船舶參數(shù)化設計DNA計算模型研究

數(shù)字化造船的首要任務就是要實現(xiàn)數(shù)字化的船舶設計，其中船舶參數(shù)化設計便是船舶數(shù)字化設計的重要研究內容之一。一般的參數(shù)化設計方法在船舶總體設計中應用時將會碰到無法利用現(xiàn)有的電子計算機對大規(guī)模的幾何約束問題進行求解的困難。新興的DNA 計算具有超大規(guī)模并行性、高密度存儲和低能耗等特性，為求解大規(guī)模的幾何約束問題提供可能。基于這樣的背景，本項目研究通過建立船舶參數(shù)化設計的DNA計算模型對船舶參數(shù)化中的大規(guī)模幾何約束問題進行求解，集中解決建立DNA計算模型求解船舶參數(shù)化曲面設計以及船舶參數(shù)化靜水力計算中的相關問題，從而為船舶參數(shù)化設計提供新方法和技術。 項目研究的主要內容包括以下三個方面：（1）將基于幾何約束求解的參數(shù)化技術應用于船舶總體設計，給出船體曲面參數(shù)化設計方法以及參數(shù)化靜水力計算方法，給出理論計算模型。（2）結合圖的最大團問題的已有的算法，諸如常規(guī)算法、神經網絡算法、遺傳算法和DNA計算模型相結合，給出求解幾何約束的一般性的計算方法，并給出具體實驗型的算法軟件。（3）建立船舶參數(shù)化設計DNA計算模型 項目研究的重要結果如下： （1）根據(jù)船舶特征參數(shù)和特征曲線，通過數(shù)學方法，將船體橫剖面曲線的設計轉化為一個帶約束的非線性規(guī)劃問題，設計變量為表達橫剖面曲線的控制點坐標；目標函數(shù)為曲線光順性條件的數(shù)學形式；建立約束圖來表達相應的幾何約束條件，如：面積、形心及端點坐標、斜率、曲率等。通過采用改進能量目標函數(shù)，在應變能的基礎上增加剪力躍度平方和的目標函數(shù)，使得生成的曲線更加符合光順性條件。 （2）將參數(shù)化船舶設計問題中的約束問題用約束圖表示，約束圖的頂點代表幾何元素，圖的邊表示其頂點對應的兩個幾何元素之間的約束關系，這樣將幾何約束轉化為一個無向圖，隨后采用自頂向下的圖歸約方法進行幾何約束系統(tǒng)的分解。通過圖分解將一個大規(guī)模的約束系統(tǒng)化成許多約束子系統(tǒng)。 （3）對形狀參數(shù)和集中幾何約束進行DNA編碼，對不同的形狀參數(shù)及約束條件進行DNA編碼，初步構建了DNA計算模型并設計相關的生化反應完成約束圖進行求解。 2100433B

我國作為世界第一造船大國,在新型船舶的設計能力上與世界造船強國之間還存在不小的差距，船舶設計水平亟待提高?？傮w設計是決定船舶各項性能指標的重要環(huán)節(jié)，將參數(shù)化設計方法引入船舶總體設計理論中，能有效克服傳統(tǒng)的螺旋設計方法存在的效率低、設計周期長等問題，有利于對多方案進行優(yōu)化設計，提高設計水平。然而由于船舶的結構比其他的工業(yè)產品更為復雜,構件數(shù)目十分龐大，一般的參數(shù)化設計方法在船舶總體設計中應用時將會碰到無法利用現(xiàn)有的電子計算機對大規(guī)模的幾何約束問題進行求解的困難。新興的DNA 計算具有超大規(guī)模并行性、高密度存儲和低能耗等特性，為求解大規(guī)模的幾何約束問題提供可能。基于這樣的背景，本項目擬研究通過建立船舶參數(shù)化設計的DNA計算模型對船舶參數(shù)化中的大規(guī)模幾何約束問題進行求解，集中解決建立DNA計算模型求解船舶參數(shù)化曲面設計以及船舶參數(shù)化靜水力計算中的相關問題，從而為船舶參數(shù)化設計提供新方法和技術。

