关于船舶结构设计方法的浅析

关于船舶结构设计方法的浅析

发表时间：2019-06-25T17:19:26.820Z 来源：《基层建设》2019年第7期作者：王春

[导读] 摘要：文章主要从船舶结构优化设计概述出发，分别阐述了船舶结构经典优化设计方式，以及可靠性的优化设计方法，以期为相关行业提供有效的参考与借鉴。

广东中远海运重工有限公司

摘要：文章主要从船舶结构优化设计概述出发，分别阐述了船舶结构经典优化设计方式，以及可靠性的优化设计方法，以期为相关行业提供有效的参考与借鉴。

关键词：船舶结构；优化；设计方法

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。

一、船舶结构优化设计概述

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。

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。

二、船舶结构经典优化设计方式

1.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；（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。

2.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。

三、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。

四、可靠性的优化设计方法

复杂的挑战。虽然很多优化平台针对不同设计问题为使用者提供了优化算法的选择建议，如 iSIGHT和Optistruct等，但采纳这些建议的结果大多是缩小可选优化算法的范围，而使用者仍需要根据知识经验在小范围的优化算法中选取合适的算法。此外，没有一个优化问题会仅有一种最优的优化算法，即每种优化算法对于某种特定的问题都有其优点与缺陷，因此仍然需要使用者合理地进行选择。概率论与数理统计方法首先在 40 年代后期由原苏联引入到结构设计中，产生了安全度理论。这种理论以材料匀质系数、超载系数、工作条件系数来分析考虑材料、载荷及环境等随机性因素。早在 50 年代，人们就在船舶结构的优化设计中指出了可靠性概念，随后，船舶设计的可靠性受到人们的重视，开始研究可靠性设计方法在船舶结构建造中的应用。船舶结构可靠性的理论和方法根据设计目标的不同要求，可以得出不同的结构可靠性的优化设计准则。大体分为以下 3种：

（1）根据结构的可靠性 R•，要求结构的重量 W 最轻，即：MinW（X），s.t.R ≧ R•

（2）根据结构的最大承重量 W•，要求结构的可靠性最大或者破损概率最小，即：Min Pf（X），s.t.W（X）≦ W• （3）兼顾结构重量和可靠性或破损概率，实现某种组合的满意度达到最大，即：Max[a1uw（X）+a2upf（X）]