基于可靠性的船体结构多目标优化设计

基于可靠性的船体结构多目标优化设计

张祖书石庆桃

武汉船舶设计研究院有限公司湖北省武汉市430064

摘要：不论何种船舶结构，其创造性、综合性、经验性都比较强，随着市场经济的转型，科学技术的迅速发展，各行各业逐渐开始创新，船舶制造行业也应该进行创新。在实际中采取何种优化方法，才能获取相应的效果，这就需要结合实际的建造需求，主要探讨的是船舶结构优化设计的方式及其应用实践。

关键词：可靠性；船体结构；优化设计

引言

随着船舶制造行业的不断提升发展，船舶设计制造中对于设计制造质量越来越重视。将知识工程原理应用于船舶设计制造中，能够有效缩短船舶设计制造的周期和时间，提高船舶设计制造质量，具有积极作用和意义。其中，对于船舶的设计制造来讲，船舶结构的优化设计由于过程相对复杂，并且包含的设计变量以及影响因素比较多，因此，导致船舶结构优化设计本身具有比较突出的非线性与多峰性设计特征，针对这一情况特征，在进行船舶结构的优化设计中，只有通过对于船舶结构优化设计中离散型变量有效性进行提升，以实现船舶结构的优化设计，保证船舶设计制造质量。

1.基本概念

1.1知识工程

知识工程是研究知识信息的新兴学科，它将具体的智能系统研发中的共性问题提取出来，作为知识工程的核心，使之成为指导研发智能化系统的基本工具和一般方法。其本质是研究如何挖掘并积累产品开发中的知识，并对它进行表达、应用及维护，以用于产品开发相关问题的自动求解。旨在知识的再利用，以实现快速开发出高质量的产品。

1.2知识本体

船舶船型众多，不可能为每条船都开发相应的设计模块。但同一系列船型往往具有相似的结构。新船的开发一般都是以原有母型船为基础，船体结构设计往往也是参考原有母型船设计出来的。针对上述事实，结合知识工程，提出了船体结构设计知识本体的概念。在研究某一系列船型结构的基础上，去除其特殊结构，提取出共性结构，建立基于知识的三维参数化船体结构模型，称之为船体结构知识本体。有了知识本体，即可快速开发出新船结构。

结构知识本体属于对船体结构的高度集成，是一种结合了专业知识、专家经验和规范的知识模型。基于知识的船体结构设计系统的设计思想本质就是构建这种知识本体，即通过计算机技术将船舶相关知识集成到船体模型中，实现船体结构设计的智能化、参数化和自动化。使设计人员能得到丰富的知识支持，从而提高设计能力。

2.船舶主船体结构设计的若干问题

2.1船底骨架

（1）肋板腹板高度与厚度之比。规范规定实肋板腹板高度与厚度之比，对单底船应不大于75，对双底船应不大于100。这是从保证实肋板腹板局部稳定性而规定的，不能忽视。如此值超过规定，会因实肋板腹板局部失稳而引起结构破坏。解决办法一是加大腹板厚度，二是在实肋板腹板上设置垂直加强筋。

（2）内龙骨修正系数K。实肋板剖面模数规范计算式中内龙骨修正系数K值大小，与船体结构型式、舷侧肋骨制型式及舱底平面长度以及内龙骨根数有关。因此，取K值前应先弄清船体结构是横骨架式还是纵骨架式；舷侧结构是主肋骨制还是交替肋骨制；舱内龙骨数量及舱长，以便正确计算K值。

（3）实肋板跨距l。对单壳舱口船：一般可取船宽B，这样取值安全又方便；如有型线图，比较正确的取值方法是取实肋板所在舱内肋板高度的水线宽，但因实肋板高度未确定，此值较难量取。对甲板船（含半舱船）：取纵桁架（纵舱壁）之间或纵桁架（纵舱壁）与舷侧之间的距离中的大值。但要注意，当纵桁架（含纵舱壁）为3道时，l应不小于B/3；当为4道及以上时，l应不小于B/4。

