接。激光焊接过程是一种既快速，又几乎无任何变形的低热量输入焊接过程，目前已能对15mm 厚的不锈钢和低碳钢进行激光焊接。

1.4喷砂―采用无灰尘的精砂

由于钢板存放周期长，且在露天或半封闭的建造中极容易引起钢板的锈蚀，需要对船板进行喷砂处理。在喷砂过程中，嘉兴船企选用的砂灰尘较多，带上口罩防尘效果也较差，除了污染环境外还会引起呼吸道疾病，鉴于此，建议船企采用无灰尘的精砂。

1.5管理钢板堆场

钢板堆场应采取防雨措施，尽可能堆放在室内或搭建简易棚。通过减少钢板表面氧化量，可减少喷砂除锈量，从源头上减少喷砂粉尘排放量。

2、选择绿色材料

在船舶全寿命周期中，对环境影响最大的有两项：一是制造过程中的焊接、涂装作业；二是船舶拆解后废弃的舱室绝缘材料。因此，材料的选择尤其重要。

焊接材料。在电弧高温燃烧下，焊丝（焊条） 的添加助焊药剂随焊接烟尘一起向空气中扩散，对操作人员和环境构成危害。因此，应选用高效焊接工艺和低毒、低烟低毒低尘焊丝（焊条）。

对可再利用价值的舱室绝缘材料的选择。矿棉、玻璃棉因具有防火、隔音、保温等性能和可加工性，被用于船舶舱室的内装。但在船舶营运寿命结束后的拆解过程中，这些材料由于没有再生利用价值而被大量抛弃，且其不可降解性直接导致周围水质和土质的恶化。研制一种高效、环保的绝缘材料并制订相应技术标准，也将成为完善绿色造船技术的一项重要工作。

涂装材料的选择。传统溶剂型涂料对人体的危害和对空气的污染已无法满足绿色造船的要求，取而代之的将是毒性较小、省资源、省能源的绿色环保涂装材料：如水性涂料、粉末涂料和辐射固化涂料等。另外，船舶外板水线以下的涂料，应具有驱赶而并不杀灭海洋生物的性能，是既能防止海洋生物附着，但又不污染海洋的绿色环保涂料。

部分船舶如公务艇等可多采用钢铝混合结构、纤维增强塑料。

船舶营运

绿色造船不应仅局限于船舶的建造过程，也应贯穿船舶整个生命周期。在船舶营运到退役的整个过程中，都应使其对环境的负面影响最小，能耗最低。

船舶优化设计篇（8）

中图分类号：U662 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）08-0161-01

船舶并行协同设计成为现代船舶设计的主要方法，该设计理念的先进性主要表现在数字化设计以及行业并行协同设计，通过资源信息的共享与集成，实现船舶设计、决策等方面的协同管理，有助于推动船舶设计与制造的水平。

1.开展船舶协同设计的必要性

船舶是一种大型商品，具有结构和技术复杂、开发设计周期长、配套零件多、产品内容大量等特点，船舶设计对于船舶成本、质量以及生产周期具有重要影响[1]。由于目前市场中的船舶产品的种类多种多样，且客户要求的时间较短，时常出现多种规格船舶同时设计的情况，并且由于船舶设计需要各单位和组织的共同合作，包括船舶商、造船厂、修船厂、客户、船舶设计研究所、零部件供应商、设备生产商以及融资方等机构，利用先进的计算机技术、软件工程进行船舶协同设计，是现代船舶设计的主要趋势[2]。协同设计需要各单位组织的资源共享，提高信息的利用率，从而使船舶设计人员能够减少信息采集的时间，通过行业间的协同设计共同合作。现代XML技术、WEB service技术、软件技术成为船舶协同设计中的关键技术，使得船舶设计向着综合化、整体化发展。利用这些先进技术进行分析与计算，并结合物理仿真试验等功能，构建全面化船舶协同设计系统[3]。

