英语原文共 28 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
Davor_Verko高级工程专家理学硕士、美国运输局，技术部
美国休斯敦、原载于第十七届造船理论与实践研讨会
2006年10月19日至21日在克罗地亚奥佩提亚举行
轴对准优化
总结
推进轴系对准设计是确定干船坞轴承偏移量的过程，该偏移量将满足船舶所有运行条件下的对准。线形设计的复杂性是考虑到船舶在水上航行时干船坞偏移量的变化，因为船体偏转会干扰初始轴承设置。因此，干船坞轴承偏移量的设计并不是为了满足干船坞对准，而是为了优化对准，以确保在从压载到满载的整个船体偏转范围内的稳定和稳健运行。 将有无限多的轴承偏移量（解向量），这些偏移量将符合给定的船体偏转约束，并满足轴系对准的规则要求。为了找到最合适的设计，计算机优化程序的应用是不可避免的，而遗传算法（GA）优化尤其适合于手头的问题。 同时提供多种解决方案。 由于在设计对准时船体偏转通常是未知的，如果没有能力估计船体偏转，就无法优化对准。 因此，本文将讨论两个同样有趣和同样重要的主题，一方面是船体偏转，另一方面是对准优化，这在轴系对准设计中基本上是不可分割的。
关键词：轴对准、船体梁偏转、优化、遗传算法
1。介绍
近年来，与轴对准有关的轴承损坏的频率显著增加，这种损坏主要是由于不适当的分析、船舶设计的变化、船厂实践不充分以及缺乏明确的分析标准（见abs有关推进轴系对准的指导说明，2006年）。
现代商船上的推进轴系对与之相关的损坏和故障非常敏感。这些现代装置大多是柴油机驱动的直接耦合装置，由于低转速螺旋桨和高优化的发动机。
对准问题是由于船体结构和轴系之间的柔性差异增大所致。随着结构尺寸的优化、高强度钢的应用以及船舶尺寸的增加，船舶结构变得更加灵活。同时，电力需求 随着大型船舶设计的增加，轴系直径也增加了，轴也变得更硬（这对于VLCC、ULCC、大型散货船和大型集装箱船尤其如此）。因此，推进系统的对准对船体梁偏转，导致以下困难：
—使用常规方法分析校准，以及
-确保船上获得的对准与分析一致。
2。线形设计与分析
在本文中，我们将重点关注线形设计和分析中的问题。由于设计是校准过程的第一步，因此必须确定最大可能误差裕度的对准，这将确保相对稳健的设计，对可能的干扰具有低灵敏度。在这一过程中，计算船体梁的挠度无疑是最重要的问题。然而，船体的偏转不是一个恒定的量级，而是一个不同的船舶装载条件的函数。因此，为了在整个工作条件范围内确定令人满意的对准，必须通过考虑到船体梁偏转和所有其他可能导致对准条件变化的重要参数（如热影响、轴承磨损）。
以前曾尝试过优化对准，采用不同的方法，例如欧文（）采用随机搜索算法搜索最佳轴承偏移。然而，这种方法从未被广泛实施。abs方法也基于搜索算法它能够在整个广域内进行并行搜索，同时提供多种解决方案。有关abs算法的详细信息，请参见附录A。
轴对准问题是随机的，可接受的轴承偏移量为无穷多。找到一组最佳的轴承偏移量（解矢量或偏移矢量），以满足一个船舶条件下的“所有正向轴承反应”要求，并不那么困难。但是，当额外的要求，如船体偏差、热变形等，当解空间缩小时，找到解决方案将变得更加困难。对偏移矢量施加干扰、轴承磨损等。遗传算法（GA）优化过程是解决这一问题的一个非常合适的工具。该遗传算法能够在整个求解空间中进行并行搜索，同时产生满足轴承负载要求的多组轴承偏移1;
优化的abs方法如下：
minus;优化结果是干船坞轴承偏移，满足从压载到装载的整个船舶荷载范围内的对准要求，
minus;如果通过将船体梁偏转作为最低要求来定义最佳解决方案，则优化是合理的，
-优化的其他要求最好考虑轴承磨损和施工误差。
由于船体偏差是优化程序最重要的方面，我们将为其留出更多的空间，并在以下章节和附录B中详细说明船体偏差数据的采集。