（4）机舱内船底骨架。机舱内船底骨架有特殊要求：1）船底骨架应采用“T”型组合型材，不应采用折边材。2）实肋板腹板厚度应比货舱实肋板腹板增厚1mm，面板的剖面积应增加1倍。3）机舱内内龙骨的面板和腹板应不小于机舱内实肋板的尺寸。4）横骨架式单底机舱应在每个肋位设置实肋板，纵骨架式实肋板间距应不大于1.25m。机舱内船底骨架应单独计算：先按货舱外实肋板剖面模数计算式计算出所需剖面模数，再在此基础上，将腹板厚度增加1mm，面板剖面积增加1倍，最后决定机舱实肋板尺寸和内龙骨剖面尺寸。

（5）双壳船双层底实肋板。当双壳船双层底高度较小而必须采用塞焊工艺时，实肋板上缘应设面板，即应采用“T”型材，不能采用折边材，且面板厚度应不小于实肋板腹板厚度的1.25倍，宽度应不小于80mm。且应注意实肋板腹板厚度应不小于船底板厚度。

2.2甲板骨架

（1）横梁跨距l。一船应取甲板纵桁（纵舱壁）间或舷侧与甲板纵桁间距离中的大值，但不管何种情况，l值不能小于2m。

（2）甲板纵桁。1）跨距l：一般取相邻两横舱壁之间距离，但应注意甲板跨距中如有支柱等传递集中载荷时，应用计算法确定甲板纵桁剖面尺寸，不宜简单地用舱壁至支柱或支柱间距离的大值来作为l。2）支承面积平均宽度b：应取甲板纵桁间距或舷侧与甲板纵桁距离的1/2+甲板纵桁间距的1/2中的大值。

3.船舶结构创新优化设计方式及应用

3.1船体结构设计的具体过程

在开展分结构设计工作时，应当对组合与链接问题予以认真考虑，由于设计与建构工作开展起来十分方便快捷，加之自身规模比较小，设计、生产以及检验工作开展起来十分便捷。在对船体结构进行分段设计时，可以将船体结构分成几个部分，结合各个部分之间所具有的紧密联系进行设计。拆分工作中应当根据实际的首位，亦或是上下结构来进行，在开展分组设计的过程中，应当最大程度地对组合之后的情况进行考虑，同时还要注重开展相关统筹工作，确保组装工作的所有细节落实到位。

船体构造与材料重量内部性能影响着船体组合性能，由于海上恶劣条件的影响作用，船体自身质量居于核心地位。在设计规划船体结构的过程中，应当注重强化船体结构的链接与加工工作，在动态改变进程中，将质量与结构包括进来，在过程性计算中，则包含着载荷能力预算，应当运用相关的系统信息开展整合工作，确保最终承重预计的实现，与此同时，对航行条件方面的约束作用，也应当进行整体系统的考虑。

3.2船体结构型式

船体结构基础模式也被称为板架结构，其是板和型材的组合。根据结构所在的位置以及自身功能作用，可以通过手动方式，将其划分为若干个干板架。在船体梁进行分析过程中可以进一步明确，上冀板与下冀板分别指的是甲板和船底板架，腹板指的是舷侧板架。由于作用不同，骨架排列模式也就有所不同，通常情况下，可以分为横骨架式结构与纵骨架式结构。当船只规模比较大时，需要应当根据实际的承重情况，对相关的架构模式做出调整。在设计船体甲板与底部的过程中，应当注重运用纵向承重骨架，通过相关支撑力来促进船体安全性能的提高。关于所运用的板材方面，在满足基本的受力条件与要求的同时，还应当对恶劣环境中承受力最大值进行考虑，在对船舷进行设计的过程中，应当充分考虑实际的横向结构，使平衡力得到充分保障，确保载重性处于优良状态之中。在运用横向设计的过程中，所占用的空间面积比较小，有利于增加船体的舱容量。

4.结语

船体结构设计工作量庞大，其中的很多细节工作都需要做好相应的设计和安排，对其整个结构设计过程予以优化。通过船体结构设计方式的多样化转变，促进整个船只生产质量的提升，促进整个船只能够达到更好的应用标准。

参考文献

［1］管官，林焰，纪卓尚．基于知识的船体结构快速设计及优化［J］．船舶力学，2017，（04）：472-483．

［2］刘建峰．船体结构设计及建造的细节处理［J］．黑龙江科技信息，2017，（08）：49．