0 引　言

船舶是一个大型复杂装备和系统，它的设计与建造涉及多个行业，体现了一个国家的科技基础和工业水平。船舶作为海军部队和地方海事运输业的重要组成部分，在国防和地方经济建设中承担重要使命任务，具有十分重要的战略意义，它的设计与建造问题一直是船舶领域研究的热点^[1]。

船舶总体设计是一门综合集成技术，需将船舶研制所涉及的各不同专业进行综合权衡、集成优化^{[2 − 3]}。其中，船舶总体设计主要包括总体布置、航行性能、船体结构、动力、电力和武器等各系统的集成，主要涉及水动力学、静力学、动力学、电磁学等多个学科，且各个学科之间相互影响、相互制约。另外，船舶总体设计是一个复杂系统工程，具有周期长、阶段多、涉及专业种类复杂、参与人员多等特点。

根据船舶设计规范要求，最终得到的设计方案，不仅要使船舶能安全、顺利地完成各项任务，也应具有高的推进效率、良好的机动性和较低的振动性能等。各造船强国在船舶设计及建造技术日趋成熟，而船舶设计及其建造是一个十分复杂的系统工程，它主要包括船体的设计及其建造、主动力装置以及冷却系统的设计与建造等。

现阶段，通用的船舶设计与建造思路是按照设计所涉及的不同部件或学科分开独立进行设计和相关优化。在设计过程中，通常依托各组成部件的相关设计规范进行，而忽略了船舶运行过程中各组成学科间的相互作用，这样得到船舶设计方案未必综合最优。

故许多学者将MDO理论研究应用于船舶设计中。刘祖源等^{[4 − 7]}采用MDO理论指导船型设计，综合提高船舶耐波性、操作性和减小船舶航行阻力为目标，并基于I-sight多学科优化软件构建了船体多学科综合优化集成平台，并通过水池船模拖曳试验验证了该多学科优化设计方法的有效性。宋保维等^[8]基于MDO理论指导鱼雷总体性能优化设计，通过将鱼雷设计问题分解为航程、外形、推进器及能源等学科进行分析，最后采用协同优化算法对该多学科问题进行分析求解，结果表明该方法可有效提高鱼雷航程，对其总体性能优化具有一定指导意义。王健等^[9]在总结分析船舶总体设计特点的基础上，研究了MDO理论指导船舶总体概念设计，结果表明MDO理论在指导船舶类大型系统的总体概念设计具有较强优势。

本文拟通过分析现代船舶总体设计的基本概念、流程及目前船舶设计领域面临的主要重难点问题。研究得到MDO理论指导船舶总体设计的可行性方案，为提高现代船舶总体设计质效提供新的研究方向。

1 船舶总体设计概述

现代船舶总体设计^[10]的重难点问题主要为：1）需在有限空间内，装配具有各种功能、性能、物理特性且相互关联的设备或系统形成一个有机整体，但各分（子）系统之间存在各种耦合联系，有些可能是相互矛盾的，因此需在总体设计时统一协调；2）船舶设计复杂程度高，具有研制周期长、阶段多、涉及面广等特点。

在20世纪50年代末，船舶设计的过程模型是一种螺旋式、由内向外、往复循环并最终收敛的过程，被首次提出。后经过船舶行业的发展，相关学者验证了该过程模型的有效性，并在此基础上完善了船舶设计过程模型，主要有：1）通过改进“径向”上设计要素的定义，将该设计过程模型改进为二维螺旋式设计模型；2）把设计约束引入到面向设计的过程，将二维螺旋式设计模型改进为立体三维空间的迭代收敛模型。图1为船舶总体设计的主要内容。

现阶段船舶总体设计常采用串行式的设计模式，通过多轮循环得到满足整体设计要求的可行方案。由于这一方式在设计过程中未考虑各学科间的相互耦合作用，因此所得的设计方案未必整体最优且设计周期长。构成船舶总体方案的各系统之间既相互独立又相互联系，若某一系统或部件发生改变，其他系统也会跟着产生相应变化，有些甚至是负相关的，即一个系统的功能得到提升，另一个系统的功能属性将下降。比如为提高船舶运行可靠性采用若干冗余设计，将增加船舶总质量而致使其快速性下降。

