船舶结构优化设计方法探讨

船舶结构优化设计方法探讨

刘超卿  唐峰

日照港达船舶重工有限公司 山东省日照市 276800

摘要：在中国市场经济日益发展与进步的今天，中国船舶制造行业取得了空前发展与进步。科学技术进步背景下，我国船舶建造领域同样面临比较大的挑战，同时对于我国船舶制造质量有较高要求。怎样在目前全球船舶制造行业持续发展与进步的今天有效地表现出我们国家船舶制造与设计中的先进性与科学性就成为现阶段我们国家船舶制造企业必须解决的问题。本文将针对船舶结构优化设计内涵以及船舶结构优化设计方法进行详细分析，其目的是研究出船舶结构优化设计方法应用途径。

关键词：船舶；结构设计；设计方法

在社会经济不断发展的背景下，船舶行业迎来了更加广阔的发展契机，其建造质量将直接关系着海洋工程发展进程。以船舶主体结构为核心的传统制造理念已制约着我国造船业发展，需要对现阶段船舶主体结构存在的问题进行科学处理。在船体结构设计中，需充分考虑船舶主体结构实用性，确保船体结构安全性与美观性，同时要确保船舶主体结构设计与力学条件相符，并不断总结经验教训，借鉴先进设计方式。船舶主体结构设计好坏还决定了航海出行船舶的品质，关系到我国海洋经济发展以及人民群众安全出行问题。

1.船舶结构设计概述

在保证航行安全的前提下，对船舶进行外形设计，使之具有美观性。舰船的航行安全性是舰船设计的关键，其关键在于确保舰船的稳性，符合机械构造的有关机制，并对其通航环境进行综合分析，综合考虑通航时的水文、气候等因素，使其能够更好地应对突发的恶劣天气。因此，在进行船舶结构设计时，必须综合考虑各种因素，才能保证建造的合理性。比如造船时要选用优质的材料，造船时所用的薄板厚度要合理，弯曲度也要适当，不能一味地追求降低成本，而选用劣质的材料。在船舶设计阶段，要对设计时所选取的角度给予高度的重视，并把它完全纳入参考体系之中，要按照特定的船舶装载要求，科学合理地设计船舶的甲板和船舶结构，还要为货物和船员留出充足的空间。除此之外，在船舶的结构设计中，还应该对船舶的舒适性、安全性等方面给予足够的关注。

2.船舶结构优化设计的意义

在进行船舶结构设计时，首先要考虑方便性和安全性，然后以最大的经济效益为目标，对船舶进行优化，以达到更高的经济效益，这样才能形成一种全新的船舶结构设计思想。通过对船舶结构的合理优化，可以有效地发掘出舰船更大的经济效益，在进行船舶结构设计的过程中，要考虑到船舶的形状、尺寸等方面的因素，在兼顾重量和指标的前提下，还要考虑到相应的规范约束，保证船舶各个部分的结构设计都能跟船舶的本体达到最好的结合。

3.船舶结构优化设计方法及其应用

3.1 模糊原理结构优化设计

20世纪80年代首次提出了模糊控制理论，其最大的特点就是以模糊决策为基础，提出了一种具有创新性的限界方法。本文提出了一种基于模糊理论的船舶结构优化方法，它可以对船舶进行整体优化，从而解决船舶结构优化中出现的一些难点问题。该方法的基本思想是使用精确的模糊目标，并且把门槛作为一个额外的变量来处理，这样就能避免一次解决时产生的最大层次方法，并且在解决了问题之后，仅仅考虑了船舶的结构、建造等方面的问题，利用该方法对所得到的元素加权集合进行了模糊评估，从而得到了一个模糊的约束值。比如，在进行船舶结构设计时，在计算船舶的槽型、剖面和横舱壁等结构体，可以首先将其与工程实际相结合，并将其具体的模糊元素掌握在自己的手中，以此来进行模糊优化，既能减少原材料的消耗，又能达到较好的设计优化效果。

