关于船舶结构优化设计方法的研究

关于船舶结构优化设计方法的研究

发表时间：2017-09-22T14:54:03.140Z 来源：《防护工程》2017年第12期作者：张玲

[导读] 传统的优化设计方法都是在简单结构基础上，尤其是采用规范公式或者是其他经验公式的求解方法。

武汉船舶设计研究院有限公司湖北省武汉市 430000

摘要：船舶结构的优化设计具有重要的意义，本文主要是对船舶结构优化设计的方法进行探讨，从经典优化设计方法、启发式优化设计方法以及基于代理模型的优化设计方法三个部分进行了分析。

关键词：船舶结构；优化设计；方法

前言：船舶结构的优化设计受到多种因素的影响，比如要符合强度、稳定性、刚度、建造等多种要求，因此借助数学方法以及计算机编程的优势，对船舶结构参数机芯优化，能够使目标值达到最优。

一、经典优化设计方法

传统的优化设计方法都是在简单结构基础上，尤其是采用规范公式或者是其他经验公式的求解方法。一般在设计的过程中设计人员会将计算公式写成程序，然后利用数学规划等方式进行优化，最后得到答案。准则法指的是结合问题的物理性质分析等建立最优设计准则，通过构造最优迭代式进行求解。采用这种方式，具有计算简便的优势，同时其物理意义较为明确，优化过程中结构重分析次数也比较少，因此受到了欢迎。在船舶工程中，经常采用的准则法是能量准则法、位移准则法等。数学规划法是一种基础的设计方法，主要以规划论为基础，而且可以对不同性质的优化问题进行求解。不过在早期船舶优化设计中，经典优化算法仍然存在很多的问题。

（一）在实际的设计过程中，准则法没有足够的数学理论支撑，因此导致准则法无法确保最终得到最优解，优化过程需要设计者进行干预。数学规划法在数学理论基础上进行研究，具有极高的理论性，不过计算量太大成为负担，收敛比较慢，尤其是求解迭代次数随着设计变量维数的增大而增加。

（二）采用经典优化算法，搜索策略是基于梯度信息的最速下降法，不过实际工程问题的梯度信息却无法快速得到，所以经典算法在工程上的应用受到了限制。

（三）经典算法是基于梯度信息进行搜索，不过在高非线性问题的处理上，这一方法的使用只能得到局部的最优解，优化结果的好坏主要是依靠初始点的好坏，因此设计者需要进行多次试验才能确定初始点，降低工作效率。

二、启发式优化方法

在船舶行业的飞速发展过程中，船舶大型化对结构重量提出了更高的要求，目前的设计要求越来越高，尤其设计的范围不再是简单的船舶结构，而是需要考虑船体的板架、舱段一直到整个船体。所以设计任务增多，设计变量也增多了，一些约束条件以及目标函数导数不能及时的获取，所以会导致优化问题呈现多峰、高维等特点。所以传统的设计方法已经不再适用，设计的过程开始引入一些鲁棒性较好的算法等，最后会形成一个完整的规范公式，在公式中进行结构求解，以启发式算法为基础进行优化设计。

和经典算法进行比较，启发式算法主要是依赖于群体进化的方式进行全局寻优。在群体内部之间存在信息的交流，这种方式可以使信息得到充分的利用，尤其是能够加速寻优的过程。随着船舶结构优化设计工作的不断变化，启发式算法的优势日益凸显的原因主要有：（一）迭代过程只需要用目标函数值的信息，不需要使用目标函数导数信息，这种情况符合船舶结构设计的实际情况。

（二）启发式算法具有较强的全局搜索能力，算法的寻优结果不用过分依赖于初始点，因此设计者更自由，不需要考虑初始点的好坏。

（三）启发式算法具有较强的处理高维、高非线优化问题的能力，依靠“群体”的力量，因此能够更好的处理复杂问题。

（四）适合求解离散设计变量的优化问题。

在研究的过程中可以发现，虽然启发式算法有很多优点，但是其本身也存在一定问题，比如算法“早熟”，也就是寻优过程过早的集中在一个局部的区域无法跳出。此外，启发式算法的计算量比较大。

三、基于代理模型的优化方法

（一）基于静态代理模型的优化方法

代理模型使用的是简单的数学函数，近似于数学模型，这种模型的特点是可以在一定的精度保证下代替原分析系统。代理模型的计算速度比较快，而且主要是由数学函数组成的。在代理模型基础上可以进行敏度分析、可视化分析等，在深入研究之后能够发现其具有很多原模型的特点和性状。

很多学者将代理模型应用于船舶、桥梁、汽车等的优化设计中，而且得到了很好的效果。比如程远胜等人建立某潜艇端部耐压平面舱壁的BP神经网络代理模型，检验得到神经网络精度可以满足工程要求，且基于神经网络采用遗传算法获得的优化设计方案比原始方案质量减少了18.3%。不过，虽然在静态代理模型基础上的优化设计方法使用较为广泛，但是也存在一定的缺陷。

1.在构建代理模型之前，首先需要注意样本点规模、代理模型的类型等都需要由设计者进行规定，设计者的经验直接影响着规定的内容。如果代理模型的精度没有达到标准，就需要重新进行调整，反复调整就会导致样本点计算时间增加，因此也是对设计者的一种考验。

2.静态代理模型的方法，要想让代理模型在设计空间内始终保持良好的精度，设计者才能在优化设计的过程中更有信心，保证设计空间精度的代价主要是为了布置大量的样本点，如果设计变量数目较多，或者是设计变量水平数较多，样本点数目将会急剧增加，这样也会对设计者的工作造成影响。

3.优化设计需要找到最优点，代理模型需要在最优点附近有相当的精度，不许要考虑远离最优点的精度，为了保证设计空间具有良好的精度，很容易造成资源的浪费。

（二）基于动态代理模型的优化方法

动态代理模型可以充分的利用样本点信息，尤其是在优化的过程中能减少样本点的使用，与静态代理模型相比，具有高优化率和全局收敛性等特点。基于动态代理模型的优化方法主要有两类。

1.第一类算法

不需要改变搜索空间的大小，在迭代的过程中，全局最优点出现的区域可以增加采样点，更新代理模型，代表算法有EGO和MPS，这种算法的框架主要是：

1）选取一定数量的样本点构造初始的代理模型；

2）按照代理模型提供的信息产生新样本点；

3）将新样本点添加到样本集，计算新样本点的响应值，更新代理模型；

4）迭代一直到收敛条件。

2.第二类算法

分析代理模型的基本信息，把搜索空间定位在一个局部区域，增加局部区域样本点的树木，就可以对局部区域建立代理模型进行优化

设计。典型算法有ARSM、FCM以及SEUMRE。

基于动态代理模型的优化方法比静态代理模型优化方法的效率更高，对目标函数值计算次数较少，因此发展空间较大，不过还没有实

际应用在船舶结构的优化设计中。在其具体的使用过程中，应该注意关注以下几个问题。第一，提高基于动态代理模型优化方法的收敛性和鲁棒性，第二，考证基于动态代理模型的优化方法对高维复杂问题的适应性。

结论：随着船舶业的不断发展，船舶结构也在朝着大型化和复杂化的方向发展。船舶结构的局部优化设计无法满足设计者的需求，因

此实践证明整体统一优化要比局部优化效益更多。

参考文献：

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[2]周仕明,李道奎,唐国金.基于元模型与聚类算法的设计空间减缩策略及工程应用[J].计算力学学报.2012(02).

[3]郑少平，陈静，程远胜，刘均，肖汉林，詹大为.代理模型技术及其在船舶板架强度和稳定性计算中的应用[J].中国造船.2013(01).