基于遗传算法的护板形状优化及其对圆柱结构波浪载荷的减载机制研究

针对海洋圆柱结构面临的波浪载荷问题，研究人员结合边界元法(BEM)和遗传算法(GA)优化护板形状，通过实验验证了曲面护板、平板及多孔板对波浪弯矩的减载效果。研究发现优化曲面护板性能最优，但线性势流理论在k0 R=0.5附近存在局限性，为海洋工程抗浪设计提供了新思路。

　　

海洋环境中圆柱结构（如海上风机单桩、桥墩等）长期承受波浪载荷威胁，传统防护手段如防波堤存在环境适应性不足的问题。哈尔滨工业大学团队在《Ocean Engineering》发表研究，通过遗传算法(GA)优化护板形状，结合边界元法(BEM)模拟线性波-结构相互作用，并开展水槽实验验证。研究发现：GA优化的曲面护板可降低23%波浪弯矩，但会加剧波浪爬高；当无量纲波数k₀
R=0.5时护板可能反向增载，揭示了线性理论在模拟波浪破碎等非线性现象时的局限性。

关键技术包括：1) 边界元法(BEM)计算线性波浪载荷；2) 遗传算法(GA)全局优化护板几何参数；3) 物理水槽实验对比三种护板（优化曲面、平板、多孔板）性能。

【Problem description】
建立圆柱-护板系统数学模型，定义目标函数为最小化水平力与弯矩。采用MacCamy-Fuchs解析解验证BEM精度，引入NURBS曲线参数化护板形状。

【Experimental setup】
在长50m、宽0.8m的波浪水槽中，设置直径0.15m的圆柱模型，测试规则波(H=0.1m,T=1.2s)作用下护板性能。高速摄像机捕捉波面变形，六分力传感器记录载荷数据。

【Limitations and future work】
线性理论无法模拟护板引起的波浪破碎现象，建议结合RANS-VOF方法研究强非线性工况。护板安装深度对减载效果的影响需进一步探索。

【Conclusion】
优化曲面护板较平板降低15%弯矩，但使波浪爬高增加20%。研究证实护板通过波能耗散（类似波浪浅化效应）实现减载，为海洋结构物防护设计提供了新范式。

该研究创新性地将形状优化技术引入海洋工程领域，作者Jingbo Qing等指出未来需开发耦合机器学习与CFD的混合优化框架，以突破现有线性理论的局限性。国家自然科学基金（52438009）和黑龙江省自然科学基金（LH2023E057）资助了该研究。