بهینه‌سازی چندهدفی در طراحی همزمان سیستم بدنه- پروانه شناور

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی دریا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

‌بهینه‌سازی سیستم پروانه-پروانه یک کشتی همواره یکی از جنبه‌های مهم طراحی به منظور کاهش هزینه‌ها، افت‌های مکانیکی و افزایش عمر قطعات سیستم بوده است. روش طراحی پیشنهادی رویکرد جدیدی برای ‌بهینه‌سازی همزمان سیستم پروانه - بدنه ارائه می‌دهد. در اینکار دو تابع هدف در نظر گرفته می‌شود. تابع هدف اول مصرف سوخت و تابع هدف دوم با نام تابع هزینه شامل تراست، گشتاور و بازدهی‌های آب آزاد و اسکیو می‌باشد. جهت انجام ‌بهینه‌سازی جامع، بدنه شناور و سیستم رانش بعنوان یک سیستم واحد و یکپارچه درنظر گرفته شده و از پروفیل ماموریت شناور برای مینیمم سازی هر دو تابع هدف در طول چرخه عمر شناور استفاده می‌گردد. پارامترهای کاویتاسیون و تنش پروانه نیز بعنوان قیود مسئله بکار گرفته شدند. الگوریتم تکاملی مشهور ان اس جی ای 2 جهت ‌بهینه‌سازی چندهدفی مسئله که در آن ابعاد و نسبت‌های اصلی پروانه و بدنه بعنوان متغیرهای طراحی درنظر گرفته می‌شوند به کار می‌رود. نتایج برای یک کشتی سری-60 که با سیستم پیشرانش شامل یک پروانه ‌سری-ب و موتور L51/60DF حرکت می‌کند ارائه می‌گردد. نتایج نشان داد که الگوریتم پیشنهادی یک روش مناسب و موثر برای طراحی همزمان پروانه - بدنه می‌باشد و منجر به کاهش قابل توجهی در هر دو تابع هدف گردیده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Multi-objective Optimization of Simultaneous Ship System Design

نویسندگان [English]

  • H. Zakerdoost
  • H. Ghassemi
  • Ehsan Esmailian
Department of Maritime Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

The optimization of hull-propeller system has always been one of the most important aspects of design to reduce the costs, mechanical losses and increase component life. The proposed design methodology represents a new approach to optimize the propeller-hull system simultaneously. In this paper two objective functions are considered, the first objective function is specific fuel consumption (SFC) and the other one is cost function including trust, torque, open water and skew efficiencies. For a comprehensive optimization the hull form and the propulsion system is considered as an integrated system and the emission profile of the vessel is used to minimize both objective function. The cavitation and propeller stress also is used as problem constraints. The well-known evolutionary algorithm based on NSGA-II is employed to optimize multi-objective function, where the main propeller and hull dimensions are considered as design variables. The results are presented for a series 60 ship driven by the L51/60DF engine and B-series propeller. The results showed the proposed method is an appropriate and effective method for simultaneously propeller-hull system design and is able to minimize both objective functions significantly.

کلیدواژه‌ها [English]

  • optimization
  • Ship system
  • Blade element theory
  • Resistance
  • Lifetime fuel consumption

