时间：2023-08-12 09:06:57
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关键词：船舶海洋工程管线优化
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.
Keywords: Marine engineeringOffshore EngineeringPiping optimization
【关键词】 船舶消防水系统 消火栓间距 优化
对于船舶消防水系统而言，水的获取相对容易（主要使用海水），可是称得上是海上消防最廉价的材料。水的灭火原理就是冷却，当水与火接触时就会长生大量的水蒸气，水蒸气可以阻止氧气与火源的继续接触，从而抑制火的蔓延；而且强大的水柱会产生较大的机械压力，对易燃物体的燃烧部分起到驱散与扑灭的作用；水还可以进一步的渗透到易燃物的内部，以限制火源的继续蔓延。消防水系统，是船舶消防制度中严格规定的必备系统。其工作原理是通过消防水系统中的消防泵从海底阀泵入舷外水，然后经消防总管分入各个支管，输送到系统中的每个消火栓等出水端以供灭火所需。
1 船舶消防水系统的概述
船舶消防水系统主要由消防泵、系统管网、消火栓、消防水带、水枪和国际通岸接头等组成。消防水泵是消防水系统的主要给水升压设备，是整个消防水系统的核心所在。从其工作原理来讲，与其他用途的水泵没有什么本质的区别，只是消防水泵是专门用于消防水系统的标准设备。系统管网，就是水从消防泵输送至各个消火栓的管道网，主要由消防总管与各支管组成。根据水的输送距离长短和输送方向的集散程度，管道上一般还会设置各种附件、管件、组件等简单的设备。消火栓即消防水系统的出水终端，由快捷接头和截止阀组成。消防水带的制作材料一般有棉织涂胶、尼龙涂胶和麻织三种。水枪就是为了改变水流形式和获取射程而设计的工具，可分为水雾/水柱型、水柱型和喷雾型三种。国际通岸接头一般有两部分组成，一端为适合于与本船舶消火栓和消防水带连结的快速接头，另一端是标准法兰接头，两个接头组合工作，而且国际通岸接头在不用时应放于规定位置，以便于随时可取。
2 消火栓间距
消火栓的间距主要包括消火栓的规格及在相关规定下规格的选取，还包括消火栓的射程等数据，只有结合以上两点才能更好的做到消火栓的有效优化。
2.1 消火栓水枪的口径确定
消火栓的标准规格一般可以分为、与三种。
根据相关规定，在外部场所和机器处所，水枪尺寸应该是在满足规定要求压力之下的水柱中，并能从最小的水泵获得较大限度出水量，但是规定水枪规格应尽量控制在19mm以下，根据这一规定选取使用19mm的水枪并不违反规格要求。
2.2 消火栓水枪的最大射程
消火栓的水枪在喷水时，在全部消火栓处应维持的的最低压力如表1所示。
关键词：目标函数；优化；模拟；余热
中图分类号： N945.23 文献标识码： A 文章编号：
运输业是以增加盈利、降低运输成本为目的，人们在盈利的同时，已经忽略了节能所带来的更加巨大的潜在效益。一部分的热量变为机械功外，燃料在柴油机气缸中经过燃烧的其余热量经过散热、排气和冷却介质而排向大气。这种被排出的余热我们把它称之为废热。当今社会，在柴油机的主推进动力装置船舶上，各种各样的余热利用系统被得到广泛地利用。起初人们研发的有效利用余热的方法是热平衡分析法，但是，该方法会使人产生误解，且实际应用范围受限制。在科学技术高度发达的现代，人们研发了一种更为有效的方法，则为火用分析法。该方法能反映出损失以及其损失的程度，它有效利用了余热、提高了循环的经济性。
柴油机主推进动力装置船舶热力系统特点
柴油机主推进动力装置船舶热力系统实现了完成某特殊反应以及热量传递、能量转换等过程的系统，主要是由连接官网、热交换设备、动力机械以及辅助机械设备和系统组成。其系统中存在着多种形式的联系，以及热力、气动、机械等传热传质。柴油机热力系统可以有效地挖掘柴油机动力系统的能量，在满足各种品位热量的同时，最大限度地利用了余热能量的质量和数量。但是如果将排气回收为电能或机械能的话，就能更充分地对能量的数量和质量进行利用。除了传统的缸套冷却水真空制淡，在对低温热量进行回收时，吸收式制冷装置、高效节能的热泵技术、热管换热器等都是当今利用余热的有效设备和手段。对柴油机进行余热利用要根据油消耗、维护、维修管理费用、投资费用、航运和航区特点、船舶类型等综合技术来进行综合的分析。这样采用的系统的余热能量回收的经济性能最高，热能利用率最优，实现了热力系统的优化设计。
柴油机主推进动力装置船舶热力系统都具有自身的特点：①层次性，所谓系统的层次性，就是一个总系统的下层中包含了很多的子系统，而每个子系统中又包含了更小的子系统，这样层层包含就体现出系统的层次。为了完成功能，系统是由不同的结构和单元组成的。热力系统的过程也按照一定的连接方式组成。②环境适用性，柴油机船舶热力系统不断地在与环境进行能量或物质的交换。每一个热力系统都具备输入以及输出系统。该系统接受外界环境提供的能量和物料，物料通过系统形成了能流，这些能流也在不断受到利用、处理。与此同时，向环境中输出能量和物料也是系统所具备的功能之一。在环境条件的制约下，系统进行着能量的转换，环境和系统之间也在相互进行着输入以及输出。这种系统内部能量的转移和转化的过程以及环境与系统之间的互相制约最终保证了系统的功能。③目的性，其目的性就是指柴油机船舶热力系统具有其特定的功能。这些功能可以给人们的生活提供必要的海水淡化、蒸汽、冷量、热量、动力、电力等，而且，根据其功能的相异，可将热能进行回收、利用、输送、转换生产等。它可以对生产过程中产生的工质或余热进行回收。它既可以是由多个单元组成的多功能复杂系统，也可以是由少部分设备组成的功能简单的系统。④关联性，关联性是指柴油机船舶热力系统之间的各个部分的关系是相互制约和相互联系的。关联性是根据其性能上的规律的匹配以及特点，系统中的各个独立的单元并非无序组合或随意堆积，它具有一定规律性的。⑤集合性，系统的集合性例如热泵、热机、各种换热器、余热锅炉等独立的单元组成了余热回收系统，像这样，柴油机船舶热力系统就是由很多的独立单元组合起来，并且是按照一定的方式进行组合的。
船舶热力系统的火用分析