2.船舶协同设计体系结构

目前我国船舶制造行业与国外相比仍存在较大的差距，主要表现在产品的开发水平较低、产品创新少，尤其是设计周期较长、产品成本高以及质量参差不齐等问题的影响。随着日韩两国船舶制造行业的不断发展，给我国船舶制造行业带来了不小的压力。因此，降低制造成本、提高国际市场竞争力，提高船舶技术含量与制造质量，是现代船舶制造工业主要需要解决的问题[4]。随着我国经济市场全球化趋势的加深，船舶企业必须着眼于国际上先进的船舶研究设计机构、加工企业以及供应市场。同时也要加强船舶制造行业上游企业与下游企业的强强联手，从产品研发与创新城面上构建本土优势行业，并不断努力突破劳动成本优势的限制，建立一个设计、计算、仿真试验于一体的系统研发机构具有重要的现实意义。

根据现代信息技术的发展以及船舶协同设计的需求，文章提出的船舶协同设计系统主要由数据库层、协同服务层、协同管理层以及设计工作层组成。数据库层主要是由各企业经由互联网构成的分布在各地的产品数据库、电子仓库以及信息库等。协同服务层主要是由通用服务器或专用服务器构成的服务平台，主要包括了互联网服务器、安全服务器、通讯服务器以及产品记录服务器，能够实现资源共享、信息交换的功能，专用服务器主要用于数字化分析、仿真设计、水动力分析以及船舶零部件整理等方面。协同管理层主要包括用户管理、系统管理、资源管理、产品管理等方面。船舶设计工作层主要包括项目经理任务分配以及设计人员的设计工作。

3.船舶协同设计关键技术

虽然船舶开发期间的成本不高，但是其对船舶产品生产周期具有重要影响。其次在开发过程中随着设计错误的更改，会随着开发进度的增加而不断提升。利用协同设计技术能够大大的缩短设计周期，减少设计错误，实现资源的共享，有助于减少设计成本，缩短产品生产周几，提高各种资源的使用效率，优化资源配置。

3.1 信息集成框架和协同设计体系研究

船舶生产中主要包括产品设计、产品制造、产品销售以及后期维护等环节，而在生产过程中涉及到许多方面，除了质量单位的验收外，还需要船东、制造商的全程参与，并对产品设计提出不同的要求。利用先进的科学技术，构建船舶协同设计系统，有助于更好的研发异构操作系统、如何实现异构软件中的同步、异步等不同情况下的数据交流，研究数据保密技术等。协同服务层主要是对各种数据模型、结构设计、性能设计、仿真实验等进行分析。

3.2 船舶协同本体建模研究

其主要包括人机交互、一体化操作等方面的研究，针对船舶协同设计模型展开研究。通过建立相应的结构模型、船舶协同设计共享数据库等。以STEP标准为基础，并结合我国船舶制造业的实际发展情况，针对整个船舶产品研发周期的产品信息进行建模处理。研究先进的制造方法和技术，并建立各方面协同合作的关系与模型。

3.3 基于工作流的协同设计过程建模和控制研究

协同设计离不开各个环节的协同配合，在同一环节的操作过程中，可能需要多组织或多单位共同合作才能完成，有可能还需要返回至前一个操作步骤。在船舶设计过程中，各方面的参数都可能发生变更，某一处参数发生变更会使得其他部位也需要进行调整，甚至导致设计流程要改变。因此，除了需要建设科学的船舶设计协同模型，并且需要提高控制系统的操作性与灵活性，从而满足设计参数变更的需求。

3.4 船舶产品开发的组织模型

由于船舶设计具有较高的复杂性，且技术含量较高，即使在不远的未来，仍旧需要以人作为主导，利用计算机技术进行设计。科学的组织模型能够帮助设计人员对分配的任务以及合作任务进行更好的管理，组织模型为设计人员的工作提供了更好的交流框架，从而让设计人员能够更好的协同合作，提高设计效率与质量。

