An integrated methodology for the design of Ro-Ro passenger ships

The present paper provides a brief introduction to the holistic approach to ship design, defines the generic ship design optimization problem and demonstrates its solution by use of advanced optimization techniques

Development of an integrated methodology for the holistic design and optimization of high speed roro - passenger vessels

Quite often during the preliminary ship design stage, the designer in search of the “optimal vessel” for a specified operation scenario is faced with a series of important decisions with crucial impact on the vessel’s performance. It is the nature of the designer’s work that requires many of these decisions to be made during the early stages, based usually on limited, vague or undependable information. In such cases, the designer needs to rely on his experience, human intuition and engineering judgment, occasionally supported by the exploitation of relevant data available from past designs. In such cases, advanced design tools, making use of modern CASD technology to facilitate the elaboration of a vessel’s preliminary design in limited time and with minimal effort, yet at the same time with reasonable detail and accuracy, would be undoubtedly of great assistance to the designer. Such tools, if available, would enable the application, testing and verification of crucial assumptions and decisions regarding the ship’s main technical characteristics on a large number of design alternatives, in order to identify the most suitable design according to a set of selected criteria, to serve as the basis for the subsequent detailed design stages. Employing the parametric design, or parametric modelling procedure, the design of a certain object, component or system may be based on a set of design variables, in association with the required software tools. These tools are specifically developed to undertake the elaboration of the corresponding design, for each particular set of values of the design parameters defined by the designer. Such a procedure may be relatively easily implemented in the case of simple objects or components. In the case of integrated systems however, such as an entire industrial plant, or in the particular case a large commercial ship, the implementation of a parametric model is no more a simple task, if possible at all, as the level of complexity increases exponentially. In such cases, the design of the parametric model requires particular attention, in order to ensure its integrity, accuracy, robustness and functionality. Such a model should be flexible and generic, so that it can be applicable to as many design alternatives as possible, detailed enough in order to depict all the essential characteristics of the design, and at the same time as simple as possible, to avoid any unnecessary complexities and implications during the development of the corresponding software tools. The development of an integrated methodology for the preliminary design, evaluation and optimisation of highspeed monohull ROPAX vessels, applying state of the art design software and computational tools is the main objective of the current Thesis, carried out in the Ship Design Laboratory of the National Technical University of Athens. The core of the above methodology consists of a set of software tools, specifically developed for the parametric design and evaluation of the specific types of vessels. The design procedure has been linked with a multicriteria optimisation software, to form an integrated ship-design methodology facilitating the design space exploration in a rational and efficient way. The developed methodology has been applied to the design of a series of vessels of various sizes. Typical results from these studies are presented. The integrated methodology for the parametric