一种基于集成代理模型的膜式液化气体储运系统填缝剂图案优化方法

《Ocean Engineering》：An ensemble surrogate-based method for mastic pattern optimization in membrane-type liquefied gas containment systems

　　

•我们提出了一种基于集成代理模型的薄膜型货物围护系统密封膏图案最优设计方法。
•建立了一种使用等效静压力的有效评估方法，以考虑动态晃荡载荷和多种相互作用的失效模式。
•构建了一个在拉丁超立方抽样数据上训练的集成代理模型，以克服单个模型的预测偏差。
•实施了一种差分进化算法，以在复杂、非线性结构约束下实现稳定的全局收敛。
•与传统设计相比，所提出的方法在完全确保结构安全的同时，将密封膏总投影面积减少了约 7.9%。

引言

在大量能源和化学品长途运输中，为了满足存储密度和安全要求，气体货物通常以液化形式运输。国际海事组织（IMO）的《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》（IGC Code）在全球范围内应用，以确保海上散装运输液化气体船舶的安全。该规则规定了船舶的设计、建造和设备标准，考虑了液化气体和其他某些物质的危险特性（IMO, 2014）。最近，不仅液化天然气（LNG），氨、氢和其他物质也从海事部门低碳和零碳能源转型的角度被积极讨论为有前途的替代品，考虑多样化学成分（如乙烷）的技术开发研究重要性日益增长。在海运液化气体运输中，货物围护系统（CCS）的关键功能是防止泄漏并在低温条件下保持结构完整性。

国际船级社协会（IACS）将薄膜型液货舱定义为由隔热层支撑的薄薄膜组成的非自支撑液货舱，并规定必须设计成使其热膨胀和收缩不会引起过大的应力（IACS, 2023）。由于薄膜型 CCS 比独立型液货舱具有更高的体积效率（货物空间利用率），因此被认为是大型 LNG 运输船的首选技术（Bureau Veritas, 2021），这取决于船体形式。GTT（Gaztransport & Technigaz）将其薄膜技术介绍为一种不仅适用于海运而且适用于陆上和离岸存储的低温衬里技术，其 Mark 和 NO 系列是两个代表性技术路线（GTT）。

在实际运行环境中，不仅低温热载荷，而且由船舶运动引起的晃荡冲击载荷也被认为是薄膜型 CCS 设计和验证的关键因素。根据韩国船级社（KR）的指南，薄膜型 LNG 液货舱的晃荡载荷和结构强度评估程序被规定不仅适用于传统船舶，同样也适用于离岸 LNG 存储和再气化结构（Korean Register, 2022）。此外，薄膜型 Mark III 隔热系统由多层复合层和连接组成——包括胶合板、三层板、R-PUF（增强聚氨酯泡沫）和密封膏——据报道，由于晃荡冲击和疲劳载荷，出现了机械损伤，如开裂和分层（Kim et al., 2010）。

在该系统中，密封膏层执行两个相互补充的功能。它填充隔热板和内船体之间的空间，从而适应由船体建造和制造公差引起的表面不规则性，同时充当关键载荷传递路径，通过该路径将作用于面板上的晃荡诱导压力传递到内船体。据报道，陆上薄膜型 LNG 存储液货舱具有类似的结构作用，其中承重密封膏确保均匀载荷传递并补偿壁变形（Grieve, 2010）。

因此，密封膏图案的设计必须反映每种货物特定的密度和温度条件、作用于隔热面板上的动态晃荡载荷以及隔热构件的结构完整性要求，同时满足新兴环保液化气体运输船市场对成本竞争力的需求。

尽管有此必要，传统的密封膏图案设计主要依赖于基于经验建立的经验标准，这既不反映特定船舶的运行条件，也不解决设计问题中固有的成本 - 安全权衡。过度应用密封膏会增加围护系统的重量和相关的建造成本，而应用不足会将晃荡载荷集中在隔热面板上并引起关键失效模式，如 R-PUF 压碎和底层胶合板弯曲。解决这种权衡需要一个先进的优化问题，严格强制多种结构失效模式作为约束，适应各种货物类型产生的载荷特性，并避免直接非线性结构分析难以承受的计算成本。