3.5 支持图形互操作的协调系统

由于不同人员的学习水平、任务、工作经验、个人能力各有所不同，在研发设计过程中难免会出现意见不统一的情况，设计人员与审核人员需要针对3D建模设计图纸就某一具体问题进行核对、探讨或协作时，其实质上就是3D建模之间的图形互操作协调。协调是解决矛盾的主要途径，需要通过研发图形互操作协调系统，解决设计不统一的问}，保障协同设计的顺利开展。

3.6 船舶协同产品商务研究

产品设计不单单需要考虑到技术因素，同时还需要考虑到市场需求。协同设计时需要将产品设计、制造、采购、销售、服务及客户管理等连成一个整体网络。不同的单位和企业都参与船舶协同设计，从而构成了一个系统，需要对合作伙伴以及单位进行评价，从而选择合适的合作商，优化产业链的结构，促使协同设计目标具有统一性。

4.结束语

船舶协同设计是一项复杂的工程，需要各种工程技术的重组与调整，涉及到各种机构的权值变更，同时也需要各级单位的配合与支持，从思想、组织、技术和资源上进行深入合作，协调好各方面的关系，认清局部与整体之间的利益关系。

参考文献

[1] 刘寅东，苏绍娟.船舶并行协同设计环境及关键技术[J].大连海事大学学报，2015，37（1）：25-28，31.

船舶优化设计篇（9）

1绿色船舶的概念

绿色船舶，是指在船舶全寿命周期中（包括设计、制造、营运、和报废拆解），通过采用先进技术，满足用户功能和使用性能的要求，并节省资源和能源，减少环境污染，且对生产者和使用者具有良好保护的船舶。

绿色船舶的设计应当从产品需求、设计、制造、营运到再生整个寿命周期一起考虑，把产品、环境和人类三者集合起来，主要考虑的因素包括：（1）氮氧化物和硫化物的排放；（2）CO2排放；（3）合理的结构设计（低阻力线性的设计及合理的节能装置的应用）；（4）绿色环保材料的使用及有害材料的控制；（5）生活垃圾、舱底水和生活污水的处理；（6）压载水处理装置；（7）安全环保的涂装材料；（8）节能减排新技术的应用。

2发展重视绿色船舶只争朝夕

随着EEDI（船舶能效设计指数）和SEEMP（船舶能效管理计划）被正式纳入MARPOL公约负责VI修正案。IMO温室气体减排框架下的的三个关键步骤，即：EEDI、SEEMP、MBM（市场机制）中已有两项列入强制要求。这意味着航运业、造船业及相关产业所面临的减排冲击将全面进入实质性阶段。而有专家认为，正在全球范围内推进的这场以节能减排为焦点的绿色革命，其影响将不亚于19世纪船舶动力由风帆到蒸汽机的重大变革。在“绿色浪潮”趋势影响下，公约规范已经发生了重大变化，从而将引发造船、航运生态的重大变革。

目前，同为造船大国的韩国和日本。在研究和建造EEDI船舶上已有所建树。2009年韩国大型造船企业STX海洋造船就表示，该公司开发的船舶节能成套技术已经准备好接受订单。而日本则是积极推动IMO温室气体法规进程的主要力量。日本企业从对新技术潜力的研究入手，对包括三大主力船型和液化气船、滚装船、杂货船在内的各类船舶进行了EEDI改进的案例分析。通过多种新技术结合的办法达到节能减排的目的。

3增强绿色船舶设计理念

正如绿色船舶的概念一样，其设计和制造中具体理念分析包括：

（1）环境协调性：指在船舶设计、建造、营运、回收等过程中对能源、资源利用程度及对自然环境以及劳动者的影响；

（2）技术先进性：指船舶在设计、制造、运行操作以及报废回收中采用先进科学技术；

（3）经济高效性：指船舶制造成本的经济合理性，运行高效性以及高回收利用等方面。

绿色船舶代表着船舶的高能效、低排量、低污染、安全健康、并贯穿于船舶生命周期的各环节中。设计是先导，设计人员的环境意识决定了船舶产品的绿色度。

首先，设计人员必须具备良好的环境意识。在材料、线性设计、浆叶设计、浆舵-浆机匹配、结构布置、降阻、燃料、燃烧、排放、再生循环利用、风力助航、能效等方面着重研究能效设计指数（EDDI）及其基线。使其满足环保要求。

