本篇文章给大家谈谈《船舶调度的最优方案数学建模》对应的知识点，希望对各位有所帮助。
本文目录一览：
- 1、智能船舶发展趋势分析 —以海事巡逻艇为例
- 2、船舶主机配置及匹配的相关问题
- 3、船舶总体设计方案构思主要包括哪些内容
- 4、船舶结构设计
- 5、如果初始设计的船舶型线GM值太小，稳性不满足要求，应该怎么办，有什么改进措施？
- 6、船舶结构设计常用的方法
智能船舶发展趋势分析 —以海事巡逻艇为例
智能船舶发展趋势分析
—以海海事巡逻艇为例
目录
摘要 3
一、智能船舶发展趋势概况 4
1.发展智能船舶的原因 4
2.智能船舶是什么 4
3.智能船舶功能模块 4
4.智能船舶关键技术 4
5.目前的技术和难点 6
6.国际上的先进成果 6
7.总论 7
二、海事巡逻船介绍 7
三、海事巡逻船的智能化 9
1.通讯与识别 1 0
2.安全与自动航行 1 1
3.船舶动力 1 3
摘要
船舶作为海上重要交通工具，其智能化成为世界各国关注的重点。本文概括了智能船舶的特点，总结已有成就并指出问题和和可能的改进措施和思路。就我国广阔的海域和现有的技术基础，探索海事巡逻艇在通讯与识别、安全与自动航行和动力方面可能解决的措施和方法。
关键词：智能船舶海事巡逻艇船舶智能化e航海
一．智能船舶概况
1.发展智能船舶的原因
近年来由于智能船舶概念的兴起以及智能船舶技术的日益发展，船舶智能化已经成为全球航运的大势所趋。出于通过船舶智能化降低船舶控制和管理难度，减少人为误操作，提高设备及船舶营运的安全，优化船舶航行，控制燃油消耗、降低成本，提高收益等目的，目前智能船舶的研究已在全球范围内开展。[]
2.智能船舶是什么
2015年12月1日，由中国船级社（CCS）编制的《智能船舶规范》正式对外发布，其中定义：“智能船舶指利用传感器、通信、互联网等技术手段，自动感知信息和数据，并通过自动控制技术和大数据处理分析技术来实现智能化运行。”智能船舶以“大数据”为基础，运用实时数据传输和汇集、大容量计算、数字建模、远程控制等先进的信息化技术，实现船舶智能化的感知、判断分析以及决策和控制，从而更好地保证船舶的航行安全及运营效率智能船舶也是《中国制造2025》中明确重点发展的领域，代表了船舶未来的发展方向，关乎航运业的转型升级。[]
3.智能船舶功能模块
中国船级社发布的《智能船舶规范》将智能船舶分为六大功能模块：智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理和智能集成平台。
4.智能船舶中的关键技术
（1）信息感知技术
船舶信息感知是指船舶能够基于各种传感设备、传感网络和信息处理设备，获取船舶自身和周围环境的各种信息，使船舶能够更安全、可靠航行的一种技术手段。
（2）通信导航技术
通信技术是用于实现船舶上各系统和设备之间，以及船舶与岸站、船舶与航标之间的信息交互。常用的通信方式主要包括：VHF（甚高频）、海事专网、海事卫星、移动通信网络（手机网络）等。导航技术是用于指导船舶从指定航线的一点运动到另一点，通常包括定位、目的地选择、路径计算和路径指导等过程。船舶常用的导航技术包括早期的无线电导航和现在广泛使用的卫星导航。北斗卫星导航系统为我国船舶导航领域提供了新的发展契机。
（3）能效控制技术
2007年，世界海运船舶排放CO2达10.4亿吨，其中国际海运排放CO2约8.7亿吨，分别占当年全球CO2排放总量的3.3%和2.7%。为提高船舶能效、减少船舶温室气体排放（节能减排），国际海事组织（IMO）提出EEDI（新造船设计能效指数）、EEOI（船舶营运能效指数）等评价标。智能船舶的发展应顺应“绿色船舶”的发展潮流，分析通航环境、装载量、吃水、主机功率（转速）等因素与船舶营运能效指数EEOI之间的内在关系，在保证船舶安全和营运效率的前提下，通过优化控制船舶航速、装载量、吃水、航线等，以最大限度降低EEOI指数。
（4）航线规划技术
航线规划是指船舶根据航行水域交通流控制信息、前方航道船舶密度情况、公司船期信息、航道水流分布信息、航道航行难易信息，智能实时选择船舶在航道内的位置和航道，以优化航线，达到安全高效、绿色环保的目的。目前常用的航线规划方法包括：线性规划方法、混合整数规划模型、遗传算法、模拟退火、粒子群优化算法等智能算法
（5）状态监测与故障诊断技术
状态监测技术是以监测设备振动发展趋势为手段的设备运行状态预报技术，通过了解设备的健康状况，判断设备是处于稳定状态或正在恶化。未来船舶故障诊断可考虑以大数据为基础，运用多尺度分析方法来构建设备状态监测系统。故障诊断技术就是在船舶机械设备运行中或基本不拆卸设备的情况下，掌握设备的运行状况，根据对被诊断对象测试所取得的有用信息进行分析处理，判断被诊断对象的状态是否处于异常状态或故障状态，判断劣化状态发生的部位或零部件，并判定产生故障的原因，以及预测状态劣化的发展趋势等。
（6）遇险预警救助技术
水上交通事故时有发生，尤其是碰撞和搁浅事故，往往造成严重的经济损失和人员伤亡。无论是在海上还是内河水域，船舶碰撞是最为常见的水上交通事故类型，在所有的水上交通事故中占很大的比例。船舶遇险预警与搜救技术能够有效的降低事故的发生率以及降低事故的损失。
（7）自主航行技术
《智能船舶规范》中定义，智能航行系指利用计算机技术、控制技术等对感知和获得的信息进行分析和处理，对船舶航路和航速进行设计和优化；可行时，借助岸基支持中心，船舶能在开阔水域、狭窄水道、复杂环境条件下自动避碰，实现自主航行。[]
5.目前技术发展的成果和难点
虽然GPS、AIS、电子海图、VHF 等无线电设备和导航设备等都广泛应用在现代船舶上，同时，基于各种自动化设备的综合桥楼系统、集成控制系统和机舱监测报警系统等自动化系统都已普遍应用，且技术成熟，但是，距离上述智能船舶对智能化的要求还有不少差距。无论是尚有技术难度的船-岸大容量通信技术、大数据分析技术、智能决策技术，还是现有数据的融合及转化，还是为了长远考虑必须规划和整理的相关标准，都是摆在造船人面前的艰巨任务。
建议结合E-航海、E-内河的规划，基于已有的技术和基础设施，加快关键技术的研究，扩展现有设备的智能化功能。
6.当前国际上取得的先进成果
2012 年，由德国 Fraunhofer CML、挪威 MARINTEK、瑞典查尔姆斯理工大学等 8 家研究机构共同合作的“MUNIN” 项目（基于智能化网络的海洋无人航行）[28]，首次以无人散货轮为对象开展大型无人船的研究。
挪威船级社（DNV）在船体结构监测，舰船性能管理、船体集成管理等方面都持续进行研究，建立数字化船体模型，开发了相应的工具，可为世界各国航运公司提供系统监控及报告、高质量和综合性的视觉信息、全生命周期信息、通过3D 结构模型实现清晰通信等技术服务。
作为全球最大的船舶设备供应商之一，英国的罗尔斯·罗伊斯公司最近几年提出了自动船舶（Autonomous Ship），机器人船舶（Robotic Ship），无人船舶（Unmanned Ship），船舶智能化（ShipIntelligence）等概念。2013 年，罗尔斯·罗伊斯公司开展无人驾驶货船（ robotic cargo ship）项目的研究，这种无人驾驶货船可以从全息控制室实现全部操作，并可以航行到世界各地。罗罗公司认为，智能船舶的下一步发展应该着眼于远程遥控和无人驾驶。该公司在2014年就开始开发名为“未来操作体验概念”(Future Operator Experience Concept)的岸基遥控系统。2016年3月，该公司又与芬兰国家技术研究中心(VTT)、阿尔托大学和坦佩雷大学人机互动研究中心结成合作伙伴，拟于2020年前推出成型产品。通过与VTT进行技术合作，罗罗公司够有效评估远程遥控自动化船舶的设计方案。[]