随着近年来计算机技术及船舶行业的快速发展，水面船舶设计涉及的各学科理论（如材料学、静力学、水动力学等）与数值仿真技术均得到了快速发展，采用仿真计算得到的结果精确性也得到了很大提升。这得力于各类数值仿真软件升级融合了工程实践的历史数据，使仿真模型更加趋近于真实。与此同时，随着我国工业制造技术的进步和发展，船舶整体设计及相关设备研制水平也得到很大程度的发展，为船舶集成化设计和优化提供基础。

2 船体型线设计概述

船体型线是决定船舶航行浮性、稳性、快速性（含阻力特性、推进性能）、不沉性、操纵性和耐波性等主要参数之一。船体型线方案设计通常是根据船舶总体设计要求确定船舶体尺度并选择相应母型船，据此初步确定艇体型线。其中，艇体尺度和船型系数为影响船舶静水力性能的主要参数。因此通常在保证总体布置及结构满足基本设计要求的条件下，进一步优化船体型线以满足水动力性能。目前，针对船体型线的水动力优化目标主要为快速性、操纵性和耐波性等。

在传统的船舶设计概念中，船体型线主要是根据快速性、稳定性等方面的要求确定，较少有人考虑操纵性的要求。其中，王志东等^[11]通过建立一种以操纵性为目标函数的船舶航行性能优化模型，采用离散复合形法研究了一种船舶主尺度、船型系数和舵面积等几何要素的优化计算方法，研究了船体相关参数与船舶操纵性之间的关系；李密等^{[12 − 13]}为优化船舶航行综合性能，建立了船舶航行快速性、耐波性和操纵性综合优化数学模型，据此编写寻优算法实现船体相关设计参数的优化等。在船体型线设计方法的发展历程中，相关领域的研究工作者日益重视操纵性等相关方面的影响，以多学科综合最优为目标的设计思想逐渐呈现。

综上所述，目前对船舶体设计主要是以船总体设计要求为基础，以船舶航行的快速性、耐波性和操作性为优化目标，综合优化船体型线的相关设计参数，但这些设计及优化工作仅考虑在船舶航行性能方面，未考虑它与船舶其他系统间的耦合影响，如与船舶整体振动噪声性能、结构强度、船-机-桨匹配的耦合作用的机械振动和流噪声等。

3 船舶的减振降噪技术研究概述

船舶运行过程中不可避免的会产生各种机械振动，辐射出噪声。噪声问题直接影响艇员的工作和生活，也不利于船舶执行隐蔽性任务，特别是对隐身性能要求高的潜艇。此外，异常机械振动噪声也直接影响机械设备的使用寿命。为此，国内外许多学者开展船舶的减振降噪研究。

目前，对于一般机械设备的减振措施主要有：1）控制振动源，尽量减小相对运行部件的振动响应。具体工程措施有减小加工误差、减小各部件粗糙度、使用平衡对称结构等；2）控制振动噪声的传递路径，工程上常采用增加减振/隔振设备等；3）调频法，研究机械设备的固有属性，优化机械结构，避免结构发生共振等。以轴系的减振降噪为例，轴系振动按照其振动型式^[14]可分为扭转振动、回旋振动和纵向振动。这3种轴系振动型式如图2所示。

为控制轴系振动，国内外学者在充分分析轴系振动原理^[15]的基础上，研究了轴承支撑特性对其振动的影响^[16]、轴系校中状态和运行状态对其振动特性的影响^{[17 − 19]}、增设减振/隔振器和优化其设计参数^{[20 − 22]}等方式以控制其振动。但是，轴系振动控制与其他状态性能间的关联研究较少，如轴系进行振动控制后，对其精/转子动力学性能、静力学状态和整体结构可靠性等的变化研究较少。

综合分析船舶推进轴系的减振降噪研究现状可知，国内外相关学者对这一问题开展了许多研究，并取得了丰硕的成果，可较好地指导工程实践的开展，但鲜有学者关注轴系振动控制与船舶设计中其他系统进行耦合分析^[23]，研究它们的内在联系，以用于综合提高船舶设计质量。

