船舶結構優(yōu)化設計方法的研究

趙明超 吳桂軍 徐光旗

摘要：社會經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術的進步極大地推動了我國船舶制造行業(yè)的發(fā)展。船舶制造不管是在生產(chǎn)工藝和技術，還是在生產(chǎn)質量和效率方面都實現(xiàn)了飛躍。船舶是海運的基本交通工具，船舶制造的進步保證了海洋運輸?shù)陌踩?。?yōu)化船舶結構是相關領域專家研究的重要課題，是船舶制造企業(yè)的發(fā)展出路。以現(xiàn)有結構優(yōu)化原理為基礎，加大對新技術、新工藝的研究投入，擺脫傳統(tǒng)技術的弊端，加強理念創(chuàng)新、技術創(chuàng)新。本文以船舶為研究對象，以船舶結構優(yōu)化設計方法為主題，展開了具體細致的研究，希望對船舶制造企業(yè)具有指導性的意義，提高我國船舶生產(chǎn)制造的質量和綜合水平。

關鍵詞：船舶；結構；優(yōu)化設計；方法研究；合理建議

引言

物流運輸行業(yè)是國民經(jīng)濟必不可少的組成部分。改革開放以來，我國物流運輸業(yè)取得了一定的成果，呈現(xiàn)出運輸網(wǎng)絡化、高速化、大型化的發(fā)展趨勢。水路運輸是五種基本交通運輸方式之一，水路運輸所依賴的交通工具就是船舶。船舶制造水平的進步提高了水路交通的速率，增強了水路運輸?shù)膬?yōu)勢。船舶的結構設計是船舶設計的核心，只有優(yōu)化船舶結構，才能在保證船舶安全穩(wěn)定航行的前提下，進一步提高船舶航行速率。船舶結構優(yōu)化越來越受到船舶制造企業(yè)和相關政府部門的重視，加強設計方法的研究勢在必行。從不同的角度出發(fā)，船舶結構優(yōu)化有不同的設計方法，下面將展開具體的研討。

1 船舶結構優(yōu)化設計方法分析

1.1 早期應用的優(yōu)化方法

在社會發(fā)展水平較為的低下的早期，船舶結構優(yōu)化的設計方法也比較淺顯，內(nèi)容單一。主要使用公式和計算機，對船舶結構進行局部的、簡單的優(yōu)化。第一步，相關人員向計算機輸入所需公式，輸入時要以計算機能夠讀懂的代碼為語言。第二步，計算機自動根據(jù)輸入數(shù)據(jù)完成計算，發(fā)揮其強大的計算功能。第三步，相關人員在深入分析計算結果的基礎上確定優(yōu)化方法。以計算機和公式為主要工具的設計方法，體現(xiàn)了船舶結構優(yōu)化的初步發(fā)展，提高了相關人員的設計工作效率，促進了我國船舶制造和遠洋運輸業(yè)的發(fā)展。

早期優(yōu)化方法充分使用了數(shù)學方法和理論，分析船舶的物理結構，協(xié)調各級各層結構之間的關系，從宏觀層面對比分析船舶的兩級結構。從迭代思想出發(fā)，調整船舶兩級結構的部分變量，使前期問題與目前問題產(chǎn)生固定的聯(lián)系。早期優(yōu)化方法有一定的先進性，例如適應范圍廣、收斂性高、簡單易懂、計算方便簡單等。不可否認地，早期優(yōu)化方法與現(xiàn)代優(yōu)化方法相比弊端顯露。第一，理論性較強，以數(shù)學理論為計算基礎，使用公式計算相關數(shù)據(jù)時難以估計收斂性，船舶結構無法實現(xiàn)最優(yōu)化。第二，早期優(yōu)化方法受設計人員工作經(jīng)驗的影響度高。選擇優(yōu)化方法的初始位置是結構優(yōu)化的首要步驟，對優(yōu)化效果具有直接影響。設計人員往往通過多次重復計算和個人經(jīng)驗來確定初始位置，容易出現(xiàn)失誤或偏差。因此，為促進船舶制造的發(fā)展，要進一步加大對船舶結構優(yōu)化設計方法的研究。

1.2 智能化優(yōu)化方法

機遇和挑戰(zhàn)是一對矛盾，社會經(jīng)濟的發(fā)展，一方面為船舶運輸帶來了極大的發(fā)展機遇，另一方面對船舶的質量和功能提出了更高的要求，具體衡量指標有最大運輸噸位、最大航行速率、最大存儲空間、安全性能等。船舶結構優(yōu)化的內(nèi)容更加豐富，從內(nèi)部艙體結構延伸到包括甲板、剖面的外部結構。擴大優(yōu)化工作范圍，計算時的數(shù)量、函數(shù)以及約束條件會同步增加。早期優(yōu)化方法的局限性顯露，難以適應數(shù)據(jù)龐大、流程復雜的計算工作。值得注意的是，早期優(yōu)化方法主要是針對船舶的靈敏度，涵蓋的數(shù)據(jù)較為單調。船舶運輸業(yè)的進步和發(fā)展催生了新的需求。如何提高船舶運輸?shù)男屎唾|量，成為專家和學者的研究主題。在發(fā)展的時代背景下，更加科學合理的智能化優(yōu)化方法應運而生。