7.总论
总体来说，部分智能船舶相关技术理论较为成熟（环境感知技术、通信导航技术、状态监测与故障诊断技术等），已经得到实际应用，但有些技术理论缺少在真实环境下的验证（能效控制技术、航线规划技术、安全预警技术、自主航行技术等），因此，智能船舶总体仍处于快速发展阶段，还未完全成熟。随着船舶技术、信息技术的发展，以及“大数据”的智能应用，正推动着智能船舶的加速出现。船舶智能化的发展将是决定未来船舶行业发展方向的重要因素；除了信息感知、通信导航、能效管理等关键技术，自动停泊、离岸，自动维修，自动清洗，自动更换设备部件，自我防护等同样将会趋于智能化发展；随着船舶智能化相关技术的不断发展，最终可实现由智能系统设备逐步转变为会思考的智能船舶，促进船舶安全、高效航行。并为我国航运带来新的发展机遇。
二、海事巡逻船的介绍
我国是海洋和航运大国，是国际海事组织A类理事国，在和平开发和利用海洋资源、履行国际公约中发挥着重要作用。但是由于历史原因，，我国水上交通安全监督管理能力还不适应经济发展需要，与我国海洋大国和航运大国的地位极不相符。20001年，《中国海事发展纲要》提出，到2005年，中国海事将要把1000海里内的国际航线和海上设施等纳入监管范围，50海里内重要干线航道和重要港口附近的应急到达时间不大于3小时。实现这一目标的要求存在于多方面，其中一个重要原因即为具有远航能力的现代化的海事巡逻船。
海事巡逻船在海事巡航执法等诸多方面中发挥着关键作用，其任务主要包括：1、执行海上巡逻、监管、警戒、护航、交通疏导2、执法取证：处理和调查一切海上事故的必须交通工具，维护水上秩序 3、应急搜救：承担水上搜寻救助组织和海上应急值班工作，协调和指导的有关工作。
海事巡逻船上应配备的光电跟踪取证系统能够良好实现海上取证，有效地进行海上内交通事故调查和处理、搜寻和水域污染检测等活动。海上取证不似陆地证据那般固化，会随时间和海流、风向的变化而变化甚至消灭。及时准确的海上取证极为重要。因此，该系统在海事巡逻船得以应用。
海事巡逻船还有一个特殊舱室——多功能厅。此厅类似于会议室，不同的是该亭内具备巨屏显示器以及安装电脑和各种电子设备的操作台。此厅不仅用于召集紧急会议，更可以通过以太网络系统，实现现场指挥部用特殊频点甚至高频无线通话与渔政、海关船舶通信联络；也可以通过船上海事卫星系统接入全国海事网，甚至接入国际海事组织。
海事巡逻船能保证我国领海的安全，帮助我国实现海上透明化的宏伟目标。而其更智能化是海事巡逻船的发展趋势，也是我们应努力的方向。
三、 海事巡逻船的智能化
基于海事巡逻船的特点及现有技术基础，实现有限度的海事巡逻船的的智能化是必要且可行的。海事巡逻船的任务及功能有其特殊性，不同于其他船种。其主要任务类型包括巡逻护航、监管执法、搜救指挥、污染防治业务和维护国家安全和利益。[5]根据《国家水上交通安全和救助系统布局规》制定的监管目标，巡逻船要能在12h之内到达离岸200 n mile内的任何水域，在90min之内到达离岸50nmile内的重点水域。该任务需求对船舶航速提出明显需求，但考虑到节省燃油，船舶日常巡航是低速航行的，仅在需要时才迅速提高航速，因而要求船舶在中低速和高速的状态下都能有较低的耗油率。同时，考虑到重大海难大多发生在恶劣海况下，要求船舶有优良的操纵性和适航性、较大的续航力和结构强度及先进的通信指挥和救援设备。表一归纳了海事履职的主要任务与船舶主要性能的相关性其中船舶生存能力主要指船舶稳性和抗沉性[6]。
针对以上对海事巡逻船的规范和要求，本文将讨论海事巡逻船在解决通讯与识别、安全和自动航行及动力方面可能的措施及思路。
1.通讯与识别
船舶间通讯主要通过卫星通讯和地面通信，关于海事巡逻船队间的通信，可以考虑移动自组网技术。自组网是指一组带有无线接收装置的移动节点组成的一个多跳临时性的自治系统。主要应用在没有网络基础设施支持的环境中或现有网络不能满足移动性机动性等要求的情况下。自组网一般采用按需路由策略，按需路由认为在动态变化的自组网环境中，没有必要维护去往其他节点的路由，仅在没有去往的节点陆游的时候才“按需”进行路由发现，拓扑结构和路由表内容是按需建立。通过上述部署可以实现编队间的实时数据交流。
关于船舶的识别，上世纪年代后期，美国、日本及西欧国家开发了基智能交通系统（ITS）现在己经趋于成熟，为该领域的发展指明了方向。船舶交通服务系统(VTS）最早在欧洲建立，起初应用于内陆水域，目前已经被沿海各国普遍应用。
对于海事巡逻船来说，它的主要执法对象既包括强制安装AIS系统的大型船舶，也包括相关水域的小型船只。基于相关情况，本文主要提出基于VTS+AIS模式（船舶交通管理系统船舶自动识别系统）和基于GPS+GIS+GPRS/CDMA系统的两种识别方式。
VTS是通过前端的雷达和后端的综合信息处理系统，将船舶的位置、速度、方向等信息显示在显示器上，并以此来实现交通流的组织、助航等服务的电子系统。这对组合的优势
在于，能够最大程度地发挥雷达和的互补作用，对于大型（等强制要求安装终端设备的船舶而言，基本上能够实现全覆盖。但船载设备设备的费用相对来说较高，因此安装的成本太大，而砂石运输船等小型船舶又属于非船舶，没有强制安装终端的要求，因此，这套方案对于小型船舶而言，不易于推广实施。
GPS+GIS+GPRS/CDMA系统定位精度比较高，分辨率可以达到15米，速度测量精度可以达到0.1米秒；能够更准确地把握周边信息，通过地图将船位置信息标注到海图上，实现对船舶的监控和管理，对沿海、内河这些移动、联通网络覆盖率高的区域，更有利于实现对船舶安全航行提供助航服务；更有利于实时通信，在移动、联通网络覆盖范围内，网络传输的速度较快，传输的准确率较高，也实现了网络化通信的目标；经济实用，性价比高，这也是与其他种船舶监控方式相比的最大优势。一些小型施工船，强制其安装价格昂贵的设备，将会给这些船舶带来巨大的经济压力。而基于的方案能够充分利用公共通信服务网络，网络通信费用较低，船载终端的成本更加低廉，不会像设备那样增加船方更多的经济负担，比较有利于推广。
由于可以通过技术的手段来转换GPS信息与AIS信息的数据格式，因此，小船的数据信息在系统可以实现集成显示。
2.安全和自动航行
智能船舶的航行对通讯的安全性和设备的可靠性提出了很高的要求。对于通讯，一般来说，一个完整的安全模型应由以下五部分组成：安全管理、入侵检测、安全保护、安全恢复、安全响应。评价一个网络安全的程度应当遵循“木桶原则”，即以最低网络安全程度作为判断的依据。因此，一个安全无漏洞的系统，应当从各个方面来加强网络安全，应当构建一个多层的安全保护网。在实现定位功能和数据传输方面，选取了信号稳定、成本较低的GPS定位系统，以及GPRS网络系统，突出了节约经费的思路；在小船监控系统应用于管理方面，通过对新系统的研究，找到了将小船AIS目标融合到目标中的途径，迎合了系统集成化的趋势；在网络架构方面，对VTS安全网络进行了较为认真的分析研究，提出了一个四层安全架