图1轴系布置及应变计位置
三。船体梁挠度
船体梁的挠度可以通过分析或测量得到。分析程序冗长且昂贵，因为它需要大型有限元模型来获得所需的船体偏转精度。然而，它通常有向我们提供有关船舶建造完成前船体的偏转。 船体偏差测量是获得所需信息的一种简单、快速的方法，但其缺点是只有在船舶完成后才能使用这些信息。
然而，某些类型的船舶（油轮、散货船）在设计上没有太大的变化，因为船舶变更。我们可以利用这一事实，根据先前获得的同一类型船舶的数据，估计类似船舶尺寸的船体偏转。因此，abs方法是利用先前关于船体偏转的知识，获得新船建造的相同信息。
为了使轴系对中设计人员能够在早期对中设计中考虑船体的偏位，并优化轴承的偏位，ABS生成了一个船体偏位数据库，其中大部分是通过新船建造的测量收集的。
附录B显示了如何进行测量程序，以及如何从获取的数据中提取船体偏差信息。
4。求解算法
遗传算法（Gas，Holland 1975，Goldberg 1989）被证明是一种有效的搜索机制。它是一种基于进化遗传学的随机搜索算法（附录A）。GAS已通过多种方式进行了功能优化。 已经有一些尝试将气体应用于船舶结构和船舶系统的优化，例如冈田和内基1992年优化的船体结构应用气体，以及戴等1994年在船舶推进器设计中使用气体。Lee和Hajela于1996年尝试将GA应用于船舶螺旋桨，他们研究了气体在直升机旋翼叶片设计中的应用。其他人在优化中考虑了不同的方法，例如Rahman和Caldwell 1995在船舶结构上采用了基于规则和合理的设计方法。显然，上述方法都没有在行业中得到更广泛的应用，可能是由于以下原因： minus;优化通常需要针对特定问题定制的高度复杂的软件（大量标准进行优化），
-优化过程需要很长的计算时间
-优化方法很少保证最佳）解决方案。
遗传算法的计算依赖于一组初始的外部参数（突变、交叉、选择）。到目前为止，GA优化应用程序需要对“最优参数”进行初始搜索（例如，Okada和Neki 1992），这可能最终误导GA到次优的，甚至远不是最优的解决方案。追求最佳参数是简单遗传算法的主要缺点，这使得人们质疑它相对于其他优化方法的所有优点。这最终可能会阻碍算法的使用，因为结果 用简单的遗传算法得到的结果可能不比其它方法得到的结果好。
超大型油轮在压载（上）和满载（下）情况下的典型船体梁挠度。 轴系在负载和压载条件下的行为（见附录B）
图2船体梁挠度对轴系的影响
Novkovic和_verko（2003）开发的带有残差的遗传算法（GAR）可以重新建立对遗传算法的置信度，因为该算法不需要“参数优化”，并且它产生的解通常接近最优值。 本文应用GAR分析了轴对准优化问题。以下章节提供了有关轴对准优化算法的详细信息。
5。轴对准优化
轴对准优化的目标是提供一套可接受的解决方案，这些方案都满足所施加的约束、参数和标准。有多种解决方案是必要的，因为在选择所需的对齐方式时，通常必须将人的评估作为最终决定因素。提供多个解是遗传算法的一个继承特征和相对简单的任务。 GA程序在几个约束函数中进行优化（如图2所示）。约束解空间的约束条件是由通常代表静水压载和满载船舶状态的船体弯曲度定义的。
基本上，GA优化软件生成所需数量的解决方案字符串，称为总体。最初定义的总体是随机定义的，可能包含或不包含令人满意的解决方案。在寻找一个解的过程中，该算法通过应用所谓的选择、交叉和变异算子从以前的群体中生成一个新的解空间来模拟自然遗传学过程。随着适应功能的应用（给最适合的一代更多的机会被选入新一代的交配池），每一个新一代都会有比前一代更适合的个体群体。每个字符串都包含方位偏移信息。在我们的例子中，更合适的个体将包含轴承偏移，从而使轴承之间的负载分布更好。因此，所有随后的种群都含有比上一代更好的后代。根据单个字符串的适合性，通过选择过程为匹配池选择当前总体中的字符串。定义适应度函数是求解问题的基本准则之一。此外，配偶（在新一代创造中为交配池选择的成对字符串）、在称为交叉的过程中交换其字符串（染色体）的部分以及特定解决方案字符串的每个等位基因（在我们的例子中，解决方案字符串是二进制编码的，因此等位基因由一个位表示）都可以变异，从而使随机应用突变概率。该算法的更详细描述见附录A。