《船舶與浮式海洋結構物參數(shù)化設計》可供船舶與海洋工程領域相關專業(yè)人員閱讀，亦可供本科生、研究生和高校教師參考。書中提出的方法均通過編制軟件加以驗證，各種算法通過編程實現(xiàn)，并給出工程應用算例。

探針是電測試的接觸媒介，為高端精密型電子五金元器件。

中文名

探針

外文名

test probe

類別

電子五金元器件

含義

電測試的接觸媒介

探針介紹

是一小段單鏈DNA或者RNA片段（大約是20到500bp），用于檢測與其互補的核酸序列。雙鏈DNA加熱變性成為單鏈，隨后用放射性同位素（通常用磷-32）、熒光染料或者酶（如辣根過氧化物酶）標記成為探針。磷-32通常被摻入組成DNA的四種核苷酸之一的磷酸基團中，而熒光染料和酶與核酸序列以共價鍵相連。

當將探針與樣品雜交時，探針和與其互補的核酸（DNA或RNA）序列通過氫鍵緊密相連，隨后，未被雜交的多余探針被洗去。最后，根據(jù)探針的標記物種類，可進行放射自顯影、熒光發(fā)光、酶聯(lián)化學發(fā)光等方法來判斷樣品中是否，或者何位置含有被測序列（即與探針互補的序列）。

