中国造船暨机工程学刊第二十卷第一期 民国九十 Journal of Taiwan Society of Naval Architects and Marine Engineers, Vol.26, No.1, pp.39-50, 2007
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应用反应曲面法与基因演算法 於船体结构构件断面尺寸之最佳化设计
何 文 献* 蔡 进 聪** 清 煌*** 周 至 宏****
* 高雄医学大学 医资讯管学系 ** 国屏东教育大学 资讯科学系 *** 中国造船公司 设计处 **** 国高雄第一科技大学 系统资讯与控制研究所 关键词:反应曲面法,基因演算法,田口方法,最佳化设计,挡墙
摘
要
本文提出一最佳化设计的程序,可解决船体结构构件断面尺寸最佳化设计的问题.首先,应用田口方 法找出对品质特性具显著影响的因子,作为预测的学模型的变;接著,使用反应曲面法建此学模 型;最后,藉由基因演算法搜寻最佳解,可得到船体结构构件断面尺寸最佳设计值.本文中并以货柜船之 挡墙结构构件断面尺寸设计为,在结构受到负荷后的合成应,正剪应和负剪应的三个限制条件 之下,使结构重最小为设计目标,应用所提出之最佳化设计程序的设计结果,可得到结构重为16,503 kg,比现有设计的结构重18,098 kg减少8.81 %,得到人满意的结果.
前
言
[1,2].陈明宏[3]曾用反应曲面法之回归分析模式, 建构系统的品质特性与相关间的学模式,并藉 由综合性评估指标之建,提出一套解决动态系统最 佳化的方法. 另一方面,在最佳化的演算法方面,近,基 因演算法(genetic algorithm, GA)发展快速且极具潜 [4].其主要是仿生物体 「物竞天择」 的生存竞争原则, 基因以选择(selection),交配(crossover)及突变(mutation)三大演化过程,以多点随机的方式搜寻出一组近 似於全域最佳解,在船体结构设计方面的应用也有相 关文献的研究.郭信川和王鸿钧[5]主要用基因演算 法中,选择,交配,突变等运算,提出一种基因演算 法求解结构最佳化设计,并探讨有否使用菁英策 对搜寻结果和收敛情形的影响.吴剑国和徐昌文[6]以 基因演算法应用於船舶结构混合变优化问题,考虑 结构在剪应,弯曲应,稳定性及挠等限制下, 用基因演算法在同的族群大小,突变机及惩罚 系等影响因素下,对箱型舱口盖之箱型梁轻化设 计,及油的槽型横隔舱壁结构之轻化设计.但以 反应曲面法建构船体结构的学模型,并以基因演算 法求取最佳设计的研究,目前并没有相关的文献.
船体结构为一庞大且复杂之结构体,在传统设计 上大多依靠经验或法规,经过多次反覆分析及修改 设计船体结构构件断面尺寸,直到满足所有的设计需 求后,才决定可的构件断面尺寸,这样的设计程, 常是设计时程无法缩短的主要原因,而且所得到的设 计结果也只是满足设计需求之成品,并非是最佳设计 的结果.近,造船工业为低生产成本,缩短 建造时程,以提升市场竞争,船体结构构件断面尺 寸最佳化设计的研究,也是目前造船工业研究发展的 重点. 船体结构构件断面尺寸最佳化设计问题,通常以 结构断面尺寸,如:厚,截面积等为设计, 位移,应等为限制条件,并以寻求结构最小重为 目标.而在进构件断面尺寸最佳化设计时,如果能 藉由设计分别表示设计目标以及限制条件的 学模型,就可以透过最佳化的方法求解. 在建构设计与反应特性之间的学模型方 面,以实验设计方法和统计分析为主的反应曲面法 (response surface method, RSM),是一经常使用的工具
___________________________________________________ 责任作者(whho@kmu.edu.tw)
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W.H. Ho, J.T. Tsai, C.H. Lin and J.H. Chou: Optimal Section Scantling Design for Ship Structures Using Response Surface Method and Genetic Algorithm
因此,本文提出一最佳化设计的程序,如图1所 示,可应用於船体结构构件断面尺寸的最佳化设计. 为验证所提出之方法的可性,本文以货柜船之挡 墙(water breaker)的结构构件断面尺寸设计为实,进 一步指定问题之设计目标和限制条件,并选取设计 和设定设计范围.首先,应用田口方法(Taguchi method)规划直交表实验计画[7-9],透过有限元素分析 软 体ANSYS[10,11],进 结 构有限元素 分析(finite element analysis, FEA),以获得结构受到外负荷时的 合成应,正剪应和负剪应值,以此三个应值 做为限制条件,使结构重最小为设计目标,再依据 田口方法直交表实验配置下实验所得之结果,经由变 分析(analysis of variance, ANOVA)找出影响结构 构件断面尺寸设计的显著因子;接著,透过反应曲面 法,将此显著因子,做为预测之学模型的变,建 设计目标与限制条件的学模型,而显著因子选 择对结构重品质特性望小最有的水准,可以减少 学模型的变,进一步缩短基因演算法的电脑 运算执时间;最后,再用基因演算法进最佳化 搜寻,求得最佳设计的解,其中基因演算法的最佳演 算也以田口方法获得.由於所提出的最佳化设 计的程序引用田口实验计划法,可事先筛选出对设 计目标的显著因子和显著因子,故可减少反应曲面 法实验配置的实验次,以及缩短基因演算法的电脑 运算执时间.因此,所提出之整合田口方法,反应 曲面法,以及基因演算法的最佳化设计程序,可在所 设定之设计的范围内,快速地搜寻到结构构件断 面尺寸之最佳设计值.

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