design of high-speed monohull ROPAX vessels has been developed within the well known commercial ship design software NAPA®, taking advantage of the programming capabilities of the NAPA® macro language. The vessel’s hull form and internal layout are generated automatically by a series of NAPA® macros, followed by a preliminary structural design. Suitable macros are called to perform the assessment of the technical, operational and economic performance of each design. The basic tasks of the developed parametric design methodology are: 1. Hull form development 2. Resistance and propulsion estimations 3. Development of internal layout 4. Preliminary structural design 5. Weights estimation 6. Intact and damaged stability calculations 7. Assessment of economic performance The developed parametric design software has been linked to a commercial multi-objective optimisation code, namely modeFRONTIER®, to form an integrated design and optimization environment. The method of Genetic Algorithms was selected as the most suitable choice for the specific problem, for its inherent capability to deal with multi-objective optimisation problems with mixed continuous-discrete variables and discontinuous and nonconvex design spaces. The developed ship design methodology applied for solving a specific optimization problem. In this problem was searching the best combination between the Length, the Breadth, the Draught and the Freeboard of a mid-sized vessel for which the number of Passengers and Private Cars will be maximise stimulatingly with the minimization of the Propulsion Power and the Acquisition Cost. Due to the conflicting among the optimization criteria, for the determination of the best compromise solution two alternative Multi- Criteria Decision Methods are used for solving two different decision making problems. Both the overall problem’s set-up and the optimization results are well presented and studied in order to show the importance of using state-of-the-art techniques for solving multi-attribute, multi-objective optimization problems with constraints, in the ship design.Θεμελιώδες στάδιο της σχεδίασης ενός πλοίου αποτελεί η «προμελέτη» (preliminary design). Στη φάση αυτή, υπολογίζονται όλα εκείνα τα χαρακτηριστικά ενός πλοίου (κύριες διαστάσεις, βάρη, ισχύς πρόωσης, κ.ά.), τα οποία πρέπει να είναι γνωστά προκειμένου να ξεκινήσει η λεπτομερής σχεδίαση. Είναι φανερό ότι στη φάση αυτή πρέπει να υπάρχει μία εξισορροπημένη σχέση μεταξύ της ακρίβειας και της χρονικής διάρκειας των υπολογισμών, κάτι που δεν επιτυγχάνεται πάντοτε εύκολα. Μία αρκετά ασφαλής και σχεδόν παγιωμένη μέθοδος σχεδίασης είναι η χρήση ενός ή περισσοτέρων τεχνικά συναφών πλοίων (όμοια πλοία), ως πλοίων αναφοράς. Στοιχεία που ενδεχομένως ενδιαφέρουν το μελετητή μπορούν να προέλθουν από ένα ή περισσότερα όμοια πλοία και να αναχθούν κατάλληλα στη νέα σχεδίαση. Τι συμβαίνει όμως στην περίπτωση όπου υπάρχουν ελλιπή ή καθόλου διαθέσιμα στοιχεία από όμοια πλοία; Η απάντηση βρίσκεται σε μία μεθοδολογία σχεδίασης η οποία θα βασίζεται περισσότερο σε υπολογιστικές μεθόδους και λιγότερο σε εμπειρικούς κανόνες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η ναυπήγηση πλοίων των οποίων η σχεδίαση, η κατασκευή και η λειτουργία διαφέρουν σε πολύ μεγάλο βαθμό από τα συμβατικά μονόγαστρα πλοία εκτοπίσματος. Τα πλοία αυτά, η χρήση των οποίων έγκειται κυρίως στην ταχεία μεταφορά επιβατών και οχημάτων με όσο το δυνατόν μικρότερο κόστος, αποκαλούνται συχνά πλοία «Νέας Τεχνολογίας». Οι καινοτομίες στη σχεδίαση των πλοίων αυτών έχουν οδηγήσει στη γέννηση και στην εξέλιξη μίας σειράς από διαφορετικούς βασικούς τύπους (π.χ. Catamaran, Small Waterplane Area Twin Hull - SWATH, Air Cushion Vehicle - ACV) αλλά και στην εμφάνιση διαφόρων υβριδικών τύπων σκαφών (π.