船舶结构优化设计方法及应用

船舶结构优化设计方法及应用

刁振东

江南造船（集团）有限责任公司

摘要：随着社会经济的发展，船舶行业也有了更多的发展机遇，船舶的建造质量会直接影响到海洋工程的发展。传统的船舶主体结构制造理念已经制约了我国造船业的发展，必须要科学应对当前船舶主体结构的问题。在设计船体结构时，需要考虑船舶主体结构的实用性能，保证船体结构的安全和美观，还应保证船舶主体结构设计符合力学条件，不断总结经验，学习先进的设计方法。船舶主体结构设计的质量也决定着航海出行的船舶质量，影响着我国海洋经济的发展和人们的安全出行。

关键词：船舶；结构；设计方法；应用

引言

从当前现状分析，就船体结构设计本身而言，不仅内容复杂，而且过程相对繁琐，这对于设计人员是极大的职业挑战，他们在设计过程中，要考量船体结构设计的相关问题，同时对生产工艺性问题予以思考。针对船体结构设计而言，其生产工艺问题对船体结构及具体的应用具有极大的影响，所以在设计方案时，设计人员要重点剖析与之相关的工艺技术问题，同时也关联到船体结构问题，这就对设计工作者提出了更高的职业要求。基于船体整体结构，以此为设计出发点，归类设计技术，细分设计方法。鉴于船体结构的特殊性，所以对其生产工艺性问题要予以重视，在此基础上提出具有建设性的改进方案，以提升船体结构设计的精良度和安全性。

1.船舶结构设计理念

结构优化设计工作要保证船舶的使用性能、力学性能和安全性能，综合分析船舶使用需求，提高设计效率与质量，让设计效果实现最大化。考虑多方面需求以及特点，设计出来的船舶具有较好的稳定性、刚度以及强度。信息化时代让越来越多的信息技术应用到船舶结构设计当中，在分析结构设计要点时，将专家系统技术以及人工智能原理作为设计的基础。船舶结构设计的主要要求包括：造价合理、重量较轻、变形量较小以及具备多种控制目标等。基于以上要求，船舶结构优化设计应当遵循如下理念：对模糊约束条件予以满足；协调各个问题之间的关系；找到最优的解决方案。船舶结构优化设计，必须分析建设内容以及设计理念，有序安排后期的工作。

2.结构优化设计的主要问题

2.1舱壁设计

舱壁设计需要考虑平面水密舱壁板与扶强材的设计问题。平面水密舱壁板有多种类型，如防撞舱壁、深舱舱壁以及干货舱壁。了解不同舱壁的性质，确定内龙骨修正系数等所需的参数，最终确定结构设计方案。扶强材需要竖向布置，在防撞舱壁和深舱舱壁的设计中，扶强材之间的距离最大为650mm，在干货舱壁的设计中，扶强材间距最大值为750mm。如果实际数值超出理论标准，需要计算剖面模数，不能将数值带入规范公式中。造船易出现只有垂直桁、不见扶强材的情况，实际间距超出标准值，需要添加更多的扶强材。

2.2甲板骨架

船舶主体结构的甲板骨架是非常关键的组成部分。在实际工作中，设计人员可能会忽视甲板骨架横梁跨距的要求。在设计甲板骨架的过程中，应保证横梁跨距的尺寸，通常情况下需要大于2m，以免带来隐患。除此之外，设计人员也必须要准确地界定甲板跨距中有没有对应的结构，是否可以更好地进行承接工作，保证尺寸能够更加精确。因此，在设计建造船舶主体结构的过程中，如果技术人员没有重视该问题或者没有充足的经验作为支撑，都不能准确地把控剖面的尺寸。

2.3艉楼前端隔离阀数量

在普通货船的基础上，法规对液货船作出单独规定，即应在船舶艉楼前端有保护的位置上设置隔离阀。部分验船师和海事安检人员认为，液货船消防总管在机器处所之外易于到达且安全的位置装设的隔离阀和液货船上在船舶艉楼前端有保护的位置上装设的隔离阀是指同1个隔离阀，设置仅此1个隔离阀就符合法规的要求。而部分其他人员则认为，按照上述规定，应装设2个隔离阀，即在消防总管刚出机舱处装设1个隔离阀，在船舶艉楼前端有保护的位置上装设另1个隔离阀。因此，该问题经常成为船舶滞留以及海事与船检方面的争议问题。通过研究公约、法规的结构和编写背景，我们可以得出，设置2个独立的隔离阀才是正确的理解。