表 1 总结了与本研究对象相关的优化关键前期研究的特性和适用性。为了确保液化气体 CCS 的完整性和经济可行性，各种设计元素已被评估和优化。Kim 等人（2025a）进行了一项研究，使用基于 DNN（深度神经网络）的代理模型优化薄膜型 LNG CCS 中的主屏障型材。此外，旨在评估 CCS 隔热系统复杂失效行为和承载能力的结构力学研究也得到了积极追求。一项基于 Mark III Flex CCS 中采用的密封膏图案标准，实验研究局部施加足迹载荷下的失效行为和承载能力的研究得以进行（Shi et al., 2025），还进行了一项严格评估 CCS 针对晃荡等冲击载荷的结构抵抗力的研究，考虑了各种载荷施加区域和持续时间特性（Gao et al., 2025）。然而，这些研究主要集中在主屏障或隔热材料本身的失效特性和承载能力上，而位于载荷传递路径核心的密封膏仅基于传统设计进行了有限程度的检查，并未被视为设计优化的主动对象。

在直接针对密封膏图案优化的有限工作中，Chun 等人（2023）的研究构成了显著贡献，其中在补偿船体表面公差的运动学平整度约束下最小化了总密封膏消耗量。然而，应指出的是，这种表述针对的是根本不同的设计轴——船体表面不规则性的几何补偿——而本研究针对的是隔热面板在动态晃荡载荷下的结构响应；因此，两项研究在减少比率的轴上不可直接比较。在涉及多种失效模式（如 R-PUF 压碎和底层胶合板弯曲）的严格结构力学约束下的密封膏图案优化，似乎现有文献中关注有限。

船舶和海洋结构最优设计的数学优化研究一直在进行。例如，Um 和 Roh（2015）通过应用 SQP（序列二次规划），成功优化了散货船舱口盖的主要尺寸以实现重量最小化，最近，一项应用基于梯度的优化技术高效设计半潜式漂浮式海上风力涡轮机的研究得以进行（Rohrer et al., 2026），表明传统数学算法的效用仍然很高。

然而，当模拟如本研究所讨论的薄膜 CCS 密封膏图案中不同材料之间的复杂非线性接触条件时，难以应用这种优化技术。这是因为直接将非线性 FEA（有限元分析）与优化算法耦合，即使对于单次评估也可能产生巨大的计算时间。这种大量迭代计算相关的计算成本问题——即多查询问题——是工程学科的核心挑战，并且代理模型对于替换高成本模拟是不可或缺的（Yondo et al., 2018; Kim and Rhee, 2024; Kim and Roh, 2024, 2026; Kim et al., 2025b）。特别是对于如本研究这样必须同时考虑多种失效模式以确保系统可靠性的问题，已经出现了一种广泛应用基于主动学习的代理模型以最小化高成本分析的研究趋势（Zhang and Song, 2025）。

顺应这一趋势，基于机器学习的单个代理模型也在船舶设计和海洋工程领域被积极引入。证明其有效性的研究包括结合基于 MLP（多层感知机）的代理模型同时进行多种船体形状优化的研究（Kim et al., 2025c），用于漂浮式海上风力涡轮机系泊线最优设计的基于 ANN（人工神经网络）的灵活代理模型（Festa et al., 2025），以及用于在非线性结构问题中确保全局预测性能的基于 SVR（支持向量回归）的代理模型（Funk et al., 2023）。

与此同时，基于代理的结构优化在大型海洋和压力围护结构的轻量化和成本效益设计方面得到了积极追求；H?fele 等人（2019）采用基于 GPR（高斯过程回归）的代理耦合 SQP 和内点法，在疲劳和极限状态约束下优化了海上风力涡轮机的导管架子结构，Zhang 等人（2022）在应力和变形约束下使用基于 RPIM（径向点插值法）的代理实现了大型矩形压力容器的 10.06% 重量减轻，Chen 等人（2026）通过基于 Kriging 代理的截面优化实现了导管架支撑离岸综合结构约 17% 的体积减少。

然而，在薄膜 CCS 设计空间中，众多设计变量和强局部非线性接触条件交织在一起，偏差和过拟合问题——其中预测性能随单个模型的数学假设和训练数据分布波动——易于出现。为了克服这一点，引入了集成代理模型，统计结合多个单个代理模型（如 PRS（多项式响应面）、KRG（Kriging）、RBNN（径向基神经网络）和 SVR）的预测，并显示出优越的鲁棒性（Goel et al., 2007; Viana et al., 2009）；然而，尚未有报告将此类模型应用于涉及多种失效模式的 CCS 密封膏图案设计。