因为所研究的热力系统性质与能量形式不同，因此，能量火用的表达也不同。热力系统在温差的作用下，通过环境与边界交换能量形式就是热量的概念。火用是在给定环境状态的条件下，将系统传递的热量采用可逆方式来完成的最大用工。热量的火无是热能的不可用能，而热量的火用则是热能的可用能。在温度条件不同时，因为热能的存在是依赖于物质系统热状态的，所以热能的不可用部分与可用部分的比例也必然各不相同。例如：在环境状态相同的条件下，系统温度越高，热量的火无就会越小，热量火用则会越大。通过环境与边界，系统在低于自然环境温度的条件下进行交换的热量即为冷量。其实冷量是低于环境温度的热量，其本身也是一种热量。低于环境温度的热量火用其实就是冷量火用。冷量包括了火无和火用。冷量火用于冷量的差为冷量火无。给定条件下过程不可逆性的大小也是火用损失的大小。火用损失不恩给你用以对不同条件下过程进行的完善程度进行比较，它只是一个绝对的数量。所以，热力设备或热力系统中的火用的有效利用程度可以用火用效率来进行表达。热力系统的火用平衡方程式可以用如下公式来表述：火用损失+系统的输出火用+系统的火用变化量=系统的输入火用，作为输出火用的一部分，在分析、计算热力系统时，火用的平衡方程式为：，由此可以看出，系统中表达热力过程的火用平衡方程式的形式不同，热力系统的形式就不同。
可以将余热放热过程作为定压放热的过程。柴油机的排气余热发电简化热力系统图可以参考图1所示。图中MG为柴油机废气量，FP为给水泵，CON为冷凝器，G为发电机，T为汽轮机，SH为蒸汽过热器，B为余热锅炉，PR为螺旋桨，D为柴油机。
图1排气余热发电简化热力系统
柴油机主推进动力装置船舶余热利用系统优化
系统的初投资估算、工质的热力性质计算、系统的部件设计、系统的热平衡计算组成了系统的特性模拟分析。热动力回收系统的优化设计为非线性规划，因为大多数约束函数以及建立的目标函数为设计变量的非线性函数。余热回收系统优化设计图参照图2所示。
图2余热回收系统优化设计示意图
可以以经济性为目标对整个余热利用系统进行优化，也可以对余热利用系统进行发电量和火用效率优化，方法相同但是效果不同。所优化的目标函数不同，获得的效果也是不同的。
结束语
分析了柴油机主推进洞里装置船舶余热回收发电系统。在对废气锅炉进行优化设计时，采用了最大火用效率作为其目标函数，及提高了透平发电量，又增加了废气锅炉的火用效率。
参考文献
【关键词】 导标；配布；双向航道；黄骅港
0 引 言
黄骅港煤炭港区是我国“三西”地区煤炭外运第二通道出海口，也是北煤南运和冬季电煤运输的重要港口，全港区煤炭通过能力达到万t，运营航线通达我国华东、华南沿海、台湾地区和日本、韩国以及东南亚部分国家。近年来，随着黄骅港煤炭港区的开发扩容，其吞吐量迅速攀升并实现跨越式增长，对增加神府-东胜煤田的煤炭外运量，保障华东、华南沿海地区能源供应发挥了十分重要的作用。本文结合黄骅港煤炭港区7万吨级船舶双向通航航道扩宽工程，针对港区通航重要辅助设施导标的配布调整进行分析和优化设计。
1 航道现状
黄骅港煤炭港区5万吨级船舶重载双向航道总长约44 km，内航道里程为 m，外航道里程为 m，航道挖泥边坡均为1∶5 （见图1）。
2012年12月6日，沧州海事局在黄骅市组织召开了“黄骅港煤炭港区航道双向通航推进会”，规定外航道里程尺度（见图1）～ m航段内只允许单向通航；其余航段允许3.5万吨级船舶双向通航，5万吨级船舶与2万吨级船舶双向通航。
2 导标现状
2.1 导标布置情况
目前，黄骅港煤炭港区陆域范围内共布置有外航道前、后导标10座（5组），内航道前、后导标10座（5组）。5组导标分别为：对应航道设计底边线布置南、北边线标；对应航道中心线布置中线标；对应分向航道航迹带中心线布置南、北中线标。导标布置断面见图2。
2.2 导标使用情况
单向通航时，船舶观察中线标航行，南、北边线标标示航道设计底边线；双向通航时，船舶观察南、北中线标航行，中线标标示分道通航水域的分隔线，边线标标示航道设计底边线。
经调研，内航道导标使用效果较好；外航道导标受能见度、导标背景条件、导标终导点距离等影响，使用效果欠佳。
3 航道拓宽工程
3.1 实施背景
近年来，船舶大型化趋势非常明显，但受通航规则限制，船舶平均在港停泊时间随运量增长而大幅增加，对港口服务水平产生较大影响。
由于5万吨级船舶暂时无法进行双向通航，故航道条件得不到充分利用，疏浚工程投资未产生应有的经济效益。另外，随着综合港20万吨级航道和南防波堤工程等周边设施的完善，将使煤炭港区防波堤口门处横流有所改善。因此，有必要调整现状航道的通航规则，允许大型船舶双向通航。
3.2 实施方案
航道里程尺度0～ m航段向北韧乜30 m，相应调整灯浮标，航道设计底高程仍为 14.0 m （标准段）、 15.0 m （口门段）。航道拓宽段可满足7万吨级散货船重载乘潮双向通航；拓宽段以外的航段，结合煤炭运输船舶重载出港、压载进港的特点，利用现状航道（航道挖槽宽度不变）北侧边坡水域作为可利用的通航水域，确定现状航道（全航道）可满足双向通航的船型组合。标准段和口门段航道拓宽断面分别见图3和图4。对于油船、化学品船等液体散货船及10万吨级散货船，仍按现状通航规则，采用单向通航。
4 导标调整方案
外航道导标因受能见度制约而目视效果欠佳，综合考虑导标迁移的成本与经济效益，此次拓宽工程暂不对外航道导标进行调整。
4.1 内航道导标调整方案设计
方案1：航道设计底宽4等分法。航道北边线标和北侧分向航道中心标位置不变，中心标向南侧移动15 m，南侧分向航道中心标、南边线标同时向南侧移动30 m。
方案2：航迹带法。航道北边线标位置不变，北侧分向航道中心标向南侧移动8 m，中心标向南侧移动15 m，南侧分向航道中心标向南侧移动，南边线标向南侧移动30 m。
4.2 方案比选
从导标引导效果来看，方案1和方案2均能保证导标有较好的引导效果。方案1符合引航习惯要求，但存在会船时两船间富余宽度较大，而船岸间富余宽度略低于规范要求的问题；方案2满足规范要求，但与引航习惯要求不一致。
经综合比较后发现，方案1基本接近规范要求，且移标数量少，工程费用低，又能满足引航部门的习惯要求。因此，推荐方案1作为导标调整方案（见图5）。
4.3 导标使用规则
4.3.1 单向通航
（1）进出港船舶观察导标的中线标航行。