مراجع

[1] H. Ghasemi, The effect of wake flow and skew angle on the ship propeller performance, Scientia Iranica 16(2)(2009).
[2] H. Gassemi, M. Sayebani, Analysis of Highly Skewed Propeller and Power Peridiction for the Submarine by Boundary Element Method, Amirkabir Journal of Science and Research, Mechanical Engineering, 42(2)(2010) 47-56.
[3] R. Dejhalla, Z. Mrša, S. Vuković, A genetic algorithm approach to the problem of minimum ship wave resistance, Marine Technology, 39(3) (2002) 187-195.
[4] G. Zaraphonitis, A. Papanikolaou, D. Mourkoyiannis,Hull form optimization of high speed vessels with respect to wash and powering, Proceedings of IMDC, 3(2003) 43-54.
[5] S. Gaggero, S. Brizzolara, An Integrated Tool For Concept And Final Design Of Optimum Swat-Hull Forms, Proceeding of NAV 2006-Int. Conference on Ship and Shipping Research. GENOVA‐ITALY (2006).
[6] H. Kim, C. Yang, Hydrodynamic Optimization of Multihull Ships, Proceedings of the FAST-11th International Conference on Fast Sea Transportation,Hawaii, USA, (2011).
[7] H. Zakerdoost, H. Ghassemi, M. Ghiasi, Ship hull form optimization by evolutionary algorithm in order to diminish the drag, Journal of Marine Science and Application, 12(2) (2013) 170-179.
[8] Y.-J. Lee, C.-C. Lin, Optimized design of composite propeller, Mechanics of advanced materials and structures, 11(1) (2004) 17-30.
[9] J. Cho, S.-C. Lee, Propeller blade shape optimization for efficiency improvement, Computers & fluids, 27(3)(1998) 407-419.
[10] M.M. Pluciński, Y.L. Young, Z. Liu, Optimization of a self-twisting composite marine propeller using Genetic algorithms, 16th International conference on composite materials, Kyoto, Japan, (2007).
[11] C. Burger, Propeller performance analysis and multidisciplinary optimization using a genetic algorithm,ProQuest, 2007.
[12] J.-H. Chen, Y.-S. Shih, Basic design of a series propeller with vibration consideration by genetic algorithm,Journal of marine science and technology, 12(3) (2007)119-129.
[13] G. Kuiper, New developments and propeller design,Journal of Hydrodynamics, Ser. B, 22(5) (2010) 7-16.
[14] M. Gaafary, H. El-Kilani, M. Moustafa, Optimum design of B-series marine propellers, Alexandria Engineering Journal, 50(1) (2011) 13-18.
[15] G. Xie, Optimal preliminary propeller design based on multi-objective optimization approach, Procedia Engineering, 16 (2011) 278-283.
[16] S. Mirjalili, A. Lewis, S.A.M. Mirjalili, Multi-objective Optimisation of Marine Propellers, Procedia Computer Science, 51 (2015) 2247-2256.
[17] M. Kamarlouei, H. Ghassemi, K. Aslansefat, D. Nematy, Multi-Objective Evolutionary Optimization Technique Applied to Propeller Design, Acta Polytechnica Hungarica, 11(9) (2014).
[18] E. Benini, Multiobjective design optimization of B-screw series propellers using evolutionary algorithms, Marine Technology, 40(4) (2003) 229-238.
[19] D.S. Greeley, J.E. Kerwin, Numerical methods for propeller design and analysis in steady flow, Transactions-Society of Naval Architects and Marine Engineers, 90(1982) 415-453.
[20] M.M. Karim, M. Ikehata, A genetic algorithm (GA)-based optimization technique for the design of marine propeller, in: Proceedings of the propeller/shafting 2000 symposium. Virginia Beach, USA, 2000.
[21] J. Suen, J. Kouh, Genetic algorithms for optimal series propeller design, in: Proceeding of the Third International Conference on Marine Technology, ORDA, 1999.
[22] M.R. Motley, M. Nelson, Y.L. Young, Integrated probabilistic design of marine propulsors to minimize lifetime fuel consumption, Ocean Engineering, 45(2012) 1-8.
[23] M. Nelson, D. Temple, J. Hwang, Y. Young, J. Martins,M. Collette, Simultaneous optimization of propeller–hull systems to minimize lifetime fuel consumption, Applied Ocean Research, 43 (2013) 46-52.
[24] E.V. Lewis, Principles of naval architecture second revision, in: Jersey: SNAME, 1988.
[25] J. Ghose, R. Gokarn, Basic ship propulsion, Allied Publishers, 2004.
[26] K. Deb, A. Pratap, S. Agarwal, T. Meyarivan, A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II,Evolutionary Computation, IEEE Transactions on, 6(2)(2002) 182-197.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 49، شماره 3
آبان 1396
صفحه 445-456

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار