時間：2023-06-20 17:05:34
緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發表網為您精選了8篇船舶優化設計，愿這些內容能夠啟迪您的思維，激發您的創作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
一、引言
在船舶結構直接計算中，外載荷(包括波浪壓力、砰擊載荷、貨物壓力、晃蕩載荷、波浪彎矩、剪力和扭矩等)[1]的計算都依賴于經驗公式，不管是采用全船的計算模型還是采用艙段的計算模型，目前情況下很難得到一個完全平衡的外載荷力系。由于船舶結構是一個復雜的空間結構，直接計算時，有限元模型中節點數、單元數十分龐大，載荷計算的累計誤差使得尋求一個完全平衡的外載荷力系的工作更加困難。在這種情況下，施加合理、合適的邊界條件變得十分重要，因為約束點產生的很大的反力嚴重地影響(改變)了結構的實際受力狀態。邊界條件對于計算的結果有重大的影響，而邊界條件的確定取決于對結構受力和變形狀態的判斷以及分析者的經驗，其中人為的因素較多。也許可以認為根據StVenant原理，由于約束點距離我們最關心的部位較遠，對應力分布的計算結果的影響有限，但是這樣得到的結果畢竟是不甚合理的。因此用有限元方法計算船舶結構強度時，為了得到比較準確的變形和應力結果，可能需要特殊的處理方法。目前的研究中有采用慣性釋放的方法[2]，此方法用結構的慣性力來平衡外力，由于人為的施加外載荷，雖然在大多數情況下，都經過了節點力的調整，但作用在船體的力系仍然不是平衡力系，根據達朗貝爾原理，利用慣性力使整個力系達到平衡。也有研究整船有限元模型自動加載技術的[3]，這些研究都需要經過節點力的調整和慣性平衡力計算的多次疊代，對船舶要進行浮態調整，實現起來，比較繁瑣。
本文基于優化設計的思想，提出了一種應用ANSYS優化設計分析功能進行船舶浮態的自動調整及加載的方法，使得施加在有限元模型的整個外載荷幾近于平衡力系，約束點的支反力接近于零，通過算例證明了該方法的可行性。
二、ANSYS優化設計理論及其應用于船舶浮態自動調整及加載
ANSYS優化設計分為目標優化設計和拓撲優化設計兩種。目標優化設計是一種通過迭代試算以確定最優化設計方案的技術[4]。所謂“最優設計”，指的是該種方案可以滿足所有的設計要求（如應力低于許用應力，長度小于臨界長度），而且目標量的支出（如重量、面積和費用等）最小。一般來說，設計方案的許多方面都可以優化，如尺寸、形狀、制造費用、自然頻率等。所有可以參數化的ANSYS選項幾乎都可以做優化設計。ANSYS優化設計實際就是程序提供了一系列的分析―評估―修正的循環過程，這一循環過程重復進行直到所有的設計要求都滿足為止。ANSYS優化模塊中的三大變量是設計變量、狀態變量和目標函數，設計變量為自變量，優化結果的取得就是通過改變設計變量的數值來實現的，而實際上設計變量就是需要真正的進行設計的變量。狀態變量是約束設計的數值，為因變量，是設計變量的函數。目標函數即為最后用以評估設計是否最優設計的量，一般來說是要盡量減小的量，它必須是設計變量的函數，也就是說目標函數的數值也必須隨著設計變量的改變而改變。
本文的思路是基于ANSYS優化設計理論，我們將船舶首尾吃水定義為設計變量，也就是說將船舶模型的舷外水壓力載荷作為我們設計的變量，再將單元的應力定義為狀態變量，約束點處的支反力定義為目標函數，通過優化迭代設計，ANSYS優化設計程序將通過迭代試算自動尋找到船舶合理的也就是實際的吃水狀態，使得目標函數值即約束支反力的大小接近于零，此時整個外載荷幾近于平衡力系，得到的設計變量的解最接近船舶實際的吃水及浮態，這個解也就是我們所要尋找的最優解，尋找到最優解的這次迭代實際上也完成了船舶有限元模型合理的加載與計算。
整個優化程序設計的主要步驟為（1）用命令流參數化建立船舶有限元模型，船舶的吃水等設計變量用參數化的形式輸入，并指定初始值，為了提取必要的狀態變量以及目標函數，需要進行一次求解且用命令流提取并指定狀態變量和目標函數，將船舶的吃水指定為設計變量，單元的應力指定為狀態變量，約束處的支反力定義為目標函數，然后生成循環所用的分析文件，該文件包括整個分析的過程；（2）進行優化分析的設置，進入OPT，指定分析文件，聲明優化變量，選擇優化工具和優化方法，指定優化循環控制方式等。（3）運行優化程序，進行優化分析并查看設計序列結果和后處理。
三、算例
為了說明該方法的的可行性，本文對一柱體進行了基于優化設計的浮態調整。如圖1所示，柱體的橫截面為正方形，柱體上表面0-3000mm范圍內的均布載荷為1/375 N/mm2，3000-7000mm范圍內的均布載荷為3/800 N/mm2，7000-10000mm范圍內的均布載荷為7/3000 N/mm2，首吃水的初始值B=300mm，尾吃水的初始值A=500mm，整個分析計算過程的APDL程序如下：
圖1 柱體模型尺寸及載荷示意圖（尺寸單位：mm）
/BATCH ASEL,A,LOC,X,10000
*SET,A,500! 定義設計變量初始值 ADELE,ALL,1
*SET,B,300 ASEL,S,LOC,Y,0
/PREP7！進入前處理建立有限元模型 ASEL,A,LOC,Y,1000
ET,1,SHELL63 ASEL,A,LOC,Z,1000
R,1,10, , , , , , AREVERSE,ALL
ET,2,LINK8 ESIZE,50,0
R,2,500, , MSHAPE,0,2D
MPTEMP,,,,,,,, MSHKEY,1
MPTEMP,1,0 ASEL,ALL
MPDATA,EX,1,,2.1E5 AMESH,ALL
MPDATA,PRXY,1,,0.3 N,0,-500,500
BLC4, , ,10000,1000 N,10000,-500,500
VEXT,all, , ,0,0,1000,,,, TYPE,2
VDELE, 1 MAT, 1
ASEL,S,LOC,X,0 REAL,2
ESYS, 0 D,NODE(0,0,500),,,,,,UX,,UZ,！施加約束
SECNUM, D,NODE(10000,0,500),,,,,,,,UZ,
TSHAP,LINE D,NODE(0,-500,500),,,,,,,UY,,
E,NODE(0,0,500),NODE(0,-500,500) D,NODE(10000,-500,500),,,,,,,UY,,
E,NODE(10000,0,500),NODE(10000,-500,500) ALLSEL,ALL
NSEL,S,LOC,X,0,3000 SOLVE ！第一次求解
NSEL,R,LOC,Y,1000 FINISH
FINISH /POST1！進入后處理
/SOL！進入求解器 SET,LAST
ANTYPE,STATIC ETABLE,STR,LS,1！提取狀態變量值
SF,ALL,PRES,8000/(1000*3000) ！定義載荷 *GET,STR1,ELEM,ENEARN(NODE(0,-500,500)),E
TAB,STR
NSEL,S,LOC,X,3000,7000
NSEL,R,LOC,Y,1000 *GET,STR2,ELEM,ENEARN(NODE(10000,-500,50
0)),ETAB,STR
SF,ALL,PRES,15000/(1000*4000)
NSEL,S,LOC,X,7000,10000 *SET,C,ABS(STR1)
NSEL,R,LOC,Y,1000 *SET,D,ABS(STR2)
SF,ALL,PRES,7000/(1000*3000) *SET,W,500*（C+D） ！提取目標函數值
ALLSEL,ALL FINISH
*DIM,P1,TABLE,2,3,1,X,Y, LGWRITE,'OPT','lgw', ！生成優化分析文件
*SET,P1(0,1,1) , 0 /OPT ！進入優化處理器
*SET,P1(0,2,1) , B OPANL,'OPT','lgw',' '！指定分析文件
*SET,P1(0,3,1) , A OPVAR,A,DV,300,700, , ! 定義設計變量
*SET,P1(1,0,1) , 0 OPVAR,B,DV,200,600, ,
*SET,P1(1,1,1) , A/100000 OPVAR,C,SV,0,100, , ！定義狀態變量
*SET,P1(1,2,1) , (A-B)/100000 OPVAR,D,SV,0,100, ,
*SET,P1(2,0,1) , 10000 OPVAR,W,OBJ, , ,10, ！定義目標函數
*SET,P1(2,1,1) , B/100000 OPSAVE,'OPT',' ',' '
NSEL,S,LOC,Y,0,1000 OPTYPE,FIRS！定義一階方法
NSEL,U,LOC,Y,1000 OPFRST,8, , , ！最大8次迭代
SF,ALL,PRES,%P1% ！定義水壓力載荷 OPEXE！開始優化分析
ALLSEL,ALL
程序在第3次迭代計算的時候，找到了最優解，此時設計變量A=320.84mm，B=279.07mm，目標函數W=4.2832 N，本次迭代同時也完成了模型合理的加載與計算。設計變量A、B對迭代次數的函數曲線見圖2所示，目標函數W對迭代次數的函數曲線見圖3所示。
理論計算結果為A=321.001mm，B=278.999mm，優化程序計算表得到的A值的相對誤差為0.519%，B值的相對誤差為0.025%，誤差非常小，可見程序的計算是有效的。
圖2A、B對迭代次數的函數曲線 圖3W對迭代次數的函數曲線四、結論
有限元方法在船舶結構分析中已經得到廣泛應用，由于船舶結構的復雜性，浮態的調整和舷外水壓力的計算及加載要花費大量的精力，從算例可見，基于ANSYS優化設計分析可以用來自動處理這些工作，并能較好地接近理論計算的結果，因此該方法在船舶結構的直接計算中，具有一定的實用性。
參考文獻
[1]王杰德，楊永謙. 船體強度與結構設計[M].北京：國防工業出版社，1995.
[2]張少雄，楊永謙. 船體結構強度直接計算中慣性釋放的應用.中國艦船研究，2006，1（1）：58~61.
[3]朱勝昌，陳慶強. 整船準靜態分析的有限元模型自動加載及載荷修正技術.船舶力學，1999，3（5）：47~54.
【關鍵詞】 船舶消防水系統 消火栓間距 優化
對于船舶消防水系統而言，水的獲取相對容易（主要使用海水），可是稱得上是海上消防最廉價的材料。水的滅火原理就是冷卻，當水與火接觸時就會長生大量的水蒸氣，水蒸氣可以阻止氧氣與火源的繼續接觸，從而抑制火的蔓延；而且強大的水柱會產生較大的機械壓力，對易燃物體的燃燒部分起到驅散與撲滅的作用；水還可以進一步的滲透到易燃物的內部，以限制火源的繼續蔓延。消防水系統，是船舶消防制度中嚴格規定的必備系統。其工作原理是通過消防水系統中的消防泵從海底閥泵入舷外水，然后經消防總管分入各個支管，輸送到系統中的每個消火栓等出水端以供滅火所需。
1 船舶消防水系統的概述
船舶消防水系統主要由消防泵、系統管網、消火栓、消防水帶、水槍和國際通岸接頭等組成。消防水泵是消防水系統的主要給水升壓設備，是整個消防水系統的核心所在。從其工作原理來講，與其他用途的水泵沒有什么本質的區別，只是消防水泵是專門用于消防水系統的標準設備。系統管網，就是水從消防泵輸送至各個消火栓的管道網，主要由消防總管與各支管組成。根據水的輸送距離長短和輸送方向的集散程度，管道上一般還會設置各種附件、管件、組件等簡單的設備。消火栓即消防水系統的出水終端，由快捷接頭和截止閥組成。消防水帶的制作材料一般有棉織涂膠、尼龍涂膠和麻織三種。水槍就是為了改變水流形式和獲取射程而設計的工具，可分為水霧/水柱型、水柱型和噴霧型三種。國際通岸接頭一般有兩部分組成，一端為適合于與本船舶消火栓和消防水帶連結的快速接頭，另一端是標準法蘭接頭，兩個接頭組合工作，而且國際通岸接頭在不用時應放于規定位置，以便于隨時可取。
2 消火栓間距
消火栓的間距主要包括消火栓的規格及在相關規定下規格的選取，還包括消火栓的射程等數據，只有結合以上兩點才能更好的做到消火栓的有效優化。
2.1 消火栓水槍的口徑確定
消火栓的標準規格一般可以分為、與三種。
根據相關規定，在外部場所和機器處所，水槍尺寸應該是在滿足規定要求壓力之下的水柱中，并能從最小的水泵獲得較大限度出水量，但是規定水槍規格應盡量控制在19mm以下，根據這一規定選取使用19mm的水槍并不違反規格要求。