构，体现了网络安全的理念。
智能船舶的自动航行需要一系列软硬件支持，现有的一人桥楼和无人机舱的技术并不稳定，通常在实践过程中并不能发挥应有的作用。智能船舶在算法设计上系统应采用变论域模糊控制通过实时控制舵角输出实现船舶航向的精确控制。目前以专家系统、模糊控制、神经网络等控制算法为核心的第四代自动舵系统。目前比较常见的船舶航向控制系统主要由上位机、航向控制器、舵伺服系统等部分组成其中上位机作为数据参数的发送端,主要实现航向控制值的设定及当前船舶所受扰动量的输入;航向控制器则在结合相关数据的基础上经过智能算法运算实现控制舵角值的输出;最后由舵伺服系统实现舵机控制及当前舵角反馈,以此实现船舶航向智能控制。
智能船舶的避碰功能也是船舶航行过程中需要考虑的重要问题。不同船型有不同的回转半径，不同速度下有不同的转弯角速度。要想真正实现船舶避碰ARPA功能，每种船型的数学模型是不一样的。如果是运输船舶，不同（装载量），其特性也不一样的。换言之，船舶避碰 ARPA 软件还要具有“不断学习”的能力，以适应海事巡逻船巡逻执法的需要。与传统的“ARPA 功能”相比，新型导航雷达要与“船舶能效管理系统”有接口关系，实现自身船型特性数据的输入和实时修正。
与传统的“观察”相比，新型导航雷达要与“船舶气象仪”及其他气象设备有接口关系，获得实现天气、海浪等气象特性数据的自动输入和实时修正。根据目标的大小需要变换量程，或者需要调节增益，新型导航雷达本身能够实现自动调节。另外，借助岸基支持中心，也能遥控实现自动调节。
现代导航雷达显示器能够与“电子海图显示与信息系统（ECDIS）”和 “船舶自动识别系统（AIS）进行融合。这样的雷达画面，就是智能船舶的实时场景。与传统的“融合观察”相比，新型导航雷达能够与对外通信系统或情报系统有接口关系，能够将“实时场景”传输到岸基支持中心，以便实现岸基互动，更好的维护我国利益，实现海事巡逻船的预定功能。
[if !supportLists]3.[endif] 船舶动力
海事巡逻艇对速度有着明确的要求，要求其在指定时间内到达出事海域，同时要求起能实现长时间巡航。这就对海事巡逻艇的动力装置的性能，尤其是速度和可靠性提出了要求。当前船舶动力系统种类可分为：柴油机动力系统和燃气轮动力系统，前者优点是：安全可靠，经济实惠启动迅速功率范围大部分负载运转性能好效率可观技术比较成熟，而目前市场上半数以上船舶使用的就是这一系统；而后者具有质量轻功率大、尺寸小、环保等优良特性，但同时也有油耗高、对燃料要求高的缺点。目前国内船舶动力系统的发展趋势：双燃料单缸输出功率大的常规智能型柴油机动力系统、电力动力系统（采用交流变频技术，易于布置，节能，噪声小，易实现自动化控制）、和混合动力系统（可靠性高，常用于军船和大型远洋商船）。
在船舶汽轮机调速过程中经常采用PID控制器，这主要是由于PID算法具有结构简单、容易实现的特点，利于实现对动力系统的智能控制。但在常规PID算法需要人工试凑，不利于实现船舶的智能化。要对其进行智能化改造，采用基于模糊神经网络的模糊型PID控制器。
参考文献：
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[2].《智能船舶规范简介》【J】.船舶工程,2016-09-15:01-02
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[4].梁云芳，谢俊元，陈虎，季寒，吴鸿程《智能船舶的发展研究》【J】.中国会议论文.2017-07-01/2017-12-06
[5].杨立波，王旺，邓爱民.《海事巡逻船型船及性能指标研究》【J】.《船海工程》 2013(2)
[6].赵福波，谢新连，李猛.《海事巡逻船优化选型数学建模》【J】.中国航海20 16（1）
船舶主机配置及匹配的相关问题
4 船舶动力装置设计的主要内容1主推进系统设计2轴系设计3电站设计4热源系统设计5动力系统设计6船舶系统设计7自动控制监测报警系统设计8防污染系统设计9机舱通风系统设计 特点1符合船用条件2设计具有目标任务条件和合适的保障条件3综合设计以实现预定的技术经济指标4掌握动力装置各技术领域5受国际公约规则船级社规范等要求5根据市场经济特点
5推进装置功率传递过程 船舶有效功率 ←推力功率← 收到功率← 轴功率← 最大持续功率← 主机额定功率← 指示功率（由推力减额及伴流等船体影响所损失的功率 螺旋桨与水的摩擦及尾流动能所损失的功率 尾轴承及其密封装置所消耗的功率 传动设备及各种轴承所消耗的功率 考虑持久系数及温湿度修正后的功率 主机摩擦损失及带动辅机所消耗的功率）
6经济航速指在规定的装载状态及航行条件下，主动力装置及辅助设备部分工作，船舶每海里燃油消耗量最少时所达到的航速。
经济航速包括节能航速 最低营运费用航速 最大盈利航速
续航力是指船舶不需要到基地或港口去补充任何物质所能航行的最大距离或最长时间 其与动力装置的经济性 每海里航程燃料消耗及其他物质贮备 用途 航区有关
1推进装置的组成包括主机 传动设备 轴系和推进器 其作用是由主机发出功率通过传动设备和轴系传给推进器
推进装置的形式有1直接传动推进装置 优点结构简单 使用寿命长 燃料费用低 维修保养方便 噪声低 传动损失少 推进效率高 缺点重量尺寸大 倒车必须利用可逆转发动机 机动性差经济性差 低速和微速航行受到最低转速的限制2间接传动推进装置 优点重量尺寸小 主机转速不受限制 轴系布置方便 带到侧顺离合器时可选用不可逆转的主机 有利于采用多机并车和单机分车与轴带发电机布置 缺点结构复杂 传动损失大 效率低3特殊传动推进装置包括a可调螺距螺旋桨推进装置 优点经济性机动性操纵性较好 适应船舶阻力变化 主机或减速齿轮箱不必设换向装置 有利于驱动辅助负载 缺点机构比较复杂 保养困难 造价较高 尺寸大 设计工况下效率比定距桨低b电力传动推进装置优点 机组配置和布置比较灵活 舱室利用率高 机动性和操纵性好 发电机转速不受螺旋桨转速的限制 具有良好的拖动性能缺点损失大 传动效率低 增加了发电机和电动机 重量和尺寸较大 造价和维修费用高
2推进装置的选原则1按船舶用途种类和要求2按主机功率的大小3按船舶航区的吃水深度4按推进装置的经济性
3主机选型与螺旋桨参数确定分为 初步匹配设计和终结匹配设计
初步匹配设计 已知船体主尺度 船体的有效功率曲线 船舶要求的航速 螺旋桨的直径或转速 确定螺旋桨的效率 螺距比 螺旋桨的最佳直径及所需主机的功率 便于主机与传动设备的选型
终结匹配是在已选定主机后进行的，已知主机的功率与转速、船舶的有效功率曲线、传动设备与轴系的传送效率ηs，、桨的收到功率Pd、船身效率ηh等，计算船舶所能达到的航速、螺旋桨的最佳要素(螺旋桨直径、螺距比及螺旋桨效率)
4主机选型考虑的问题 1重量与尺寸2功率与转速（标定功率 超负荷功率 经济功率）3燃油与滑油4主机的造价寿命与维修5振动与噪声6柴油机的热效率与燃油消耗率
1船 机 桨的关系 三者是一个能量的平衡系统 主机是能量的发生器，螺旋桨是能量的转化器，后者将主机发出的旋转能转换为推进能使船体运动，船体为能量的需求者 螺旋桨的推进能用于克服船体的运动阻力
