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第1篇

關鍵詞：船舶海洋工程管線優化

中圖分類號：S611文獻標識碼： A

前言

管道被廣泛地應用于石油化工"水利工程"建筑"船舶等領域，其在不同的應用環境下需承受不同的外力作用，大規模、全面地開發利用海洋資源和空間，發展海洋經濟已列入各沿海國家的發展戰略。海洋開發和利用除了需要先進的海洋工程技術，還需要各種海洋工程結構物的支撐。這為與海洋工程裝備業關聯度極大的船舶工業提供了極好的機遇。作為未來世界經濟的支柱產業，海洋工程和海洋開發潛力非常巨大。近幾年，全世界對浮式生產系統的新增需求達到約120座，全球浮式生產系統的年投資額以高速度遞增，其中FPSO船(浮式生產儲油裝置)仍將是全球浮式生產市場的建造熱點,該船型集生產、儲油、運輸多項功能于一身，是當前國際海上石油開發生產設施的主流形式。隨著生產向深海的不斷進入，FPSO船的優勢將會更充分顯現出來。中國海洋石油開發總公司也需要較大數量的海洋平臺、多艘FP-SO平臺，用于海洋開發建設的資金達到了數百億元。船舶工業是海洋工程的天然“霸主”。隨著海洋油氣開發向深海發展，船舶工業與海洋工程的關系更加緊密，船舶工業在海洋油氣開發中的作用更加突出。這主要有兩方面的原因:一方面是技術上的因素。隨著作業水深的增加,固定式平臺海洋構造物難以適應深海作業，各種浮式海洋工程結構物成為深海油氣開發的主角。船舶工業與其他專業平臺廠相比其優勢正是在這類浮式結構物上——海洋開發裝備具有船舶的屬性，它的基本要求是在水上能浮起來、穩得住、移得動，這就與船舶有了相近的技術要求。這種天然優勢為船舶工業迅速占領深海平臺市場創造了良好的條件。另一方面是開發周期的因素。由于海洋油氣開發競爭日趨激烈，國際石油商對從發現油氣到生產的時間要求越來越緊，而與船舶相近的海洋工程物恰恰可以以最快的時間迅速部署于生產現場， 從而大大縮短深海油氣的開發時間。正是由于這兩方面的原因，使船舶工業迅速成為深海油氣開發裝備生產的主要力量。船舶工業越來越深地融入海洋開發裝備領域，已成為當前海洋裝備發展的一個重要特點。相對于已經成熟的船舶工業來說，海洋開發裝備業是一個新興產業，正在發展過程中，據專家估計,目前及未來幾年,僅油氣開發生產一項，全世界就需要約100多艘FPSO船、200多座鉆井平臺，加上其他海洋產業的需求,海洋開發裝備甚至比整個國際船舶市場的需求還要高。因此未來船舶企業會參與更多的海洋工程結構物的建造。

管線幾何優化設計

管道隔振支座最佳布置設計優化需確定隔振支座的類型"數量及位置!由于支座類型的選擇難以依靠程式化優化計算來得到，本研究僅針對支座力學與隔振性能參數給定情況下，研究管線支座的數量與幾何位置優化問題涉及到的約束條件包含強度( 應力) "剛度( 位移和變形) "穩定性( 屈曲) 和動力學特性( 管線固有頻率和管線響應振幅) ，同時考慮工藝安裝方面的特殊要求( 某些位置無法安裝支座) 針對上述約束，細化為優化數學模型中考慮應力"位移"固有頻率"穩定性和評價點在指定頻率區間的振級落差等約束條件簡化的支座布局幾何優化設計模型見圖所示，通常選取支座數目和支座位置為設計變量本模型假定支座總數目事先已知( 通常按照工藝要求確定，但適當增加一定數量) ，通過確定各支座的幾何位置坐標實現布局優化!當相鄰兩個支座的位置坐標非常接近或重合時，代表其中一個支座可以取消。

支座布局幾何優化模型

2.管道隔振支座布置設計優化模型迭代解法

上面給出的支座布局優化模型仍為基于連續與離散設計變量的混合數學規劃問題，常規優化算法較難解決，可采用迭代優化算法

進行求解!考慮到計算效率的問題，需采用變步長的迭代優化算法!