（2）边线标标示通航水域边界线。单向通航断面示意见图6。
4.3.2 双向重载通航
以7万吨级船舶重载双向通航为例，导标使用规则如下：
（1）进出港船舶应观察导标的北中线标和南中线标航行，此时船长和引航员需注意北中线标和南中线标标示的位置比实际的航迹带中心线向航道边坡侧偏8.0 m。
（2）中线标标示分道通航水域的分隔线。
（3）边线标标示通航水域边界线。双向通航断面示意见图5。
关键词：混合式教学；船舶分油机；信息化教学设计
中图分类号：G434 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2016）24-0030-03
一、引言
2011年《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020 年）》以来，随着互联网的飞速发展，我国愈加重视教育信息化工作。在传统教学模式中，教师是教学活动的主体，是知识的传授者，而学生则处于被动接受老师灌输知识的地位。这种教学模式忽视了学生的认知主体作用，不利于培养学生的创新思维和创新能力。混合式教学的概念最早由国外的培训机构提出，指的是网络线上与线下的混合，通过引进面对面教学来改进E-Learning教学的不足。随后，混合式教学模式被引入到高校教育领域，并得到高度关注。
本文主要探讨在高职《船舶柴油机》课程教学实施过程中，以“船舶分油机”这一教学单元为例，使用信息化手段，进行一系列教学活动，更好地将理论知识与实际操作紧密结合，融“教、学、做”为一体，充分挖掘学生的创新潜能，培养和提高学生的职业素质，强化学生自主学习和创新能力的培养。
二、信息化教学分析
1.内容分析
课程：船舶分油机是《船舶柴油机》课程的重要内容，也是学生学习的难点之一。依据国际海事组织2010年在马尼拉修正的《1978年海员培训、发证和值班标准国际公约》（International Convention on Standards of Training、Certification and Watch-keeping for Seafarers ，简称“STCW公约”）、课程标准等要求，确定了本项目的教学内容。
教材：选用“十二五”职业教育国家规划教材。
学时：2学时。
2.学情分析
授课对象：高职水上运输类轮机工程技术专业二年级学生。通过对2012级学生该课程学习效果的调查与分析，发现他们有想法、有创新，渴望成功，网络、智能终端使用熟练，之前已经学习了分油机的结构和工作原理，为定期维护的学习提供了理论支持。
3.教学目标
依据人才培养方案要求，结合当前学情分析，将知识目标、技能目标、素质目标的培养融入教学过程当中。
知识目标：深化理解分油机的结构和工作原理；充分掌握分油机拆装步骤与维护保养方法。
技能目标：熟练完成分油机的拆装；掌握疏通、清洁、检查、更换等常规维护技能。
素质目标：提高安全意识；规范操作行为；加强合作精神。
4.教学重、难点
教学重点：掌握分油机的正确拆装。
教学难点：掌握分油机的维护方法。
5.教学策略
由于分油机是高精度的、由众多零部件互相嵌套并高速回转的设备，内部结构相当复杂，而且价格昂贵，对维护保养的要求极高，传统的教学模式，学生难以获得直观认识，费时费力费财，非常适合采用信息化手段教学来呈现。
为此，采用线上线下、虚实结合的混合式教学理念，依托课程教学平台以及具有自主知识产权的三维虚拟拆装系统和教学资源库等教学资源，把教学过程分为以下几个阶段（具体如图1所示）：
三、信息化教学实施过程
1.课前准备――激发学生学习兴趣，培养自主学习的能力
课前，学生登录课程教学平台，选择教学单元，动手操作Flas，回顾上节课的内容――分油机的结构、工作原理等相关知识点，然后领取任务单，明确本次课的学习目标、重难点，自主学习微视频（教师录制）等相关资源，初步了解船舶分油机定期维护的流程，完成课前测试。老师根据统计分析，不仅可以了解学生对基础知识的掌握情况，还可以按层次和个体差异进行分组，实现学生间的优势互补，为课中学习的分组合作做准备。
2.课中学习――突出学生主体地位，发挥教师引导作用，帮助学生探究新知
环节1：情境创设
老师结合自己在远洋船舶上的工作经历，引导学生思考：为什么要对分油机进行拆装维护呢？结合企业工程师的情境解读――依据SOLAS国际公约和船舶设备维护保养计划的要求，强调了职业船员对分油机应具备的能力与责任，让学生明白了远洋船舶分油机拆装维护的重要性。
环节2：知识学习
在教学平台上，学生结合分油机拆装步骤的排序游戏，画出分油机定期维护的拆装流程图，在趣味的学习中，熟悉了拆装维护流程；通过观看微视频（企业工程师参与录制），学习常规的维护方法；接着，老师与学生共同讨论，共同总结出拆装的注意事项和常规的维护方法。
环节3：仿真演练
如何高效地完成分油机的正确拆装呢？启动仿真软件，进入虚拟拆装环境。老师先演示讲解，然后学生对照演示开展虚拟拆装练习，观看一步，操作一步，如果出现错误操作，软件将自动提示及时更正，犹如给每名学生配备了一位专业老师手把手地指导，解决了过去教学中因缺乏及时纠正而使学生容易学到错误操作的问题。
软件设计均按照分油机拆装规范制定，从专用工具的选择到专用工具的使用，从拆装位置到拆装顺序，从关键零件的标记定位到精密零件的摆放与保护，学生充分领会了分油机拆装的四大注意事项。
学生反复练习，完成虚拟拆装考核；在愉快的仿真练习中逐渐掌握了分油机的正确拆装步骤，突破了教学重点，并为后面的维护保养做好了准备。
环节4：实践操作
本环节在实训场所完成。按照实际工作岗位要求，进入该场所之前，学生先在教学平台上学习安全注意事项，然后佩戴安全帽和防护手套，老师在操作现场再次对学生进行安全教育。Y合任务单要求，各小组在组长的指挥协调下，分工配合，团结合作依次完成拆装前的工具准备、拆卸、维护保养与装复等步骤。
在维护保养过程中，学生对泄水孔、排渣孔等细小通道要逐一清通，不能有脏堵；对分离盘片、分离盘架等易脏污部件要先浸泡再清洗；对活动底盘、立轴等高速运动件要仔细检查是否有异常磨损和裂纹；对易老化的密封圈、塑料堵头等要及时更换。
如有疑问，可以随时查看微视频、查阅英文说明书或小组讨论，自主寻求解决之道；老师巡回指导，实时记录典型操作行为，并上传课程平台，同时确保实践操作安全。
