有关船舶结构优化设计方法的研究

发表时间：2017-12-04T15:34:11.243Z 来源：《基层建设》2017年第25期作者：叶帆

[导读] 摘要：随着我国船舶海洋工程发展水平的不断提升，关于船舶工程的结构优化设计问题也引起了人们的高度重视，本文将主要针对船舶工程结构的优化设计方法展开深入性的讨论，在具体的船舶结构优化过程中，能够有效地应用现代化电子计算机技术手段，利用数学理论模型，来探索船舶工程结构优化设计的最优解。

武汉船舶设计研究院有限公司湖北省武汉市 430000

摘要：随着我国船舶海洋工程发展水平的不断提升，关于船舶工程的结构优化设计问题也引起了人们的高度重视，本文将主要针对船舶工程结构的优化设计方法展开深入性的讨论，在具体的船舶结构优化过程中，能够有效地应用现代化电子计算机技术手段，利用数学理论模型，来探索船舶工程结构优化设计的最优解。

关键词：船舶工程；船舶结构；优化设计；方法

前言

近几年来，我国的海洋船舶工程事业取得突飞猛进的进步与发展，但与此同时，人们对于船舶结构的轻量化设计需求也越来越高，急需对船舶结构进行优化设计，找到更为科学的结构设计形式，选择出尺寸最佳的结构构件，从船体结构设计的角度上，提高船舶结构的经济学、力学以及工程学使用性能。

一、船舶结构优化设计的重要性

随着我国现代化船舶工程项目的不断发展，与船舶工程紧密相关的技术水平也在不断提升，因此关于船舶结构的总体设计理念和设计范式也在发生着转变，但无论船舶结构设计怎样变化，都需要保证船舶工程生产的经济效益，这也是实施船舶结构设计优化的根本原因所在，要用最少的成本获得更好的生产价值，减少不必要的施工浪费，通过结构设计优化的方式，对船舶的外形，结构大小等拓扑学信息进行改善，尽可能地找到质量比较轻的结构，但同时需要船舶结构能够满足船舶工程的生产要求，最终呈现出一种相对完美的船舶结构静力学特性和动力学特性，制定出更加科学的船舶结构框架，从而提高我国船舶工程船体结构的强度、刚性和稳定性[1]。

二、船舶结构经典设计办法

（一）准则法

在船舶工程结构的经典设计方法中，准则法主要指的是以力学为原理来建立一种最优化设计的迭代式，再进行迭代计算求解，再从所有的约束条件里面选择出一条最为合适的设计方案。准则法的设计优点主要是体现在了物理方面上，需要进行结构分析的次数少，因此收敛的速度比较快，不过准则法也有其自身的设计缺点，在应用准则法进行船舶结构设计时，船舶的结构会在一部分作用力的作用下发生形变，而准则法的收敛性又是无法考证的，在进行船舶工程结构优化时，需要将准则中的内容沿着应力和能密度的方向进行分散，需要在物理学模型上面设计大量的设计变量，还要避免结构应力的过于集中，比如说在满应力准则法的实施中，就需要根据结构材料强度来设计应变力能密度值，从而让船舶结构可以减轻。

（二）数学规划法

随着准则法的不断应用和实施，人们又在准则法的基础上提出了数学规划法，在对船舶结构进行优化设计时，最令人困惑的设计问题就是如何才能够让许多个目标可以一同发展呢，实际上，在数学归纳法当中，可以对许多个设计目标来使用同一种向量来表示，进而把船舶工程的结构设计问题转换成为极值向量的数学问题，而可以使用的数学规划方法主要有降维法，有评价函数法，还有单目标排序法，对于数学规划法的使用，主要就是将繁杂的多个目标转化成为一个单一的目标，再逐一击破。在数学规划法的应用中，应用范围较准则法广一些，而且数学规划法的收敛性也有所增强，但是数学规划法也有缺点，就是计算环节比较多，收敛的过程时间长[2]。

三、全新船舶结构优化设计方法

（一）遗传设计法

在全新船舶工程的船舶结构优化设计中，遗传设计法的提出，主要是通过模拟生物遗传进化过程反应原理而提出的算法，最早是由美国科学家Goldberg将其应用到船舶工程的结构优化设计当中，并且将船舶工程设计同生物学当中的进化学结合起来，重新创新了遗传设计算法，同以前的算法比起来，新提出的遗传设计算法鲁棒性更强，不需要进行导数的数据处理，就可以通过设计目标函数的形式，将过去船舶设计当中存在的问题设计转化成为可以理解的问题，用二进制的方式，来表达出船舶工程设计变量之间的离散性，获得交叉、异化及再生因子，进而把离散性变量展开连续性处理，再采用非线性数学规划的方式来计算，使其可以适应复杂多边的运算环境。

（二）模糊优化设计法

而模糊设计的优化办法，主要是以模糊判决理论为基础，进而创新设计出了搜索界限法，并将搜索界限法有效地应用在了船舶工程的优化设计当中，同时不断健全了Zimmermann的目标模糊模式，然后通过排序的方式，来确定二级模糊评级目标，进而确定好模糊约束条件之间的容差。比如说在船舶工程真正的船舶结构设计中，对槽形横舱的舱壁还有中剖面都需要进行结构的测量和计算，需要了解模糊要素所覆盖的实际情况，在保证船舶结构施工效果的同时，要减少施工原材料的浪费，特别是在约束条件模糊的情况下，还需要找到结构优化的最佳解决方案，使得模糊优化设计法能够在水平方向上完成扩张，建立能够符合约束模糊条件要求的隶属函数，进一步创新设计出新的功效系数法、线性加权法等计算方式，方便对单目标的合理求解和规划[3]。

（三）可靠性优化设计法

而基于可靠性的优化设计研究，主要是从安全度理论角度延伸开来的，而且会从船舶结构施工材料的匀质系数、工作条件以及超载系数方面来研究船舶结构材的整体荷载能力，并提出了可靠性观念，希望可以引起人们对船舶工程可靠性结构设计的重视，并且根据实际船舶工程的生产要求，来制定出不同的可靠性优化设计方案，当船舶结构的可靠性要求为R，结构重量要求是Ｗ时，要求Ｗ最小，可有公式MinW（X），s.t.R≥R，当船舶结构W 为最大承受重量值时，对于船舶结构的可靠性要求最大，可有公式Min Pf（X），s.t.W（X）≤W。另外当船舶工程结构需要对结构的重量和结构的可靠性都有破损要求时，需要通过组合的方式来提高可靠性，可有公式Max[aluw（X）

+a2upf（X）]，其中a1、2表示对船舶结构重量的要求以及破损情况的重视度，a1+a2≥1.0，a2≥0，同时uw和upf表示该可靠性的满意度。（四）智能优化设计法

智能型的优化设计方案，主要是指人工智能技术来说的，有神经网络法和专家系统法，在人工智能的船舶工程结构优化设计中，需要