該迭代算法依據約束條件的滿足情況及變步長的臨界間距值來確定支座數量的減少與增加，然后通過

常規優化方法得到支座的幾何位置坐標，最終得到較優的支座數目及間距!迭代流程見圖采用迭代算法求解該支座布局優化模型時，其計算效率有賴于迭代步長的選擇!對于特定的管道結構，當假定的支座初始數目與最優支座數目相接近時，即使迭代步長為常數，依然能夠獲得較好的計算效率，但假定的支座初始數目與最優支座數目相差較多時，則必須選擇逐步增加的迭代步長才能獲得較為理想的計算效率。

支座布局優化模型迭代解法

由管線各目標函數下的優化結果可知，三種目標函數下的優化模型，優化后滿足約束要求，支座最優數目均為6個，各支座位置接近，優化結果基本相同，三種方法迭代次數均為 5-6次，計算效率較為理想，但以關聯支座造價為目標函數下的優化模型與其他兩個模型相比迭代次數較多，將幾何優化設計方法所得優化結果與規范設計方法優化結果比較可知，以管線結構應變能和管線最大下垂為目標函數的優化模型，幾何方法和規范法所得優化結果接近!以關聯支座造價為目標函數的優化模型，采用幾何方法時，盡管迭代次數較多，但仍然取得了滿足約束條件的優化結果，其計算過程較規范設計方法更為穩定，結果更為可靠!

總體來看，兩種設計方法所得優化結果是相一致的，幾何優化設計方法是可行的!在幾何優化設計方法中，由于支座初始數目通過假定得到，且往往與最優數目相差較大，因此迭代次數較多，其計算效率明顯低于規范設計方法，但較多的迭代次數同時也保證了迭代過程的穩定性，使計算結果更為可信!因此，尚須進一步研究更為穩定高效的管線隔振支座布局優化算法。

3.總結：將所得結果與規范設計方法優化結果進行了比較，證明了幾何優化設計模型及方法的可行性，并得到了與規范設計方法中相一致的結論: 以管線最大下垂或管線結構應變能為目標函數的隔振支座布局模型計算過程更為穩定高效"優化結果更為可靠。

參考文獻:

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

[2] 美國雪佛龍公司 海上油氣工程設計實用手冊

[3] 海洋石油工程設計概論與工藝設計

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

第2篇

【關鍵詞】 長江口船舶定線制；船舶交通流；優化設計；上海港；繞航

0 引 言

近年來，隨著長江“黃金水道”沿岸經濟帶的高速發展，以上海港為龍頭的長江沿岸港口貨物吞吐量增長較快，進出長江的船舶與南北大通道的船舶在長江口水域產生大量的交叉和匯聚，船舶航跡分布復雜，船舶交通流之間沖突點多。尤其是從中浚前5 h開始，大量外籍船舶按照引航計劃起錨進入長江口，其駕駛員與南北大通道航行船舶駕駛員之間語言溝通不暢，導致一些遲來的船舶“搶”計劃、“搶”位置，從而造成船舶間避讓不協調，船舶交通流之間沖突強度大。本文對2008年版長江口船舶定線制未能解決的問題進行分析，力求降低各船舶交通流之間的沖突強度和等級，避免出現外籍船舶起錨后進入長江口與南北大通道船舶直角交會的局面，以緩解現有長江口水域通航安全壓力，降低該水域通航風險，為海事管理部門決策提供建議和理論依據。

1 長江口船舶定線制概況

長江口地處我國南北海岸線中部的長江黃金水道與沿海南北大通道的交匯處，自2002年9月1日起，長江口開始實施船舶定線制，由3個圓形警戒區、11個通航分道和11條分隔線組成。而后海事管理部門根據實際運行效果對該水域進行優化，將原先3個警戒區簡化為A、B兩個警戒區，簡化通航分道并調整相關燈浮和錨地分布。2008年6月1日起施行的新版本長江口船舶定線制見圖1。