最终，薄膜型液化气体 CCS 的密封膏图案设计必须本质上包含结构完整性约束；然而，由于分析成本巨大和失效模式之间的复杂相互作用，高效探索变得困难。因此，本研究提出了一种考虑结构性能约束的密封膏图案优化方法，使用集成代理模型以克服分析成本限制并确保预测鲁棒性。本研究旨在通过通过线性和非线性敏感性分析有效减少优化搜索空间，并应用结合多个代理模型的集成技术，高效地推导出同时满足薄膜 CCS 多种失效模式（包括 R-PUF 压碎和底层胶合板弯曲和剪切）相关约束的最优密封膏图案（间距和宽度）。

所提出的薄膜型液化气体 CCS 密封膏图案优化方法如图 1 所示。首先，使用 LHS（拉丁超立方抽样）方法生成各种设计变量的数据。通过考虑自动化结构分析所需的材料属性、边界条件和载荷条件的预处理创建结构分析模型。分析分三个阶段进行。在第一阶段，进行货舱分析以确定内船体最大变形的位置。在第二阶段，在该位置进行内船体和 CCS 的热传递分析。在第三阶段，使用这些输出进行包含晃荡载荷的非线性结构分析，以提取每种失效模式的结构响应。然后构建代理模型以将提取的响应纳入优化问题。审查多个代理模型，并应用集成代理模型以准确预测结构分析结果。

为密封膏使用优化问题制定设计变量、目标函数和约束。通过敏感性分析审查设计变量；目标函数在数学上定义为最小化隔热面板中密封膏使用的投影面积；约束使用构建的集成代理模型应用。然后应用 DE（差分进化）算法以最终最小化总密封膏使用量。每个阶段的细节在随后的章节中描述。

章节片段
评估区域
代表性的薄膜型 CCS 技术包括 GTT 的 NO96 和 Mark III 系统。

每种 CCS 的组成要素和结构各不相同；NO96 系统是箱体型的，而 Mark III 系统是面板型的。在箱体型中，箱内安装垂直胶合板，从结构上讲，最好根据垂直胶合板的位置来施加腻子图案。本研究专注于优化面板型液化气体围护系统的腻子图案。基于 DOE（试验设计）的数据采样。为了优化腻子图案，必须有效地探索广阔的设计空间，并生成高质量的训练数据，以准确训练集成代理模型。为此，必须使用 DOE（试验设计），它系统地采样设计变量的组合来构建分析案例。作为一般的数据采样技术，SRS（简单随机采样）、FFD（全因子设计）和 CCD（中心复合设计）已被广泛使用。有限元模型。图 8 展示了本研究分析的 174K LNG 运输船所应用的 GTT Mark III Flex 系统的平坦部分。尽管在实际系统中，顶层胶合板上方安装了主屏障，但本研究将其排除在分析模型配置之外，因为其被认为对腻子图案优化问题的结构贡献可忽略不计。省略主屏障的分析模型被分为主保温面板和次级保温。结论与未来工作本研究提出了一种基于集成代理模型的腻子图案最优设计方法，旨在确保薄膜型 CCS 适用于多种液化气体的结构安全性的同时最小化腻子消耗，并通过将其应用于 174K LNG 运输船的 Mark III Flex CCS 验证了其实用性和有效性。本研究得出的主要结论如下。首先，提出了一种薄膜型 CCS 腻子图案的优化方法，适用于一种。CRediT 作者贡献声明 Dong-Woo Kim：概念化、方法论、软件、验证、可视化、写作 – 原稿。Myung-Il Roh：概念化、方法论、监督、验证、写作 – 审查与编辑。In-Chang Yeo：方法论、验证。Min-Chul Kong：验证。竞争利益声明作者声明，他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。致谢本工作是我们之前研究（Kim 等，2026）的扩展，并得到了（a）韩国 HD 现代重工业株式会社和（b）韩国首尔国立大学海洋系统工程研究所的部分支持。Dong-Woo Kim|Myung-Il Roh|In-Chang Yeo|Min-Chul Kong