第２７卷第４期　江苏科技大学学报（自然科学版）　Ｖｏ１．２７　Ｎｏ．４　２０１３年８月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ａｕｇ・２０１３　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—４８０７．２０１３．０４．００１　高速三体船的快速性综合优化研究　杨松林，潘亦鹏，李　密　（江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江２１２００３）　摘要：讨沦了一种高速三体船的快速性综合优化设计问题，在对一型三体船进行系列模型试验的基础上建立了快速性　综合优化设计数学模型．采用遗传算法作为优化方法，编制了ｃ＋＋优化计算程序，基于大量的计算，确定了合理的进化代　数；得到了快速性指数在傅汝德数ｎ为０．３２～０．４４之间随速度和船长的变化曲线．文中提出的优化方法及计算结果可为　高速三体船初步设计提供技术支撑．　关键词：三体船；快速性；综合优化；遗传算法　中图分类号：Ｕ６６１．３１　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７３—４８０７（２０１３）０４—０３０７—０５　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒａｐｉｄｉｔｙ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｔｒｉｍａｒａｎ　Ｙａｎｇ　Ｓｏｎｇｌｉｎ，Ｐａｎ　Ｙｉｐｅｎｇ，Ｌｉ　Ｍｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｎａｖａｌ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｏｃｅａｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２１２００３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ａ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｔｒｉｍａｒａｎ　ｒａｐｉｄｉｔｙ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｆｉｒｓｔ　ａｒｅ　ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｔｒｉｍａｒａｎ　ｍｏｄｅｌ　ｔｅｓｔｓ　ａｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ，ｔｈｅｎ　ａ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｔｒｉｍａｒａｎ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｃ＋＋ｌａｎｇｕａｇｅ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｏｐｔｉ—　ｍｕｍ　ｓｔｅａｄｙ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓ　ｉｓ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ；ｔｈｅ　ｒａｐｉｄｉｔｙ　ｉｎｄｅｘ　ａｓ　ａ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒｉ—　ｍａｒａｎ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｆｏｒ　Ｆｒ　ｂｅｔｗｅｅｎ　０．３２　ａｎｄ　０．４４，Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｔｒｉｍａｒａｎｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｒｉｍａｒａｎ；ｒａｐｉｄｉｔｙ；ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　三体船是当今造船界研究的优良船型之　一＿１－２ｊ，由于其优良的性能而得到重视和广泛研　究．