通过实践操作让学生深刻掌握分油机的拆装及维护方法，充分领会定期维护、预防为主的重要性，有效解决了教学中的难点，提升了学生对船员职业的认同感。
环节5：总结评价
实践操作完毕，各小组上传任务单，进入总结评价环节。老师根据巡回检查情况和任务单的完成情况进行综合点评和评分，并对分油机的拆装要点及维护方法进行总结。课后，学生结合自己对本项目的掌握情况，在教学平台上及时进行自我评价。
3.课后拓展――培养学生交流能力，提升个人综合素养
课后，学生在教学平台上，观看学习老师上传的典型视频，并针对学习上的困惑，在交流空间进行讨论，并提交学习心得；点击查看多元评价成绩，了解自己对本任务的掌握情况；链接轮机工程技术专业教学资源库，进一步扩大学习范围。同时，预习下节课的学习内容。
四、信息化教学效果
针对“船舶分油机”这一教学单元，进行了信息化教学效果调查。调查对象为授课教师和学生，调查内容主要有： 对信息化教学的认识和感悟；对小组协作学习的认同和建议；在教学实施中，学生课前学习的主动性和课中学习的创造性等表现；以及对解决问题的能力、对内容掌握的程度、团队情感体验的情况、信息化教学的效果等。 从调查问卷收集整理后的数据分析可以看出，“船舶分油机”单元的信息化教学取得十分显著的效果。
1.认同感
95%的调查对象都表示喜欢信息化教学的教学方式和氛围。在学习过程中，不仅可以更好地提高自己的动手操作能力，而且在得到组员和教师承认时，会有较大的满足感和愉悦感，增强了学习的兴趣和信心。
2.主观能动性
学生学习的主观能动性较信息化教学活动实施前有显著提高，学生在自主学习的过程中，基本上能够积极主动地参与到课前准备、课中实施、课后拓展等各环节。
3.团队合作
在实践操作环节，团队合作的过程能够培养学生的集体观念和团队意识，小组长在教学开展中发挥了较大的协调与领导作用，学生相互之间也增强了合作的责任感。同时，这种教学形式还有助于师生之间、同学之间沟通，协作能力提升明显，教师也能做到因材施教。
4.创造性思维
在信息化教学实施过程中形成了一种热烈切磋讨论的气氛，将学生的思维引向深化，在碰撞中产生智慧的火花，在一定情境下，引起了联想与想象，从而产生超越传统课堂教学的创造性思维。
综上所述，信息化教学在“分油机”单元教学中取得了较好的成效，学生对“分油机”相关的知识和各项操作技能等都得到了不同程度的提高，对知识的掌握更加全面系统，很大程度上提高了学生的职业素养，为今后走上工作岗位打下了扎实的基础。
五、结束语
在互联网+时代背景下，信息化教学在高职教育教学中将会发挥不可替代的作用，它改变着以往传统课堂教学中过于注重知识灌输的倾向，调动了学习积极性，提高了学生课堂活动的参与度。信息化教学的实施，授之自主学习的方法，使课堂信息量充足、生动活泼，使学生能够更好地理解并掌握学习的知识和技能，培养了学生的职业素养，使其更加注重团队合作，成为综合素质较高的专门人才。真正体现了教是为了不教，学是为了创造的教学理念。
参考文献：
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关键词:FIR滤波器;优化设计;自适应遗传算法;早熟度
中图分类号:TP274文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2010)02-143-04
Optimized FIR Filter Design Based on Self_adaptive Genetic Algorithm
HUANG Meng,TANG Lin,ZHEN Yu,ZHANG Jie
(91635 Army,Beijing,102249,China)
Abstract:The goal of optimized FIR filter design is approaching to the ideal performance of IIR filter.Genetic algorithm is an optimal probability search algorithm,imitating the process of biology evolution,which has proposed an universal method to solve optimized problems of complex system,independent of domain and kind of problems.The proposed algorithm applying self_adaptive genetic algorithm to optimized IIR filter design,and adjusting cross probability and mute probability self_adaptively by evaluating premature convergence degree to improve search efficiency of genetic algorithm.The simulation results demonstrate that the proposed algorithm can achieve satisfying capability of filter.
Keywords:FIR filter;optimized design;self_adaptive genetic algorithm;premature convergence degree
在现代信号处理和电子应用技术领域,FIR数字滤波器因具有稳定性和线性相位两大优点而得到了广泛的应用。FIR数字滤波器的设计方法主要有窗函数法、频率采样法、切比雪夫逼近法,这些方法的最终目的是对理想滤波器理想性能的逼近,而不可能真正做到理想滤波器的幅频响应,正基于此,多年来许多专家学者在数字滤波器的优化设计问题上做了大量的研究工作,在一定优化准则下,提出了一些设计方法,如Caratheodory_Fejer(CF)法[1],神经网络(Neural Network)法[2],最小P误差法[3]以及模型拟合频率响应法[4]等。这些优化算法各长,它们在数字滤波器的设计中都取得了较好的设计效果,也为数字滤波器的设计打开了新的思路。