智能化優(yōu)化方法的優(yōu)點在于，以數(shù)學理論為解決問題的基礎，建立數(shù)學模型進行智能化運算，減少了對數(shù)據(jù)資料的依賴程度，發(fā)展了尋找最優(yōu)變量的新功能。其基本原理為：第一步，整理產(chǎn)品資料，分析數(shù)據(jù)信息，總結產(chǎn)品具有的普遍性特質，建立分析模式。第二步，使用類比法、關聯(lián)法，找出樣本與設計目標的異同點。第三步，根據(jù)統(tǒng)一指標歸納出新模式，通過比較確定最合適的優(yōu)化方法。智能化優(yōu)化方法相較于早期優(yōu)化方法，具有先進之處。智能化優(yōu)化方法具備自動查找最優(yōu)變量的功能，突破了早期點對點查找的弊端，發(fā)展以種群、蟻群為典型代表的群體算法，更新了尋優(yōu)算法理論，實現(xiàn)了理論創(chuàng)新。早期優(yōu)化方法或早或晚會遭到淘汰，新興的智能優(yōu)化方法將取而代之，這是發(fā)展的必然趨勢。以下三個方面可以充分印證。第一，智能化優(yōu)化方法對復雜計算工作的適應性強，輸入數(shù)量、函數(shù)、約束條件便可以通過迭代法自動完成計算。第二，智能化優(yōu)化方法對確定初始位置的依賴性較小，計算結果受影響小、更加可靠。第三，智能化優(yōu)化方法使用群體算法，能滿足非線性、高緯度的計算工作，降低設計工作的難度，實現(xiàn)船舶結構的最優(yōu)化。總的來說，智能化優(yōu)化方法對船舶結構優(yōu)化至關重要。

2 提高船舶結構優(yōu)化設計方法有效性的措施

2.1 提高設計人員的專業(yè)素養(yǎng)

早期的船舶結構優(yōu)化更多依賴設計人員的工作經(jīng)驗。與之相反，智能化優(yōu)化方法對設計人員個人經(jīng)驗的依賴性大幅度降低。盡管在船舶結構優(yōu)化設計過程中，智能化優(yōu)化方法占有一席之地并繼續(xù)擴大其影響力，但并不意味著所有的設計人員都掌握了新理念、新方法，提高設計工作的有效性仍然是一個難題。要加大對設計人員的培新力度，鼓勵設計人員學習新型的設計方法，踐行新型的設計理念，增強創(chuàng)新意識，提高設計人員的專業(yè)素養(yǎng)和綜合能力，為我國船舶制造和運輸業(yè)培養(yǎng)一支高素質的人才隊伍。

2.2 算法的進一步優(yōu)化

船舶生產(chǎn)技術的進步體現(xiàn)之一在于算法的進步。在算法的選擇上，要根據(jù)船舶的構造確定最合適的算法。算法在船舶結構優(yōu)化設計工作中占有重要地位，提高算法的有效性是設計工作的重點內(nèi)容。一方面，加大對算法的研究投入，減少非相關因素的負面影響，提高算法的精準度。另一方面，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，增強創(chuàng)新能力，根據(jù)成功的船舶優(yōu)化案例，進一步開展對優(yōu)化方法的研究，以促進我國船舶業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。

總結

做好船舶結構優(yōu)化的設計工作，有利于保證船舶運輸?shù)陌踩€(wěn)定、促進國民經(jīng)濟的發(fā)展。加大人才培養(yǎng)力度，提高設計人員的專業(yè)知識水平，重視結構優(yōu)化的研究，提高優(yōu)化方法的科學性，朝著智能化的方向發(fā)展。減少設計人員對以往經(jīng)驗的依賴，更多地依靠先進的、智能化的專業(yè)知識和技術。從而縮減我國與歐美等發(fā)達國家的差距，與發(fā)達國家船舶制造水平保持一致，實現(xiàn)我國船舶制造和運輸業(yè)的飛躍發(fā)展。

參考文獻

[1]劉?？?關于船舶結構優(yōu)化設計方法的研究[J].城市建設理論研究（電子版），2014，（19）：575-575.

[2]董楠.關于船舶結構優(yōu)化設計方法的研究[J].城市建設理論研究（電子版），2015，（19）：1458-1458.

[3]秦書明，王丁，楊敏等.解析船舶結構優(yōu)化設計的方法[J].城市建設理論研究，2014，（12）.

[4]郭軍，肖熙.基于可靠性的船體結構多目標優(yōu)化設計[J].上海交通大學學報，2010（1）.

[5]俞銘華，謝祚水，吳劍國，竇培林，曹驥.船舶中剖面結構優(yōu)化設計研究進展[J].華東船舶工業(yè)學院學報，2012（3）.

[6]郭小東，嵇春艷，王自力，顧學康，胡嘉駿.大型油船中剖面結構優(yōu)化設計的遺傳算法[A].2005年船舶結構力學學術會議論文集[C]，2011（12）.

（作者單位：南通諾德瑞海洋工程研究院有限公司）