绿色船舶建造时力求船舶制造过程对环境影响最小，对资源利用率最高的生产技术。在船舶建造过程中，废弃物和有害排放物最少，以减少对空气、水和土地的污染并节约资源，从而提高制造活动的经济效益和社会效益。

在船舶的运营中，减少二氧化碳，氮氧化物、硫氧化物等温室气体的排放；防止燃料油、有害液体等的泄露；合理进行垃圾、污水处理；严格控制舱底污油水和压载水的排放等。

4抢占绿色船舶设备和新能源装备的制高点

结合我船舶行业自身优势：首先，应抓住三大主力船型节材、节能、减排的优化设计。进一步降低同一排放量船舶的用钢量和船型阻力，提高推进效率，优化装船机电设备的系统配置和参数选择，降低能耗；开发余热和废气能量回收利用技术和设备；收集和积累三大主力船型船舶的设计与运营能效指数等数据，在新船设计制造中不断改进。

其次，以节能减排为主要指标之一，有计划地实施船用动力与配套设备技术的更新改造。利用船舶市场尚未全面复苏及国际船舶排放技术要求进一步提高的转机时机，力争在船舶配套技术和产业领域有所进步。

第三，通过和国内船舶研究、制造、船检和航运部门合作，争取把“绿色船舶技术”列为国家重大科技工程专项。推动我国船舶技术的跨越发展和船舶工业的结构调整，完成从造船大国向造船强国的过渡。

5国际规则推动的“绿色冲击”

近年来密集出台的国际海事规范彻底改变了传统船舶设计和建造理念。对于船型研发、船舶设计、制造、拆解以及船用配套设备都提出了日益严格的技术要求。尽管面临着成本和市场的强大阻力，国际海事组织及区域性组织仍然积极推动这些标准和规范，使船舶行业向低碳绿色的方向发展。

温室气体减排最早于IMO海洋环境保护委员（MEPC42）会第43次会议上提出，在MEPC57会议上明确提出了减排基本框架，即采取技术措施包括采取新船能效设计指数和船舶能效营运指数；市场机制主要包括采取排放权交易，碳税等手段。在MEPC60会议上通过了将国际防止船舶造成污染公约MARPOL负责VI作为制定船舶能效强制性要求的手段。

IMO在2004年通过了《国际船舶压载水和沉淀物控制和管理公约》。对未来船舶的压载水提出了更高的要求。

海洋安全委员会第81次（MSC81）会议正式批准“所有类型船舶专用海水压载舱和散货船双侧处所保护涂层性能标准”（压载舱PSPC）。

6结语

做绿色船舶、绿色航运的先行者，对各造船、航运企业来说需要勇气与坚持。为了提高国际竞争力，争取行业技术和经营的话语权，维护我国航运大国和造船大国的形象。各企业今后几年大力发展绿色高效船舶的努力需不断坚持完善，造船和航运业节能减排工作需要进一步提速。谁能把握先机尽早推出适应未来发展需要的绿色船舶技术，谁就会在新的竞争中获得优势。

参考文献：

[1]史婧力.绿色航运的发展方向.中国船检.2012（11）.

船舶优化设计篇（10）

中图分类号： TN961?34； U675.6 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0097?04

0 引 言

近年来，随着我国经济的迅速发展，国内外贸易迅猛发展，海上交通运输量不断增长，特别是某些重要的水道，船舶交通非常繁忙；随着装载船舶自动识别系统 （Automatic Identification System，AIS）设备的船舶数量越来越多，充分利用船舶AIS数据进行船舶交通研究已是焦点问题[1?3]。实时获取准确的船舶AIS信息显得至关重要，只有获取实时的船舶AIS数据，才能有效地监控某些水域通航状况，及时发现通航水域中存在碰撞以及搁浅等海事事故的区域，这样有助于岸基人员更好地协调和管理通航水域的安全。