船体的特性指可用阻力—航速或有效功率—航速特性曲线来描述 主机的特性 可用转矩—转速或有效功率—转速特性曲线来描述 螺旋桨的特性 可用两个方程来描述 螺旋桨转矩—螺距比和进速系数的关系或他的因次系数；螺旋桨推力—螺距比和进速关系或它的因次系数。
2所谓工况就是指船 机桨三者的工作条件。
研究工况与配合的目的1合理地确定设计平衡点负荷 使能量供求平衡 不应供大于求或求大于供2对船舶种类用途及运行方式进行合理的组合 选优以提高经济效益及满足使用要求3揭示能量转换过程中各特性参数的变化规律及了解运行经济性及适应性 工作范围和限制找出最佳的设计方案 进行合理管理。
变工况包括前进工况 后退工况 变速工况 系泊工况 拖顶工况 制动工况
影响变工况因素有1船舶阻力发生变化2操纵方式的变化3船机桨自身性能的变化
3柴油机的工作特性包括1柴油机的输出功率及转矩2柴油机的特性（速度特性 调速特性 负荷特性 万有特性 推进特性 柴油机减额功率输出特性）
4柴油机的外特性指柴油机运转中，只改变n而平均有效压力保持不变，这种运转特性称为外特性。包括 a 1h功率特性（船舶主机短时使用）b12h功率特性（可供间歇使用的船舶主机作螺旋桨的设计负荷点）c标定外特性（可作一般船舶螺旋桨的设计负荷点）d部分外特性
外特性的实用意义：首先是确定柴油机允许工作的最高负荷限制线，其次是用于分析机带桨工作时的匹配情况。
柴油机的负荷特性指某一固定转速下，柴油机的性能参数随负荷变化的规律。 其实际意义：其一确定非增压柴油机的标定工况 其二常在柴油机调试 改变设计时用作检验调试效果其三作为带发电机工作的特性 其四测出不同转速的负荷特性用于制取万有特性。
柴油机的推进特性指 当柴油机作为船舶主机带螺旋桨，按螺旋桨特性工作时为柴油机的推进特性。其实际意义：首先是根据柴油机的工作能力合理地设计选用螺旋桨 其次确定使用中功率与转速的配合点，第三确定推船舶在各种工况下的负荷 第四用以确定船舶的经济航速
柴油机万有特性的实际意义：一是选配柴油机二是确定柴油机的允许工作界限 三是用于检查柴油机的工作状态。
5螺旋桨发出的推力与吸收的转矩使螺旋桨以一定的速度前进此时的速度称为螺旋桨进速。
船舶在稳定工况下正常航行时，螺旋桨所产生的有效推力和船舶航行阻力是相等的 它们可相互转化
6柴油机的允许使用范围1最大负荷限制2最低负荷限制3曲轴最高转速限制4最低稳定转速的限制
柴油机最低稳定转速限制的原因1调速器与柴油机的配合2热力循环的正常运行3建立油膜的需要
机桨工作区域的划分 AA是设计状态的理论推进线EE和CC分别为桨重和桨轻的推进线 区域I是安全区 II区是短时工作区III超转速区域
7螺旋桨的设计负荷点事指机桨标定工况的配合点，它与设计时所选定的机桨两者各自的特性有关。
8功率储备指取主机功率为某一百分比 转速为100% 船体阻力为新船满载试航时的阻力作为设计工况点
转速储备指取100%主机功率 适当增加转速 船体阻力为新船满载试航时的阻力 100%的主机标定功率为设计工况
阻力储备 取100%主机标定功率和转速，船体阻力则取满载运行时船体有一定污底并有一定风浪时的阻力作为设计工况
9单机直接带桨特点 Pd=PD QD=Qp 转速D=转速p
10双机并车的特点 其主机与螺旋桨之间的转速关系同减速比有关 一般多采用单机传动 双主机的转向常相同，但与桨的转向相反。
11 多机多桨的传动优点1操纵性较好，便于分别操作两台主机使船回转 转弯2生命力较强3采用的单机功率较小 利于采用中高速柴油机实行减速传动4适应性较强
12调距桨的配合特性 1调距桨船舶在各工况下均能充分吸收主机功率2保持螺旋桨转速不变 改变螺距比 可获得不同的航速3不同的转速和螺距比配合可得到所需航速4改变螺距比，能使推进装置在不同工况下工作时，保持良好的经济性，实现机桨的最佳匹配。
船舶轴系与后传动设备
轴系的基本任务：连接主机与螺旋桨，将主机发出的功率传递给螺旋桨，同时又将螺旋桨所产生的推力通过推力轴承传给船体，以实现推进船舶的使命
轴系的组成包括1用来传递主机功率的传动轴2支承传动轴的轴承3轴系附体
14轴系的工作条件恶劣：一般位于水线以下，有一部分伸出船壳，长期浸泡在水中。
轴系设计的要求1有足够的强度和刚度，工作可靠并有较长的寿命2有利用制造和安装3传动损失小合理选择轴承种类数目及润滑方法4对船体变形的适应性好5保证在规定的运行范围内不发生扭转横向和耦合共振6避免海水对尾轴的腐蚀 尾管装置具有良好的密封性7尽可能减少轴的长度和减轻轴的重量
15轴线 是指主机输出法兰端面中心至螺旋桨桨嗀端面中心间的连线。
16螺旋桨轴的尾部的锥形部分用来承受正车推力，倒车推力由固定螺母来承受：主机的转矩则靠其键槽或者液压安装螺旋桨过盈配合锥面的摩擦力传给螺旋桨。
17桨与桨轴的联结方式：1机械联结2液压套合变形联结3用环氧树脂粘结法。
18防止轴的腐蚀;1在螺旋桨的尾端装设导流帽，并在与螺旋桨轴连接的腔室中充满油脂。2螺旋桨首端的密封常采用水封的型式。3采用防腐覆盖层4联合保护法5轴上包以橡胶覆盖层6轴上涂防腐漆或镀金属
19 许用安全系数的原则1轴的负荷情况2材料性质及加工装配质量3军用船舶轴系的工作条件比商船有利
20滑动式轴承的优点 结构简单工作可靠；承受载荷较大抗振抗冲击性好；安装修理方便 制造成本低。 缺点：摩擦系数大；必须有一定的间隙才能正常工作，转速和载荷变化过大时难于形成较佳的承载油膜 润滑与维护保养麻烦
滚动式中间轴承的优点 摩擦损失小 无须冷却 滑油消耗少 轴承有自动调整能力 修理时便于更换 并可直接在市场购置 缺点：工作噪声大 轴承为非倍分式，为能安装 中间轴至少一端要采用可拆联轴节 承载能力小 安装工艺要求高
21油楔形成的工作原理：在起动时由于推力块2与支撑块3的接触中心偏离其几何中心，即压力中心与支点中心不重合，摩擦面间的油膜合力P和反作用力R形成力偶，使推力块产生倾斜，随着推力块的倾斜，压力中心向支点移动，当P和R重合时推力块便保持一定的倾斜位置。
21选择滑动式推力轴承应考虑的参数：1推力块的数目2有效面积系数3推力块的尺寸比4偏心距
22隔舱填料函的作用保证水密从而防止海水进入水密舱室。
要求1不论轴系是否转动应能受一定的水压而不至于泄漏2拆装方便并能在隔舱壁一边调整其松紧3力求外形尺寸小 结构简单重量轻4当轴旋转工作时，摩擦系数小温度不超过55到60°C
隔舱室的结构形式有整体式(适用于小型船舶）和可分式(广泛)
23尾管装置的任务是用来支承尾轴或螺旋桨轴，并使其能可靠的通出船外，不使舷外水大量漏人船内，同时亦不使滑油外泄。 尾管装置一般由尾管 尾轴承 密封装置以及润滑与冷却系统等组成。 尾管装置的结构形式 按其轴线的数目 可分为双轴系和单轴系 按其润滑方式可分为油润滑和水润滑。
尾管的结构形式主要有整体尾管和连接式尾管
24白合金轴承优点 耐磨性很好 不伤轴颈 抗压强度相当高 散热快 缺点制造修理复杂 价格昂贵
橡胶尾轴承优点1具有一定的弹性 可振动对安装误差及冲击的敏感性小 安装方便工作平稳 2结构简化 无须密封摩擦功损失少 对水域无污染运转费用低 管理方便3对水中泥沙有一定的适应能力4接触面积大 负荷分布合理 缺点1制造比较麻烦硫化工艺要求高2对轴有一定的腐蚀性3传热性差
