人工智能在船海工程中的设计理论与方法

模块化设计已被视为产品和组织设计的新逻辑，因为它有助于设计和制造企业应对不断变化的环境。通过模块的角度构思产品，设计和制造公司可以独立负责单独模块的设计和开发，通过不同模块的结合来完成创新设计。因此，新产品可以以更快的速度开发，因为新产品的集成通常是不同模块的结合、混合和匹配。通过使用关于组件交互的先进技术知识，产品可以被认为是组件的集合，并且每个组件被设计成在指定和标准化的参数内“接近最优”。模块化方法简化了设计和开发过程，允许制造企业之间的明确分工，允许设计一个集成的、灵活的产品生产计划。模块化设计架构更适合于开发由标准化、规范和功能参数化设计驱动的产品的可变组合，因为具有模块化设计的产品确实允许制造公司通过升级或添加不同的模块来改变产品，而不必改变其余部分，实现最小的配置更改，从而将任何更改“隔离”到有限的范围内。虽然模块化设计比整体化设计难度更大，因为设计者需要对产品的“内部工作”有更深的理解，以便划分和解耦设计任务，但是在技术上，模块化设计意味着明确的划分和精确的解耦。

在最简单的形式中，模块化设计方法已经慢慢地开始在船舶设计中进行应用。例如，一艘船被设计成使用标准的舱壁，舱壁与水密门隔开，然后通过改变舱段的数量，一艘船可以被拉长或缩短，最近成功的商业应用是Sigma和Engor的概念［87］。该方法仅在改变并联中体区域的形状方面有效，因此主要用于设计更高或更低容量的新型船舶。现阶段还不能充分地利用模块化方法的优势，例如后部形状（具有不同的船尾）、前部形状（具有不同的球鼻艏）和舭部半径的变化。尽管已有一些该方面的研究成果已经被采用，但将模块化方法应用于船舶和浮式结构设计上仍然是一个挑战。

在船舶和浮式结构设计初始阶段，应根据从成功设计经验中获得的历史数据获估计参数。虽然两种设计之间可以进行插值，但是要避免在输入设计范围之外的任何外推。此外，船舶结构首先要基于某些技术特征匹配，如果这些技术特征匹配在较小的变化范围内，那么可以进行对比设计，数据可以被插值。这些技术特征可以用于建立高效的知识库，实现设计的模块化和标准化。现在的设计和生产过程本质上是平移的，这迫切需要专门的方法以支持信息传播并促进在研究和开发环境中交换数据，这将控制船舶和浮式结构的尺寸、速度以及运输能力。该领域的挑战是：开发新的方法从以前的设计中提取设计和生产信息，并在新的设计和生产方案中智能地使用它们，开发综合的功能设计方法用于设计和生产。

在船舶和浮式结构设计中，主要参数是船型的主尺度、方形系数和弗劳德数。这些参数允许估计重量容量和体积容量，并为特定业务构建最优设计，这通常是为了找到最佳尺寸、速度和容量。一旦计算出基本尺寸，就可以进行更详细的优化设计。在船舶和浮式结构设计中，涉及三个主要的利益相关者：所有者、建设者和使用者或租船人。主要的输入是：来自船东的主要规范，建造者提出船体、机械和建筑的详细设计，用户或租船者考虑的任务生存，更好的稳定性和对环境力的安全性，低船体运动或响应，以及耐波性能标准。传统上，船舶和浮式结构优化受到船东投入的严重影响，例如通过最小化运营成本或最大化运营寿命期间的潜在收益来获得经济优势。优化过程必须采取整体方法，通过适当地合并来自所有三个主要利益相关者的输入，给出包括船舶和浮式结构的技术、后勤、经济、运行分析的综合设计方案。总体而言，在优化过程中主要存在以下几个系统：设计和生产模型、航运和岸上物流模型、操作、服务和维护模型。(www.xing528.com)

船舶和浮式结构中的设计变量相互关联，在优化过程中（设计和生产模型、运输和岸上物流模型以及操作、维修和维护模型）影响所有主要系统。对主要设计变量的任何更改都可能导致对其他变量的更改，反之亦然。在优化过程中引入所有主要系统会增加设计方案的复杂性。基于仿真的设计是一个有效的途径，其中仿真是设计评估和验证的主要手段。复杂系统的仿真设计是一种重要的技术，可以有效地用于提高时间密集型工业设计问题。仿真设计结合基于精细计算网格的复杂仿真代码和数值优化算法，例如在流体—结构—动力效应占主导地位的结构中，由技术参数限定的形状起着关键作用，其详细分析通常需要求解非线性偏微分方程，即Navier-Stokes方程，它们在现实的三维几何的情况下计算和模拟成本都很高。

用Navier-Stokes方程基于三维网格进行典型的船舶和浮式结构设计分析需要至少8～12 h，而其他应用方法可能需要更多的时间。尽管计算量很大，但是结合分析工具和优化算法的船舶和浮式结构仿真框架的开发提供了实现设计问题的实际解决方案，这种方法克服了局部优化技术应用的局限性。优化技术在仿真中的挑战是：将学科仿真工具集成到CAD、CAM、CAE、FEM、CFD的复杂工程环境中；高效计算框架的开发；不同几何模型的集成；灵敏度分析方法等。一旦这些问题得到解决，仿真中采用优化技术的真正潜力将得以实现，完整的集成设计方法将得以实现。