目前，尽管在船舶和岸基管理已经安装了大量的AIS设备，但是由于AIS操作不当、AIS设备播发的数据由于船舶与AIS基站之间的距离较远、 AIS设备自身工作不正常或人为的关闭AIS设备等各种主客观原因以及AIS船站和岸站时隙拥堵和网络传输，造成岸基AIS存在接收到的AIS数据不正确以及数据位置报告更新不及时等情况。

为了弥补AIS数据堵塞等原因导致更新数据不及时，造成船舶轨迹的不准确或者误差较大的问题，本文提出利用对卡尔曼滤波算法进行适当的修改，引入系统噪声和测量噪声，利用AIS船舶观测节点数据对系统状态做最小二乘法估计，对船舶轨迹进行平滑和预测处理，能够比较正确地估计出船舶轨迹。

1 AIS数据格式分析

1.1 AIS设备配备规定

目前，按照国际海事组织的规定，国际航行的500总吨及以上的船舶以及所有客船均需强制配备安装AIS。我国海事主管机关对中国籍100总吨以上的沿海航行船舶以及内河航行船舶都配备安装AIS的要求。

1.2 AIS数据质量分析

船舶位置报告的更新延时长短船舶轨迹的分析研究产生较大的影响，图1是选取了上海港外高桥水域内自2011年4月27日0805—4月28日0725时间段内，每隔35 min统计一次该段时间内船舶位置报告的更新延时情况。

从图1分析可得，2 min未更新位置报告的船舶比例为30%左右，3 min未更新位置报告的船舶比例为15%左右，5 min未更新位置报告的船舶比例为10%左右，15 min未更新位置报告的船舶比例约为2%。

按照AIS设备规范的规定，左边是A类船载AIS设备，右边是B类船载AIS设备，船载AIS设备的报告间隔。通过与船载AIS设备的标准时间间隔对比，实测AIS数据的位置报告间隔确有一定的延时，这种定位信息的延时会对后期的船舶位置的同步产生一定的误差，同时AIS位置报告数据中船舶位置信息也客观存在着误差，其主要源于船载定位设备的定位误差，基站数据接收和记录延迟误差。

通过上面数据分析可知，5 min以内有90%船舶AIS数据都进行了更新，仅有2%的船舶定位信息更新延时会超过15 min，考虑到船舶航行速度相对较慢，在研究中期对船舶数据更新延时在5 min、10 min的数据进行处理和分析，可以满足船舶轨迹预测和估计的精度要求。

2 卡尔曼滤波算法基本方程[4?5]

2.1 卡尔曼滤波算法的系统状态方程

5 基于卡尔曼滤波算法的船舶轨迹仿真和分析

（1） 直航段无转向时不同时间间隔船舶轨迹预测和误差分析

在Matlab环境下，对船舶在直航段的不同时间间隔的轨迹预测仿真图如图6所示。船舶直航段（无转向）航行时，红色、蓝色和青色三角形分别是1 min后，5 min后和10 min后的船位预测仿真图。

通过对不同时间间隔的船位误差进行分析（见表1，表2），在直航的情况下，对1～5 min内船舶轨迹的预测，卡尔曼优化值的船位误差在9 m左右，而推算值的船位误差在10 m左右，采用卡尔曼滤波优化仿真值船位的精度可以提高大约11%。随着时间间隔时段增加，对5～10 min内的船舶轨迹进行预测，卡尔曼优化值的船位误差在13 m，而推算值的船位误差在17 m，采用卡尔曼滤波优化仿真值船位的精度可以提高大约24%，船位误差是可以接受的。

（2） 转弯航段有较大转向不同时间间隔船舶轨迹预测分析

船舶有较大转向时，红色、蓝色和青色三角形分别是1 min后，5 min后和10 min后的预测仿真图，如图7所示。

通过对不同时间间隔的船位误差进行分析（见表3，表4），在船舶转向的情况下，对1～5 min内船舶轨迹的预测，卡尔曼优化值的船位误差在32 m，而推算值的船位误差在39 m，采用卡尔曼滤波优化仿真值船位的精度可以提高大约18%。随着时间间隔时段增加，对5～10 min内的船舶轨迹进行预测，卡尔曼优化值的船位误差为50 m，而推算值的船位误差为75 m，采用卡尔曼滤波优化仿真值船位的精度可以提高大约50%，船位误差是可以接受的。