遗传算法是一种模仿生物进化过程的全局优化概率搜索算法,它提出了一种求解复杂系统优化问题的通用框架,且不依赖于问题的领域和种类,因此在诸多领域得到了广泛的应用。但是标准的遗传算法存在两个重大的缺陷:早熟和收敛速度慢。这里提出了一种自适应调整遗传参数的遗传算法,并用其实现了FIR数字滤波器的优化设计,仿真结果说明了算法的有效性。
1 FIR数字滤波器及优化设计
1.1 FIR数字滤波器的频率特性
有限冲激响应数字滤波器(FIR)的输出仅取决于有限个过去的输入和现在的输入,用x(i),y(i)分别表示其输入和输出,FIR滤波器可以表示为[5]:
y(i)=∑N-1j=0h(j)x(i-j)(1)
式中:h(i)(实数)为FIR的冲激响应,显然:
h(i)=h(i), 0≤i≤N-1
0,N
即FIR的冲激响应只有有限N个,称N为FIR的阶次。
对于N阶线性相位FIR滤波器,其单位冲激响应h(i)为实数,且以对称中心α=(N-1)/2对称的,即有以下约束关系:
h(i)=±h(N-1-i)(3)
1.2 FIR滤波器优化设计准则
设一个FIR数字滤波器的理想频率响应为:
Hd(jω)=Hd(ω)e-jθ(ω), ω∈[-π,π](4)
式中:Hd(ω)≥0,若用一个N阶的FIR频率响应来逼近它,设其冲激响应为h(i),i=0,1,2,…,N-1,那么其频率响应可表示为:
H(jω)=∑N-1i=0h(i)e-jiω, ω∈[-π,π](5)
由上式可得:
Hd(jω)=Hd(ω)cos φ(ω)-jHd(ω)sin φ(ω)(6)
H(jω)=∑N-1i=0h(i)cos(iω)+j∑N-1i=0h(i)sin(iω)(7)
在[-π,π]上取P个频率采样点ωp(p=0,1,2,…,P-1),并且为每一个ωp设置一个权重系数αp≥0(p=0,1,2,…,P-1)。那么描述H(jω)逼近Hd(jω)的加权均方误差可近似写成:
E2=1A∑P-1p=0αp∑N-1i=0h(i)cos(iωp)-Hd(ωp)cos φ(ωp)2 +
∑N-1i=0h(i)sin(iωp)-Hd(ωp)sin φ(ωp)2≥0(8)
式中:
A=∑P-1p=0αp(9)
如果采样点ωp的数量足够多且间隔足够小,那么式(8)精确地表达了H(jω)与Hd(jω)的加权均方误差。显然,如果E2为0,那么所设计的FIR的频率响应应在ωp(p=0,1,2,…,P-1)点上,幅频响应和相频响应两方面严格地等于Hd(ωp)和φ(ωp)。由于N有限,E2不可能为0,任务在于寻找一种有效的算法使E2尽量小。由式(8)可知,αp取值的大小表达了对其对应的ωp点的重视程度,αp取值越大则要求在ωp附近频域内H(jω)越严格地逼近Hd(jω)。
综上所述,一维实数FIR数字滤波器优化设计问题就是寻找一组h(i)使式(8)的值尽可能小。
2 自适应遗传算法
遗传算法自提出以来,因其具有很强的解决问题的能力和广泛的适应性,因而近年来渗透到研究与工程的各个领域,取得了良好的效果。但在实际应用中,基本遗传算法也逐渐暴露出一些缺陷,这些缺陷主要集中在两个方面:早熟和收敛速度慢[6,7]。
所谓早熟是指遗传算法收敛于局部最优值,而非全局最优值的现象。这往往是由于在算法搜索的初期阶段,种群中出现了某些超级个体,这些超级个体的适应值很高,随着进化过程的进行,它们会很快占据整个种群,导致种群缺乏多样性而陷入局部极值。由于遗传算法从本质上而言是一种随机搜索优化算法,所以当待求解问题规模较大或问题较复杂时,搜索空间往往非常庞大,于是导致遗传算法的收敛速度很慢。
选择合适的遗传算子执行概率,是遗传算法能否收敛到最优解的关键之一。遗传算法的参数中交叉概率Pc和变异概率Pm的选择是影响遗传算法行为和性能的关键所在,直接影响算法的收敛性,Pc越大,新个体产生的速度就越快。然而Pc过大时遗传模式被破坏的可能性也越大,使得具有高适应度的个体结构很快就会被破坏;但是如果Pc过小,会使搜索过程缓慢,以致停滞不前。对于变异概率Pm,如果过小,就不易产生新的个体结构;如果过大,那么遗传算法就变成了纯粹的随机搜索算法。针对不同的优化问题,需要反复试验来确定Pc,Pm,这是一件繁琐的工作,而且很难找到适应于每个问题的最佳值。
在传统的遗传算法中,交叉概率Pc、变异概率Pm与种群进化过程无关,从始至终都保持定值。近年来的研究表明,交叉概率和变异概率的选取对系统性能有重要的影响。用不变的Pc和Pm来控制遗传进化,很容易导致“早熟”,降低算法的搜索效率。目前,调整遗传算法控制参数较好的方法是动态自适应技术,其基本思想是使Pc,Pm在进化过程中根据种群的实际情况,随机调整大小,目前这方面已有大量的研究[8,9]。具体做法为:当种群趋于收敛时,减小Pc、增大Pm,即降低交叉的概率,提高变异的概率,以保持种群的多样性,避免“早熟”;当种群个体发散时,增大Pc、减小Pm,即提高交叉的概率,降低变异的概率,使种群趋于收敛,增加算法的收敛速度。
在多数情况下,种群中不同个体的适应度不尽相同,因此可以用适应度分布的离散程度来表征种群的“早熟”程度。种群在进化过程中发生“早熟”的主要表现是:种群内适应度暂时最大的一些个体相互重复或趋同,使得它们有较大的概率参与下一代的选择复制操作,且它们之间交叉后的子代也不会与父代有太大的变化,导致遗传算法寻优过程十分缓慢,降低搜索效率。因此,要正确判断一个种群是否会发生“早熟”主要看这个种群当前适应度最大的那些个体是否重复或相互趋同。“早熟”程度可以使用下面方法评价:
设第t代种群个体的平均适应度为t,t代种群中最优个体适应度为Ftmax,种群中个体适应度大于t的个体的平均适应度为tmax,那么可以用Ftmax与tmax之间的差值来评价种群的“早熟”程度:
D=Ftmax-tmax(10)
式(10)中,指标D用来表征种群的“早熟”程度。可以看出,当D增大时,种群趋于发散;D减小时,种群趋于相同。此方法只计算Ftmax与tmax的差值,不涉及适应度低于平均适应度的个体,从而避免了那些适应度较差个体对D的影响,更能反映种群中那些适应度较好的个体之间的趋同程度。
根据种群“早熟”程度的指标D,使得交叉概率Pc和变异概率Pm在进化过程中随着D的变化而改变,如下式所示:
Pc=1/\(11)
Pm=1-1/\(12)
式中:k1,k2>0。Pc取值范围在[0.5,1]之间,Pm的取值范围在[0,0.5]之间。在进化过程中,Pc,Pm根据D取值的不同而动态地自适应调整:当种群个体趋于离散(即D变大)时,Pc增大、Pm减小,种群开发优良个体能力增强;当种群个体趋于收敛(即D变小)时,Pc减小、Pm增大,种群产生新个体能力增强。
3 基于自适应遗传算法的FIR数字滤波器优化设计
3.1 编码
遗传算法中首先要完成的是对解的编码,由于文中的问题是一个非线性函数的优化问题,故采用实数编码技术。将染色体表示成如下向量:X=\,x(i)∈[0,1],i=0,1,2,…,N-1。其中:x(k)∈[0,1],k=0,1,…,(N-1)/2,可由如下映射关系得到:
x(k)=\/2(13)
式中:h(k)∈[-1,1],k=0,1,…,(N-1)/2,其余的h(i)可由式(3)求得。
3.2 适应度函数
FIR数字滤波器的优化设计目标是使式(8)的值最小,因此使用式(8)的倒数作为适应度函数,即:
f=1/E2(14)
3.3 选择算子
使用锦标赛选择法和精英保留法相结合的选择策略。锦标赛选择法在选择时先随机在群体中选择K个个体进行比较,适应度最好的个体将被选择作为生成下一代的父体,参数K称为竞赛规模。这种选择方式能使种群中适应度好的个体具有较大的“生存”机会。同时,由于它只使用适应度的相对值作为选择的标准,而与适应度的数值大小不成直接比例,从而避免了超级个体的影响,在一定程度上避免了过早收敛和停滞现象的发生。
精英保留法即当前种群中适应度最好的个体不参加遗传操作,直接复制到下一代,替换经交叉和变异操作产生的子种群中适应度最差的个体,其优点是在搜索过程中某一代的最优个体可不被遗传操作所破坏,这样可以保证遗传算法以概率收敛到最优解。经验证明,保留占种群总体2%～5%数量的个体,效果最为理想[10]。
3.4 交叉算子
交叉算子以概率Pc对两个父个体进行随机分割,然后再重新组合从而获得两个新个体。根据分割点的数量,可分为单点交叉或是多点交叉。其原理是每个父个体随机选择m个无重复的交叉点,在交叉点之间的变量间续地相互交换,产生两条新的子个体,完成交叉操作。本文采用两点交叉法,示意如图1 所示。
图1 两点交差法
3.5 变异算子
变异就是根据一定的概率Pm,将个体染色体上某一位置上的基因进行摄动,使其产生突变。设父个体向量x=(x1,x2,…,xk),则分量xi以概率Pm被选择作为变异,设对xi进行变异,则其后代为x′=(x1′,x2′,…,xk′),其中xi′以等概率取(1-r)xi或xi+(1-xi)r,r为[0,1]上的随机数。
3.6 实现步骤
(1) 根据不同的频段要求初始化αp。其中,权重系数αp的大小表达了设计FIR数字滤波器时,对与其对应的ωp附近频域内逼近误差的重视程度。在具体的设计中,αp是可以调整的,不同的αp取值将导致不同的设计结果。通常要求FIR数字滤波器应具有较好的阻带特性,而对过渡带没有严格的要求,因此可令:
αp=αp=1,ωp在通带
αt=0,ωp在过渡带
αs≥1,ωp在阻带
式中,αp为通带权重系数;αt为过渡权重系数;αs为阻带权重系数。
(2) 随机产生初始种群,在区间[-2,2]中产生一组随机数作为初始化种群,每个个体表示为染色体的基因编码。
(3) 计算A=∑P-1p=0αp。
(4) 计算个体的适应度,并判断是否符合优化准则。若符合,输出最佳个体及其代表的最优解,并结束计算;否则保留适应度最好的个体,执行(5)。
(5) 在种群中使用锦标赛选择法选择两条个体。
(6) 计算交叉概率Pc和变异概率Pm。
(7) 对选择个体进行交叉和变异操作,产生新的个体。
(8) 重复(5)~(7),直到新种群数量等于上一代种群数量,并返回(4)。
4 FIR数字滤波器仿真实例
设计一个阶次N为49,ωp=0.4π,ωs=0.5π,φ(ω)=18ω的低通实数FIR数字滤波器,设定αp=1,αt=0,αs=5,初始种群100,最大进化代数为300,最后选择出最优的结果如图2所示。
图2 FIR低通滤波器设计结果
5 结 语
针对遗传算法存在的“早熟”和收敛速度慢的缺陷,设计了评价进化过程中种群的“早熟度”的方法,使交叉和变异概率根据“早熟度”的变化而自适应调整,提高了遗传算法的收敛速度,并将其应用于FIR数字低通滤波器的优化设计,并进行了仿真实验,实验结果表明该算法能够设计出性能较好的数字滤波器。
参考文献
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[关键词]船舶结构；发展现状；结构简化；鲁棒性；优化设计
中图分类号：U663.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）27-0150-02
1.船舶结构发展现状
早年建造的钢质铆钉远洋货船，舫昵部呈尖形，有舶、舰楼，中部有上层建筑，称谓“三岛式”结构。这种船型货舱底二侧设有污水沟，船壳板通过角钢与上甲板用铆钉连接，货舱口有许多大梁并用插梢梢牢，船壳板并叠铆接。这种结构抗扭性较好，刚度较大，使用寿命也较长。现代远洋货轮主尺度大大增加，舫部加球鼻，艉部削平为三角方昵，上层建筑后移，有的甚至无舶楼，污水沟改为污水井，连接的角钢没有了，货舱口的大梁也没有了，船壳平整。这种结构从模型试验来看，抗扭效果、稳定性都较差，使用寿命很少能超过三十年，大型恶性事故频频发生。这一演变引起我们极大的关注，通过分析实船存在的问题，为什么脂部钢板容易锈蚀，新造的船会出现裂缝（仓口围四角肘板与甲板脱焊）等，并通过模型和有限元计算证实，得出以下观点。
（1）船舶较大部位的严重锈蚀与弯、扭有关巨大的波浪外载荷等外力会引起板材蠕动、材质酥松、涂层撕裂、海水渗入，足以证明有一定柔性的焦油沥青漆都不能复盖牢钢板。
（2）营运船舶是“每弯必扭”，甚至“不弯也扭”船舶主尺度的增加，外力也大大增大，其中扭力不可低估。但肋骨和纵骨不参予船舶的抗扭，甚为可惜，材料潜力没有发挥出来。
（3）船壳板上逐渐严重的垂向或肿部水平向瘦马型和舱底板瘦马型与弯、扭有关。