桦木层压板与铁梨木轴承相比 优点是取材方便 工艺简单 水涨性比铁梨木小 不会干裂 价格便宜主要性能与铁梨木相近 缺点是硬度高 材质较脆 切削性差，磨损量大，产生的摩擦热大磨损大 耐磨性和安装不如橡胶轴承。
25轴系合理校中 轴系不必一定要安装于同一直线上，可有意调整各轴承在垂直方向上的高低位置，使轴承负荷高者降低，小者增大，这就称为合理曲线校中。方法有三弯矩法 有限单元法 力矩分配法
26船舶后传动设备在推进装置中的作用：1减速或变速传动2用以并车和分车组合或分配推进功率3离合与倒顺4抗振与抗冲击5布置中的调节作用
27片式摩擦离合器摩擦面的尺寸：f摩擦系数q摩擦面所承受的压力 传扭余度系数K 尺寸系数C 摩擦面数Z
28船用减速齿轮箱主要性能指标:标定传递能力 标定输入转速 减速比 标定的螺旋桨推力 输入与输出轴的转向 允许工作倾斜度 中心距 换向时间 操纵方式及重量尺寸
离合器是利用摩擦面之间的机械摩擦力把力矩由主动轴传到从动轴，并根据工作需要使主机与从动轴接合或脱离
29弹性联轴器的作用 1柔度很大，可以大幅度地降低轴系扭振的自振频率2可以缓解由于船体变形所引起柴油机齿轮箱和轴承增加的负荷3可允许轴线有微小倾角和位移，补偿安装中的误差使轴线校中容易以保护齿轮装置。根据发动机的标定功率及在标定功率时的转速及标定转矩选用。
第5章船舶管路系统
1. 何谓船舶管路系统？船舶管路系统有哪几类？
答：船舶管路系统是船舶为了完成一定任务而专门用来输送和排出液体或气体的管路、机械设备和检测仪表等的总称，常简称为船舶管系。船 舶管系分为动力管路和船舶系统，动力管路有：燃油管路；滑油管路；冷却管路；压缩空气管路；排气管路。船舶系统可分为：舱底水系统； 压载水系统；消防系统；通风系统；供水系统；制冷与空调系统；货油系统等。
2. 燃油的质量指标有哪些？
答：燃油的质量指标有：十六烷值；密度；粘度；凝点、浊点和倾点；机械杂质和水分；热值；闪点。
3. 画简图说明燃油管路的功用。
燃油管路的功用向船舶柴油机和燃油锅炉供应足够数量的合格燃油，以确保船舶的营运需要。
4. 画简图说明日用油柜的结构特点。
日用油柜为箱体，一般用钢板焊接而 成，为能承受柜内液体的压力，通常在其内壁设加强筋相衬板。 注入管，用于注入燃油；输出管用于输出燃油；透气管使柜内与大气相通，以利燃油进出油柜；溢流管用来将超出油柜贮量的油溢
出．并流回油舱；打开手孔(或人孔)盖即可清除柜中油渣；
置于油柜下方的放水阀可放出存于油柜 底部的油水混合液体。透气管与溢流管 直径一般应大于输入管。 燃油舱柜的出口设速闭阀。
5. 油舱的总容积在理论计算的基础上，还应考虑哪些系数？
答Cr 容积系数 Cc 储备系数 CF 风浪系数
6. 简述船舶设计对燃油管路的要求。
答：1各舱柜间应有管路连通，管路丄应设截止阀，以便关断保证船舶倾斜时正常供油。2大中型船舶设独立驱动的燃油输送驳运泵，小型船舶 设手摇泵，保证连续供油。3各油舱油柜供油管路上的截止阀或旋塞应直接装设在舱柜壁上，深油舱日用油柜出口管路应设置速闭阀，以便在发 生火灾或危机情况下能在该处外迅速将其关闭。4燃油管路必须与其他管路隔绝，不得布置在高温处、电气设备处。5沉淀舱柜以及专设沉淀舱 的燃油舱或日用油柜，应装设自闭式放水阀或旋塞。6大型船舶燃用两种燃油，应设有两套供油管路，设置燃油回油集合筒以收集回油，并用于 两种燃油的混合和撤换。
7. 简述滑油管路的功用、组成与种类。
答：功用：滑油管系给柴油机、增压器等船舶动力装置设备供应足够的合乎质量要求的滑油，确保有关摩擦副处于良好的润滑状态，避免发生 干摩擦，并在润滑过程中带走部分热量，起一定的冷却作用。组成：滑油管系一般由滑油贮存舱、华油循环柜、滑油泵、净化设备及滑油冷却 器等组成。种类：滑油管系根据柴油机的结构型式可分为湿底壳式和干底壳式两种。
8. 简述船舶设计对滑油管路的要求。
答：1滑油管系的布置应保持在船舶一定的横倾和纵倾范围内可靠地供油。2滑油循环泵的布置影视吸入管长度尽可能短，因此油泵应尽量靠近 柴油机或循环油柜。3为减少管路阻力和管路振动现象，在滑油循环泵到过滤器管路上要使弯头尽可能少，并缩短此管路长度。4滑油过滤器一 般布置在滑油冷却器前，滤器前后要装设压力表，管路中还映射低压警报器。5滑油贮存柜要靠近甲板注油口，并有一定高度，以借重力给循环 柜补充滑油或进入驳油泵。6如果增压器采用强制循环式压力润滑，则设置增压器滑油重力柜作为应急用，重力柜的高度必须在增压器轴线上方 约12m处。
9. 简述冷却管路的功用和形式。
答：功用：是对主辅柴油机、主辅机的滑油冷却器、淡水冷却器等热交换器、轴系中的齿轮箱、轴承、尾轴管等需要散热的设备供以足够的淡 水、江水、海水或冷却油，进行冷却，以确保其在一定温度范围内可靠工作。形式：开式冷却管路和闭式冷却管路。
10. 画简图说明开式冷却管路的原理和特点。
答：原理：海水泵4将海水自海底门1经通海阀2滤器3送至温度调节器5，在进入滑油冷却器和主机，冷却有关部位后汇集于总管，然后推开单向 阀排至舷外。温度调节器自动调节冷却水的流量，使滑油温度和进入柴油机的水温在允许的范围内。特点：开式冷却管路设备少、管路简单、 维护方便、水源丰富。不过，冷却水水质差，杂质造成堵塞或附着在冷却表面，还是对金属壁腐蚀，使传热条件变坏，使金属壁过热受损；舷 外水温度变化大，直接受季节、区域的影响，变化幅度大，不利于进入柴油机冷却。只适用于小型柴油机和对冷却水要求不严格的各种热交换 器、空气压缩机、排气管、尾轴管等的冷却
11. 画简图说明闭式冷却管路的原理和特点。
答：原理：淡水泵1自淡水冷却器8吸入淡水，进入柴油机3冷却高温部件后，又回到淡水冷却器8，进行闭式循环。海水进行开式循环，只是管 路中包括了淡水冷却器。特点：淡水水质好，不会产生堵塞流道和析盐现象，积垢少，易于控制柴油机进出水温度，但这种管路设备多、管路 复杂、维修管理不方便，广泛用于大、中型船舶。
12. 简述膨胀水箱的作用。
答：闭式冷却管路中设置膨胀水箱，1膨胀以适应管路内淡水随温度变化而产生的体积变化；2透气在柴油机但水管最高处接出透气管与膨胀水箱上部相通 ，让淡水分离出来的气体逸入大气；3保持水压膨胀水箱置于淡水泵吸入口以上一定高度，使吸入管路保持一定的水压，防止产生汽化现象；4补水 管路内补充淡水5投药 对淡水水质进行处理。
13. 为什么船舶要设高位和低位海底门？有何要求？
答： 船舶机舱至少设两个海底门，布置在船舶的左右两舷，低位海底门在机舱底部，高位海底门则设与舭部。对于大型船舶尾机舱，海底门要 尽量布置在机舱前部，以避免吸入空气和污水。 海底门应设隔栅或孔板，以阻挡大的污泥杂质进入海水管路。海水箱上应设透气管，压缩空气 管和蒸汽管，以便吹除污物和冰粒等。
14. 海底门结构有何特点？
15. 冷却水进出柴油机的温度有和要求？为什么？
答温差一般不超过12°如果温差再大，则有可能使海水大量析盐，亦会使冷却器尺寸增大，
16. 画简图说明温度调节器的作用。
答即可控制此旁通水量，从而控制冷却水在一定的温度范围内
17. 简述船舶设计对冷却管路的要求。