3.优化设计的具体方法

3.1模糊优化设计

模糊原理基础上开展的优化设计法属于限界搜索法，其设计基础为模糊判决，可用于解决结构优化方面的问题。在模糊目标原理的指导下，将阈值设置为附加变量，能够规避迭代，实现一次求解，得到结果后，分析施工情况以及结构特点等要素，创建模糊评价方式。模糊评价方式将排序和要素权重集结合，确定模糊约束容差值。在具体的应用当中，分析油船横舱壁、剖面等结构内容时，需要分析模糊要素的覆盖效果，通过模糊优化设计，保证使用最少的原料完成结构的优化处理。模糊原理的起源较早，但是在复杂的船舶设计中，仍然具备较强的优势，通过截集法优化设计方案，为设计者提供更多选择。船舶尾轴架的设计中可以采取模糊优化设计方案，放宽约束条件，以设计和制造经验为依据，针对约束条件给出满意度函数，获得最优方案。

3.2遗传设计优化法

优化船舶主体结构可以利用遗传设计优化法，遗传设计优化法的主要原理是利用模拟生物遗传进化的方法，进一步优化船舶结构的设计。这种算法具有极佳的鲁棒性，也不需要处理导数数据，能够利用设计目标函数的方法，处理船舶结构设计过程中的问题。然后设计人员也可以利用二进制的计算方法，将船舶主体结构之间的变量离散性表现出来，得到交叉因子等，更好地计算船舶结构，自动处理船舶主体结构设计中遇到的问题。

3.3优化生产工艺，完善船体结构设计

在船舶结构设计中，设计人员要不断提高自身的设计能力，借助先进生产工艺，对船舶整体结构进行逐层优化和分层次处理，按照不同层次划分相对应的设计模块，再筛选出恰当的设计工艺。在此基础上，筛选多样设计方案，推行个性设计工艺，加强船舶整体结构的设计质量，并针对船体结构予以优化。对设计的船体结构进行全方位调整和有效测试，特别是对船舶甲板厚度及其表面结构和零件结构进行有效评估和预判，对船体的防水性和耐腐蚀的工艺进行完善。不同种类的船舶，无论是在设计方面还是检查方面，都应予以全方位的重视。此外，还需要注意，设计人员要对船舶生产涉及到的材料予以高度关注，以保障原材料的质量。在设计方案之中，也要对原材料质量进行严格把关。同时，要在整体方案中体现船舶设计的细节，特别是要对于船舶零部件和电动机械的设计，应对其进行整体规划，将其归纳到船舶整体结构设计之中。要区别开船体零部件设计和船舶整体结构设计，针对船舶生产需求制造零件，按照不同种类划分不同层次，以此完善设计过程。随着互联网技术的飞速发展和计算机技术应用的日益广泛，对船舶结构设计提供了极大的支持和诸多便利。设计人员可以依托成熟的互联网与计算机技术，逐步调整设计方案，完善设计内容。互联网技术因其自身优势，在船舶结构设计中起到极大的帮助作用，对于设计人员生产工艺的完善和优化提供了极大的助力，使其能够在船舶表面结构，还有细节及主体结构方面不断完善。借助先进的生产工艺和技术，不仅可以最大程度地强化船舶结构质量，而且对船舶后续使用给予支持。

结束语

在建造船舶结构时，为了避免船舶主体结构建造过程中产生风险问题，必须要合理按照工艺要求设计船舶主体结构，进一步提升船舶结构建造的质量。船舶主体结构设计时，也应当探索更加合理的设计理念。在为船舶主体结构选择材料的过程中，需要重点分析其经济性，最大程度减少船体结构的重量，同时让船舶可以承载更多的重量。

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