（4）船是很软的，高边柜斜底板是散货船的致命弱点船舶在大海中航行尤如蚕起伏爬动，不但被广大船员注意到，也被各大船级社在电脑屏上显示出来。
（5）树的结构最为科学树的高度与直径之比远大于超高层大楼高度与长x宽之比。塔松（如伞、金字塔形）结构稳定，其道理就在树干上长出许多树叉，树叉的根部即树的节疤，将树木展开就可看到不在同一高度的许多节疤，这一高一低的节疤就是“诀窍”，造船业如果引进这一结果，可使舱壁加固，抗扭性可大大提高，舷侧加固，抗弯能力也有可观的提高。
（6）船舶刚度的提高，目的是要减少无谓的蠕动这可延长使用年限，降低折旧费，改善经济效益。通过计算，采用新的结构形式，船舶自重可以较大幅度地减轻。
2.船舶结构优化设计方法
船舶结构优化设计，就是要寻求合理的结构形式和适当的构件尺寸，使船体结构在满足强度、刚度、稳定性及频率等条件下具有较好的力学性能、工艺性能、经济性能及使用性能。随着计算机的普及和计算技术的发展，建立在计算机分析和模拟基础上的船舶结构优化设计通过吸收有关基础学科的研究成果，借鉴相关工程学科的共同规律，已取得了卓有成效的进展在可靠性设计方面进行了大量的基础性工作在以人工智能原理和专家系统技术为基础的智能型设计方法方面进行了开创性的研究在综合评估船舶结构性能方面进行了探索性的工作。这些研究构成了船舶结构现代设计方法的基本内容。
2.1多目标模糊优化设计方法
在传统结构优化过程中，都是根据确定性条件来进行的，即目标函数和约束条件都是人为的或按某种规定给出的，是一个确定的值。而实际上，船舶结构优化设计过程中，约束条件，评价指标及多个评价指标间的协调，都包含着许多模糊因素。要处理好涉及模糊因素的优化间题，必须借助于模糊数学才能获得令人满意的结果。
模糊优化设计大大增加了设计者选择优化方案的余地，使设计者对方案的性态有更深入的了解。模糊优化设计方法研究发展很快，但目前尚未达到完全实用化程度。其难点在于到底如何针对具体的设计对象，正确确定描述目标函数满意度和约束函数满足度的隶属函数。
2.2基于可靠性的优化设计方法
前苏联首先将概率论和数理统计方法引入结构设计之中，形成了安全度理论。以超载系数、材料匀质系数和工作条件系数来考虑载荷、材料及环境的一些随机性因素，并以此为基础发展成为结构的可靠性理论。
船舶结构可靠性的基本理论和方法，随设计目标要求的不同，可以给出不同的船舶结构可靠性优化设计准则，一般可分为以下三种。（1）给定结构的可靠度要求，使结构的重量最轻；（2）给定结构的最大允许重量，使结构的可靠度最大或破损概率为最小；（3）兼顾结构重量及可靠度或破损概率，使其某种组合满意度达到最大。
2.3鲁棒性设计
鲁棒设计是现代设计方法中的一种重要设计方法，是提高质量特性的一个重要途径。现代鲁棒设计方法是在田口方法的基础上发展出来的方法。通过使用容差模型法、最小灵敏度法以及灵敏度分析法，得到以下结论：（1）容差模型主要解决设计变量的变差对目标函数的影响。设计变量的变差会以一定的规律传递给目标函数。基于容差模型法的鲁棒设计要求目标函数和约束函数均具有一定的鲁棒性。目标函数鲁棒性是指产品特性既要使波动小，又要使偏差小；约束函数鲁棒性一般采用最坏情况容差来处理。（2）最小灵敏度法通过使性能参数对某一设计变量的偏导数最小而求得鲁棒设计解。（3）灵敏度分析法主要是通过估计出设计变量发生微小波动后对目标函数和约束函数影响大小，进而通过这种影响的大小来改变设计变量以达到改善设计质量的目的。
3.船舶结构简化方向展望：
现有主船体结构有球扁钢，扁钢，刚板，角钢，槽钢，折边肘板，带面板的肘板等。未来在不降低总纵强度和剖面模数的情况下可以尽量的加强互换性和通用性，不论船型和吨位，都可以提前下料预制，从而减小建造周期和维修难度。新的船体结构形式可以在原有的基础上在以下几个方向做简化。
3.1对新造船第一阶段
（1）线型基本照旧，球鼻照设，肠娓部外板仅作适当鼓起或凹进处理，使船壳板不易出现垂向瘦马型，这就增加了船的抗扭性。（2）三角方尾的娓封板略为单曲面鼓起，如公共汽车车头的驾驶玻璃，其目的也是为了增加抗扭，避免出现娓封板的垂向瘦马型，这几乎是不增加重量的情况下获得的抗扭刚度和昵部横向强度。（3）躺娓部肋骨改为纵骨，这种纵骨参予抗扭。若因钢板太薄，使用焊条太粗引起水平瘦马型也无碍，反而更可增加船舶抗扭性。据肋骨或纵骨对比计算，整段船的自重还可较大幅度地减轻，如今台湾、日本、西德造的船，都采用这一纵向的办法。（4）肿部舷侧外板用交叉肋骨，并与纵衔相结合（或肋骨加斜束腰）。经整段有限元对比计算，重量比常规结构减小，挠度减少，抗扭能力提高。而且整段平面也不易翘曲，刚度大大提高，货仓肋骨脱焊的事将可改观。（5）甲板下的肋骨也交叉，使肋骨或纵骨与板“同舟共济”，减少无谓蠕动，也即减少钢板的锈蚀，并使甲板负荷可以增加。（6）需精确确定外载荷的大小，然后整段计算抗扭刚度，刚度不足，需相应增加舱壁等的刚度。
3.2对旧船原则上与新造船一样
（1）减少无谓的蠕动，具体表现在相对锈蚀严重的部位，在锈蚀严重部位表面的背面作交叉肋板加强。（2）消除低频高幅的振动出现垂向瘦马型时，在肋骨间加斜肘板；出现水平向瘦马型时，在纵骨（纵析）间加斜肋板；舱底板有瘦马型时，在舱壁下墩等处加强。（3）发现裂缝要对症下药治本，治表（如改为大圆弧形时肘板，鸡爪式肘板）只能掩盖矛盾，对安全、延长船龄不利。加固槽形舱壁可增加船体的扭转刚度，这是比较治本的办法。（4）散货船高边柜内加斜杆。（5）提倡“贴条”式修补一条旧船，如一件旧衣服，补衣服要讲究匹配，事实证明贴得好，工艺好，效果相当好。
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大会在CYBERNET公司MBD事业部总经理毛力奋先生的致辞下拉开序幕，CYBERNET MBD事业部销售经理康友树向大家介绍CYBERNET的CAE整体解决方案。来自比利时Noesis公司市场销售总监Luc Meulewaeter先生就“仿真及设计优化的前景展望”为主题进行发言， 他指出“中国的制造业正在蓬勃发展，研发力量正在飞速提升，仿真已成为研发过程中必不可少的步骤，而OPTIMUS作为一款多学科集成优化软件，能基于实验数据和仿真流程实现多学科协同优化设计”。他强调中国未来5年在研发道路上面临的机遇与挑战将超过过去的半个世纪。
