基于知识工程的集装箱船系船桥多目标优化外文翻译资料

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基于知识工程的集装箱船系船桥多目标优化

摘要

系索桥的轻量化设计和减震设计是困扰设计人员的两个关键问题。知识工程(KBE)技术在智能设计和优化中的应用可分为四个步骤。第一步是构建一个知识库系统。第二步，选择设计变量，将知识库应用于结构模型，检查结构合理性，实现智能设计。第三步进行了强度分析和振动响应分析，建立了相应的优化设计流程和优化算法。最后一步是将KBE技术应用到多目标优化过程中，以获得最佳的优化设计。设计和优化结果表明，基于KBE的设计方法保证了设计结构的合理性、经济性和安全性，大大提高了设计效率。

关键字 知识工程;固定桥设计;动态分析;多目标优化

命名法

L_OA船舶总长度(m)

L_PP垂线间长度(m)

D 型深(m)

B 型宽(m)

T_d 设计吃水(m)

T_s 结构吃水(m)

C_b 方形系数

d_A 尾部吃水

1.引言

对于大型和超大型集装箱船，50%以上的集装箱都放置在甲板上，因此必须有可靠的绑扎系统(主要包括绑扎桥、扭锁、绑扎棒、扭扣、绑扎板、锥等)来保证集装箱的安全装载。甲板上承重系固系统的设计是任何大型集装箱船舶设计的重要课题之一。集装箱堆垛的研究可以更好地探索绑扎系统的工作环境和状态。Kirkayak和Suzuki(2008)研究了捆绑系统中扭转锁的机械行为的数学模型。在Kirkayak和Suzuki(2008)的研究基础上，考虑横向承力的影响，Wolf和Rathje(2009)基于有限元方法建立了扭锁的简化模型，实现了集装箱堆垛的瞬态运动仿真。Wolf等人(2011)提出了一种测试自动扭锁性能的新方法，以及计算容器和绑扎系统产生的载荷的可靠方法。Aguiar等人(2012)研究了七层堆叠的基本力学行为，评估了承重器及其连接连接器的负载，并提出了几种防止扭转锁和绑扎棒容器损失的解决方案。

随着近年来大型集装箱船数量的不断增加，吊桥从现有的一、二、三线、四线逐渐增多。有了捆绑桥，捆绑可以应用在堆栈的更高的层上，这使承托堆栈具有更大的稳定性，并使船只能够携带更大的负载。系固桥决定着系固系统的可靠性、经济性、运行安全性和方便性，是系固系统中最重要的组成部分。现行的系索桥结构设计仍然是传统的“设计-评估-再设计”方法。结构的过度设计导致设备体积过大、经济成本高、振动响应大等问题。因此，本文旨在寻求一种先进的设计和优化方法，以快速获得系索桥结构的初始设计。

Kim等人(2012)研究表明，在过去的几十年里，计算机辅助设计(CAD)在船舶和海上结构设计中得到了广泛的应用。然而，传统的CAD技术无法在创新设计的情况下为设计师提供有效的支持和帮助。为了适应造船市场日益激烈的竞争，建设世界一流的造船厂可以更快、更便宜地进行。大规模定制通常被大多数公司采用来解决这个问题(Curran et al. 2010)。在设计领域，基于知识的工程(KBE)能够支持快速和模块化设计(Elgh 2008;Elgh和Cederfeldt 2010;vero -hagen等人，2012)。20世纪80年代，人工智能(AI)和知识工程在CAD中的应用被称为KBE (Danjou et al. 2008)。在机械设计领域，KBE技术在重复的设计过程中自动捕获和重用设计知识。设计师需要更多的时间和努力来探索更好的设计(Curran et al. 2010)。为了赢得建造世界级造船厂的竞争，信息技术的应用应该得到更广泛的应用(Yang et al. 2012)。

