船舶參數(shù)化設(shè)計DNA計算模型研究結(jié)題摘要

數(shù)字化造船的首要任務(wù)就是要實現(xiàn)數(shù)字化的船舶設(shè)計，其中船舶參數(shù)化設(shè)計便是船舶數(shù)字化設(shè)計的重要研究內(nèi)容之一。一般的參數(shù)化設(shè)計方法在船舶總體設(shè)計中應(yīng)用時將會碰到無法利用現(xiàn)有的電子計算機(jī)對大規(guī)模的幾何約束問題進(jìn)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?；谶@樣的背景，本項目研究通過建立船舶參數(shù)化設(shè)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(jìn)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(shè)計以及船舶參數(shù)化靜水力計算中的相關(guān)問題，從而為船舶參數(shù)化設(shè)計提供新方法和技術(shù)。 項目研究的主要內(nèi)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(shù)應(yīng)用于船舶總體設(shè)計，給出船體曲面參數(shù)化設(shè)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(jié)合圖的最大團(tuán)問題的已有的算法，諸如常規(guī)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法和DNA計算模型相結(jié)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(shè)計DNA計算模型 項目研究的重要結(jié)果如下： （1）根據(jù)船舶特征參數(shù)和特征曲線，通過數(shù)學(xué)方法，將船體橫剖面曲線的設(shè)計轉(zhuǎn)化為一個帶約束的非線性規(guī)劃問題，設(shè)計變量為表達(dá)橫剖面曲線的控制點坐標(biāo)；目標(biāo)函數(shù)為曲線光順性條件的數(shù)學(xué)形式；建立約束圖來表達(dá)相應(yīng)的幾何約束條件，如：面積、形心及端點坐標(biāo)、斜率、曲率等。通過采用改進(jìn)能量目標(biāo)函數(shù)，在應(yīng)變能的基礎(chǔ)上增加剪力躍度平方和的目標(biāo)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(shè)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(yīng)的兩個幾何元素之間的約束關(guān)系，這樣將幾何約束轉(zhuǎn)化為一個無向圖，隨后采用自頂向下的圖歸約方法進(jìn)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(jìn)行DNA編碼，對不同的形狀參數(shù)及約束條件進(jìn)行DNA編碼，初步構(gòu)建了DNA計算模型并設(shè)計相關(guān)的生化反應(yīng)完成約束圖進(jìn)行求解。 2100433B

我國作為世界第一造船大國,在新型船舶的設(shè)計能力上與世界造船強(qiáng)國之間還存在不小的差距，船舶設(shè)計水平亟待提高?？傮w設(shè)計是決定船舶各項性能指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，將參數(shù)化設(shè)計方法引入船舶總體設(shè)計理論中，能有效克服傳統(tǒng)的螺旋設(shè)計方法存在的效率低、設(shè)計周期長等問題，有利于對多方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高設(shè)計水平。然而由于船舶的結(jié)構(gòu)比其他的工業(yè)產(chǎn)品更為復(fù)雜,構(gòu)件數(shù)目十分龐大，一般的參數(shù)化設(shè)計方法在船舶總體設(shè)計中應(yīng)用時將會碰到無法利用現(xiàn)有的電子計算機(jī)對大規(guī)模的幾何約束問題進(jìn)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?；谶@樣的背景，本項目擬研究通過建立船舶參數(shù)化設(shè)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(jìn)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(shè)計以及船舶參數(shù)化靜水力計算中的相關(guān)問題，從而為船舶參數(shù)化設(shè)計提供新方法和技術(shù)。

《船舶與浮式海洋結(jié)構(gòu)物參數(shù)化設(shè)計》可供船舶與海洋工程領(lǐng)域相關(guān)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(yīng)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(bǔ)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(biāo)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(tuán)中，而熒光染料和酶與核酸序列以共價鍵相連。

當(dāng)將探針與樣品雜交時，探針和與其互補(bǔ)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(biāo)記物種類，可進(jìn)行放射自顯影、熒光發(fā)光、酶聯(lián)化學(xué)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(bǔ)的序列）。

緒論 1

第1 章參數(shù)化設(shè)計方法概述 8

1. 1幾何造型技術(shù)的發(fā)展歷史 8

1. 1. 1二維線框造型技術(shù) 8

1. 1. 2三維線框造型技術(shù) 9

1. 1. 3曲面造型技術(shù) 9

1. 1. 4無約束實體造型技術(shù) 10

1. 1. 5參數(shù)化技術(shù) 11

1. 2參數(shù)化設(shè)計方法的分類 12

1. 2. 1程序參數(shù)化設(shè)計方法 12

1. 2. 2基于構(gòu)造歷史的參數(shù)化設(shè)計方法 13

1. 2. 3基于幾何約束求解的參數(shù)化設(shè)計方法 14

1. 2. 4混合式參數(shù)化設(shè)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(shù) 21