稍后，Noesis中国市场开发总监蒋技赟先生为大家展示在刚刚结束的OPTIMUS全球用户会上的最新国际应用案例，涉及航空航天，汽车，医疗产品，电子等领域。
在中国，OPTIMUS优化技术也得到了广泛应用。例如，在国内汽车行业里，优化技术在汽车性能开发过程中起着至关重要的作用，来自中国汽车研究中心的谢书港先生在大会上说，CAE优化技术在汽车性能开发中起着指导作用，不仅能建立设计目标，还能发现设计不足并进行优化及改进。
目前，汽车低油耗已成为消费者选购汽车的一个重要指标，因此如何降低油耗成为整车厂迫切需要考虑的问题。中国两大著名的整车厂奇瑞汽车和吉利汽车分别就此问题发表了意见。来自吉利汽车研发中心的彭鸿先生以减轻车身质量为例，通过OPTIMUS软件的优化设计实现车身减重3.14%，达到降低油耗的要求。而来自奇瑞汽车研发中心的瞿元先生则认为改善空气动力性能是降低油耗最好的方法，利用OPTIMUS的优化算法能有效的缩短开发周期，提高改进的效率。
除了整车优化，OPTIMUS还能应用于汽车零部件的优化开发。中国一汽无锡油泵油嘴研究所的王胜利先生演示了OPTIMUS在解决高压共轨燃油喷射系统中， 喷油器针阀动态响应的问题上，对提高响应速度的作用。上海交通大学密西根学院的李冕教授致力于研究发动机系统的优化设计，通过优化轴承性能实现发动机系统的改进。
关键词：螺旋桨后移；航速；振动；噪音；
中图分类号：U661.34 文献标识码：A
Analysis on the Influence of Propeller Back on Ship Performance
ZHENG Yan Ling
（Foshan Nanhai Zhufeng Shipbuilding Co.，Ltd. Foshan 528244）
Abstract： by testing result verification， this paper discusses the influence of propeller back on the ship speed， vibration and noise. Think to optimize the ship performance has a positive role.
Key words： propeller back； ship speed； vibration； noise；
1 引 言
螺旋桨在设计过程中，一般会充分考虑船型特点、主机功率等要素进行分析估算，而螺旋桨的位置则需考虑与船体尾部型线的配合，保持一定的间隙。在充分考虑各种设计要素的情况下，为保证足够的间隙，螺旋桨的位置尽量往船后方向移会对船舶性能产生什么样的影响呢？我们通过修理一艘装载量150 t的沿海货船来探讨这个问题。
2 实船验证
进厂修理的150 t沿海货船为单机单桨，航速11 kn。该船因航行时打弯了尾轴而进厂更换尾轴，船东提出能否解决船体尾部的振动噪音问题。该船由于出厂时先天不足，航行时尾部振动明显，噪音每隔一段时间会明显增大。在此之前，同一批船的另一艘尝试由原来的3叶桨更换为4叶桨，下水后通过航行试验，振动明显减小，但航速下降至9 kn。
在不更换螺旋桨的情况下，我们尝试将螺旋桨往后移。经过方案论证，尾轴线夹角不变，尾轴加长100 mm，螺旋桨沿尾轴线往后移，与舵系保持适当距离，螺旋桨桨叶与船底板的距离增大。轴系改造完成后进行下水试验，结果振动明显减小，异常噪音消失，航速增加至12.5 kn。
随后，我们将这种方法应用到此类型新造的船舶上，进一步论证螺旋桨后移对船舶性能的影响。
2012年建造的一艘100 t渔政船，总长33 m，单层连续甲板，主船体为钢质焊接结构，上层建筑为铝合金焊接结构，倾斜船尾、方尾、圆舭线型，采用双主机、双桨，近海航区，螺旋桨为日本 MAU型的4叶桨，试航航速是16.8 kn，船舶各项性能优越，无明显振动，无异常噪音。2013年按照相同图纸再建造一艘，我们对其进行优化设计，将螺旋桨后移170 mm，如图1、图2。
船舶建造完成下水试验，与母型船各项性能对比见表1。
两船在相同的水道进行航行试验，试验当天的天气及海况相差不大，试验结果表明，优化设计船航速稍有增加，螺旋桨对应的舵机舱噪声有所减小。从以上的实船验证结果来看，螺旋桨位置往船后方向移对船舶的航速、振动及噪音均有一定的改善。
3 理论分析
我们从理论上分析一下螺旋桨定位后移对船舶的影响。
3.1 有效推力增大
螺旋桨在船后工作时，由于它的抽吸作用，使桨盘前方的水流速度增大，根据伯努利定理，水流速度增大压力必然下降，故在螺旋桨吸水作用处及整个区域内压力都要降低，导致船体压阻力增加，这个由螺旋桨在船后工作时所引起的船体附加阻力称为阻力增额R。若螺旋桨发出的推力为T，则其中一部份用于克服船的阻力R（不带螺旋桨的阻力），而另一部分则为克服阻力增额R，则有T=R+R，其中有效推力为（T-R）。螺旋桨桨叶与船体间的相对位置增大，增额阻力R减小，则螺旋桨有效推力（T-R）增加，有效推力增加则航速增大。
3.2 激振力减小
由于螺旋桨在不均匀的船尾伴流场中运转，必将产生激振力，在螺旋桨振源中以螺旋桨诱导的脉动压力，即表面力为最主要因素。螺旋桨的安装，需考虑与船体尾部型线的配合，保持足够的间隙，避免产生过大的激振力。通常情况下，桨叶和船体间隙不得小于船级社规范的要求。
按照挪威船级社对脉动压力测量数据指出，与船体表面压力紧密有关的因素有伴流场、叶梢至船体的间隙、螺旋桨设计状况和尾吃水等。表面力与叶梢至船体的间隙成反比，叶梢至船体的间隙越大，表面力越小，产生的激振力越小。激振力的减小可减轻船舶振动，降低噪音。
4 应用
当然，螺旋桨后移是有一定局限性的。首先后移会加长尾轴的长度，对轴的强度有一定的影响，要满足轴的强度要求，不能无限加长，只能作局部调整；其次，螺旋桨与舵系的距离既要保证舵机在舱内的运作，也要保证在维修时部件有足够的距离拆卸。
5 结束语
本文通过实船验证的方式探讨了螺旋桨后移对船舶的影响。这种方式对船舶航速、振动及噪音有积极的影响，虽然使用上有一定的局限性，但可以作为一种优化设计应用在船舶的修理建造上。
参考文献
[1] 应业炬、赵连恩.船舶快速性[M] .人民交通出版社.2007.7.