2 長江口船舶定線制擬解決的問題

2.1 長江口警戒區存在安全風險

2008年版長江口船舶定線制在2002年版的基礎上作了簡化，并很好地對接了長江口深水航道治理三期工程，對梳理船舶交通流有著較為理想的效果。[1] 但是，當南北大通道的船舶與東西向的船舶因下列3種情況積聚時，其間的交通流沖突并沒有得到解決。

（1）在正常天氣條件下，中浚前5 h左右，長江口水域開始初漲，大批船舶開始從海上或錨地起錨駛進引航作業區水域或進入通航分道、警戒區，然后分別從長江口深水航道、南槽航段進入，直至中浚時結束。

（2）因風、霧等惡劣天氣導致上海港南北槽封航，待天氣和能見度好轉、船舶交通管理系統（VTS）解除禁令后，此時耽擱的船舶必然魚貫而入，從而導致船舶積聚。

（3）因特殊船舶進出、發生船舶故障、海事和軍事演習等導致臨時交通管制，待管制結束后出現船舶交通流積聚情況。

當船舶交通流積聚時，大量外籍船舶與南北大通道上的本國船舶密集交匯且溝通不暢，導致避讓難度加大，存在重大安全隱患。排隊等待進長江口上引航員的外籍船舶與南北大通道上的船舶之間交通流沖突見圖2。

2.2 船舶交通流復雜

根據對A警戒區內交通流量長期觀察結果，該區域船舶交通流較為復雜，主要有以下幾個情形：大型船舶進出長江口深水航道、采用我國沿海南北習慣航線、出港的小型船舶在A警戒區附近轉向北上、從長江口1號錨地起錨駛往南北槽進港等。

按照常規，D3通航分道沿南北方向的延長線為管制線，也就是說船舶在進入管制線以前都是根據自身計劃（其中交管時間期間按交管批復時間）安排進入長江口的。那么，在長江口初漲或臨時管制解封后，進入長江口的船舶分別從A、C1通航分道匯聚至長江口A警戒區（見圖3），其中不乏有大型重載船舶和大型超寬船舶。由于長江口燈船至D3通航分道水域過于狹小，造成很多船舶間來不及溝通便已經匯聚至報告線水域的尷尬，往往還會出現按照計劃原本應該優先進入長江口的船舶卻被堵在后面的情況。

2.3 長江口錨地容量不足

由于長江口現有錨地無法滿足進出上海港船舶錨泊的需要，經常會有船舶錨泊于長江口錨地邊線以外，甚至侵占A通航分道。

3 優化方案設計

3.1 優化方案的主要原則

3.1.1 安全第一

海上航行安全最為重要，航道規劃應充分滿足通航的安全性，以適應港口未來發展的需要。

3.1.2 兼顧經濟、環保效益

在確保通航安全的情況下，航道規劃應充分考慮航運企業的經濟效益，減少不必要的經濟支出；同時不能對海上環境構成威脅，確保海上環境不因航道規劃而遭受破壞，以促進海上交通和諧。

3.1.3 充分考慮航海習慣

長江口是大型船舶進入長江的唯一入口，中外船舶匯聚于此，對于長江口船舶定線制而言，最終的受用者是廣大國際海員。因此，在制定優化方案時需要充分尊重國際海員的航海習慣，同時充分考慮優化后通航分道與原有航道之間的延續性，盡可能少作改動，以便于航經此水域的駕（引）人員掌握、理解和執行。

3.2 優化方案調整的主要內容

從緩解既定方案的突出矛盾、提高通航安全性、兼顧航運企業經濟效益和海上環保效益及優化方案實用性等角度出發，充分征詢有經常航行于長江口水域經歷的船長、引航員的意見，建議性地描繪出長江口船舶定線制優化方案（見圖4），其主要內容如下：

（1）取消原有C1和C2通航分道。

（2）將A通航分道向正東方向延長20 n mile，并相應增加C警戒區和C1、C2、C3通航分道。

（3）將B通航分道向正東方向延長20 n mile，并相應更名為B2通航分道；相應增加D警戒區和D1、D2通航分道，并保留B警戒區和原有C3通航分道。

（4）將長江口1號錨地向正東方向延展并擴充為長江口1號錨地和2號錨地，將原有長江口2號錨地向正東方向延展并擴充為長江口3號錨地和4號錨地，深水航道D5燈浮正北面的錨地維持原狀不變。

