船舶结构优化设计方法及应用实践微探周琦

船舶结构优化设计方法及应用实践微探周琦

发表时间：2019-02-21T15:44:46.337Z 来源：《防护工程》2018年第32期作者：周琦

[导读] 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周琦

上海中远海运重工有限公司上海市 200030

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，文章主要探讨的是船舶结构优化设计的方式及其应用实践。首先分析了船舶结构优化设计的概述，同时阐述了各类优化设计方式及其应用。

关键词：船舶结构；优化设计；概念；应用

近几年，随着我国市场经济的迅速发展，船舶行业也得到了较好的发展，在科技时代背景下，船舶建造行业也面临着较大的挑战，对船舶的制造速度和制造质量提出了更高的要求。借助何种手段，在确保船舶制造质量的同时，缩减制造速度是当前船舶制造企业首要解决的难题。全球范围内的造船大国，仅创建了大量的数字化造船体系。

1船舶结构优化设计概述

1.1船舶结构优化设计概念

随着船舶行业的不断发展，计算机技术的不断转变，与船舶设计相关的知识、技术也在发生了变化。在船舶设计制造过程中不管应用何种设计方式，首先需要确保船舶使用的安全性、便捷性，进而再追求船舶设计的经济利益，这也是船舶结构设计的原则。对船舶结构设计进行优化主要是为了挖掘更大的经济效益，同时创新船舶设计结构形式，在设计过程中主要包含设计大小、设计外形等信息，追求目标与重量的同时，还需要符合相应的标准，满足相应的约束限制，以此确保在船舶设计过程中，实现动力形态与精力形态的完美结合。

1.2船舶结构优化分类

按照变量属性，将船舶结构优化划分为离散模型、连续模型、混合变量模型。由于船舶制造过程中自身的比较繁琐，在建造过程中包括连续性、离散性，在骨材制造中包含连续性，在钢材厚度、型材上涉及离散性内容，因此，船舶结构优化设计本身属于一项混合优化设计方式。

2船舶结构经典优化设计方式

2.1准则优化设计方式

准则法是在力学相关知识和工程设计相关经验的基础上，创建出来的优化设计方式。这类船舶结构经典优化设计方式，在符合所有约束限制的设计方案内，选择最佳的准则法设计方式。

准则法经典优化设计方法的优点包括：（1）物理层的作用比较清晰，能够更好地开展分析工作；（2）准则法计算方式比较简单；（3）在具体的计算环节里，结构分析的次数较少；（4）计算过程中收敛速度较快，在最初使用传播结构优化设计的时候，这类设计方式得到了广泛的应用。准则优化设计方式的缺点包括：（1）无法确保计算结果的最优化；（2）收敛性难以验证；（3）在优化过程中，设计工作人员需要按照实际状况完成各项工作。

基于准则法的缺点，将其融入了形状优化内，通过实践形状优化设计方式，能够有效避免应力集中问题。若是力学模型中涉及大量的变量，使用这类方法能够简化设计环节。目前，在一般的船舶建造工程内，常见的准则法包括：位移准则法、能量准则法、满应力准则法。

2.2数学规划设计方式

随着准则法的不断发展，相关专家学者对数学规划也展开了探讨，在1970年，相关学者创新了结构优化定义，为规范法注入了活力。通常情况下使用的方式为：单目标排序法、降维法、函数评价法等。在使用过程中是将多个目标进行规范，简化为单个目标，通过优化单个目标进行实现设计方式的优化。

数学规划法是在规划论的基础上存在，由于理论较为全面，因此使用范围也比较广，数学规划法自身还具备一定的收敛性。但是在应用中依旧存在一些缺点，主要包括：（1）计算环境较为复杂、收敛耗费的时间比较长，特别是是在变量较多的情况下，收敛耗时比较明显；（2）在计算上还存在一些隐性缺陷。

针对上述问题，相学者进行了改进，在规范法中融入了准则法的优点，依照力学的特征进行了完善，其完善范围包括：选取显示、导入倒数、制约功能、连接变量等方面，很大程度提升了运算速度。

3船舶与海洋工程结构环境载荷来源以及设计原理

船舶结构在服役期间会受到各种外界环境的激励作用，通过设备与海洋平台的相互作用可以产生多种复杂的环境载荷变化，严重时会导致船舶受损。结合研究的现状来看，船舶与海洋工程结构所受到的外界环境载荷在本质上都属于动载荷的范畴。既然属于动载荷，那么其势必成为结构性能设计的重要指标。在船舶与海洋工程平台的结构设计活动中，除了动力优化本身的特点之外，还需要结合静力优化设计的相关要求与内容，通过理论与方法的融合与创新来实现相应的设计目标。一般来说，频率变化较快且动态特性较为稳定的结构可以实现约束目标的效果，动力响应速度、优化约束效果以及目标的结构动力都将成为优化设计工作的主要目标之一。

4船舶与海洋工程结构振动问题的研究现状

随着船舶工程的不断发展以及船舶与海洋工程结构稳定性研究工作的不断深入，当前许多研究人员与学术人员也将注意力集中在了工程结构的振动方面。其中，张生明等人通过使用流体边界法结合结构有限元的方式对于振动的计算特征进行了分析，同时得到了板架结构的相关参数，包括变长比、边界条件以及阻尼参数等不同的内容。另外，邹春萍等人通过结合流固耦合的技术内容实现了用有限元技术对船舶模态分析与动态数值计算的工作，同样为实现在船舶的设计阶段对船舶结构震动进行预测与评估提供了技术依据。目前，板架结构作为船舶与海洋平台结构应用过程中最为重要的结构形式之一，其在结构动态优化中也逐渐成为了核心实践环节。一些学术研究人员开始考