答：1船舶机舱至少设两个海底门，布置在船舶的左右两舷，低位海底门在机舱底部，高位海底门则设与舭部。2海底门应设隔栅或孔板，以阻 挡大的污泥杂质进入海水管路。海水箱上应设透气管，压缩空气管和蒸汽管，以便吹除污物和冰粒等。3排水口排出用过的污水，通常布置在海 底门或吸入口之后，并尽可能使两者远离。4除主机自带水泵外，还必须设有独立驱动的备用泵，小型船舶可用其它足够排量的泵代替。5海水 管路底布置应在满足对各种设备底压力和温度参数的要求，力求设备能量小、管路短，方便操纵和检修等。6采用闭式冷却时，每台主机应有独 立的闭式冷却管路，并且有海水管路和淡水管路间设连通管。中间设阻隔阀，以便闭式冷却器管路发生故障时，则可采用直接冷却方式，用海 水进行冷却。7航行于海洋的船舶，当采用海水直接冷却时，必须采用在冷却水套内插锌棒等防腐措施。
18. 压缩空气在船上有哪些用途？
答：柴油机的启动、换向、操纵；离合器、齿轮箱的操纵；压力柜充气（淡水、海水）；吹洗海底门、油渣柜等；汽笛、雾笛吹鸣；遥控和自 动控制系统的能源；灭火剂的驱动喷射；杂用，风动工具等；军用船舶武器的发射。
19. 空气瓶上有哪些附件？各有什么作用？
答：空气瓶的附属设备有充气阀 出气阀 压力表 安全阀和泄水阀
20. 简述船舶设计对压缩空气管路的要求。
答：1用压缩空气管系启动的主机，必须有独立的空气压缩机。2空气瓶的布置，可以直立或卧放，一般放在船体结构较强的部位。3在空压机向 空气瓶充气的管路上，应装气水分离器。在空压机、空气瓶、冷却器和减压阀的出口管路上，须装设压力表和安全阀。4压缩空气管系一般采用 集中供气方式。
21. 简述气水分离器的工作原理。
答：空压机排出的空气经弯管进入二虑板之间，而后穿过虑板，由排出弯管接头3送入空气瓶中，利用急剧改变气流流动方向，使所带油水微粒 因其惯性相互碰撞而滴入分离器底部，定期通过件6泄放。
22. 排气管路的功用是什么？有哪几种形式？
答：功用：排气管的功用是将主、辅柴油机及辅锅炉的废气排到机舱外的大气中去，使机舱保持良好的环境。此外，还要考虑降低排气噪声、 余热利用和满足特殊要求(熄灭废气中的火星)。柴油机的排气形式有水上排气和水下排气两种。水下排气用在军用船上较多。形式：1柴油机的 废气直接由排气管经消声器排至大气；2在消声器和柴油机集气管之间装设热膨胀补偿器，补偿排气管路因受热而引起的管子变形；3管路上装 有废气锅炉，柴油机的废气经膨胀接头、废气锅炉排至大气；4对以上3的形式，旁通管路不装消声器；5对以上3的形式，用废气燃油混合式锅 炉替代废气锅炉，利用废气调节阀控制锅炉蒸汽产量。
22 供水系统 可分为 饮水系统 洗涤水系统 卫生水系统 供水方式有重力供水 压力供水 管路布置
23. 舱底水系统的布置设计有何特点？
答：全船舱底水管系应根据船舶的特点和安全要求来布置，以保证有效地抽除舱底水。管系布置应保证船舶在正浮或向任何一舷倾斜不超过5° 时皆能抽干舱底积水，且不允许舷外水或任何水舱中的水经该系统进入舱内。故在舱底水的管路中，只允许水流单向流动，是“只出不进”。
24. 舱底油水分离器应满足哪些要求？
答：舱底水中含有大量污油，直接排放至舷外将造成航行水域和港口的污染，所以必须装设舱底油水分离器。船用舱底油水分离器满足下列要 求：舱底水经处理后应达到所规定的排放标准；在15度倾斜下仍能正常工作；能自动排油；构造简单、体积小、重量轻、易于检修。
25. 压载系统的主要功用是什么？
答：压载水管系的功用是对压载水舱注入或排除压
载水，达到：保持适当的排水量、吃水和船体纵、横向平衡；维持适当的稳心高度；减小过大的弯曲力矩和剪切力；减轻船体振动的目的。
26. 压载系统的布置设计有何特点？
答：对压载水管系的要求 1)压载水在管内的流动是“有进有出”。即要通过同一管道将压载水注入某压载水舱和自该舱排出压载水．因此在管 系中不可设置止回阀，而要通过截止阀箱调驳。2)在大型船舶上，为防止海水自压载水管泄漏至货舱，压载水管都敷设在双层底舱中央的管弄 内。其吸入口在各舱的布置，应有利于压载水的排出。3)首尖舱和尾尖舱的压载水管穿过首、尾隔舱时，最好设有可在上甲板启闭的闸阀，以 便在船体首尾部撞破时立即关闭闸阀，防止舷外水进入压载水系统。布置形式：支管式、总管式、管隧式。
27. 淡水压力柜的容积如何计算？
答：淡水压力柜容积与所需消耗的水量有关，是水柜内压缩空气最小容积V1、有效容积V2和无效容积（死容积）V3之和。因此必须先算出 V1V2V3才能确定淡水压力柜的容积。
28. 管路系统的管径如何确定？与哪些因素有关？
答：管径是根据管内流体流经管子的能量损失来决定的，在流量一定的情况下，管径主要取决于管内流体的流速。影响因素：流体的容积流量 、管内流体的流速、流体的质量流量和流体的密度。
29. 从总体上说，管路的布置应满足哪些要求？
答：管路布置既要考虑各管系内机械设备、管子及其附件之间的相对位置，又要处理好各管系之间、管系与其他机械设备以及与船体之间的相 互关系。在管系设计和布置时应慢速机舱布置要求和充分考虑管系设备的工作特点，以保证整个动力装置可靠、方便和经济性地进行运转。可 靠性、操纵性、经济性。
水消防系统的基本组成：水灭火系统由消防泵 管系 阀件 消防水带 消防水枪 消火栓 及国际通岸接头等组成
船舶管子的材料及选用原则
答 船舶上常有的管子主要有三大类别 即钢管 铜管 塑料管
选择时应遵循保证使用要求 工艺要求及降低成本等三个方面的原则
船舶动力装置设计
1船舶设计一般分为那几个阶段：初步设计 详细设计 生产设计和完工文件编制
2说明技术任务书中船舶动力装置的主要内容：主机型号 传动方式 航区和续航力 耗油量或节能要求 电制 发电机台数和功率 起货机太熟 驱动方式和功率 机舱自动化和遥控要求 甲板机械台数和功率 通风空调冷藏设备功率 等等。
3决定机舱位置的因数有两个方面 一是船舶的总布置规划要求 二是动力装置本身的要求。
机舱布置的形式 机舱位于中部时 优点是船舶满载或空载时不会产生纵倾或纵倾很小 缺点是货舱容积减少 轴系效率降低。 机舱位于尾部时 优点缩短了传动轴系的长度降低建造费用及简化维修工作 缺点是满载或空载时 会产生较大的纵倾
4机舱布置的原则及要求：1倾斜摇摆2平衡与重心3各机械设备间的相对位置4操作管理与维修
5船舶电站负荷的估算方法有 需用系数法 统计回归经验公式法和三类负荷法 其中三类负荷法较准确。
6船舶动力装置设计的主要内容是 可靠性与机动性 经济性辅锅炉与电站 振动与噪声
船舶总体设计方案构思主要包括哪些内容
如图
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船舶结构设计
一 概述
船舶结构设计是在满足船舶功能及总体性能要求的前提下，通过结构设计使船舶在寿命期间强度、刚度、稳定性等均能满足使用的要求。船舶结构设计的内容决定了其设计计算任务的繁重。随着世界船舶市场对高技术含量、高附加值船舶需求的加大，各国船舶业间的能力竞争日趋激烈。现代造船技术正朝着高度机械化、自动化、集成化、模块化、计算机化方向发展。为了缩短船舶产品研制开发周期、降低开发费用，提高船舶结构设计计算效率已提上日程。
技术的推动和需求的牵引使计算数值仿真技术得以迅速发展，在船舶结构设计中，以有限元为核心的CAE（Computer Aid Engineering）技术——计算辅助工程技术，越来越受到重视，各种各样的仿真方法和仿真工具正逐步得到应用。CAE技术已成为船舶结构设计中不可或缺的有力工具，是解决大量工程优化问题的基础。为适应船舶工业的迅速发展，解决实际工程问题，迫切需要开展CAE在船舶结构设计中的应用及开发。