与一般单体船相比，三体船的３个瘦长船体使　得这种船型的稳性很好，在高速时兴波阻力也很　小，从而减小了对推进系统等各方面的要求．三体　船的快速性是三体船各项性能中非常重要的一个　性能，文中选用一型三体船船模，对其快速性进行　优化　Ｉ．优化的方法主要有常规优化方法和现代　优化方法两大类．常规优化方法常常会陷入局部最　优，全局寻优能力差，一般不适合于多目标、多约　束、多变量的复杂优化问题的求解．相比之下，现代　优化方法中的遗传算法及其复合方法，就具备很强　的全局寻优能力　ｊ．近年来，遗传算法或模糊遗传　等算法已被用于求解复杂船舶工程中的优化问题．　所以本文采用了遗传算法作为寻优的主要算法，对　三体船船模在快速性方面进行优化，得到一个最优　解，从而确定了快速性综合优化的船型．　１　高速三体船航行性能快速性综合　优化数学模型　１．１设计变量　舰船快速性综合优化涉及的船型参数Ⅲ５　较　多，三体螺旋桨推进的排水型参数船包括：船长Ｌ、　船宽　、吃水　、方型系数Ｃ　浮心纵向位置　、螺　收稿１３期：２０１２—１２—１５　基金项目：国家８６３计划基金资助项目（２００６ＡＡ１ｌｚ２２０）　作者简介：杨松林（１９５６一），男，教授，研究方向为船舶综合优化．Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｓ１５６０５１６＠ｖｉｐ．１２６．ｃ

ｏｍ　江苏科技大学学报（自然科学版）　２０１３焦　旋桨直径Ｄ　、盘面比　／　、螺距比Ｐ／Ｄ　、螺旋桨　转速Ⅳ、设计航速　、菱形系数ｃ　、侧体纵向间距　ａ、侧体横向问距６、设计水线面系数Ｃ　、加载后重　量ｍ．为描述简单起见，将这１５个设计变量用一个　向量　表示，即可采用下列向量形式表示为：　＝｛　ｌ，　２，　３，　４，　５，　６，　７，　８，　９，　１０，　ｌ１，　ｌ２，　１３，　１４，Ｘ１５｝　Ｘ＝｛　，Ｂ，　，ＣＲ，，ＪｃＢ，ＤＰ，ＡＥ　ｏ，Ｐ／ＤＰ，Ⅳ，　，　Ｃ。，口，ｂ，Ｃ　，ｍ｝。　（１）　１．２目标函数　为了评定排水型高速船舶快速性的优劣，选取　与海军系数相类似的快速性衡准因子Ｃ　作为快　速性指数的目标函数　．可选如下的公式为船舶　快速性综合优化目标函数：　ｆｉｘ　＝　（２）　当高速三体船航行速度较高时（Ｆｒ＞０．５　时），主要选取如下的公式为高速三体船快速性综　合优化目标函数：　ｆ（ｘ　＝—Ｒｔ／ｒ／　ｏ＇Ｏｒ（ｒ／ｔ一（ｒ／ｓ　（３）　式中：△为排水量；　为航速；Ｐ　为有效功率；　。　为螺旋桨敞水效率；叼　为船身效率；叼　为相对旋转　效率；　为航行总阻力；叼　为轴系传动效率．　比较上述几个公式可知：海军常数因其分母　为有效功率Ｐ　，故只能检验船舶线型的阻力性能；　而Ｃ。　因其分母为螺旋桨收到功率Ｐ。　（Ｐ。　＝　ｎ一　坐一），故其物理意义就变成为衡准船舶的快速　ｒ／ｏ＇ｒ／Ｈｒ／ａ　性能，包括线型的优劣与螺旋桨敞水效率的优劣，　它是一个综合性的衡准因子，对船舶设计工作而言　较为实用．本次优化所使用的剩余阻力是根据三体　船试验所得　卜　，试验船模主尺度如表１所示．　表１船模主体尺度　Ｔａｂｌｅ　１　Ｍａｉｎ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ　ｏｆ　ｓｈｉｐ　ｍｏｄｅｌ　主尺度　数值　主体设计水线长　／ｍ　主体重载水线长Ｌ　。　／ｍ　主体宽Ｂ／ｍ　主体型深Ｄ／ｍ　主体长宽比Ｌ／Ｂ　主体设计吃水Ｔ／ｍ　重心高度ｚ　／ｍ　侧体长Ｌ．／ｍ　侧体宽Ｂ，／ｍ　侧体型深Ｔｉｍ　侧体吃水Ｄ　／ｍ　侧体排水量Ａ１／ｋｇ　设计总排水量Ａ２／ｋｇ　重载总排水量Ａ３／ｋｇ　３．６４　３．６６　０．２７　０．１６２　１３　０．Ｏ８４　０．０９５　１．０　０．０４　０．１１４　０．０５　２．３４　４１．８　５４．８　侧体排水量占主体的５％．图１中ａ，ｂ分别为　两侧体纵向和横向问距．　图１三体船俯视图　Ｆｉｇ．１　Ｏｖｅｒｌｏｏｋｉｎｇ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｒｉｍａｒａｎ　试验对傅汝德数ｎ、侧体纵向位置、侧体横向　２），对这些阻力进行优化插值计算，得到一个最优　位置、吃水进行变化，试验共分为１２组，每组所测　解，从而确定了快速性综合优化的船型．　的速度点及相对应的　在０．２２一Ｏ．６６之间，将三　以上是船舶航行性能快速性综合优化目标函　体船侧体的纵向间距、横向间距、排水量这３个方　数的主体，在ＶＣ＋＋中建立其具体的数学模型来验　面分别进行２，３，２次的变化试验，得到了不同搭配　证其准确性，并对其结果进行分析．由于船舶的航　下的不同阻力，再利用ＭＡＴＬＡＢ６．５的数组库得到　行性能涉及快速性、耐波性、操纵性中的各项参数，　四维数组，并编写接口程序，嵌入ｃ＋＋中，进行插　设计变量众多，故只选取主要经验公式和相关的参　值计算，得到剩余阻力系数ｃ　与Ｆｒ的关系（图　数来构成具体的数学模型．