虑静载荷与动载荷之间的作用关系，通过对船体的板架结构进行优化设计解决了结构在动力优化中的问题，同时也实现了结构对于振动的基本要求，这同样为计算实例提供了数据支撑。随着研究的不断深入，目前一些学术人员也在尝试通过优化设计变量以及目标函数与约束条件等方面的内容来实现从静态优化、动态优化、可靠度优化以及全寿命优化等多个环节的海洋平台结构设计与优化，这对于海洋平台优化设计与研发工作的顺利开展提供了新的研究思路，更是提供了新的研究展望。

5船舶板架结构动力优化设计的具体方法

5.1船舶与海洋平台结构动力优化设计

船舶与海洋平台的结构动力优化设计活动中最大的限制因素就是结构动态响应与设计变量之间的关系。由于两者的关系属于高度非线性，所以在实际设计优化过程中只能够通过可行域对其连通性进行判断，所以优化的难度相对较大。根据国内一些学者的研究情况来看，通过可行域调整、一维搜索以及自适应运动极限调整等方式能够优化求解算法，让优化设计的结果更加接近实际数据。马红艳等人通过实际环境载荷对海洋导管架的平台结构进行了研究，同时也对导管架的海洋平台结构进行了尺寸以及形状方面的优化，提升了非线性设计的可能性，也为实现船舶与海洋平台结构动力的优化设计提供了新的思路与方向。

5.2夹层结构力学特性优化与设计

金属夹层结构具有良好的机械性能，其不但重量轻、强度高，而且具有良好的隔音性能与隔热性能，通过特殊的表层处理还可以获得不错的耐腐蚀性，所以在夹层的结构力学优化与设计中应用极为广泛。目前最为常见的夹层结构就是上下面板与中间芯层组成的夹层结构，其按照结构形式可以分为连续型以及离散型两种不同的形式。其中结构形式为连续的力学性能更加稳定，离散型的则具有更高的强度，在一些特殊的夹层结构设计中的应用也相对广泛一些。

5.3遗传模型优化设计方式

遗传模型是在相关数学模型变量属性的基础上演变而来，能够将结构优化设计划分为离散变量模型、连续变量模型、混合变量模型。基于传统模型结构优化设计中的不足之处，相关专家学者研发出了一种全新的算法，依照船舶结构设计的特征，融入生物进化知识，创新遗传算法。经过实验得知，这类遗传算法具备较强的鲁棒性，不需要导数资料，就能够借助目标函数的方式，将之前的不足之处及时完善。相应工作由编码集完成，利用二进制将相应的变量关系表现出来，有效解决在设计过程中连续性、离散性问题。效仿生物进化的方式开展交叉算子、再生算子、异化算子。通过实践证明，这类优化设计方式适用于各类繁琐的设计环境。在实际的应用中，遗传优化设计方式具有显著的应用效果，是工程设计上的又一次革新，意义显著。

5.4模糊原理优化设计方式

模糊原理最早起源于1980年，是在模糊判决的基础上创新出的限界搜索法，将其应用在船舶结构优化设计中，能够有效处理机构优化的难题。应用健全的模糊目标原理，将阈值视为变量（附加），有效避免了一次求解下的最大水平法，在求解之后只需要对施工、结构等要素进行思考，创建要素权重集与排序结合的模糊评价方式，在此基础上确定模糊约束容差值。例如：在对油船的槽形、横舱壁、剖面、其他结构等进行计算，首先需要结合工程的实际情况，明确模糊要素的覆盖情况，接着再借助模糊优化设计方式，在减少原材料的基础上，实现设计的优化性。

模糊船舶结构优化设计在较为繁杂的设计工程内，会存在着多个目标问题，在最大法背景下，对模糊结构优化设计进行扩张，能够实现多目标模糊优化设计方法的融合，同时实现了约束、目标不同层次的模糊性。在应用过程中首先需要创建符合模糊约束的目标子集，接着按照模糊判决，将其转变为普通的规划接着开展求解。模糊船舶结构优化设计在实际的应用中，不仅能够满足现实的设计需求，同时相关工作人员还能够结合实际状况，选取应用，具有较强的适用性。

5.5智能型优化设计方式

由于当前属于科学技术时代，因此，在船舶结构设计中智能型优化设计方式使用较为普遍，在明确了最基础的设计方式之后，接着根据实际情况深入研究设计问题，用数学规划的方案总结出最佳的设计方案。例如：某船舶结构设计公司，借助智能型优化设计方式，系统内部的专家技术系统，为优化结构设计奠定了基础，在实际的应用中发现智能型船舶结构优化设计有效融合了经典的优化设计方式与人工智能，全面提升系统的设计效率。

根据相关调查，目前智能型船舶结构优化设计主要包括两种：一是神经网络设计法、二是专家系统设计法，这类系统在轮船结构优化设计上得到了广泛应用。例如：在设计过程中可以将轮船的节剖面发送至专家系统，专家将在线对表壳进行理性分析，将专家的主观经验整合，以此实现结构设计的优化。由于这类系统是效仿专业人士开展优化设计工作，其中储存的理论知识、优化设计结果具有十分重要的作用。

6结束语

随着科学技术的迅速发展，结构优化设计逐渐得到人们的重视。在船舶结构设计中应该结合实际的建造需求，优化设计方式。就目前船舶结构设计情况而言，应用了形状优化、模糊优化、遗传优化等設计方式，在此背景下很大程度推动了船舶结构优化设计的发展，为船舶结构优化设计的发展奠定了基础。

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