4 MDO理论在船舶设计中的应用 4.1 应用MDO的船舶设计研究现状

MDO理论的雏形是在20世纪90年代被Jaroslaw Sohieszczanski-Sobieski^[24]为代表的航空领域研究人员首次提出。为克服船舶传统串行式设计过程中存在的效率低下、设计周期长和最终得到的方案未必综合最优化等不足，实行多学科并行设计。MDO理论^[25]是通过研究实践复杂工程系统中各子系统的相互作用和协同关系，以指导工程实践实现优化设计的一种方法论。它的主体思想是在复杂系统的设计过程中利用分布的计算机网络集成不同学科间知识，采用有效的设计优化策略，组织优化设计过程，在综合考虑各约束条件和系统整体性能最优，得到最优化的设计方案。

近年来，MDO理论及其在复杂系统设计中的应用发展迅速，相关学者研究了智能算法在MDO寻优策略中的应用，实现了复杂系统设计参数自动寻优；其工程应用主要体现在MDO理论指导鱼雷设计、航天设备设计以及水下无人艇设计等。Mohsen等^[26]采用MDO理论指导某水下无人艇设计，以声呐系统性能、水动力性能、艇体拖曳系数和结构尺寸、推进性能和战术性能等为综合优化目标，在分析各子系统学科原理的基础上构建其多学科设计优化框架，应用MDF-PSO（多学科设计可行-粒子群）算法进行设计方案的寻优。赖国军等^{[27 − 29]}通过对船舶总体设计中的推进轴系设计这一分支领域进行了针对性研究，综述当前船舶推进轴系设计方法，分析总结了目前常用轴系设计方法存在的不足，并结合船舶轴系设计特点，以某型船舶推进轴系为对象研究了基于MDO方法的轴系多学科设计优化方法。

近年来，不少学者研究改进船舶设计思路，但因船舶设计内容多而杂的原因，大多数研究仅针对某具体部件或系统进行综合设计优化，鲜有人研究梳理船舶设计参数、设计目标、设计质量评价准则及它们之间的内部耦合关系。

4.2 MDO指导船舶设计的技术路径

由图3可知，应用MDO理论指导船舶设计的基本流程为：

步骤1　根据船舶总体设计要求，对船舶设计问题进行合理的简化处理，分析确定船舶总体设计的设计变量及设计目标状态参量；

步骤2　基于步骤1得到船舶设计目标参量和设计参变量，通过构建相应简化模型，求解参变量的设计范围；通过问卷调查和咨询专家相结合的方式，构建船舶设计质量评价体系；

步骤3　通过综合分析船舶设计MDO模型，选择合理的寻优策略和相应的多学科数值仿真模型，编写寻优算法对船舶设计参变量进行寻优求解；

步骤4　得到船舶总体设计方案，将该方案与设计要求进行比对、校核、计算与实验验证，若该方案满足相应的设计规范要求则输出MDO船舶总体设计方案；否则，需优化设计质量评价指标体系，重新构建船舶总体设计MDO数学模型，并寻优求解，直至输出符合要求的MDO船舶总体设计方案。

5 结　语

本文通过分析船舶设计的主要内容及其相关要求，可得以下结论：

1）梳理船舶设计的变量参数与船舶运行状态参量之间的相互关系。其中，船舶总体设计变量主要包括船型尺寸、各组成部件的选型及布放位置等；设计总体目标主要包括船体快速性、整体质量最小化、结构可靠和全寿命周期经济性等。

2）船体总体设计因根据船舶任务使命、工作环境和主要运行工况等，确定其设计的侧重点。因此，针对不同类型的船舶制定相应的无量纲化设计质量评价体系，为进行船舶多学科综合优化提供支撑。

3）研究船舶设计时，各设计参数对不同学科系统的耦合影响，为构建船舶多学科设计优化框架模型提供输入的基础。

总之，船舶总体设计的未来发展方向为：在合理范围内，将复杂问题简单化的同时，实现船舶设计涉及的各不同学科问题进行综合、耦合分析；合理应用现代计算机技术，采用智能算法对船舶各设计参数最优化进行求解。