　第４期　杨松林，等：高速三体船的快速性综合优化研究　３０９　图２侧体在后部靠近船身时Ｃ　随Ｆ，变化　Ｆｉｇ．２　Ｃ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ｆｒ　ｗｈｅｎ　ｓｉｄｅ　ｂｏｄｙ　ｌｌＰＡｉｒ　ｔｈｅ　ｂａｃｋ　ｏｆ　ｈｕｌｌ　１．３约束条件　首先，浮性作为最基本的航行性能是必须要满　足的，故其排水量△应保持不变．其次，设计变量　Ｌ／Ｂ、Ｂ／Ｔ、ＣＢ、ＬｃＢ、ＤＰ、ＡＥ／Ａ０、　Ｄ。、Ⅳ和　的变化　范围应在给定范围的约束条件之内；同时应满足作　用力的相互平衡．约束条件具体可分为等式约束条　件与不等式约束条件两类．　１．３．１　等式约束　等式约束有：满足浮性的排水量不变条件和转　矩平衡条件，这是指设计状况下主机供给螺旋桨的　转矩必须与螺旋桨吸收的转矩相等；力的平衡条　件，即要求螺旋桨的有效推力必须与对应航速下船　舶的阻力相等．　满足浮性条件：Ａ＝Ｌ×Ｂ×Ｔ×ＣＢ×Ｐ　螺旋桨推力与船舶航行的阻力相互平衡：　ⅣｐＫＴｐｎ　Ｄ：（Ｉ—ｔ）一Ｒ＝０　（４）　式中：Ｄ　为螺旋桨直径；ⅣＰ为螺旋桨的桨轴数；ｆ为　推力减额分数；Ｒ为船阻力．　设计状态下主机供给螺旋桨的转矩必须与螺　旋桨吸收的转矩相等：　＂／＇／Ｒ７＂／ＳＰＳ一　２　５Ｐ＝０　（５）　Ｚ１Ｔ／７，　式中：尸。为主机功率；ｐ为水的质量密度；　为桨轴　转速．　１．３．２　不等式约束　设计变量的取值范围：　按照海船稳性规范中初稳性高度ＧＭ的要求，　必须满足如下不等式约束条件：　ＧＭ＞０．３　此外，设计的螺旋桨需满足空泡要求，按　Ｋｅｌｌｅｒ公式：　Ａ　Ｅ＝　Ｐｏ　Ｐ　Ｄ　＋Ｋ　（６）　ｏ　（　一　）；　一　则不等式约束条件为　。　＋Ｋ—Ａ　ＥＰｏ　Ｐ　≤０　（７）　（　一、，）　Ａ０’　式中：　为螺旋桨桨轴中心的静压；ｐ　为在１５。ｃ　时，水的汽化压力；Ｔｏ为螺旋桨推力；Ｚ为螺旋桨的　桨叶数；Ｋ为常数，快速船为０，其他双桨船为０．Ｉ，　单桨船为０．２．　２综合优化算法与程序编写　２．１遗传算法　随着计算机科技的不断进步，各类优化方法迅　速发展并被广泛应用。由于常规优化方法易陷入局　部最优，不适用于多峰寻优问题，采用遗传算法能　比较有效地克服这一缺陷　．所以本文主要用的　是遗传算法．　遗传算法是从代表问题可能潜在的解集的一　个种群开始的，而一个种群则由经过基因编码的一　定数目的个体组成．每个个体实际上是染色体带有　特征的实体．染色体作为遗传物质的主要载体，即　多个基因的集合，其内部表现（即基因型）是某种　基因组合，它决定了个体的形状的外部表现，如黑　头发的特征是由染色体中控制这一特征的某种基　因组合决定的．因此，在一开始需要实现从表现型　到基因型的映射，即编码工作．由于仿照基因编码　的工作很复杂，需要进行简化，如二进制编码，初代　种群产生之后，按照适者生存和优胜劣汰的原理，　逐代演化产生出越来越好的近似解，在每一代，根　据问题域中个体的适应度大小选择个体，并借助于　自然遗传学的遗传算子进行组合交叉和变异，产生　出代表新解集的种群．这个过程将导致种群像自然　进化一样，后生代种群比前代更加适应于环境，末　代种群中的最优个体经过解码，可以作为问题近似　最优解．　２．２程序编写　程序部分分为３块，分别是快速性综合优化目　标函数、遗传算法和主函数程序．每一块都用Ｃ＋＋　汇编语言进行编写，需要重点说明的是，快速性目　标函数中的剩余阻力系数是在Ｃ＋＋中调用了Ｍａｔ．　１ａｂ进行的插值计算．　高速三体船的剩余阻力系数根据试验确定．只　需根据三体船的排水量、侧体的横向间距、侧体的　纵向间距和傅汝德数进行四维插值便可得出剩余　阻力系数．　首先要在Ｃ＋＋程序中输入原始数据，也就是　４个指标相对应的剩余阻力系数．然后编写打开　Ｍａｔｌａｂ引擎程序，把初始数据导人Ｍａｔｌａｂ中．在　５　Ｏ　５　Ｏ　５　５，Ｏ　３　３　２　２　ｌ　ｌ　Ｏ（　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０