2.2 消火栓水槍的最大射程
消火栓的水槍在噴水時，在全部消火栓處應維持的的最低壓力如表1所示。
關鍵詞：船舶管理系統；彈性支撐；位置優化設計
在戰爭中，船舶經常會受沖擊作用造成內部部件損壞，進而產生嚴重的故障問題。隨著科學技術的發展，加強了船舶管路系統的研究力度，主要利用隨機輸入對彈性支撐參數及位置等進行了分析，但沒有對沖擊荷載及位置優化等進行分析。本次主要采用直梁模擬船舶管路系統，并利用模型計算、控制等一系列操作，對不同位置的彈性支撐進行了驗算，可以得到各種動態響應參數，確定了彈性支撐位置。
一、構建數學模型
本次主要對船舶彈性支撐管路系統進行研究，結合彈性支撐情況，將管路系統中的一部分作為了直梁模型。通常可以將管路系統劃分為兩個階段進行分析：第一階段，受沖擊荷載影響，系統可得到初始速度。但是此階段沖擊荷載作用的實踐較短，產生的沖擊較大，所以可忽略不計。第二階段是沖擊后階段，該階段中獲得的沖擊初始速度，在周期與隨機作用下會發生強迫運動，產生的振動強度較大。
本次分析中將其運動分為三步，第一，運動方程：
其中ρ表示航渡，E表示拉壓彈性模量，I表示斷
面關心矩，x表示激振位移，y（x，t） v表示梁撓度， 為激振位移，Cm為粘性系數，lci表示彈性支撐位置。
第二，沖擊運動方程。船舶受到較大沖擊力之后，可以將運動時間曲線表示成：
其中參量V表示衡量攻擊強
度的速度；T1表示沖擊運動非振蕩與風量衰減時間，一般隨著船舶運動、類型等情況變化；時間T2為主震蕩衰減時間；時間T3為主震運動分量周期，隨著船位置變化變化，t表示沖擊所耗費的時間。
第三，沖擊完成后進行的運動方程：
，其中， 是標準白噪聲。
對系統沖擊后實施控制時，必須從四種情況進行分析：第一種，進行自由振動，d2=d3=0；第二隨機振動，d2=1，d3=0；第三，周期振動，d2=0，d3=1；第四一般情況，d2≠0，d3≠0。
二、探索最優控制問題
（一）制定最優控制方程
一般采用模態分析可以將運動方程表示為狀態方程，此時梁應力就可以表示為：
，其中 。
（二）了解目標函數
為了了解系統在沖擊后的振動控制，本次研究中主要將其分為四種不同狀態下，分被是自由振動、純隨機輸入、純周期輸入與一般情況四種情況。
（三）控制方程的解
將運動過程進行模態分析后，將其表示為 ，其中 為振向量矩陣，q=[q1，q2，q3…qN]T。
第一，如果不計沖擊狀態影響，可得到沖擊階段運動解為
，位移與速度為qi0=qi0（t）、qi0=qi0（t）。位移與速度均為初始位移速度。第二沖擊后階段。沖擊后主要分為兩部分求解，一種為連續梁所讀初始速度是自由振動在隨機輸入與周期輸入下所進行的強迫運動，一般從自動振動、純隨機輸入與純周期輸入等三方面進行計算。
三、實例分析
本次將系統參數設置為E=2×1011Pa，Cin=2×108NS/m2，l=10m，Z Zb=5×10-6m3，I=5.1×10-7m4，ρ=8.34kg/m。進行管路系統彈性支撐布置時，必須要對各種運輸情況進行分析，在不同輸入下設置1、2、3個彈性支承，采用對稱方法設置。上述均為梁沖擊后在不同情況下所產生的彈性支承位置減振變化，圖中橫坐標是lc/l0，縱坐標是σ/σ0。l0表示梁長；c為彈性支撐位置；當設置1到2個彈性支撐時，σ0是系統不加載彈性支撐時承受荷載下的平均彎曲應力，當布置知三個彈性支撐時，σ0只表示加一個彈性支撐所受荷載的平均彎曲應力；σ表示加載彈性支撐系統后，在荷載作用下所產生的平均彎曲應力。
第一，分析自動振動情況。如上圖1所示，當布置一個彈性支撐時，形成的最佳位置恰好在管路終端；布置兩個彈性支撐時，恰好在0.33l0和0.67l0位置；布置三個彈性支撐時，最優位置在0.25l0、0.50l和0.75l0三個位置。
第二，隨機振動情況。耐2可知，對于彈性支撐的最優位置，一般布置一個彈性支撐時，恰好在管路中點；布置兩個時恰好在0.35l0、0.65l0；布置三個彈性支撐時，最佳位置是0.27l0、0.50l0和0.73l0。
第三，了解周期運行情況。從圖3可知，一個彈性支撐時，最佳位置恰好在管路中點；布置兩個彈性支撐時恰好位于0.37l0、0.63l0；布置三個是最佳位置是0.00l0、0.50l0和1.00l0。
第四，分析隨機與周期聯合運行狀況。圖4展示了周期輸入及書記輸入情況下彈性支撐位置變化的減振圖，在此種操作中充分考慮了兩種不同參數的位置變化。布置一個彈性支撐時，恰好為管路中點；布置兩個時，最佳位置是0.37l0，0.63l0與0.39l0，0.61l0；布置三個彈性支撐時，最佳位置是0.00l0，0.50l0，1.00l0與0.33l0，0.50l0與0.67l0。
四、結果分析
結合上述分型與計算結果等分析可知，第一，彈性支撐位置影響著減振效果，圖中所表示的最小值為彈性支撐最佳位置；第二，但彈性支撐參數相同時，彈性支撐位置的合理布置不僅影響系統振動及隨機振動，而且減振效果較好，但對系統周期減振效果影響較大；第三，使用不同參數彈性支撐，所得的最優位置也會發生很大變化。第四，同一個系統中，一旦談彈性參數給定，就必須對彈性支撐個數進行選擇。從圖例可知，隨著彈性支撐數量的增加，不一定可得到較好的彈性支撐減振效果。以上結論在管路系統設計彈性支撐時，具有較大作用，可以及時進行考慮分析。
結束語
隨著科學技術的發展，爆炸量與沖擊持續時間不斷延長，危害性也不斷增加，造成了嚴重的設備損害問題。經過分析可知，設備沖擊隔離與抗沖擊能力影響著船舶的使用壽命。因此本次利用構建模型方式系統全面的分析了彈性支撐沖擊下位置優化設計問題，得到的實際應用效果較理想。在今后分析中，還要從數據計算精確性、計算方法等進行探究，選擇一種高效、便利的方式保證船舶安全，減少不良損害。
參考文獻：
[1]盛世偉. 管路支撐參數對液壓管路系統振動特性影響研究[J].燕山大學，2015，（03）.
[2]王朝.典型管路系統抗沖擊性能分析方法新型抗沖擊元器件設計研究[J].江蘇科技大學，2013，（04）.
[3]白歡歡.基于變剛度彈性支承的液壓管路流固耦合振動的數值分析[J].燕山大學，2014，（02）.