在轴对准问题中，交叉和突变率被有意设置为高于需要收敛2时所需的值。不需要收敛，因为我们在域内搜索一组可接受的解，而不是单个最优解。
优化的复杂性和速度将取决于优化过程中考虑的变量数量。可考虑的参数和对准标准为：
minus;船体偏转
-热膨胀，
-柴油机底座规定下垂，
-轴承磨损。
可能还需要引入其他要求，例如，主机法兰容许力矩和剪切力应符合发动机设计师的建议。
5.1。遗传算法
路线优化算法执行以下任务：
-轴对准分析：定义给定推进系统的影响系数矩阵。为此，使用了ABS Shal轴定位软件。-读取基本GA数据（图3）：
o人口规模
o代数
O突变因子
o交叉站点数量
o定义了约束函数（船体梁挠度）
o输入规定的热影响和柴油机下垂数据
上述信息针对每个特定轴系系统，可根据具体问题进行修改。
-选择：GA选择初始总体，对于给定的轴承数量，GA优化程序随机选择轴承偏移的初始总体。反应计算：影响系数矩阵乘以GA生成的轴承偏移量；对总体中的每个个体评估轴承反应。
—适应性评价：利用适应性函数评价每根弦的适应性。
刚度函数定义为总反作用力和（对于选定的偏移量）计算的正轴承反作用力之间的比率。当所有轴承反应均为阳性时，最大适配度为1（一）。所有正面反应的弦都能获得10%的适应性，以增加进入交配池的机会。
-选择：应用sigma;（sigma）选择（tanese 1989）选择成对的字符串到匹配池，在匹配池中，字符串将交换其信息并形成新的解决方案群。
-解决方案：如果找到令人满意的解决方案，则存储信息并继续该过程，直到获得所需数量的解决方案或已达到最大生成数：
o最初为每个特定系统定义的最大代数，
o要运行的代数特定于特定问题-数量与轴承数量成正比，
o启动程序以提供所需数量的解决方案（20是默认数量-该值可由分析员根据需要更改）。
GA性能增强：
minus;系统中的一个轴承是固定的，以避免重复相同的解决方案，这将导致刚体平移。此外，在固定一个方位的情况下，可以更快地进行优化，因为现在随机搜索只需要少一个方位。
minus;建议通过最初仅作为刚性块移动来限制柴油机台板的偏转。这就避免了随机选择的极端发动机台板偏转可能导致的不合理的解决方案。此外，通过假设发动机轴承之间的刚性连接，搜索速度将显著加快，因为仅在两个端轴承处评估发动机轴承偏移（中间轴承的偏移为线性插值）。考虑到发动机的实际变形，发动机台板的灵活性可以用台板下垂的形式来考虑（由发动机设计师提供）。
minus;可以通过分析或测量来估计船体梁的挠度；输入两个极端条件下的船体挠度信息，对于这两个极端条件（例如压载和满载条件），对准应是令人满意的。如果两个约束挠度曲率的挠度范围过大，则问题可能难以解决。该算法搜索满足两个极值的一组指定位移。
minus;分析中还添加了发动机底座规定的下垂度作为输入选项。
-也可考虑可能影响对准条件的其他干扰（例如轴承磨损）。
GA完成搜索所需的时间取决于系统的复杂性。系统中的轴承越多，找到满足规则要求的偏移组合所需的时间就越多。约束也是如此。约束越严格要求越高，搜索的要求就越高。
图3 GAR数据输入窗口的捕获（轴对准优化软件的一部分）
6。轴对准优化软件 lt;
全文共16006字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[2433]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