緒論 1

第1 章參數(shù)化設計方法概述 8

1. 1幾何造型技術的發(fā)展歷史 8

1. 1. 1二維線框造型技術 8

1. 1. 2三維線框造型技術 9

1. 1. 3曲面造型技術 9

1. 1. 4無約束實體造型技術 10

1. 1. 5參數(shù)化技術 11

1. 2參數(shù)化設計方法的分類 12

1. 2. 1程序參數(shù)化設計方法 12

1. 2. 2基于構造歷史的參數(shù)化設計方法 13

1. 2. 3基于幾何約束求解的參數(shù)化設計方法 14

1. 2. 4混合式參數(shù)化設計方法 15

1. 3草圖三要素 16

1. 3. 1幾何圖元 16

1. 3. 2幾何約束 16

1. 3. 3幾何約束求解 18

1. 4特征造型實體造型技術 21

1. 5船舶與海洋結構物設計中常用的幾何造型技術 22

第2 章船體曲面三維參數(shù)化設計方法 23

2. 1船體曲面表達 23

2. 1. 1船體曲面整體表達法 24

2. 1. 2船體曲面的分片表達 25

2. 2船體曲面參數(shù)化設計基本原理 29

吁

2. 2. 1傳統(tǒng)的船舶線型設計方法 29

2. 2. 2船體曲面光順性準則 30

2. 3船型變換函數(shù) 30

2. 4船型變換函數(shù)光順性證明 32

2. 4. 1船型變換函數(shù)C2連續(xù)性證明 32

2. 4. 2船型變換函數(shù)滿足光順性準則(2)的證明 33

2. 4. 3船型變換函數(shù)滿足光順性準則(3)的證明 34

2. 5變換函數(shù)的應用 34

2. 6船體曲面局部變換 34

2. 6. 1首尾曲面局部修改 35

2. 6. 2局部增加排水量 36

2. 7船體曲面整體變換 39

2. 7. 1船體曲面整體線性變換(1 - Cp 法) 39

2. 7. 2船體曲面二次變換(Lackenby 法) 41

2. 8船體曲面UV 度變換 41

2. 9小結 43

第3 章浮式海洋結構物主結構型表面參數(shù)化設計 45

3. 1TSPS 參數(shù)化建模 46

3. 2TSPS 草圖 46

3. 2. 1幾何圖元 46

3. 2. 2幾何約束 47

3. 2. 3過約束與欠約束處理 49

3. 2. 4幾何約束求解 50

3. 3基于特征造型法建立TSPS 三維模型 51

3. 4海洋平臺TSPS 參數(shù)化設計 53

3. 4. 1海洋平臺TSPS 草圖 54

3. 4. 2海洋平臺TSPS 三維模型 55

3. 5船舶TSPS 參數(shù)化設計 56

3. 5. 1船舶TSPS 分類 56

3. 5. 2船舶TSPS 草圖 57

3. 5. 3船舶TSPS 三維建模 60

3. 6浮船塢TSPS 參數(shù)化設計 61

3. 6. 1浮船塢TSPS 草圖 61

3. 6. 2浮船塢TSPS 參數(shù)化建模 63

3. 7小結 63

第4 章三維參數(shù)化總布置與分艙設計 65

4. 1實體造型技術 65

4. 1. 1單元分解表示法 65

4. 1. 2構造實體幾何表示法(CSG) 67

4. 1. 3邊界表達法 67

4. 1. 4B - Rep 與CSG 混合表達法 68

4. 1. 5ACIS 三維幾何造型內核 69

4. 2三維參數(shù)化總布置設計 70

4. 2. 1總布置草圖的幾何約束求解系統(tǒng) 72

4. 2. 2通過總布置草圖調整設備的空間位置 73

4. 3三維參數(shù)化分艙 75

4. 3. 1雙層結構艙室模型 75

4. 3. 2圍成艙室的B - Rep 曲面集建立 76

4. 3. 3基于ACIS 構造艙室B - Rep 77

4. 4船舶參數(shù)化分艙優(yōu)化設計方法 79

4. 4. 1ISP 及艙室參數(shù)化模型 80

4. 4. 2船舶參數(shù)化分艙優(yōu)化設計優(yōu)化模型 81

4. 4. 3設計變量的分類 81

4. 4. 4基于參數(shù)化技術的船舶分艙優(yōu)化設計方法 81

4. 4. 5油船參數(shù)化分艙優(yōu)化設計方法 82

4. 4. 6船舶內殼結構參數(shù)化優(yōu)化設計特點 90

4. 5小結 90

第5 章三維參數(shù)化浮性與穩(wěn)性計算方法 92

5. 1傳統(tǒng)的完整穩(wěn)性計算方法概述 92

5. 1. 1基于插值法的自由浮態(tài)穩(wěn)性計算方法 93

5. 1. 2基于優(yōu)化方法的自由浮態(tài)下穩(wěn)性計算方法 93

5. 1. 3傳統(tǒng)穩(wěn)性計算方法的局限性 94

5. 2浮體參數(shù)化建模 95

喻

5. 2. 1外部模型 95

5. 2. 2內部模型 97

5. 3基于B - Rep 的靜水力特性計算 98