6 结 论

船舶轨迹预测准确性的精度与预测时间间隔以及船舶的运行速度有关。时间间隔越长，船舶轨迹的误差越大，反之亦然。通过研究在船舶运动轨迹中加入系统噪声和动态系统测量噪声的卡尔曼滤波估测方式对节点定位进行预测仿真，改进的卡尔曼滤波算法对节点位置信息进行滤波，提高了传统航海上航迹推算船舶定位的精确度，对船舶节点轨迹预测和估计有所提高。

参考文献

[1] 张连东.基于AIS数据的成山头水域船舶交通流研究[D].大连：大连海事大学，2010.

[2] RISTIC B， LA SCALA B， MORELANDE M， et al. Statistical analysis of motion patterns in AIS data： anomaly detection and motion prediction [C]// Proceedings of 2008 11th International Conference on Information Fusion. Cologne， Germany： IEEE， 2008： 1?7.

[3] ADVISER?LAKSHMIVARAHAN S， YUSSOUF N. Kalman filter based techniques for assimilation of radar data [D]. Oklahoma： University of Oklahoma， 2010.

[4] 邓胡滨，张磊，吴颖，等.基于卡尔曼滤波算法的轨迹估计研究[J].传感器与微系统，2012，31（5）：4?7.

[5] 成光，刘卫东，魏尚俊，等.基于卡尔曼滤波的目标估计和预测方法研究[J].计算机仿真，2006，23（1）：8?10.

[6] 敬喜.卡尔曼滤波器及其应用基础[M].北京：国防工业出版社，1973.

[7] 邓自立.卡尔曼滤波与维纳滤波[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001.

[8] 赵仁余，肖英杰.航海学[M].北京：人民交通出版社，2006.

[9] 石章松，刘忠.目标跟踪与数据融合理论及方法[M].北京：国防工业出版社，2010.

船舶优化设计篇（11）

0 引 言

湖北省位于长江中游，共有242条通航河流，航道总里程达 km。推进湖北省节能低碳的绿色航运有助于将长江经济带建成绿色生态廊道和黄金经济带。

船舶是航运业发展的核心要素之一，建立湖北省绿色船舶运输评价指标体系，从而科学引导船舶节能减排是湖北省实现航运业绿色发展的必要措施。

1 湖北省船舶运力发展现状

2015年，湖北省拥有各类船舶艘，其中：客运船舶721艘，4.3万客位；货运船舶艘，运力达739.13万t； 拖船110艘，功率达到5.6万kW。船舶总运力较2011年增长14.6%，货船平均吨位较2011年增长38.5%。“十二五”期间，湖北省抓住国家船型标准化政策机遇，共拆解（改造）艘船舶，新建大长宽比示范船8艘。

虽然近几年湖北省运力结构有较大优化，但是目前仍然存在一系列的问题，阻碍着湖北省船舶运输业的快速发展。一方面，船舶运力结构不够合理，专业化、大型化的船舶占比较少；另一方面，船舶标准化程度较低，一些能耗高、污染大的船舶仍占据着一定的比例，节能船型等高技术含量船舶占比较少。[1]