χ. Surface Effect Ship - SES), τα οποία συνδυάζουν χαρακτηριστικά δύο ή περισσοτέρων βασικών τύπων. Εκτός από την έλλειψη στοιχείων, μία επιπλέον δυσκολία που καλείται να αντιμετωπίσει ο μελετητής, στη φάση του αρχικού σχεδιασμού πλοίων Νέας Τεχνολογίας, είναι η απαίτηση για υψηλή ακρίβεια υπολογισμών. Δεδομένου του πρωταρχικού στόχου που χαρακτηρίζει όλα τα ταχύπλοα σκάφη, ο οποίος δεν είναι τίποτε άλλο παρά η επίτευξη μεγάλων ταχυτήτων υπηρεσίας, αλλά και των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών σχεδίασης που απορρέουν από αυτόν, επιβάλλεται ο ακριβής προσδιορισμός τόσο των κυρίων διαστάσεων και της μορφής της γάστρας, όσο και των βαρών και των επιμέρους χαρακτηριστικών του πλοίου. Όπως γίνεται αντιληπτό, η συσσωρευμένη εμπειρία που υπάρχει στη μελέτη και σχεδίαση συμβατικών πλοίων περιορίζεται σημαντικά στην περίπτωση των πλοίων Νέας Τεχνολογίας. Αν αναλογιστεί κανείς ότι το πρώτο ταχύπλοο Επιβατηγό - Οχηματαγωγό (Ε/Γ-Ο/Γ) πλοίο μονής γάστρας καθελκύστηκε το 1993, κατανοεί ότι το πεδίο επιστημονικής και τεχνολογικής έρευνας που αφορά τη σχεδίαση και κατασκευή των πλοίων αυτών, αν και παρουσιάζει σήμερα κάποια ωρίμανση, βρίσκεται σε μία συνεχή πορεία ανάπτυξης και καινοτομίας. Με σκοπό τη θετική συνεισφορά στην εξέλιξη του πεδίου αυτού, στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, παρουσιάζεται μία ολοκληρωμένη μεθοδολογία μελέτης Ε/Γ-Ο/Γ πλοίων Νέας Τεχνολογίας, η οποία βασίζεται στη χρήση σύγχρονων τεχνικών σχεδίασης. Παρουσιάζοντας μία εναλλακτική προσέγγιση για τη μελέτη και σχεδίαση πλοίων, η μεθοδολογία αυτή μπορεί διαχωριστεί σε δύο βασικά μέρη. Στο πρώτο από αυτά ενσωματώνεται η αυτοματοποιημένη παραγωγή μίας ολοκληρωμένης σχεδίασης με τη χρήση σύγχρονων ναυπηγικών λογισμικών. Πρόκειται ουσιαστικά για την παραμετρική σχεδίαση ενός πλοίου, η οποία περιλαμβάνει την παραγωγή της εξωτερικής και εσωτερικής γεωμετρίας, με βάση ένα σύνολο ελεύθερων μεταβλητών και παραμέτρων, καθώς και τη διεξαγωγή όλων των απαραίτητων υπολογισμών για την αξιολόγησή του. Το δεύτερο μέρος της μεθοδολογίας έγκειται στη διατύπωση και επίλυση ενός πολυκριτηριακού προβλήματος βελτιστοποίησης. Αφορά δηλαδή τον ορισμό των ελεύθερων μεταβλητών, των περιορισμών και των κριτηρίων βελτιστοποίησης, την επιλογή του κατάλληλου αλγόριθμου επίλυσης, τη μέθοδο και τα κριτήρια διερεύνησης του συνόλου των πιθανών βέλτιστων λύσεων, από το οποίο θα προκύψει η τελικά βέλτιστη σχεδίαση. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μίας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας για τη βελτιστοποίηση της μελέτης και σχεδίασης Ε/Γ-Ο/Γ πλοίων Νέας Τεχνολογίας. Μέσω ενός κατάλληλου συνόλου σχεδιαστικών παραμέτρων επιτυγχάνεται αφενός η αυτοματοποιημένη παραγωγή εναλλακτικών σχεδιάσεων σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα και αφετέρου ο ορθολογικός προσδιορισμός της βέλτιστης λύσης με βάση έναν αριθμό κριτηρίων επιλογής. Με γνώμονα την ποιότητα των αποτελεσμάτων αλλά και την ταχύτητα των υπολογισμών, η παρούσα μεθοδολογία περιλαμβάνει συνοπτικά: • την αυτοματοποιημένη παραγωγή της γεωμετρίας της γάστρας, της στεγανής υποδιαίρεσης και των υπερκατασκευών καθώς και των βασικών στοιχείων της μεταλλικής κατασκευής του πλοίου, με βάση ένα σύνολο προκαθορισμένων ελεύθερων μεταβλητών και παραμέτρων σχεδίασης. • τη διεξαγωγή όλων των απαραίτητων υπολογισμών, όπως η εκτίμηση της ισχύος πρόωσης, ο προσδιορισμός του βάρους της μεταλλικής κατασκευής και των υπόλοιπων βαρών του άφορτου σκάφους, ο υπολογισμός του ωφέλιμου φορτίου, η μελέτη της ευστάθειας στην άθικτη και βεβλαμένη κατάσταση, η μελέτη της διαμήκους αντοχής, καθώς κκαι η οικονομική αξιολόγηση της σχεδίασης για δεδομένα σενάρια αγοράς, κατασκευής και λειτουργίας. • τη διασύνδεση του περιβάλλοντος παραμετρικής σχεδίασης με ένα κατάλληλο περιβάλλον βελτιστοποίησης και λήψης αποφάσεων για τον ορισμό και την επίλυση διαφορετικών μεταξύ τους προβλημάτων σχεδίασης