（5）A警戒區與B警戒區之間及A警戒區北側水域實施限制性通航，即航行于北槽及江蘇、浙江附近口岸的船舶可以使用該限制性分道，但必須提前報備，謹慎駕駛，同時現場必須征得VTS同意。

（6）其余相應增加相關燈浮和虛擬浮標。

4 優化方案總體評價及說明

4.1 安全性評價

李松等[2]提出兩艘或多艘船舶在一定的時間和空間上彼此接近到一定程度時，若不改變其運動狀態，就有發生碰撞的危險，這種現象稱為水上交通沖突，同時引入“交通沖突技術”對水上交通沖突的發生過程及其嚴重性進行定量測量和判別，并應用于安全評價和預測。評價警戒區交通沖突嚴重性的4個指標分別是沖突點數量、沖突區域的復雜性、沖突出現頻率和沖突等級。本文以北槽與南槽水域作為比較單元，按照以上4個指標對船舶定線制優化前后兩個水域的警戒區沖突情況對比作簡要評價（見表1）。[3]

由表1可知，船舶定線制優化以后，北槽水域警戒區外移，避讓余地更大，對緩解在錨地起錨進入引航作業區的船舶與南北大通道上的船舶之間水上交通沖突作用明顯，水域安全性將會明顯提高；南槽水域雖然“多”出一個警戒區，沖突點數量有所增加，但優化方案會分隔一部分船舶流，減小局部水域船舶密度，使船舶沖突強度和等級均有所下降，水域安全性將會有所提高。[4]

4.2 兼顧經濟效益

南北大通道整體向東“搬遷”，將會大大提高該水域的安全性，從而減少航經此地的船舶因航行安全引發的經濟損失，但同時會使得部分船舶產生一定程度的繞航，增加繞航船舶的經濟負擔，尤其是從上海港至江蘇、浙江附近港口的船舶繞航明顯。

在提高船舶通航安全性的基礎上，設計方案充分考慮航經該水域船舶的經濟效益，減少不必要的繞航，保留B2通航分道，對南槽出口南下的船舶以及浙江沿岸北上由南槽進口的船舶均不會造成影響。同時，保留A警戒區北側水域、A警戒區與B警戒區之間的限制性通航，減少船舶在北槽水域和浙江附近港口之間的繞航。

4.3 兼顧社會和環保效益

船舶主機在額定功率的60%以下運行時，將會造成柴油機氣缸內柴油燃燒不良，運轉效率下降、滑油消耗率增加，使燃燒室部件、排氣系統和增壓系統產生嚴重的燃氣污染。因此，優化方案實施以后將大大提高長江口水域船舶運轉的通暢度，減少主機換擋、停復主機及低速航行的次數，減少主機內柴油不充分燃燒及其產生的污染氣體排放。

4.4 尊重航海習慣

長江口船舶定線制優化方案是在現有基礎上將南北大通道整體向正東方向“搬遷”20 n mile，盡可能地少作改動，以便于航經此水域的國際船舶海員對“新”方案的理解和適應。

5 結 語

長江口是整個長江航道系統的咽喉，是長江深水航道和南槽航道的重要組成部分。本方案從實際問題出發，在理論上尋求突破口，為海事管理部門在制定方案時提供理論建議和參考。但是，長江口船舶定線制優化設計方案在提高長江口船舶通航安全性的同時，也造成部分船舶繞航和海事部門監管投入成本增加等不利影響。長江口船舶定線制的設置直接影響到整個上海港的船舶安全及進出上海港船舶交通的暢通或阻滯，因此需要作進一步深入研究和評估，權衡利弊。

參考文獻：

[1] 陳旭海，詹海東.長江上海段圓圓沙警戒區航行規則的思考[J].航海技術，2009（3）：18-19.

[2] 李松，邵敬禮.水上交通沖突技術在船舶定線制警戒區中的應用[J].水運工程，2010（7）：111-115.