眾所周知，人們對社會的諸多感知80%通過視覺來傳達，眼睛能讓人欣賞并感知各種事物。特別是目前，隨著社會的日益發展和人們生活水平的提高，更多的人在高強度的工作壓力下對精神層面的享受也有了更強烈的需求。因此旅游業的發展如雨后春筍順勢而發，讓人們在工作學習之余舒緩心情、陶冶情操、交流感情，是人們對精神需求的集中體現。伴隨著旅游業的發展，旅游文化也成為諸多文化體系之一，供學者研究。概念通過對資料的整理分析，我們可以得出以下概念，“旅游文化主要是指旅游活動過程中所體現的、具有民族特色的感性形象狀貌以及與此相關的人際關系特征和心理反映特征。總的來說，是因旅游活動而引起的一種文化現象。”旅游文化文化是一個整體概念，是多種物質融合并提煉出精神層面的東西。因此旅游文化也必須是多種文化要素在旅游活動的相互碰撞中產生力量。在形成旅游文化的諸多要素中，游客始終起著主導作用，是旅游文化形成與發展的核心，而其它要素則構成旅游文化形成與發展的其他作用。良好旅游文化的體現，必須對旅游地旅游資源的優勢進行挖掘，為游客營造一個舒適、有文化內涵的旅游環境，一個景點、一個指路牌，都可以較好地反映出文化。當然在其中對旅游文化最好的體現就是以實物呈現給游客的旅游紀念品。因為旅游紀念品是旅游地的各種文化狀態的挖掘和體現，也是文化傳播的載體。
二、旅游紀念品設計在文化傳播中的意義
促使人文精神內涵滲透人文精神體現的是對人的尊重，關心人需要什么，追求什么。“現代設計的核心思想就是確立了以‘人’為本的設計理念，強調設計的目的是人而非產品。因為設計的受益者是人，如果忽略了人在商品社會中對設計的影響力的話，現代設計作品會成為無根之木。”旅游紀念品蘊藏著一定的文化觀念和文化價值，包含著當地的地域文化、生態文化、歷史文化，這些文化價值和文化觀念對人起著潛移默化的教化功能。因此，旅游紀念品的設計要來源于生活，立足于文化，而不能盲目追求“高大上”，失掉了設計的本質，也不能刻意迎合某一市場需求對瀘州旅游紀念品進行設計，必須了解瀘州人的生活狀態和城市特點。以人文歷史為切入點，尋找瀘州的特色街或城市景點進行設計。比如商業的代表“白塔商業圈”、夜市文化的代表“大北街”、休閑文化的代表“百子圖廣場”等。也可以把瀘州的土地產、特色小吃進行梳理，提煉視覺形象，做成一套名為“印象瀘州”的掛歷，這也是對城市旅游推廣的好方法。上述旅游紀念品設計形象鮮明突出、地域性明顯、同時又包含了人文因素和歷史情結。促使歷史文化內涵交融旅游紀念品作為旅游文化傳播的載體，里面必然蘊含著旅游地的歷史，這樣的旅游紀念品才會讓人愛不釋手，在把玩中加深對旅游地的印象，同時旅游者會互相贈送紀念品，在這種情感傳播中各地的歷史文化潛移默化地得到了滲透，不同地方歷史文化的交融有利于社會的良性發展。在瀘州名酒文化旅游紀念品設計中可以把瀘州老窖國寶窖池的釀酒流程設計成精美的圖文并茂的紀念冊或明信片，因為享譽全球的瀘州老窖“1573”便是從國寶窖池中釀出來的，只聞其香，不解其史，難免美中不足。如果讓游客在品嘗美酒的同時了解佳釀的歷史，更有利于美名遠揚，也能與周邊城市的同類型旅游產品中凸顯自己的特色。促使旅游者人文素質的提高旅游者是整個旅游市場的核心，設計師要根據景區的文化特色和游客的特點有針對性地開發游客喜歡的紀念品同時優秀的旅游紀念品設計會喚起游客的情感，引起游客的興趣，最終影響游客的選擇。當前各地的旅游紀念品市場紀念品質量參差不齊，很多游客在選擇中會更多地考慮價格等問題，而忽略了紀念品本身潛在的價值。這種現象對設計師提出了較高的要求，如何設計出能打動游客的作品讓他們把更多的目光放在紀念品獨特的價值上，這就要求設計師必須從生活中取素材，從社會、自然中獲得設計靈感紀念品市場的繁榮會帶給旅游者更多的選擇，正是這種選擇行為指導旅游者重新閱讀和認識旅游紀念品，從而了解旅游地的各種文化，豐富自己的視野，提升自己的人文素質增加與之相關的知識。讓人在愉悅地欣賞大自然美好風光的同時，也促使自己得到了進步和發展。促進民族文化的發展有人說“藝術無國界”，也有人說“越是民族的就越是世界的”，民族語言是設計中重要的組成部分，也是形成設計特色的關鍵。合理運用民族語言會產生獨特的文化魅力。今天的中國日新月異，悠久的歷史、古老的建筑、優美的自然風光、純樸的人文風情以及多種民族文化交融的社會面貌讓世界游客為之傾倒。每年到中國的游客絡繹不絕，他們在欣賞美景留下足跡的同時也帶走了各種旅游紀念品以作紀念。外國在紀念品的選擇上他們特別注重紀念品民族性和文化特色，我們認為一些極其普通的東西在他們眼中往往被視為珍寶。因此設計師們思考的最佳設計應該是把民族特色和世界元素有效融合，這里的融合一是指對古老的中國元素的傳承與創新，另外也是指對西方設計精髓合理的“拿來”而非機械模仿。通過精心設計的旅游紀念品可以讓中國民族文化走向世界，讓世界認識中國。這就是傳播的力量。瀘州油紙傘旅游紀念品的設計就有著濃厚的民族文化和地方特色，其被譽為“中國民間傘藝的活化石”，中央電視臺曾專題采訪報道，具有較高的收藏價值和傳承性。瀘州油紙傘具有400多年的油紙傘生產制作歷史，制作工藝特殊，傘骨選用蜀南竹海等地海拔800米以上的深山老楠竹，并經防霉、防蛀等工序處理，傘面選用拉力強的特制手工綿紙，在上面手工精繪瀘州的各大美景或風俗人情，最后傘面上會刷上綠色環保的特制熟桐油，經久耐用，生態環保。油紙傘極具中國民族文化特色，就象戴望舒詩里描寫的一樣“撐著油紙傘，獨自彷徨在悠長、悠長又寂寥的雨巷……”，眼前仿佛浮現出“穿著旗袍撐著油紙傘丁香般的姑娘”的畫面，把民族風情演繹得蕩氣回腸。
三、結語
關鍵詞：混合式教學；船舶分油機；信息化教學設計
中圖分類號：G434 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2016）24-0030-03
一、引言
2011年《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020 年）》以來，隨著互聯網的飛速發展，我國愈加重視教育信息化工作。在傳統教學模式中，教師是教學活動的主體，是知識的傳授者，而學生則處于被動接受老師灌輸知識的地位。這種教學模式忽視了學生的認知主體作用，不利于培養學生的創新思維和創新能力。混合式教學的概念最早由國外的培訓機構提出，指的是網絡線上與線下的混合，通過引進面對面教學來改進E-Learning教學的不足。隨后，混合式教學模式被引入到高校教育領域，并得到高度關注。
本文主要探討在高職《船舶柴油機》課程教學實施過程中，以“船舶分油機”這一教學單元為例，使用信息化手段，進行一系列教學活動，更好地將理論知識與實際操作緊密結合，融“教、學、做”為一體，充分挖掘學生的創新潛能，培養和提高學生的職業素質，強化學生自主學習和創新能力的培養。
二、信息化教學分析
1.內容分析
課程：船舶分油機是《船舶柴油機》課程的重要內容，也是學生學習的難點之一。依據國際海事組織2010年在馬尼拉修正的《1978年海員培訓、發證和值班標準國際公約》（International Convention on Standards of Training、Certification and Watch-keeping for Seafarers ，簡稱“STCW公約”）、課程標準等要求，確定了本項目的教學內容。