1. 5船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計中常用的幾何造型技術(shù) 22

第2 章船體曲面三維參數(shù)化設(shè)計方法 23

2. 1船體曲面表達(dá) 23

2. 1. 1船體曲面整體表達(dá)法 24

2. 1. 2船體曲面的分片表達(dá) 25

2. 2船體曲面參數(shù)化設(shè)計基本原理 29

吁

2. 2. 1傳統(tǒng)的船舶線型設(shè)計方法 29

2. 2. 2船體曲面光順性準(zhǔn)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(zhǔn)則(2)的證明 33

2. 4. 3船型變換函數(shù)滿足光順性準(zhǔn)則(3)的證明 34

2. 5變換函數(shù)的應(yīng)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(jié) 43

第3 章浮式海洋結(jié)構(gòu)物主結(jié)構(gòu)型表面參數(shù)化設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(jié) 63

第4 章三維參數(shù)化總布置與分艙設(shè)計 65

4. 1實體造型技術(shù) 65

4. 1. 1單元分解表示法 65

4. 1. 2構(gòu)造實體幾何表示法(CSG) 67

4. 1. 3邊界表達(dá)法 67

4. 1. 4B - Rep 與CSG 混合表達(dá)法 68

4. 1. 5ACIS 三維幾何造型內(nèi)核 69

4. 2三維參數(shù)化總布置設(shè)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(diào)整設(shè)備的空間位置 73

4. 3三維參數(shù)化分艙 75

4. 3. 1雙層結(jié)構(gòu)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(gòu)造艙室B - Rep 77

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

4. 4. 3設(shè)計變量的分類 81

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

4. 4. 5油船參數(shù)化分艙優(yōu)化設(shè)計方法 82

4. 4. 6船舶內(nèi)殼結(jié)構(gòu)參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計特點 90

4. 5小結(jié) 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(nèi)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(fù)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(fù)原力臂計算原理 102

5. 4. 2復(fù)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(jié)構(gòu)

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(yīng)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(zhì) 116

5. 7. 4靜穩(wěn)性曲面應(yīng)用 116

5. 8小結(jié) 118

第6 章船舶與海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計 119

6. 1浮式海洋結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)表達(dá) 119

6. 2浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模 120

6. 3船體結(jié)構(gòu)程序參數(shù)化建模方法 121

6. 3. 1船體結(jié)構(gòu)功能模塊定義 122

6. 3. 2船體結(jié)構(gòu)模型定義 124

6. 3. 3參數(shù)的選取 126

6. 3. 4程序結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計方法的特點 127

6. 4基于三維幾何約束求解的船舶結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計 128

6. 4. 1船舶結(jié)構(gòu)參數(shù)化機(jī)制 128

6. 4. 2三維幾何約束求解 129

6. 4. 3板材附屬結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模 131

6. 4. 4尺度驅(qū)動特性 132

6. 4. 5基于三維幾何約束求解的船體結(jié)構(gòu)參數(shù)化

建模方法的特點 133

6. 5基于幾何約束求解的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)化建模 134

6. 6浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)三維模型的應(yīng)用 135

6. 6. 1三維參數(shù)化模型在船體結(jié)構(gòu)屬性計算中的應(yīng)用 136

6. 6. 2三維結(jié)構(gòu)模型在管系及通風(fēng)等系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用 137

6. 6. 3三維結(jié)構(gòu)模型在結(jié)構(gòu)FEA 中的應(yīng)用 138

6. 7結(jié)構(gòu)有限元分析 138

6. 7. 1傳統(tǒng)的有限元前處理技術(shù) 138

6. 7. 2基于參數(shù)化設(shè)計方法的船舶結(jié)構(gòu)有限元前處理 140

6. 7. 3兩次劃分的網(wǎng)格生成方法 141

6. 7. 4初步網(wǎng)格劃分 142

6. 7. 5曲面板的初步網(wǎng)格劃分 145

6. 7. 6二次網(wǎng)格劃分 149

6. 8小結(jié) 153

第7 章浮式海洋結(jié)構(gòu)物參數(shù)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 154

7. 1浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計概述 154

7. 1. 1浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法研究現(xiàn)狀 155

7. 1. 2結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方法 155

7. 1. 3結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化方法 156

7. 2浮式海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方法 156

御

7. 2. 1相關(guān)概念 156

7. 2. 2結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸優(yōu)化的優(yōu)化模型 157

7. 2. 3基于屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方法 158

7. 2. 4板縫分布優(yōu)化設(shè)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(shè)計算例 165

7. 2. 8結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方法的特點 171

7. 3浮式海洋結(jié)構(gòu)物參數(shù)化結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計 171

7. 3. 1參數(shù)化結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計流程 175

7. 3. 4參數(shù)化結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計實例 175

7. 4小結(jié) 178

結(jié)語 179

附錄A 181

附錄B 183

參考文獻(xiàn) 194 2100433B