Parametric ship design and optimization

Abstract

Ship design is considered as a particularly complex and time-consuming process, from the initial feasibility studies to the pre-production stage, where all the features of the vessel are clearly defined. There are numerous parameters to be considered, the requirements of the ship-owner, the existing rules and regulations, the safety of passengers, crew and environment, while at the same time the economic viability and competitiveness are the main objectives. To achieve all these, the designer needs to take into consideration additional data, such as the ship's route, environment, type and amount of cargo and port facilities. Inherently coupled with the ship design is optimization. Optimization is considered as a selection process, aiming to identify the optimum element from a set of available alternatives, on the basis of selected criteria and constraints. The field of optimization has received significant attention during the last decades. Optimization may be applied to wide variety of ship design problems, ranging from voyage optimization to the optimization of a ship’s main characteristics, structural design and hydrodynamic characteristics, according to specified criteria. Optimization of a structure’s weight and strength, or the ship’s resistance and propulsive efficiency are examples in which geometry is modified, influencing the objective functions. Thus, geometric modeling plays a decisive role and many optimization problems follow the repetitive sequence of shape generation, analysis and performance assessment. An efficient modeling approach in ship design is the parametric modeling, allowing the establishment of a functional description of the geometric modeling problem, while considering the necessary freedom of variation. In parametric modeling the design problem is formulated in terms of high-level entities, which are form parameters tailored to the design task at hand. The main objective of this PhD thesis is to describe an innovative design approach for the parametric ship modeling and optimization, enabling the exploration of the design space efficiently and effectively, while using methods of increased accuracy and acceptable computational demands. The developed assessment methods are intended for use mainly during the concept design stage, while some of them are suitable also for the contract design stage. The hullform, internal layout and 3D structural arrangement are generated automatically, enabling the evaluation of a large number of variants in acceptable computation time. In order to further improve the computational time, alternative evaluation methods based on artificial neural networks (ANNs) and surrogate models are proposed, using pre-computed data from CFD calculations and structural assessment. The intact and damage stability, the environmental impact, the economic viability and competitiveness are also considered within the parametric models. Finally, the developed parametric models are directly integrated with suitable optimization software tools, allowing the rational search of the design space in order to find the optimal solution, based on a number of criteria and constraints. Typical application results from the optimization of oil tankers and RoPax vessels are presented and discussed.

Η σχεδίαση του πλοίου θεωρείται μια ιδιαίτερα περίπλοκη και χρονοβόρα διαδικασία, από το αρχικό στάδιο της μελέτης εφικτότητας έως το στάδιο πριν την κατασκευή, όπου καθορίζονται με σαφήνεια όλα τα χαρακτηριστικά του πλοίου. Υπάρχουν πολλά στοιχεία που πρέπει να ληφθούν υπόψη. Οι απαιτήσεις του πλοιοκτήτη, οι υπάρχοντες κανονισμοί, η ασφάλεια των επιβατών, του πληρώματος και του περιβάλλοντος, ενώ ταυτόχρονα η οικονομικά βέλτιστη και πιο ανταγωνιστική λύση είναι οι κύριοι στόχοι. Για να επιτευχθούν όλα αυτά, ο μελετητής πρέπει να λάβει υπόψη του πρόσθετα δεδομένα, όπως η διαδρομή του πλοίου, ο τύπος και η ποσότητα του φορτίου, καθώς και οι λιμενικές εγκαταστάσεις. Το πρόβλημα της μελέτης και σχεδίασης πλοίων επομένως, μπορεί να αντιμετωπιστεί ως ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης. Η βελτιστοποίηση είναι μια διαδικασία επιλογής, με στόχο τον εντοπισμό του βέλτιστου στοιχείου από ένα σύνολο διαθέσιμων εναλλακτικών λύσεων, με βάση επιλεγμένα κριτήρια και περιορισμούς. Το πεδίο της βελτιστοποίησης έχει λάβει μεγάλη προσοχή τις τελευταίες δεκαετίες και ειδικά στο σχεδιασμό των πλοίων εφαρμόζεται σε μεγάλη ποικιλία προβλημάτων, όπως για παράδειγμα στη βελτιστοποίηση του βάρους και της αντοχής μιας κατασκευής ή της αντίστασης και πρόωσης του πλοίου. Η γεωμετρική μοντελοποίηση παίζει καθοριστικό ρόλο σε τέτοιου είδους προβλήματα βελτιστοποίησης. Μια αποτελεσματική προσέγγιση στον τομέα μελέτης και σχεδίασης πλοίων είναι η παραμετρική μοντελοποίηση, όπου το πρόβλημα διατυπώνεται με όρους οντοτήτων υψηλού επιπέδου. Ο κύριος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι να αναπτύξει μια καινοτόμα σχεδιαστική προσέγγιση για την παραμετρική μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση πλοίων, επιτρέποντας την αποτελεσματική διερεύνηση του σχεδιαστικού χώρου, χρησιμοποιώντας παράλληλα μεθόδους αυξημένης ακρίβειας και αποδεκτών υπολογιστικών απαιτήσεων. Οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν προορίζονται για χρήση κυρίως κατά το στάδιο του concept design, ενώ κάποιες από αυτές είναι κατάλληλες ακόμα και για το στάδιο του contract design. Η μορφή της γάστρας, η εσωτερική διάταξη και το τρισδιάστατο κατασκευαστικό μοντέλο δημιουργούνται αυτόματα με βάση τις παραμέτρους και τις μεταβλητές σχεδίασης, επιτρέποντας την αξιολόγηση μεγάλου αριθμού εναλλακτικών σχεδιάσεων σε πρακτικά αποδεκτό χρόνο. Προκειμένου να βελτιωθεί ακόμα περισσότερο ο υπολογιστικός χρόνος, προτείνονται εναλλακτικές μέθοδοι αξιολόγησης που βασίζονται σε τεχνητά νευρωνικά δίκτυα και μεταμοντέλα, χρησιμοποιώντας προ-υπολογισμένα δεδομένα που προέκυψαν από μεγάλο αριθμό προσομοιώσεων υπολογιστικής ρευστομηχανικής και κατασκευαστικής ανάλυσης. Παράλληλα, πραγματοποιείται η αξιολόγηση της άθικτης ευστάθειας και της ευστάθειας μετά από βλάβη, η εκτίμηση ενεργειακής αποδοτικότητας και ο έλεγχος ικανοποίησης των ισχυόντων κανονισμών, καθώς και η οικονομική αξιολόγηση του εκάστοτε σχεδιασμού. Τα παραμετρικά μοντέλα που αναπτύχθηκαν συνδέονται με κατάλληλα λογισμικά βελτιστοποίησης, προκειμένου να βρεθεί η βέλτιστη λύση με βάση ένα σύνολο κριτηρίων αξιολόγησης και περιορισμών. Στα πλαίσια του διδακτορικού, πραγματοποιούνται ενδεικτικές μελέτες βελτιστοποίησης για πετρελαιοφόρα και επιβατηγά-οχηματαγωγά πλοία και παρουσιάζονται αναλυτικά τα αποτελέσματα, προκειμένου να αξιολογηθεί η προτεινόμενη μεθοδολογία σχεδίασης.