教材：選用“十二五”職業教育國家規劃教材。
學時：2學時。
2.學情分析
授課對象：高職水上運輸類輪機工程技術專業二年級學生。通過對2012級學生該課程學習效果的調查與分析，發現他們有想法、有創新，渴望成功，網絡、智能終端使用熟練，之前已經學習了分油機的結構和工作原理，為定期維護的學習提供了理論支持。
3.教學目標
依據人才培養方案要求，結合當前學情分析，將知識目標、技能目標、素質目標的培養融入教學過程當中。
知識目標：深化理解分油機的結構和工作原理；充分掌握分油機拆裝步驟與維護保養方法。
技能目標：熟練完成分油機的拆裝；掌握疏通、清潔、檢查、更換等常規維護技能。
素質目標：提高安全意識；規范操作行為；加強合作精神。
4.教學重、難點
教學重點：掌握分油機的正確拆裝。
教學難點：掌握分油機的維護方法。
5.教學策略
由于分油機是高精度的、由眾多零部件互相嵌套并高速回轉的設備，內部結構相當復雜，而且價格昂貴，對維護保養的要求極高，傳統的教學模式，學生難以獲得直觀認識，費時費力費財，非常適合采用信息化手段教學來呈現。
為此，采用線上線下、虛實結合的混合式教學理念，依托課程教學平臺以及具有自主知識產權的三維虛擬拆裝系統和教學資源庫等教學資源，把教學過程分為以下幾個階段（具體如圖1所示）：
三、信息化教學實施過程
1.課前準備――激發學生學習興趣，培養自主學習的能力
課前，學生登錄課程教學平臺，選擇教學單元，動手操作Flas，回顧上節課的內容――分油機的結構、工作原理等相關知識點，然后領取任務單，明確本次課的學習目標、重難點，自主學習微視頻（教師錄制）等相關資源，初步了解船舶分油機定期維護的流程，完成課前測試。老師根據統計分析，不僅可以了解學生對基礎知識的掌握情況，還可以按層次和個體差異進行分組，實現學生間的優勢互補，為課中學習的分組合作做準備。
2.課中學習――突出學生主體地位，發揮教師引導作用，幫助學生探究新知
環節1：情境創設
老師結合自己在遠洋船舶上的工作經歷，引導學生思考：為什么要對分油機進行拆裝維護呢？結合企業工程師的情境解讀――依據SOLAS國際公約和船舶設備維護保養計劃的要求，強調了職業船員對分油機應具備的能力與責任，讓學生明白了遠洋船舶分油機拆裝維護的重要性。
環節2：知識學習
在教學平臺上，學生結合分油機拆裝步驟的排序游戲，畫出分油機定期維護的拆裝流程圖，在趣味的學習中，熟悉了拆裝維護流程；通過觀看微視頻（企業工程師參與錄制），學習常規的維護方法；接著，老師與學生共同討論，共同總結出拆裝的注意事項和常規的維護方法。
環節3：仿真演練
如何高效地完成分油機的正確拆裝呢？啟動仿真軟件，進入虛擬拆裝環境。老師先演示講解，然后學生對照演示開展虛擬拆裝練習，觀看一步，操作一步，如果出現錯誤操作，軟件將自動提示及時更正，猶如給每名學生配備了一位專業老師手把手地指導，解決了過去教學中因缺乏及時糾正而使學生容易學到錯誤操作的問題。
軟件設計均按照分油機拆裝規范制定，從專用工具的選擇到專用工具的使用，從拆裝位置到拆裝順序，從關鍵零件的標記定位到精密零件的擺放與保護，學生充分領會了分油機拆裝的四大注意事項。
學生反復練習，完成虛擬拆裝考核；在愉快的仿真練習中逐漸掌握了分油機的正確拆裝步驟，突破了教學重點，并為后面的維護保養做好了準備。
環節4：實踐操作
本環節在實訓場所完成。按照實際工作崗位要求，進入該場所之前，學生先在教學平臺上學習安全注意事項，然后佩戴安全帽和防護手套，老師在操作現場再次對學生進行安全教育。Y合任務單要求，各小組在組長的指揮協調下，分工配合，團結合作依次完成拆裝前的工具準備、拆卸、維護保養與裝復等步驟。
在維護保養過程中，學生對泄水孔、排渣孔等細小通道要逐一清通，不能有臟堵；對分離盤片、分離盤架等易臟污部件要先浸泡再清洗；對活動底盤、立軸等高速運動件要仔細檢查是否有異常磨損和裂紋；對易老化的密封圈、塑料堵頭等要及時更換。
如有疑問，可以隨時查看微視頻、查閱英文說明書或小組討論，自主尋求解決之道；老師巡回指導，實時記錄典型操作行為，并上傳課程平臺，同時確保實踐操作安全。
通過實踐操作讓學生深刻掌握分油機的拆裝及維護方法，充分領會定期維護、預防為主的重要性，有效解決了教學中的難點，提升了學生對船員職業的認同感。
環節5：總結評價
實踐操作完畢，各小組上傳任務單，進入總結評價環節。老師根據巡回檢查情況和任務單的完成情況進行綜合點評和評分，并對分油機的拆裝要點及維護方法進行總結。課后，學生結合自己對本項目的掌握情況，在教學平臺上及時進行自我評價。
3.課后拓展――培養學生交流能力，提升個人綜合素養
課后，學生在教學平臺上，觀看學習老師上傳的典型視頻，并針對學習上的困惑，在交流空間進行討論，并提交學習心得；點擊查看多元評價成績，了解自己對本任務的掌握情況；鏈接輪機工程技術專業教學資源庫，進一步擴大學習范圍。同時，預習下節課的學習內容。
四、信息化教學效果
針對“船舶分油機”這一教學單元，進行了信息化教學效果調查。調查對象為授課教師和學生，調查內容主要有： 對信息化教學的認識和感悟；對小組協作學習的認同和建議；在教學實施中，學生課前學習的主動性和課中學習的創造性等表現；以及對解決問題的能力、對內容掌握的程度、團隊情感體驗的情況、信息化教學的效果等。 從調查問卷收集整理后的數據分析可以看出，“船舶分油機”單元的信息化教學取得十分顯著的效果。
1.認同感
95%的調查對象都表示喜歡信息化教學的教學方式和氛圍。在學習過程中，不僅可以更好地提高自己的動手操作能力，而且在得到組員和教師承認時，會有較大的滿足感和愉悅感，增強了學習的興趣和信心。
2.主觀能動性
學生學習的主觀能動性較信息化教學活動實施前有顯著提高，學生在自主學習的過程中，基本上能夠積極主動地參與到課前準備、課中實施、課后拓展等各環節。
3.團隊合作
在實踐操作環節，團隊合作的過程能夠培養學生的集體觀念和團隊意識，小組長在教學開展中發揮了較大的協調與領導作用，學生相互之間也增強了合作的責任感。同時，這種教學形式還有助于師生之間、同學之間溝通，協作能力提升明顯，教師也能做到因材施教。
4.創造性思維
在信息化教學實施過程中形成了一種熱烈切磋討論的氣氛，將學生的思維引向深化，在碰撞中產生智慧的火花，在一定情境下，引起了聯想與想象，從而產生超越傳統課堂教學的創造性思維。
綜上所述，信息化教學在“分油機”單元教學中取得了較好的成效，學生對“分油機”相關的知識和各項操作技能等都得到了不同程度的提高，對知識的掌握更加全面系統，很大程度上提高了學生的職業素養，為今后走上工作崗位打下了扎實的基礎。
五、結束語
在互聯網+時代背景下，信息化教學在高職教育教學中將會發揮不可替代的作用，它改變著以往傳統課堂教學中過于注重知識灌輸的傾向，調動了學習積極性，提高了學生課堂活動的參與度。信息化教學的實施，授之自主學習的方法，使課堂信息量充足、生動活潑，使學生能夠更好地理解并掌握學習的知識和技能，培養了學生的職業素養，使其更加注重團隊合作，成為綜合素質較高的專門人才。真正體現了教是為了不教，學是為了創造的教學理念。
參考文獻：
[1]魯昕.以信息化促職業教育現代化[J].江蘇教育，2014，48（12）：8.