第3篇

[關鍵詞]船舶；螺旋槳；優化；設計

中圖分類號：F407.474 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）15-0355-02

在船舶設計領域，針對船舶的穩性、快速性、操縱性及耐波性等分別具有一套理論完善、實用有效的設計方法。因此，隨著航運業的高速發展，船舶的經濟性、環保及安全性日益受到重視，對船舶的綜合性能提出了更高的要求。螺旋槳作為主要的船舶推進裝置，其綜合性能直接影響著船舶的快速性、安全性與舒適性。同時，隨著船舶向高速化、大型化發展，螺旋槳負荷日益加重，而豐滿型船尾容易導致伴流場的不均勻程度增加，使得單純考慮效率的螺旋槳設計方法無法滿足現代螺旋槳的性能要求，必須發展新的設計方法，從推力、效率、空泡及激振等多方面對螺旋槳進行綜合優化。

1 優化設計方法

1.1 優化問題

螺旋槳螺距與拱度的優化設計問題主要是在給定槳葉負荷的面分布形式時對螺距與拱度的配合進行優化設計。優化過程中，槳葉徑向負荷的分布形式被指定的歸一化形式限制，葉剖面采用 NACA a=0.8 拱弧線或其他形式，通過調整螺距與拱度的匹配，使槳葉負荷的弦向分布形式與給定形式的方差最小。采用升力面理論渦格法程序計算槳葉負荷及水動力，優化問題的提法如下：

其中：Γmn、Γ0mn分別為槳葉附著渦強度的計算值和要求值，依次根據計算得到的負荷弦向分布及給定的負荷弦向分布形式來確定。M、N 分別為槳葉徑向和弦向渦格數，本文取 M=15，N=10。

限制條件式（2）中，Tσ為推力系數計算值TK與設計要求值T0K 之絕對誤差，Tε為誤差限，本文取Tε=0.025%。另外

式（5）中Γ0m為給定的槳葉負荷徑向分布形式，歸一化方法同Γm。rε為rσ的允許誤差，本文取rε=0.05%。

選擇槳葉各半徑剖面的螺距比PDi和最大拱度與相應的弦長的比值0Mif為優化變量，為了減少計算量，可根據設計條件限定優化變量的取值范圍，本文取DLP=0.5、DUP=1.3，0ML

f=0.0、0MUf=0.1。在優化過程中，發現槳葉梢部對徑向載荷的變化特別敏感，而負荷徑向分布很難在葉梢部完全與指定負荷分布形式保持一致，所以優化得到的螺距比在葉梢部極易出現突變，這在螺旋槳設計中是不允許的，因此，根據螺旋槳設計經驗引入式（7）作為限制條件，以控制葉梢附近螺距沿徑向的變化趨勢：

其中：LPD=-0.05，UPD=0.0，該限制條件用來使葉梢部的螺距比沿徑向遞減。

螺旋槳設計中，首先必須滿足推力要求，限制條件（2）的第1式即為此而設；第2式用于限制負荷的徑向分布形式，這是影響效率的一個主要因素，本文僅考慮負荷的徑向分布形式給定的情況，并不進行效率優化，也就是說，保持原槳負荷徑向分布不變，改變其弦向分布，通過優化槳葉螺距比與拱度的配合，使槳葉表面壓力分布趨于均勻，從而改善槳葉的空泡性能。需要說明的是，上述誤差限的取值是為了使相應誤差盡可能小，在優化過程中實際的誤差常常大于誤差限，如限制條件中要求σr≤εr=0.0005，在實際優化計算中常常不能嚴格滿足這一限制要求，而相應的最終優化結果卻達到了設計要求，因此這種情況下可認為此限制條件是滿足的。同樣，σT≤εT的限制出現類似情況時，也不做嚴格要求。

2 優化案例

2.1 優化對象及其性能分析

本章以某集裝箱船五葉螺旋槳為原型，在保持或提高原槳的敞水效率的前提下，以改善槳葉負荷分布為目標，對槳葉螺距與剖面最大拱度的徑向分布進行優化。五葉槳的主要參數見表1。

