探討船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法及應(yīng)用實(shí)踐

楊玉慶 李宏越

摘 要：不論何種船舶結(jié)構(gòu)，其創(chuàng)造性、綜合性、經(jīng)驗性都比較強(qiáng)，隨著市場經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型，科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各行各業(yè)逐漸開始創(chuàng)新，船舶制造行業(yè)也應(yīng)該進(jìn)行創(chuàng)新。在實(shí)際中采取何種優(yōu)化方法，才能獲取相應(yīng)的效果，這就需要結(jié)合實(shí)際的建造需求，文章主要探討的是船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方式及其應(yīng)用實(shí)踐。首先分析了船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的概述，同時闡述了各類優(yōu)化設(shè)計方式及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：船舶結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；概念；應(yīng)用

近幾年，隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，船舶行業(yè)也得到了較好的發(fā)展，在科技時代背景下，船舶建造行業(yè)也面臨著較大的挑戰(zhàn)，對船舶的制造速度和制造質(zhì)量提出了更高的要求。借助何種手段，在確保船舶制造質(zhì)量的同時，縮減制造速度是當(dāng)前船舶制造企業(yè)首要解決的難題。全球范圍內(nèi)的造船大國，僅創(chuàng)建了大量的數(shù)字化造船體系。

1 船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計概述

1.1 船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計概念

隨著船舶行業(yè)的不斷發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)的不斷轉(zhuǎn)變，與船舶設(shè)計相關(guān)的知識、技術(shù)也在發(fā)生了變化。在船舶設(shè)計制造過程中不管應(yīng)用何種設(shè)計方式，首先需要確保船舶使用的安全性、便捷性，進(jìn)而再追求船舶設(shè)計的經(jīng)濟(jì)利益，這也是船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則。對船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化主要是為了挖掘更大的經(jīng)濟(jì)效益，同時創(chuàng)新船舶設(shè)計結(jié)構(gòu)形式，在設(shè)計過程中主要包含設(shè)計大小、設(shè)計外形等信息，追求目標(biāo)與重量的同時，還需要符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，滿足相應(yīng)的約束限制，以此確保在船舶設(shè)計過程中，實(shí)現(xiàn)動力形態(tài)與精力形態(tài)的完美結(jié)合。

1.2 船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化分類

按照變量屬性，將船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化劃分為離散模型、連續(xù)模型、混合變量模型。由于船舶制造過程中自身的比較繁瑣，在建造過程中包括連續(xù)性、離散性，在骨材制造中包含連續(xù)性，在鋼材厚度、型材上涉及離散性內(nèi)容，因此，船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計本身屬于一項混合優(yōu)化設(shè)計方式。

2 船舶結(jié)構(gòu)經(jīng)典優(yōu)化設(shè)計方式

2.1 準(zhǔn)則優(yōu)化設(shè)計方式

準(zhǔn)則法是在力學(xué)相關(guān)知識和工程設(shè)計相關(guān)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建出來的優(yōu)化設(shè)計方式。這類船舶結(jié)構(gòu)經(jīng)典優(yōu)化設(shè)計方式，在符合所有約束限制的設(shè)計方案內(nèi)，選擇最佳的準(zhǔn)則法設(shè)計方式。

準(zhǔn)則法經(jīng)典優(yōu)化設(shè)計方法的優(yōu)點(diǎn)包括：（1）物理層的作用比較清晰，能夠更好地開展分析工作；（2）準(zhǔn)則法計算方式比較簡單；（3）在具體的計算環(huán)節(jié)里，結(jié)構(gòu)分析的次數(shù)較少；（4）計算過程中收斂速度較快，在最初使用傳播結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的時候，這類設(shè)計方式得到了廣泛的應(yīng)用。準(zhǔn)則優(yōu)化設(shè)計方式的缺點(diǎn)包括：（1）無法確保計算結(jié)果的最優(yōu)化；（2）收斂性難以驗證；（3）在優(yōu)化過程中，設(shè)計工作人員需要按照實(shí)際狀況完成各項工作。

基于準(zhǔn)則法的缺點(diǎn)，將其融入了形狀優(yōu)化內(nèi)，通過實(shí)踐形狀優(yōu)化設(shè)計方式，能夠有效避免應(yīng)力集中問題。若是力學(xué)模型中涉及大量的變量，使用這類方法能夠簡化設(shè)計環(huán)節(jié)。目前，在一般的船舶建造工程內(nèi)，常見的準(zhǔn)則法包括：位移準(zhǔn)則法、能量準(zhǔn)則法、滿應(yīng)力準(zhǔn)則法。

2.2 數(shù)學(xué)規(guī)劃設(shè)計方式

隨著準(zhǔn)則法的不斷發(fā)展，相關(guān)專家學(xué)者對數(shù)學(xué)規(guī)劃也展開了探討，在1970年，相關(guān)學(xué)者創(chuàng)新了結(jié)構(gòu)優(yōu)化定義，為規(guī)范法注入了活力。通常情況下使用的方式為：單目標(biāo)排序法、降維法、函數(shù)評價法等。在使用過程中是將多個目標(biāo)進(jìn)行規(guī)范，簡化為單個目標(biāo)，通過優(yōu)化單個目標(biāo)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)設(shè)計方式的優(yōu)化。

數(shù)學(xué)規(guī)劃法是在規(guī)劃論的基礎(chǔ)上存在，由于理論較為全面，因此使用范圍也比較廣，數(shù)學(xué)規(guī)劃法自身還具備一定的收斂性。但是在應(yīng)用中依舊存在一些缺點(diǎn)，主要包括：（1）計算環(huán)境較為復(fù)雜、收斂耗費(fèi)的時間比較長，特別是是在變量較多的情況下，收斂耗時比較明顯；（2）在計算上還存在一些隱性缺陷。