[2]唐文晶，武馬群.基于虛擬系統的全國職業院校信息化實踐教學大賽賽項設置規程與組織機制初探[J].工業和信息化教育，2014（4）：50-54.
[3]陳琳.中國職業教育信息化創新特色研究[J].現代教育技術，2014，24（3）：12-18.
[4]婁潔.關于高職工科專業課實施信息化教學設計的探索[J].吉林工程技術師范學院學報，2015，31（1）：81-83.
關鍵詞：優化設計；六維力/力矩傳感器；非線性解耦；神經網絡
中圖分類號：TP212.12 文獻標識碼：A
Optimal Design of a Thin Six-dimensional F/T Sensor and its Nonlinear Decoupling
LIANG Qiaokang1,WANGYaonan1，GE Yunjian2, GE Yu2
(1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China;
2. Institute of Intelligent Machines, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui 230031, China)
Abstract:The height dimension of the F/T sensors always causes additional moment to the bases and actuators of intelligent robots and industrial manipulators. Therefore, an excellent F/T sensor should be highperforming, weakdecoupling and thin. Aiming at providing highperformance sixdimensional force/torque information for intelligent robots and industrial systems, a new thin sixD F/T sensor with its height dimension below 15 mm is designed based on strain measurement. The SDO of the elastic body is performed. The nonlinear decoupling and calibration of the sensor based on Artificial Neural Network is used to eliminate the coupling among components. The results of the calibration experiment have shown that this sensor possesses high performances, the design and optimization are rational, and its maximum nonlinearity error and the maximum coupling error are 0.15%F.S. and 1.6%F.S., respectively.
Key words:optimal design; sixdimensional force/torque sensor; nonlinear decoupling; artificial neural network
多維力/力矩信息感知是智能機器人和工業自動化等應用場合最重要的感知之一.因能同時獲取三維空間直角坐標系下的兩個或者兩個以上方向的力和力矩信息，已被廣泛應用于各種場合為機器人和自動化系統的反饋控制提供實時力/力矩信息，如輪廓跟蹤、零力示教、柔性自動裝配、機器人遠程操作、機器人多手協作、機器人外科手術和康復訓練等.目前，機器人多維力/力矩傳感器生產產家主要有美國的AMTI，ATI，JR3，Lord等,瑞士的Kriste，德國的Schunk，HBM等公司.東京工業大學機械工程與科學系設計了一種基于光學檢測的六維力/力矩傳感器［1］.瑞士蘇黎世聯邦高等工學院研制了第一臺成功應用的基于MEMS的電容式六維力/力矩傳感器［2］.美國代頓大學研制了一種基于磁致伸縮原理的力傳感器［3］.印度科學研究院設計了一種高靈敏度基于近奇異構型的Stewart平臺的六維力/力矩傳感器［4］.由于應變檢測方法的原理和方法都比較成熟，因此大多數的多維力/力矩傳感器都采用了這個方法，其敏感元件――彈性體有三垂直筋結構、雙環形結構、盒式結構、圓柱形結構、雙頭形結構、三梁結構和八垂直筋結構等［5-9］.目前，雖然各種力傳感器功能齊全、種類繁多，但是傳感器高度尺寸都比較大，一般為40~80 mm之間，大大制約了傳感器在各個領域的應用.此外，大部分的多維力/力矩傳感器都是一體化設計，這就勢必引起傳感器在各維之間存在一定的互相干擾――維間耦合，傳統的多維力/力矩傳感器的線性解耦方式已不能滿足越來越多的應用環境對精度的要求.本文提出了一種新型的超薄六維力/力矩傳感器，其高度尺寸可以在15 mm以內，配合多目標優化設計方法和非線性神經網絡解耦方法，研制的傳感器具有高靈敏度、高精度和各向同性等特點.
1 傳感器設計
如圖1所示，設計的傳感器由上蓋板，彈性體，下蓋板組成.其中，上下蓋板安裝在傳感器的頂部和底部，作為轉接板與應用環境相連；彈性體將傳感器受到的力信息轉換為電信號輸出；裝配完成后，在彈性體與下蓋板之間預留有一個空腔，用于安放傳感器的信號處理電路.其中上下蓋板選用不銹鋼材料1Cr13；彈性體選用硬鋁材料LY12.根據一般場合對傳感器的要求，擬定三維力量程為300 N，三維力
圖1 傳感器爆炸示意圖
Fig.1 An exploded view of the designed sensor
湖南大學學報(自然科學版)2012年
第4期梁橋康等：超薄六維力/力矩傳感器優化設計及其解耦
矩量程為10 Nm.
傳感器的高度尺寸是影響傳感器應用的一個重要因素，當機械手實際操作時，作為腕力傳感器的高度幾何尺寸越大，機械手后續部件所受到的力矩因為力臂的增大而成比例的增大，這將影響機械手所需的額定功率及其最大工作空間.因此，傳感器彈性體在設計時，除了考慮其耦合、結構復雜度、剛度、靈敏度、線性度等性能指標外，還應該考慮傳感器的高度尺寸.
設計的傳感器彈性體如圖2所示，彈性體底座與傳感器的下蓋板通過8個螺栓相連為傳感器提供剛性支撐作用；中空支柱連接上、下E型膜；上部的傳力環與傳感器的上轉接板通過8個螺栓連接；4片薄矩形片連接上E型膜與傳力環.下E型膜用來檢測法向力Fz和切向力Fx，Fy；上E型膜用來檢測繞切向方向的力矩Mx與My；4片薄矩形片用于檢測繞法向的力矩Mz.由于上、下E型膜的合理布置，傳感器的彈性體高度幾何尺寸僅為10 mm.
圖2 傳感器彈性體結構
Fig.2 A partially cutaway perspective
view of the elastic element
使用有限元分析軟件ANSYS的SDO (Simulationdriven Development and Optimization) 方法，將傳感器彈性體重要幾何尺寸E型膜厚度h，E型膜內徑d1，E型膜外徑d2，薄矩形片厚度d3設為設計變量.綜合考慮傳感器的結構和尺寸，將各變量的初始條件限定為：0.45 mm≤h ≤ 1.5 mm,2 mm≤ d1 ≤ 4.5 mm,6 mm≤d2 ≤10 mm,0.5 mm≤ d3≤ 2 mm.彈性體上發生的應變直接決定著傳感器的靈敏度.為了保證傳感器有高的靈敏度，一般采用彈性體上應變最大和最小的位置來粘貼應變片.只有彈性體工作在其材料的比例極限內，才能保證彈性體上的應變和應力有比例關系.因此還確定彈性體上發生的最大應變emax，最小應變emin和最大變形dmax作為優化設計的設計目標分別為：emax ≤1 000 με，emin ≥ －500με，dmax ≤ 0.05 mmemax 和emin 確保彈性體工作在材料的比例極限范圍內，同時確保彈性體有足夠的應變即傳感器有一定的靈敏度，dmax 可以保證傳感器有良好的線性度和可靠性.
用ANSYS軟件中的DesignModeler 對彈性體進行參數化建模，并對模型進行劃分網格、指定邊界條件和負荷情況等處理，軟件根據Screening法則確定各設計變量的選擇，確定了樣本點.程序自動將各樣本點按一定方法進行組合,并計算出每種組合相應輸出變量的值，最后，根據預先設定好的設計目標，軟件自動選擇了3組最優解，如表1所示.從優化過程可知，相對另外3個設計變量，E型膜的厚度尺寸為傳感器最靈敏尺寸.
表1 優化設計結果
Tab.1 Optimal design results
組序
h/mm
d1/mm
d2/mm
d3/mm
SymboleA@max
SymboleA@min
dmax
/mm
1
0.9758
3.4951
8.1325
1.1285
6.3e4
-6.31e4
0.0019
2
0.9801
3.5155
7.9657
1.1638
6.4e4
-6.35e4
0.0019
3
0.9795
3.6521
8.2347
1.2563
6.2e4
-6.29e4
0.0021
2 應變片布片及組橋
本設計采用半導體應變片作為檢測元件，全橋檢測電路作為測量電路.根據ANSYS軟件對彈性體靜力學的分析結果，彈性體上選擇在最大和最小應變發生的位置放置應變片，每一維使用4個應變片構成全橋檢測電路，最后將六路檢測電路的輸出通過彈性體中間的小孔引到底座的空腔中的數據采集處理電路.其應變片位置和組橋方式如圖3所示，其中Ri為第i個應變片，Uj為第j維的電橋輸出電壓.
(a)應變片在彈性體上的布置示意圖
(b)變片組橋方式
圖3 應變片布片和組橋方式
Fig. 3 Strain gauges arrangement
傳感器的各維輸出為：
ΔUFxΔUFyΔUFzΔUMxΔUMyΔUMz=1/4UK(ε13－ε14－ε15+ε16)1/4UK(ε17－ε18－ε19+ε20)1/4UK(ε21－ε22－ε23+ε24)1/4UK(ε5－ε6－ε7+ε8)1/4UK(ε9－ε10－ε11+ε12)1/4UK(ε1－ε2－ε3+ε4).（1）
式中，εi為第i片應變片的應變值，U為橋路的激勵電壓，K為應變片的靈敏系數.
傳感器輸出的力/力矩信息一般為傳感器本地坐標系下表示的信息，為了便于控制系統使用，把所獲得的力/力矩信息轉換成機器人手爪坐標系如下：
FcMc=Rcs0S(rccs)RcsRcsFsMs.（9）
其中：Fc為在手爪坐標系下的三維力；Mc為在手爪坐標系下的三維力矩；Rcs為方向轉變矩陣；rccs為在手爪坐標中表示的，起點在傳感器坐標系原點，終點在手爪坐標系原點的矢量.Fs為在傳感器坐標系下的三維力；Ms為在傳感器坐標系下的三維力矩信息；S為斜對稱算子.
3 傳感器非線性解耦
維間耦合極大地限制了多維力/力矩傳感器精度的提高，因此有效地解耦方法是高精度多維力/力矩傳感器的一個重要手段［11］.非線性模型真實地反映了多維力/力矩傳感器的實際情況，從理論上說可以徹底解決靜態解耦問題［12］.采用隱層為單層神經元的三層BP神經網絡模型，神經元的個數通過實驗得到.如圖4所示，將6維力/力矩傳感器六個橋路的輸出電壓組成的列向量U=UxUyUzUMxUMyUMzT作為神經網絡的輸入向量，將對應的作用在傳感器坐標系原點上的六維力/力矩等效信息所組成的列向量F=FxFyFzMxMyMzT作為神經網絡的輸出向量.對傳感器進行加載，記錄每次加載時的各路輸出電壓，每次加載的輸出電壓和相應的加載力作為一個樣本點，用基于MATLAB的BP神經網絡訓練程序對神經網絡模型進行訓練，以獲得合適的網絡權值和閾值，使神經網絡輸出與樣本輸出的均方誤差滿足給定的條件，得到傳感器的神經網絡模型參數.
圖4 六維力/力矩傳感器神經網絡解耦模型
Fig.4 Neural network model for
calibration and decoupling
在解耦模型的訓練過程中，采用5~20個神經元數分別對網絡進行訓練，從得到的訓練曲線中可知，當隱層的單元數為7時，不論從誤差、收斂速度和網絡復雜程度等分析，都比較合適，其訓練誤差曲線如圖5所示.從圖中可知在訓練步數為360步時，均方誤差小于0.01，已達到了精度要求.
訓練次數圖5 神經網絡訓練誤差曲線
Fig.5 Error curve of the neural network training
4 傳感器精度性能分析
通過上述的解耦方法，并經過一定的信號處理，我們最終獲得了超薄六維力/力矩傳感器的輸入和輸出曲線如圖6所示.圖中橫坐標表示加載的標準法碼重量，縱坐標表示A/D采集模塊的輸出數字量.
(a)Fx維的標定曲線(Fy維與之相同)
(b)Fz維的標定曲線
(c) Mx維的標定曲線(My與之相同)
(d)Mz維的標定曲線
圖6 六維力/力矩傳感器的標定實驗結果
Fig. 6 Calibration text results
由圖6實驗結果可知，設計的超薄六維力/力矩傳感器線性度好，并且關于零點對稱，各向同性，最大線性度誤差為0.15%F.S.，最大耦合誤差為1.6%F.S.傳感器實物圖見圖7.
圖7 傳感器實物圖
Fig.7 The fabricated sixdimensional force/torque sensor
5 結 論
本文探討了一種基于應變檢測技術的超薄六維力/力矩傳感器，對傳感器力敏元件進行了多目標優化，根據其力學特性確定了彈性體進行了布片、組橋方式，結合基于神經網絡的非線性標定及解耦，使設計的傳感器具有靈敏度高、線性度好、維間耦合小等特點.值得注意的是，用神經網絡進行傳感器標定，傳感器的精度很大程序上受制于訓練樣本的范圍，若傳感器所受力超出其量程（訓練樣本通常在量程范圍內），神經網絡的外延問題極易導致精度衰減，如何解決這類問題有待下一步深入研究.參考文獻
［1］ HIROSE S,YONEDAK.Development of optical sixaxial force sensor and its signal calibration considering nonlinear interference［C］//Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation,1990,5: 46-53.
［2］ BEYELER F,MUNTWYLERS，NELSON B J. A sixaxis MEMS forcetorque sensor with micronewton and nanonewtonmeter resolution ［J］. Journal of Microelectromechanical Systems, 2009, 18 (2):433-441.
［3］ BAUDENDISTEL T A. Development of a novel magnetostrictive force sensor ［D］. University of Dayton, 2005.
［4］ RANGANATH R,NAIRPS,MRUTHYUNJAYATS. A forcetorque sensor based on a stewart Platform in a nearsingular configuration ［J］. Mechanism and Machine Theory，2004, 39(9): 971-998.
［5］ 葛運建,戈瑜,吳仲城,等.淺析我國傳感器技術發展中的若干問題［J］.世界產品與技術,2003,5:22-36.
GE Yinjing. GEYu,WUZongcheng,et al. Analysis of Several problems about sensors technology development in China ［J］. Electronic Component News, 2003, 5:22-36.(In Chinese)
［6］ LIANG Q,ZHANGD. A potential 4D fingertip force sensor for an underwater robot manipulator ［J］. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2010, 35(3):574-583.
［7］ 孟慶鑫,王華,王立權,等.一種水下靈巧手指端力傳感器的研究［J］.中國機械工程,2006,17(11):1132-1135.
MENG Qingxin, WANG Hua, WANG Liquan,et al. Development of fingertip force sensor for a dexterous underwater hand ［J］. China Mechanical Engineering, 2006, 17(11):1132-1135.(In Chinese)
［8］ 秦崗,曹效英,宋愛國,等.新型四維腕力傳感器彈性體的有限元分析［J］.傳感技術學報,2003,16(3):238-241.
QIN Gang, CAO Xiaoying, SONG Aiguo,et al. Finite element analysis for elastic body of new 4axis wrist force sensor ［J］. Chinese Journal of Sensors and actuators, 2003, 3:238-241.(In Chinese)
［9］ 邱聯奎,雷建和,宋全軍,等.水下機器人手爪力感知系統研究［J］.傳感技術學報,2006,19(4):1152-1156.
QIU Liankui, LEI Jianhe, SONG Quanjun,et al.Research on force sensing system for an underwater gripper ［J］. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2006, 19(4):1152-1156.(In Chinese)
［10］劉開宇,王成亮.非線性二元離散神經網絡模型的漸近性［J］.湖南大學學報:自然科學版,2010,37(3):53-56.
LIU Kaiyu,WANG Chengliang. Asymptotic behaviors for a class of nonlinear discretetime neural networks with two neurons ［J］. Journal of Hunan University:Natural Sciences),2010,37(3):53-56.(In Chinese)
【關鍵詞】應力 自然補償 優化設計 CAESARII模擬
【中圖分類號】TU275.3【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0284-02
前言
在船舶建造、使用過程中，大多數壓力管路都是在高于或低于其安裝溫度下操作的，加之流體介質或周圍環境的溫度變化影響，壓力管路的熱脹冷縮現象是普遍存在的。試驗證明，以一根2m、外徑273mm、壁厚為8mm、兩端固定的碳鋼直管為例，當溫度由安裝時的20℃升高到250℃后，由于管子變形受阻，在直管中將受到3536460N的壓縮力，相應得壓縮應力為531MPa。之所以會產生這樣大的熱膨脹力和熱應力，主要是因為管子的熱膨脹受到了阻止。為了保證安裝后的管路在熱狀態下穩定和安全的運行，減少管路受熱膨脹時產生的應力，利用管路自身的柔性吸收其位移形變的Ω型自然補償方法，因其結構簡單、運行可靠、投資少被多數管路設計廣泛采用。
管路自然補償的計算比較復雜，本文通過利用理論簡化公式和圖表，對于Ω型管路進行受力比對分析，總結出適用于實船管路優化布置的設計基準，并運用管路應力解析程序在計算機上進行模擬論證，以證明優化設計具有實際的指導意義和可行性。
1 非補償管路與補償管路的差異
1.1 管路伸縮量的設計基準
設計基準：由船體偏差引起的伸縮量+由管路溫度變化引起的伸縮量。
船體偏差引起的伸縮率：
K： 經驗系數（一般約0.1） D： 管子直徑
分析：在固定點間的管長（L）、管徑（D）一定時，理論上彎管臂長寬度（B）越長，應力比越小，管路應力越小，補償的效果越好，而在實船設計過程中，管路的布置受空間限制的條件下，B值應當考慮其合理性。在D、B值一定時，縮短L的長度，即減小固定點的間距也是一種提高管路補償能力的方法。
2 Ω型管路自然補償的優化設計計算與分析
Ω型管路自然補償[4]：又稱為方形管路補償，是由同一個平面內四個
圖1 Ω型補償管路典型圖
參照Ω型管路參數（表1），通過方案1和方案2的計算與綜合分析，得出Ω型管路：
① U=20000 Ⅰ型 a=2b 普通管路 B普通/液壓≥465，蒸汽管路B蒸汽≥2320，計算應力均滿足要求且利于管路綜合布置；
② 設計許用應力基準[5]：普通、液壓管子13Kg/ mm2蒸汽管子10Kg/mm2；
③ B值設計基準：普通/液壓管子/蒸汽 10D以上（D：管子公稱通徑）；
A值設計基準：A=2B-2R （R：彎曲半徑）。
3 Ω型管路補償優化設計最佳方案及軟件模擬驗證
實船設計模型
（固定點或導架支點對稱均布）
4 結束語
通過實船管路的計算分析和模擬驗證，本文得出的Ω型補償管路的優化設計基準兼顧一定的經濟性、適用性和可操作性，為今后各種船型船舶上Ω型管路優化設計和實際應用提供了技術支持，對船舶建造質量的提升具有深遠的意義。
參考文獻
[1] GB 150-1998鋼制壓力容器[S].
[2] 歐貴寶，朱加銘.材料力學[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社， 2003，（1）.
[3] SH/T？3041-2002石油化工管道柔性設計規范[S] 附錄D.
大會在CYBERNET公司MBD事業部總經理毛力奮先生的致辭下拉開序幕，CYBERNET MBD事業部銷售經理康友樹向大家介紹CYBERNET的CAE整體解決方案。來自比利時Noesis公司市場銷售總監Luc Meulewaeter先生就“仿真及設計優化的前景展望”為主題進行發言， 他指出“中國的制造業正在蓬勃發展，研發力量正在飛速提升，仿真已成為研發過程中必不可少的步驟，而OPTIMUS作為一款多學科集成優化軟件，能基于實驗數據和仿真流程實現多學科協同優化設計”。他強調中國未來5年在研發道路上面臨的機遇與挑戰將超過過去的半個世紀。
稍后，Noesis中國市場開發總監蔣技赟先生為大家展示在剛剛結束的OPTIMUS全球用戶會上的最新國際應用案例，涉及航空航天，汽車，醫療產品，電子等領域。
在中國，OPTIMUS優化技術也得到了廣泛應用。例如，在國內汽車行業里，優化技術在汽車性能開發過程中起著至關重要的作用，來自中國汽車研究中心的謝書港先生在大會上說，CAE優化技術在汽車性能開發中起著指導作用，不僅能建立設計目標，還能發現設計不足并進行優化及改進。
目前，汽車低油耗已成為消費者選購汽車的一個重要指標，因此如何降低油耗成為整車廠迫切需要考慮的問題。中國兩大著名的整車廠奇瑞汽車和吉利汽車分別就此問題發表了意見。來自吉利汽車研發中心的彭鴻先生以減輕車身質量為例，通過OPTIMUS軟件的優化設計實現車身減重3.14%，達到降低油耗的要求。而來自奇瑞汽車研發中心的瞿元先生則認為改善空氣動力性能是降低油耗最好的方法，利用OPTIMUS的優化算法能有效的縮短開發周期，提高改進的效率。
除了整車優化，OPTIMUS還能應用于汽車零部件的優化開發。中國一汽無錫油泵油嘴研究所的王勝利先生演示了OPTIMUS在解決高壓共軌燃油噴射系統中， 噴油器針閥動態響應的問題上，對提高響應速度的作用。上海交通大學密西根學院的李冕教授致力于研究發動機系統的優化設計，通過優化軸承性能實現發動機系統的改進。