3.2 智能型优化设计

现有的船舶结构优化设计一般都是先对其进行分析，然后再通过数学规划求解，该方法有两个难点。首先，在设计过程中，很难处理全面的、经验性的关系。舰船是一种非常复杂的工程结构，其性能的好坏常常表现为多个参数的有机结合，如何合理地平衡各种性能，其中涉及许多复杂的因素。虽然已经有人试图用模糊数学的方法来对这些问题进行描述和解决，但是，最直观、最直观、最直观、最直观的表现，就是结构模型，因此，在进行设计时，往往会寻求一种经过实际验证的结构模型。第二，创意性难以实现。设计中的创意常常是通过构建基础图案来实现的。经验丰富的设计者在设计过程中，往往需要将与之相关联的产品进行关联、类推、转化，从而形成新的结构形态，这是一种高级的优化。人工智能（Al），特别是专家系统（ES）的兴起，为优化设计提供了新的思路。本文所做的工作是将人工智能与专家系统技术相结合，用于舰船结构设计。在船舶结构的设计中，除了推理、归纳、分析外，还需要进行许多的数值计算。

3.3 全局优化方法

全局最优算法是一种较为常用的非线性优化算法，它的基本优点在于具有良好的全局收敛性，可以帮助找到一个全局最优的解。陈龙等建立了汽车五自由度的整车五自由度动力学模型，并以此为基础，采用全局最优法对其进行优化，研究结果显示：经过优化后的整车结构，在不同速度下均能保持较好的稳定性能，从而极大地提升了整车的乘坐舒适度。耿瑞光等人针对现有的局部最优问题，提出采用整体最优法进行船舶轴系结构优化，采用有限元法和多体系统动力学相结合的方法，建立“波激振-船舶-轴系”交互作用的数学模型，并对其进行优化，取得了较好的结果。

3.4知识工程优化方法

知识工程其实是一门把知识作为特定分析目标的一门新兴学科，它抽取了特定智能系统所研究的基础问题，并将之作为知识工程的核心，使之成为指导特定开发各类智能系统的主要工具和通用方法，从而转化为具有方法论意义的科学。基于 KBE的结构优化设计实质上就是要捕捉到最优设计的本质，例如面积、费用、时间、体积等，保证使用者可以按照目标进行最优的设计，并对其进行约束和参数修正。知识库是由经验、事例和有关规则等知识组合而成的；根据专家的经验、知识和各种文献资料中的知识，收集、整理、归纳出若干规则、分析方法和处理问题的方法，并将这些方法以一定的形式放入对应的数据库中，并为使用者提供检索和利用知识的途径。

舰船是一种较为复杂的大尺度结构，其优化设计需要综合考虑多种工况约束和多种设计要求，因此，舰船结构优化设计往往呈现出多峰、非线性等特点。在此基础上，建立相应的知识库，并将其应用到船舶结构的优化设计中，解决连续变量和离散变量相互混杂的问题，实现数学优化与结构参数化模型的相互转化。

3.5 遗传模型优化设计

该模型以相应的数学模型变量的特性为基础，可以将其分为离散变量、连续变量和混合变量三类。针对传统船型结构优化设计方法存在的缺陷，结合生物演化理论和遗传算法，结合船舶结构设计特点，提出一种新的求解方法。通过试验证明，该方法具有很好的稳健性，在不使用微分数据的情况下，利用目标函数的方法，可以及时地对原有的缺陷进行修正。该方法采用二进制码方式，以二值表示对应的变量关系，从而有效地解决了设计中存在的连续性和离散性问题。借鉴生物演化的思路，开展交叉算子，再生算子，异化算子。实例表明，该方法对各种复杂的设计情况都是适用的。实践证明，该方法在工程设计中的应用效果明显，是一种创新，具有重要的现实意义。

结束语

随着船舶结构设计的日益复杂化和大型化，船舶建造和结构优化具有广阔的市场应用前景，能够大幅降低建造成本，提高建造效率和质量。目前，对于船舶结构的优化设计，最常用的是全局最优算法。针对现有的全局优化方法存在计算时间长的缺点，采用代理模型方法可以弥补这一不足，采用动、静态代理模型可以解决全局优化算法的低效问题。随着对优化算法研究的不断深入，目前，有限元法已成为舰船结构优化设计的主流手段。

参考文献

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