KBE现已成为CAD中最活跃的智能设计分支之一，特别是在模具、飞机、汽车制造等行业的设计(Cui and Wang 2013)。例如，Yang等人(2014)开发了集装箱船甲板智能设计系统。利用KBE技术建立了斯坦福图书馆。设计规范、标准和专家经验在结构设计中得到了重用，提高了设计的效率和质量。Tsai等人(2010)通过基于案例推理(case-based reasoning, CBR)方法开发了一个混合KBE系统。KBE系统帮助企业保留冲压件的隐性知识，通过设计自动化加速汽车板材制造。Chen等人(2012)基于知识工程方法提出了多学科系统概念设计的框架。基于知识的框架的复用和综合在各个学科中被称为原理解决方案。在航空航天领域，La Rocca和Van Toore(2007)开发了用于混合翼体自动设计的KBE系统。

随着计算机科学技术的发展，船舶设计和分析的优化逐渐实现自动化(Campana et al. 2006;Shin et al. 2006;Richir等人，2007;土库曼和图兰2007;李2009年;Caprace等人2010;郭台铭和崔2010;Hinnenthal和Clauss 2010;金门2011)。智能优化算法的应用大大降低了船舶设计优化的复杂性。Diez和Peri(2010)提出了船舶概念设计的稳健优化方法。通过粒子群优化算法得到了优化设计方案，给出了鲁棒设计的一般原理。Yang等(2014)实现了基于KBE的集装箱船横舱壁优化。在优化过程中，将设计规范和专家经验抽象到知识库中，实现了知识的重用。采用模拟退火算法，得到满足设计要求的优化设计方案。然而，现有的工程方法还没有结合起来对结构数值模拟进行深入的优化研究。Chen等人(2010)提出了一种基于kbe的装配序列优化和鲁棒反向传播神经网络相结合的方法，以帮助工程师获得最佳的装配序列。结构优化过程主要面临三个瓶颈。首先，计算是相当耗时的。其次，最终的优化方案对设计师和企业的传统经验非常敏感。第三，传统的结构优化往往忽略了设计规范、专家经验等知识的应用(Cui et al. 2012)。因此，结合先进的优化与KBE可能是最好的方案。

本文论述了KBE方法在集装箱船系船桥结构设计分析及优化中的应用。知识来源于以前的设计案例、结构特点、设计规范和专家的经验。该知识库能够满足设计者在结构设计、有限元模型分析和优化过程中的需求。通过知识系统与常用的CAD、FEM、优化工具的集成，实现知识的重用。在KBE的帮助下，提高了系索桥结构设计的性能。

2.基于知识的工程

KBE是一种人工智能技术，它利用以前的设计经验、领域知识和专业知识来开发新的设计。通过判断和逻辑推理的知识，可以实现新产品的智能设计(McMahon et al. 2004)。Kim等人(2012)对KBE给出了一个简洁的定义，KBE起源于CAD和基于知识的系统，涵盖了与产品生命周期管理和多学科设计优化相关的全部活动。知识系统的发展过程遵循知识获取、知识表达和知识推理的顺序。它强调重用领域知识、专家经验和其他类型的知识，以最快的速度开发新的设计、新的和最优的产品(Zhou et al. 2007)。图1展示了知识获取和再生产的一般过程。KBE新产品的设计过程如图2所示。

正如Baxter et al.(2007)所指出的，“设计师大约20%的时间花在搜索和吸收信息上”，“目前40%的设计需求是由个人部门来满足的，即使从其他来源可以获得更合适的信息”。在每一个设计过程中，设计师都需要重新组织相关的设计知识，这意味着与产品设计相关的知识是递减的，很难获得。因此，设计人员和企业可以通过构建一个KBE框架来指导产品设计知识的重用，从而节省大量的时间和精力。

3.知识库

知识库被定义为有用知识的集合，如设计规范、以前的设计案例、产品规范、制造流程和专家经验。建立知识库的一般目的是对所获得的知识进行归纳和整理，然后将其抽象为能够有效解决问题的规则、方法和策略，最后将其保存为特定形式的文档、表单或数据库。知识库的目的是实现对产品设计知识的更轻松的存储和分类管理，为知识的检索和重用提供方法和建议(Roh和Lee 2007)，从而减少非创新性的重复性工作。