按照上述螺旋槳優化設計流程，得到的優化結果需要通過SPROP（VLM方法）及FLUENT（

CFD 方法）軟件從數值計算的角度進行驗證，以確定優化目標是否實現。表2比較了原槳在設計工況下的敞水性能的試驗結果與數值計算結果。

從表2可知：SPROP 軟件預報值的相對誤差為：推力-1.5%、扭矩-5.0%、效率+3.7%；FLUENT

預報值的相對誤差為：推力+1.0%、扭矩+0.4%、+0.6%。SPROP 軟件預報的扭矩與試驗差別較大，可能是由其尾渦模型對葉梢卸載槳的適用性差以及粘性阻力估算誤差較大引起；而 FLUENT 軟件預報值與試驗值非常吻合。假定SPROP 軟件的計算誤差在優化過程中不S設計方案的改變而改變，在優化設計中，設定推力目標值時需按原型槳的預報誤差預先給與補償。

3 優化結果

表3為A槳與B槳的目標函數及限制條件的滿足情況。可以看出：與負荷徑向分布相比，在整個拱弧面上滿足給定的負荷弦向分布相對比較困難；因為B槳負荷的弦向分布形式不同于A槳，而拱弧線形式與A槳相同，所以σs、σr的誤差均比A槳大；控制葉梢螺距變化的限制條件則有效地使葉梢的螺距沿徑向呈遞減趨勢，限制了葉梢部螺距的數值波動，使之具有工程實用性。

螺距與拱度的優化結果與原槳之比較分別如圖3.1、3.2所示。螺距與拱度的分布趨勢表明：當螺距與拱度作為離散變量各自獨立變化時，最終得到的螺距與拱度分布難以保持光順。其原因可能是：負荷徑向分布無法精確滿足給定值，負荷弦向分布形式與給定的形式也存在一定的誤差，以及數值計算的隨機誤差。因此本章從工程的實用性要求出發，在保持優化結果的分布趨勢及滿足推力要求的前提下，對優化結果進行光順處理，并以光順后的結果為最終優化設計方案，利用FLUENT 對其進行CFD計算分析。

優化設計中，A、B 槳及原槳負荷的徑向分布形式保持不變，原槳通過增加葉梢拱度，以彌補葉梢螺距卸載（指葉梢螺距相對于0.7R處螺距的減小量）所損失的負荷。根據圖3.1、

3.2中對螺距與拱度分布的定性分析可知A、B槳的螺距與拱度配合能夠產生與原槳相同的負荷徑向分布形式。

圖3.3、3.4分別為SPROP軟件計算的A、B槳的負荷弦向分布與A槳相比，B槳負荷的弦向分布在導邊附近有所卸載，但卸載程度遠小于原槳。與三種負荷弦向分布對應的螺距與拱度配合如圖 3.1、3.2所示，其中A槳螺距最大、拱度最小，原槳的螺距最小、拱度最大，

B 槳螺距與拱度均居于A槳與原槳之間。這一結果充分說明負荷的弦向分布形式對螺距與拱度配合的影響。在設計工況下，從三種螺距與拱度配合下的槳葉性能進行分析，A、B 槳各半徑處的剖面比原槳剖面更接近翼型的設計狀態，可能對槳葉效率有利；但原槳剖面的工作狀態更接近于面空泡界限，而A、B 槳偏向背空泡界限，因此原槳在輕載工況下應該容易發生面空泡。

4 結語

通過對弦向負荷分布形式的比較，認為常用的a=0.8的負荷分布形式不太適合于高速、重載的現代船舶螺旋槳設計，該形式使槳葉導邊附近的負荷過重，容易在葉背側的導邊附近形成負壓峰，進而誘發槳葉背空泡。導邊卸載的負荷分布形式（如 a=0.8 & b=0.1）可能是一種更好的選擇。

參考文獻：

[1] 干洪： 計算結構力學[M].合肥：合肥工業大學出版社，2004.

[2] 岳珠峰， 李立州， 王婧超等： 航空發動機渦輪葉片多學科設計優化[M].北京： 科技出版社， 2007.