二 船舶结构设计的特点及CAE发展的现状
船舶经常运营于高速、强水流、强气流等环境条件下，船舶设计结构不仅要考虑船舶总纵强度、局部强度、结构稳定性，还需要考虑振动、冲击、噪声等。由此可见，船舶结构设计是一门技术含量高、设计难度大的学科领域。船舶结构设计的困难的另一个重要方面是由于船舶体积庞大，在很多场合下无法象汽车、飞机等一样做整体试验。传统船舶结构设计是通过母型船改进，结合经验开展简化结构的定性分析计算完成，其结构设计、计算和分析包含大量的经验成分。船舶结构试验开展的困难，加大了船舶结构设计对数值仿真技术的依赖性，CAE技术成为船舶结构设计的重要工具。
CAE从字面上讲是计算机辅助工程，其概念很广，可以包括工程和制造业信息化的所有方面。但传统的CAE主要是指工程设计中的分析计算和分析仿真，其核心是基于现代计算力学的有限单元分析技术。CAE起始于20世纪50年代中期，而真正的CAE软件诞生于70年代初期，到80年代中期，逐步形成了商品化的通用和专用CAE软件。近40年来，CAE技术结合迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术，从低效检验到高效仿真，从线性静力求解到非线性、动力仿真分析、多物理场耦合，取得了巨大的发展与成就。在日趋全球化的市场氛围中，企业间的竞争将表现为产品性能和制造成本的竞争。而CAE在产品研发及创新设计中所显示出的无与伦比的优越性，使其成为现代化工业企业在日趋激烈的市场竞争中取胜的重要条件。利用CAE软件，可以对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，并对其未来的工作状态和运行行为进行虚拟运行模拟，及早发现设计缺陷，实现优化设计；在实现创新的同时，提高设计质量，降低研究开发成本，缩短研究开发周期。CAE与CAD／CAM等软件一起，已经成为支持工程行业和制造企业信息化的主要信息技术之一。
CAE软件技术的发展，促使CAE在各行各业得到了极为广泛的应用。目前，CAE软件已在国外广泛应用于核工业、铁道、石油化工、机械制造、汽车交通、电子、土木工程、生物医学、轻工、日用家电等工业和科学研究领域。CAE在船舶行业也正迅速发展，目前各大舰船科研院所均引进CAE软件开展日常设计研究工作、各大船级社均采用CAE有限元软件进行自行规范计算的设计与研究。
三 CAE技术在船舶结构设计中的应用
目前CAE技术在船舶结构设计中已使用非常广泛，已渗透到船舶结构设计计算中的每一个领域，下面分别介绍CAE在船舶结构各计算领域中的应用。
3.1 强度
强度是船舶结构设计首先要考虑的问题。船舶结构强度计算主要包含全船总纵强度计算和局部强度计算。总纵强度是校核船体的纵弯曲计算波浪条件下船体各横剖面内纵向结构构件的应力,并将它与许用应力进行比较以判定船体的强度。传统的船舶总纵强度计算常常仅对典型横剖面进行计算,通常需要进行多次近似计算才可以得到最终结果,而采用全船有限元建模的方式,船舶总纵强度的计算变得较为容易。图1是某船在六级海况总纵强度中垂状态计算结果。在全船有限元模型CAE计算下，全船的每一个模剖面任意构件的应力情况都可以在计算结果中反映。目前由于全船总纵强度有限元计算需要耗费大量机时进行三维模型的建立,要开展全船总纵强度CAE计算需要较长周期，但如果全船三维CAD模型已经存在,船舶CAE计算将变得十分方便。
船体结构局部强度计算主要包括对底部结构强度计算、舷部结构强度计算、球鼻首结构强度计算、甲板结构强度计算、舱壁结构强度计算、主要设备基座强度计算等。传统计算方法对船舶局部结构的计算通常建立在简化的梁系结构和板架结构来计算，计算模型也通常是平面模型，空间复杂结构常常无法完成计算。而运用CAE技术任意复杂的船舶局部结构，其强度问题都能迎刃而解，并且计算结果非常详实。图2为船舶底部结构局部强度有限元计算结果。
图1 全船总纵强度计算 图2 底部结构强度有限元计算
运用CAE技术进行船舶结构强度计算目前应用非常广泛，CAE已成为实际船舶结构强度计算的不可缺少的工具。
3.2 刚度
在船舶结构强度满足的条件下,船舶结构设计的另一个重要指标就是刚度，即在预定的载荷下船舶结构的变形必须在许用的范围内。如规范规定全船在波浪下的静变形不大于船长的五百分之一。图3是对典型船舶双臂尾轴架结构刚度CAE计算结果。
利用先进CAE计算软件,可以真实的反映结构的实际承载情况,能考虑传统方法不能计算的复杂结构的变形问题,而且结果更准确可靠。
图3双臂尾轴架结构刚度计算 图4 甲板板架板架结构稳定计算
3.3 稳定性
船舶结构的稳定性分析，即船舶结构的失稳计算,属于船舶结构计算的重要组成部分。船舶结构稳定性计算常常包括对支柱结构的失稳欧拉力的校核计算、甲板纵骨带板结构失稳欧拉应力计算和甲板板架、底部板架结构失稳计算。图4是对典型甲板架板架结构稳定计算结果。传统计算方法对结构失稳计算通常仅能对支柱、简单板架结构进行计算。运用CAE方法可以快捷的计算复杂结构的失稳问题。
3.4 振动
船舶结构的振动计算对于船舶结构设计十分重要。规范要求，船舶总振动固有频率应避开主机频率、轴频、螺旋浆叶频等,尾部板及板架结构振动固有频率要避开螺旋浆激励频率；机舱区板及板架要避开主机频率。
图5 某舰总振动计算
图6 船舶尾部振动计算
船舶结构总振动传统计算方法是将全船简化为二十站变截面的空心梁，然后用经验公式计算得附连水质量附加到总船质量上进行振动计算。这样计算方法能在相当简化的程度上得出计算结果，但会把实船会遇到的横向总振动、扩张收缩等的振动形态给忽略掉。全船CAE振动计算能精确的建立全船有限元模型，并根据船体外板的空间形状考虑水对总振动的影响，而不必用人工经验公式计算的方式加附连水质量。全船CAE计算的结果可以全面的仿真全船在水中振动的情况。图5为某船总振动模态。
船舶尾部结构振动是船舶结构振动的一个难题，该问题不但涉及到船舶结构本身的固有频率，还涉及到船体结构与周围流场的流固耦合振动，要详细研究船舶尾部结构振动问题，传统方法仅能做定性分析，CAE技术为其提供技术解决方案。图8为某船尾部振动计算结果。文献[4]也利用SESAM有限元程序船舶尾部振动进行响应预报。
尾轴架结构的振动问题也是船舶局部振动经常要面对的问题，传统计算方法也只能对其做相当的简化求出近似的结果。文献[5]运用有限元法建立尾轴架结构的真实实体模型,并进行了详细的干湿模态计算。
3.5 冲击
船舶抗冲击性是目前越来越受相关专业人员重视的学科领域，对于军舰来说尤为重要，因为舰船结构抗冲击性是舰船生命力的重要保障。设计军舰结构时，舰船结构不但要经受强大的风浪载荷，还需要考虑舰船结构承受炸药爆炸的冲击载荷。该领域分两大类研究范畴：舰船结构抗水下非接触爆炸计算研究和舰船结构抵御接触爆炸穿甲研究，统称舰船结构抗冲击研究。舰船抗冲击性在传统方法中无法计算。近些年来,随着计算硬件的发展及CAE技术的发展，从船局部结构到整舰的CAE抗冲击评估计算逐步可以在微机上开展。文献[6]运用MSC.DYTRAN对加筋板架爆炸载荷下动态响应进行了数值分析，文献[7]对某型水面舰船全船结构在水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应进行了MSC.DYTRAN数值模拟。图7为某舰整舰水下爆炸冲击计算有限元模型。图8为某柴油机基座抗冲击计算结果。