2 指标体系构建原则

2.1 代表性原则

建立绿色船舶运输评价指标体系涉及许多方面，应选择有代表性的指标，使评价体系能够简单明了地体现绿色船舶运输的本质特征。

2.2 可操作性原则

各项指标的统计分析应当易于测算，统筹运用定性分析和定量分析的方法，将绿色航运的内在要求转化成可以测评的指标。

2.3 科学性原则

相关指标的设计要具有一定科学性，绿色船舶运输指标的定义、计算方法及相关数据来源应有一定的科学依据，保证评价结果的客观性和可信度。

2.4 针对性原则

相关指标的设计应当切实考虑湖北省内河航运的实际状况和特点，有针对性、有重点地确定评价指标及标准。

3 指标体系的构建

根据国务院及交通运输部的关于交通节能减排文件要求，将绿色船舶运输工作划分为结构、管理和技术等3个方面。遵循指标体系构建的原则，根据船舶运输的工作属性设计指标，将指标分为4个一级指标：能耗统计、排放监测、技术升级和管理优化；12个二级指标：营运船舶单位换算周转量综合能耗、能源利用率、环保能源占比、单位换算周转量CO2排放量、生化需氧量（BOD）、固体废弃物排放、新技术产品项数、船舶运力结构调整度、船舶运输节能减排资金投入比重、船舶运力利用率、船舶维修保养、节能减排机构设置完善度。

3.1 能耗统计指标

（1）营运船舶单位换算周转量综合能耗 营运船舶单位换算周转量综合能耗是指各种类型营运船舶的实际单位换算周转量能耗与其相对应的单位燃料消耗限额的百分比。

各类船舶单位燃料消耗限额见表1。[2]

（2）能源利用率 能源利用率是船舶在营运过程中消耗的能源总量占供给能源总量的百分比，用来衡量船舶能源的利用水平。

（3）环保能源占比 环保能源占比是船舶所用绿色低碳型能源占全部消耗能源的比例。

3.2 排放监测

（1）单位换算周转量CO2排放量 由于消耗标准煤的燃料约排放2.67 t CO2，关于单位换算周转量CO2排放量的计算将采用该折算系数计算：

（2）生化需氧量 生化需氧量是微生物分解船舶生活污水中的有C物而消耗溶解氧的量，用来反映船舶生活污水性质。

（3）固体废弃物排放 固体废弃物指船舶在营运过程中产生的生活垃圾等。

3.3 技术升级

（1）新技术产品项数 新技术产品项数是指1年内的绿色船舶运输新技术开发和推广以及新产品推广项目数量之和。

新技术产品项数=新技术开发项目数 + 新技术推广项数 + 新产品推广项目数

（2）船舶运力结构调整度 船舶运力结构调整是用来反映对老旧、高能耗船舶及设备的淘汰或者更新的程度，即已调整的船舶、设备数量之和与需要调整的船舶、设备数量之和的比值。

（3）船舶运输节能减排资金投入比重 资金是节能减排工作开展的前提条件，船舶运输节能减排资金投入比重是船舶节能减排的资金投入总额占船舶运营成本的百分比。

3.4 管理优化

（1）船舶运力利用率 船舶的运力利用率越高，船舶在运营过程中的绿色度就越高。船舶运力利用率是营运船舶在一定时间段内实际完成货物周转量与船舶最大货物周转量的百分比值。

（2）船舶维修保养度 船舶维修保养度越高，船舶运营过程中的绿色度就越高。定期对船舶及其机械设备进行一定的维修和保养，可以使其工作状态处于最佳水平，减少航行阻力，有利于船舶保持最佳的油耗状态，从而减少CO2等气体排放，也有利于避免船舶漏油事故发生。

（3）节能减排机构设置完善度 节能减排机构设置的完善度越高，其员工的职责分工越明确，船舶运输过程中节能减排工作就越顺利。

4 评判准则确定

参照国际公约，国家相关法规、标准以及相关文献，设定湖北省船舶运输绿色水平的评价准则（见表2）。[2-4]

5 结 语

构建湖北省绿色船舶运输评价指标体系，客观评价湖北省绿色船舶运输的发展水平，从能耗统计、排放监测、技术升级和管理优化等4个维度来反映湖北省绿色船舶运输的发展水平，科学引导湖北省航运业节能减排工作，加强绿色发展管理，提高湖北省绿色航运的竞争力，同时为航运业的绿色发展研究提供一定的参考。

参考文献：

[1] 谢金武.湖北省水运现状分析及发展思考[J].交通科技，2005（3）：117-120.