3.1 领域知识基础

系索桥结构主要由矩形钢、L型钢、焊接t型钢和钢板组成。标准零件图书馆可根据零件的形状特征、尺寸和国家标准建立。这个表达式表示变量和函数公式之间的关系。设计参数和结构特性可以通过规则校验来确定。将构件的特征参数变量与设计表中的参数相结合，可以有效地减少系索桥结构设计中的重复模态工作。中国船级社规范中关于系索桥结构的设计要求是知识库的重要组成部分，主要体现在板型规范中。结构数值模拟由系索桥的平均刚度初步确定，屈服容许准则、屈曲容许准则、模态分析及振动响应等。下面将讨论部分设计规则和专家经验。

图1所示. 知识获取

图2.KBE产品设计流程图

目前，关于系索桥结构设计的理论还处于起步阶段。在大多数设计过程中，设计经验是必不可少的。需要通过数值模拟对设计结果进行评价和修正。桥梁结构的平均刚度计算公式如下(中国船级社2015):

其中是平均刚度，是拉杆力的横向系数，是拉杆眼的横向位移，N是拉杆力的数目。平均刚度 三层绑扎桥应为15mmplusmn;20%，每100kN水平荷载.（中国船级社2015):

镀层

典型的对角，垂直支撑

其中是电镀的厚度；和是指定的最小屈服应力；是末端约束因子；a和b表示矩形的尺寸越小越大板面板的近似分别。

安全系数的确定如下（中国船级社2015年）：

轮廓整体稳定性主要受网页影响Finland 芬兰勒斯班。高度，小翼板的宽度和专业以确保专业人员的全面稳Finland 芬兰勒，以下要求-必须根据从设计中获得的经验来满足专家：

其中l是剖面的跨度；b是小翼的宽度而SY是材料的屈服极限。根据专家设计经验，厚度T1，以及T型线和厚度T2应该满足以下关系：

有些专家建议t的值应该是不低于T2的值。保守治疗的方法-在优化过程中使用这一建议。小组讨论宽度b和腹板高度h应满足以下关系-船舶：

走道板主要是为了满足绑扎的需要工作。跨度与板厚之比在这里被考虑。如果比率m=s/t。70-80，厚-走道板的尺寸应为8mm左右。设置行人路板的厚度在6 - 12mm可以减少优化过程中的迭代计算。

系索桥的结构设计还涉及到一些与人体工程学和安全相关的附加要求。根据MSC./Cire的安全要求。提出了系索桥结构的合理性校核规则。检查表见表1。

表1.结构设计合理性校核规则

图3.标准件库设计流程图

3.2 标准模板库

系索桥的结构形式分为A型和剪力墙型。虽然在整体结构上存在差异，但它们都是由标准型材和板材组成的。系索桥的结构形式相对固定。为了减少重复的建模工作，建立了一系列参数化的图形模板库特殊的和普通的。

3.2.1图书馆标准部分

标准件库主要包括型材库和板材库。轮廓库中的主要特征参数包括轮廓代码、腹板厚度、腹板高度、面板厚度、面板宽度和圆角半径，这些都存储在设计表中。在模型建立过程中，通过宏程序记录建立标准零件库。设计表帮助用户创建和存放标准件库。在优化过程中，设计表中的特征参数定义了参数变量的范围。标准件库的设计流程图如图3所示。角钢的标准零件库存储在访问表中，如图4所示

图4.标准件库(角钢)

3.2.2 汇编和FEM图形模板库

建立了包括两层、三层和四层系索桥结构在内的一系列模型模板。采用自顶向下的设计方法建立装配模型。该技术的优点是用最少的参数加速整个装配结构的变化，能更好地反映设计者的思想。为了便

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