針對上述問題，相學(xué)者進(jìn)行了改進(jìn)，在規(guī)范法中融入了準(zhǔn)則法的優(yōu)點(diǎn)，依照力學(xué)的特征進(jìn)行了完善，其完善范圍包括：選取顯示、導(dǎo)入倒數(shù)、制約功能、連接變量等方面，很大程度提升了運(yùn)算速度。

3 船舶結(jié)構(gòu)創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計方式及應(yīng)用實(shí)例

3.1 遺傳模型優(yōu)化設(shè)計方式

遺傳模型是在相關(guān)數(shù)學(xué)模型變量屬性的基礎(chǔ)上演變而來，能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計劃分為離散變量模型、連續(xù)變量模型、混合變量模型?；趥鹘y(tǒng)模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的不足之處，相關(guān)專家學(xué)者研發(fā)出了一種全新的算法，依照船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計的特征，融入生物進(jìn)化知識，創(chuàng)新遺傳算法。經(jīng)過實(shí)驗得知，這類遺傳算法具備較強(qiáng)的魯棒性，不需要導(dǎo)數(shù)資料，就能夠借助目標(biāo)函數(shù)的方式，將之前的不足之處及時完善。相應(yīng)工作由編碼集完成，利用二進(jìn)制將相應(yīng)的變量關(guān)系表現(xiàn)出來，有效解決在設(shè)計過程中連續(xù)性、離散性問題。效仿生物進(jìn)化的方式開展交叉算子、再生算子、異化算子。通過實(shí)踐證明，這類優(yōu)化設(shè)計方式適用于各類繁瑣的設(shè)計環(huán)境。在實(shí)際的應(yīng)用中，遺傳優(yōu)化設(shè)計方式具有顯著的應(yīng)用效果，是工程設(shè)計上的又一次革新，意義顯著。

3.2 模糊原理優(yōu)化設(shè)計方式

模糊原理最早起源于1980年，是在模糊判決的基礎(chǔ)上創(chuàng)新出的限界搜索法，將其應(yīng)用在船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，能夠有效處理機(jī)構(gòu)優(yōu)化的難題。應(yīng)用健全的模糊目標(biāo)原理，將閾值視為變量（附加），有效避免了一次求解下的最大水平法，在求解之后只需要對施工、結(jié)構(gòu)等要素進(jìn)行思考，創(chuàng)建要素權(quán)重集與排序結(jié)合的模糊評價方式，在此基礎(chǔ)上確定模糊約束容差值。例如：在對油船的槽形、橫艙壁、剖面、其他結(jié)構(gòu)等進(jìn)行計算，首先需要結(jié)合工程的實(shí)際情況，明確模糊要素的覆蓋情況，接著再借助模糊優(yōu)化設(shè)計方式，在減少原材料的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)設(shè)計的優(yōu)化性。

模糊船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在較為繁雜的設(shè)計工程內(nèi)，會存在著多個目標(biāo)問題，在最大法背景下，對模糊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行擴(kuò)張，能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)模糊優(yōu)化設(shè)計方法的融合，同時實(shí)現(xiàn)了約束、目標(biāo)不同層次的模糊性。在應(yīng)用過程中首先需要創(chuàng)建符合模糊約束的目標(biāo)子集，接著按照模糊判決，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ǖ囊?guī)劃接著開展求解。模糊船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在實(shí)際的應(yīng)用中，不僅能夠滿足現(xiàn)實(shí)的設(shè)計需求，同時相關(guān)工作人員還能夠結(jié)合實(shí)際狀況，選取應(yīng)用，具有較強(qiáng)的適用性。

3.3 智能型優(yōu)化設(shè)計方式

由于當(dāng)前屬于科學(xué)技術(shù)時代，因此，在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中智能型優(yōu)化設(shè)計方式使用較為普遍，在明確了最基礎(chǔ)的設(shè)計方式之后，接著根據(jù)實(shí)際情況深入研究設(shè)計問題，用數(shù)學(xué)規(guī)劃的方案總結(jié)出最佳的設(shè)計方案。例如：某船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計公司，借助智能型優(yōu)化設(shè)計方式，系統(tǒng)內(nèi)部的專家技術(shù)系統(tǒng)，為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，在實(shí)際的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)智能型船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有效融合了經(jīng)典的優(yōu)化設(shè)計方式與人工智能，全面提升系統(tǒng)的設(shè)計效率。

根據(jù)相關(guān)調(diào)查，目前智能型船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要包括兩種：一是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計法、二是專家系統(tǒng)設(shè)計法，這類系統(tǒng)在輪船結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計上得到了廣泛應(yīng)用。例如：在設(shè)計過程中可以將輪船的節(jié)剖面發(fā)送至專家系統(tǒng)，專家將在線對表殼進(jìn)行理性分析，將專家的主觀經(jīng)驗整合，以此實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化。由于這類系統(tǒng)是效仿專業(yè)人士開展優(yōu)化設(shè)計工作，其中儲存的理論知識、優(yōu)化設(shè)計結(jié)果具有十分重要的作用。

4 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計逐漸得到人們的重視。在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該結(jié)合實(shí)際的建造需求，優(yōu)化設(shè)計方式。就目前船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計情況而言，應(yīng)用了形狀優(yōu)化、模糊優(yōu)化、遺傳優(yōu)化等設(shè)計方式，在此背景下很大程度推動了船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展，為船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

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