5. 3. 1基于三維實體模型的靜水力曲線計算 99

5. 3. 2基于三維實體模型的穩(wěn)性插值曲線計算 100

5. 3. 3基于三維實體模型的邦戎曲線計算 101

5. 4基于三維浮體模型的復原力臂直接迭代算法 102

5. 4. 1基于三維B - Rep 浮體模型的復原力臂計算原理 102

5. 4. 2復原力臂計算方法的正確性驗證 103

5. 5基于三維浮體模型的靜穩(wěn)性曲線計算實例 105

5. 5. 150000 DWT 成品油船靜穩(wěn)性曲線計算 106

5. 5. 23000m 深水半潛式鉆井平臺靜穩(wěn)性曲線計算 107

5. 5. 3300 英尺自升式鉆井平臺靜穩(wěn)性曲線計算 108

5. 5. 48 萬t 浮船塢靜穩(wěn)性曲線計算 109

5. 6基于B - Rep 浮體模型的破艙穩(wěn)性計算方法 110

5. 6. 1傳統(tǒng)破艙穩(wěn)性計算方法 110

5. 6. 2基于三維實體模型計算浮式海洋結構

物破艙穩(wěn)性基本原理 111

5. 6. 3基于B - Rep 浮體模型的艙室破損后

靜水力性能計算 112

5. 6. 4基于B - Rep 浮體模型的艙室破損后浮態(tài)計算 113

5. 6. 5艙室破損后穩(wěn)性計算 114

5. 7穩(wěn)性曲面及其應用 114

5. 7. 1靜穩(wěn)性曲面定義 115

5. 7. 2靜穩(wěn)性曲面建立 115

5. 7. 3靜穩(wěn)性曲面的性質 116

5. 7. 4靜穩(wěn)性曲面應用 116

5. 8小結 118

第6 章船舶與海洋結構物結構參數(shù)化設計 119

6. 1浮式海洋結構物的結構表達 119

6. 2浮式海洋結構物結構參數(shù)化建模 120

6. 3船體結構程序參數(shù)化建模方法 121

6. 3. 1船體結構功能模塊定義 122

6. 3. 2船體結構模型定義 124

6. 3. 3參數(shù)的選取 126

6. 3. 4程序結構參數(shù)化設計方法的特點 127

6. 4基于三維幾何約束求解的船舶結構參數(shù)化設計 128

6. 4. 1船舶結構參數(shù)化機制 128

6. 4. 2三維幾何約束求解 129

6. 4. 3板材附屬結構參數(shù)化建模 131

6. 4. 4尺度驅動特性 132

6. 4. 5基于三維幾何約束求解的船體結構參數(shù)化

建模方法的特點 133

6. 5基于幾何約束求解的結構參數(shù)化建模方法 133

6. 5. 1板材的參數(shù)化建模 134

6. 5. 2附屬結構參數(shù)化建模 134

6. 6浮式海洋結構物結構三維模型的應用 135

6. 6. 1三維參數(shù)化模型在船體結構屬性計算中的應用 136

6. 6. 2三維結構模型在管系及通風等系統(tǒng)設計中的應用 137

6. 6. 3三維結構模型在結構FEA 中的應用 138

6. 7結構有限元分析 138

6. 7. 1傳統(tǒng)的有限元前處理技術 138

6. 7. 2基于參數(shù)化設計方法的船舶結構有限元前處理 140

6. 7. 3兩次劃分的網格生成方法 141

6. 7. 4初步網格劃分 142

6. 7. 5曲面板的初步網格劃分 145

6. 7. 6二次網格劃分 149

6. 8小結 153

第7 章浮式海洋結構物參數(shù)化結構優(yōu)化設計 154

7. 1浮式海洋結構物結構優(yōu)化設計概述 154

7. 1. 1浮式海洋結構物結構優(yōu)化設計方法研究現(xiàn)狀 155

7. 1. 2結構尺寸優(yōu)化方法 155

7. 1. 3結構形狀優(yōu)化方法 156

7. 2浮式海洋結構物結構尺寸優(yōu)化方法 156

御

7. 2. 1相關概念 156

7. 2. 2結構構件尺寸優(yōu)化的優(yōu)化模型 157

7. 2. 3基于屈服強度和屈曲強度的結構尺寸優(yōu)化方法 158

7. 2. 4板縫分布優(yōu)化設計 160

7. 2. 5板縫分布優(yōu)化方法 161

7. 2. 6對規(guī)范尺度的考慮 163

7. 2. 762000DWT 散貨船尺寸優(yōu)化設計算例 165

7. 2. 8結構尺寸優(yōu)化方法的特點 171

7. 3浮式海洋結構物參數(shù)化結構形狀優(yōu)化設計 171

7. 3. 1參數(shù)化結構形狀優(yōu)化的優(yōu)化模型 172

7. 3. 2優(yōu)化方法的選擇 173

7. 3. 3浮式海洋結構物結構形狀優(yōu)化設計流程 175

7. 3. 4參數(shù)化結構形狀優(yōu)化設計實例 175

7. 4小結 178

結語 179

附錄A 181

附錄B 183

參考文獻 194 2100433B