图7整舰水下爆炸冲击计算
图8 某柴油机基座抗冲击性计算
整舰结构抗冲击CAE计算规模一般较大，有限元模型的网格质量、单元选择、材料选择、外载荷的施加方法及计算算法的选择对计算结果有重要影响。整舰CAE计算仍是技术含量很高的领域，亟需投入大量力量去研究和开发。
3.6 噪声
舰船结构的噪声主要包含舰船舱室内噪声研究和舰船结构水下噪声研究。船舶噪声的治理一直以来和舰船结构振动密不可分，但又与船舶结构振动很不相同。船舶结构振动常常只需要解决低频问题，而船舶结构噪声问题常常频段范围很宽，从几赫兹到几十万赫兹。CAE技术中的有限元法显得力不从心，因为声学问题如果要用有限元的方法来进行计算，随着频率的加大，网格的密度要非常之大，就算是简单的结构其计算模型也非常巨大，以致于现有的计算机无法完成计算。故在噪声领域有限元法常用于低频、中低频的计算，中高频以上问题需要采用其它CAE技术，包括统计能量法、边界元技术、无限元技术等。图9为运用AUTOSEA软件，对简化的全舰船结构进行声幅射计算的例子。
图9 全舰声幅射计算
四 船舶结构CAE技术应用的特点
CAE技术正应用到船舶结构设计算的每一个领域。CAE在船舶结构设计中有如下几个优点：
1. 可视性 采用CAE进行船舶结构计算，可以从图像上看到分析结构的大小、材料、边界条件、载荷条件等，大多数CAE软件均提供了良好的人机交互环境。
2. 真实性 运用CAE技术对船舶结构建模能反映船舶结构的真实几何情况。无论是板架结构还是实体结构，无论是简单平面结构还是复杂空间结构，CAE的建模功能都能根据问题的需要，作适当简化，建模反映结构的真实情况，为精确计算打下基础。
3. 详实性 运用CAE工具进行船舶结构计算，可以根据模型参数情况、加载的条件及计算参数的设定，详实求得计算结果。根据设计人员的需要求得任意部位需要的计算结果，可根据设计人员提供参数的准确程度,详实反映结构物理情况。
4. 强数值运算能力 目前通用的CAE软件，都采用多种高效的数值计算方法，大量线性、非线性问题均有解决方案。不同CAE软件常常是功能侧重点不一样,如MSC.NASTRAN和ANSYS在有限元线性力学领域十分成熟；ABAQUS软件则在有限元非线性接触、摩擦领域有特长；ANSYS-LSDYNA、MSC.DYTRAN由于采用显示动力学算法，强于冲击穿甲相关计算；SYSNOISE则是声-振分析专业工程软件，它拥有声场有限元、无限元、直接 /间接边界元法等多种声学解决方案；AUTOSEA软件是基于统计能量分析方法的结构振动、声学设计工具；HYPERMESH强于网格划分，并是目前很适合于做结构力学优化设计的软件。
尽管运用CAE技术开展船舶结构设计计算有上述优点,但目前仍有以下问题:
1. 如何快速建模是船舶结构CAE设计的一个重要任务。由于船舶行业自身特点,船舶结构二维CAD设计在相当长一段时内还将存在,并在工程中发挥重要作用。目前从二维CAD图纸设计到三维CAE模型的生成,需要花费大量时间。
2. CAE目前使用难度仍然较大。由于有大量CAE软件的存在，并且各CAE软件均有很强的专业背景，要想使用好特定的CAE软件，设计使用人员必须具备相当的相关领域的专业知识。CAE软件目前仍停留在少数专业人员的使用范畴内。
3. 修改设计CAE计算工作量较大。由于CAE的计算过程复杂，做一次设计修改相当于重新开始做一次CAE计算。很多情况下网格划分、边界条件的定义等都要重新进行。对于一个小规模问题，重新计算工作量增加不明显，如果对一个大规模计算，则需要耗费大量机时。
4. 目前船舶结构CAE计算尚不存在质量控制标准。虽然CAE在船舶行业的应用已有很长时间，并且大量任务已采用CAE分析计算，但CAE建模的简化程度、网格的质量、边界条件的设定、外载荷加载方式都和具体分析计算的人员的经验有很大关系，其计算结果的准确程度也很不一样。常常出现不同人员对同一问题进行计算而得到不同结果的现象。
五 总结及展望
随着船舶结构设计技术的深入开展船舶强度、刚度、稳定性、振动、冲击和噪声各领域的CAE应用将越来越广泛和深入。CAE不仅可以解决船舶结构传统经典力学问题，新兴的学科领域如爆炸冲击领域问题也有解决方案；CAE不仅在现有结构的力学计算上发挥巨大作用,在船舶结构设计创新,新材料、新结构形式的使用上也将发挥不可替代的作用。
展望未来船舶结构设计中CAE技术将有如下特点：
1. 船舶结构CAE计算领域更加扩大。在船舶结构CAE计算将在更加精确的基础上扩大计算的学科领域，如流体与固体的耦合计算、振动与声学的耦合计算、高速冲击下的结构力学与热力学计算等。
2. CAD设计与CAE计算更紧密结合。由船舶结构二维、三维图纸设计方案均能方便的转化为CAE分析的几何模型。
3. CAE软件操作的更简便实用化。CAE技术将成为更大范围内工程技术人员的实用工具，而不仅仅停留在少数专业人员手中。更人性化、智能化的CAE工具将帮助大多数船舶结构设计技术人员解决日常设计问题。
4. 特定问题CAE计算参数化。产品的型号系列化一直以来是设计人员的工作内容，在船舶结构设计中有很多领域都需要对结构相似的类似问题进行计算,特定问题CAE参数化将大大方便设计人员的结构优化设计工作。
5. 船舶结构CAE计算的规范化。针对不同的船舶结构设计计算领域，将制定规范标准化CAE计算过程，使CAE船舶结构设计计算的正确性有保障。
如果初始设计的船舶型线GM值太小，稳性不满足要求，应该怎么办，有什么改进措施？
出现这种情况，通常需要进一步优化型线去提高其结构吃水下的GM值来使得稳性满足要求，具体的优化途径应该是在保证船舶性能指标的前提下，尽可能地增大结构吃水处的水线面面积。
船舶结构设计常用的方法
如果您的问题能具体一点会更好！
设计分为基本设计，详细设计（送审设计），生产设计3种。
目前中国的设计模式是这样的：
国内的设计目前只有详细设计和生产设计，详细设计的做的也很少！
有的设计公司自称能做基本设计，那都是吹牛的！
国内的基本设计，和有的详细设计，都是拿原有的图纸的基础上，进行改进！
举个例子
有个船东想新造一个散货船，比如6W吨DWT的散货船，因为中国目前造散货船就跟玩似的了，有了很多成功例子，之后设计公司会找到以前设计过的5.8W的散货船作为母型船，在母型船的基础上，进行改进，从新进行计算，设计。然后送审。
这就是中国的基本设计与详细设计。其实真正的基本设计是从无到有，一点一点的设计船的每一个部位，基本设计，就是型线，肋位，加强筋的距离，等等，详细设计就是在基本设计的基础上，进行有计划的出图，把每一个部位细化，而且要计算每一个地方的强度，有些地方要做有限元分析，要做总体计算，包括稳性等等。轮机部分要做轴系设计，总布置图，等等。很多，细化到每一个地方。设计完成后，送到船级社进行审核，最后在生产设计，生产设计是在详细设计的基础上，进行加工设计，就是钢板要如何去焊接，焊接的角度是多少，焊缝为多大，这里主要是现场验船师去监督审查。
还有什么问题么？
关于《船舶调度的最优方案数学建模》的介绍到此就结束了。