船舶結構優(yōu)化設計方法及應用

張 扯，姜 偉

（大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116000）

0 引言

在目前科技時代背景下，船舶建造行業(yè)面臨著很大挑戰(zhàn)，尤其是船舶建造速度和質量，相比以往有了更高的要求，因此在建造過程中需要利用結構優(yōu)化的設計方法，滿足船舶建造的各項要求。隨著我國市場經(jīng)濟的迅速發(fā)展，船舶行業(yè)也得到了較好發(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量提出了更高的要求。準確來說船舶結構優(yōu)化設計，就是指在船舶建造強度、剛度等條件限制下，利用科學的技術方法，對船舶建造形式、尺寸等結構參數(shù)展開優(yōu)化，從而大大降低船舶建造時間，這對于推動我國船舶建造行業(yè)發(fā)展來說，起到至關重要的作用和意義。因此要利用好各類科學技術，促進船舶建造行業(yè)不斷發(fā)展，提高我國船舶建造水平，最終形成競爭優(yōu)勢。

1 船舶結構優(yōu)化設計概念與理念

1.1 船舶結構優(yōu)化設計概念

近些年科學技術不斷發(fā)展，并且應用到了造船行業(yè)中，也促使建造技術得到了進一步提高，目前在船舶設計建造中，必須要保證其安全性、穩(wěn)定性，這是船舶建造中的一條重要原則，最后再深入挖掘船舶設計的經(jīng)濟效益。因此船舶結構優(yōu)化設計，就是在滿足建造質量等條件的情況下，追求更多的經(jīng)濟利益，并且可以創(chuàng)新船舶設計結構形式，有助于推動整個行業(yè)的全面發(fā)展。其次船舶建造是一項十分復雜的工程，其中涉及到諸多的環(huán)節(jié)，包含尺寸、外形等，還需要達到預期的重量標準、質量標準，想要滿足這些條件，必須要加強結構優(yōu)化設計，確保船舶框架形式、結構尺寸、強度剛性，以獲得最佳的設計方案。

1.2 船舶結構優(yōu)化設計理念

針對船舶結構優(yōu)化設計，最關鍵的部分就是設計理念，并且要以此理念為基礎展開進一步分析，包括任務總量等因素。由于船舶建造工程較大，所以在結構優(yōu)化設計方面也會涉及到很多內(nèi)容，比如基礎信息綜合性工作。另外在設計過程中要加強準備控制，按照實際情況制定設計方案與建造要點。船舶造型優(yōu)化設計，也是較為重要的環(huán)節(jié)，需要不斷溝通嚴格制定設計方案，并根據(jù)船舶建造的實際情況展開管理，包括圖紙、方案、準備以及管理等多個方面。由于船舶結構優(yōu)化設計，屬于混合優(yōu)化設計方式，因此需要針對結構展開分類，按照變量屬性的方法，分為多種不同的結構模型展開優(yōu)化[1]。

2 船舶結構優(yōu)化設計中的重要因素

2.1 工作環(huán)境

船舶在海水中航行，因此不可避免會與腐蝕性介質接觸，很容易引發(fā)結構腐蝕等現(xiàn)象，這需要工作人員及時展開保養(yǎng)工作，如果腐蝕不斷加重，就會導致船舶構件損壞，船體強度也會不斷降低。另外，海面氣候往往惡劣，會遭遇波浪拍擊等現(xiàn)象，也會給船體造成嚴重影響，尤其在船體本身存在腐蝕、損傷等情況下，就會引發(fā)船體破損進水，最終造成嚴重的安全事故。在船舶的運行過程中，波浪沖擊是無法避免的現(xiàn)象，對于船體外板會造成腐蝕、變形，船體應力會受到很大影響。巨大浪涌往往會造成船體扭曲的問題，為船舶航行帶來極大的風險，因此在結構優(yōu)化設計中，要充分考慮到這個因素。

2.2 船體荷載

很多船舶都會運送大量貨物，所以對其自身的結構質量有很高的要求，在結構優(yōu)化設計中，要充分考慮船舶應力、穩(wěn)定性等方面的因素。另外船體荷載也極為關鍵，在運輸期間會受到多重荷載的影響，例如船體自重、海水浮力、貨物壓力等，甚至風力都會帶來一定影響，當然也有比較嚴重的撞擊等突發(fā)性荷載，這也是需要重視的優(yōu)化因素。一般可以通過結構設計抵消荷載，來增加船舶的穩(wěn)定性，促使整體的荷載達到平衡狀態(tài)。

3 船舶結構優(yōu)化設計中的關鍵環(huán)節(jié)

按照變量屬性，將船舶結構優(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，船舶結構優(yōu)化設計本身屬于一項混合優(yōu)化設計方式。

3.1 縱橫向構件

為了提高船舶結構建造強度、剛性，在頂邊艙、底邊艙等部分，都會采取高強度的箱形三角結構，再利用雙層底結構設計，就能滿足船舶結構強度要求。針對單殼體船舶，應該著重考慮布置方面的優(yōu)化設計，大多數(shù)船舶在雙底層結構中，都會選擇縱骨架式的設計方案，機艙部分設置主肋板，不過需要注意位置，一般主機座、鍋爐座下都需要設置主肋板，間距必須保持在3.6 m。除此之外大型船舶則會使用旁龍骨，也就是在龍骨兩端設置，并且要保持好間距，應控制在4.6 m以上。

3.2 箱形中桁材

箱型龍骨的應用也比較多，被稱為箱形中桁材，在應用過程中會作為普通龍骨的替代，并設計在船舶雙層結構中線下，箱形中桁材大多會采用集中布設的形式，需要注意管道在穿過時不會影響整體操作。

船舶機艙前端的部分，會采用通往箱形中桁材的人孔設計，同時增加水密裝置，為保證后續(xù)各項檢查工作的開展。很多船舶也會通過橫向骨架替換肋板，或環(huán)形框架替換橫骨的設計，從而提高船舶結構的強度標準。

3.3 構件連接

在船舶結構優(yōu)化設計過程中，構件連接是較為重要的環(huán)節(jié)，目前主要采用3種連接形式，包括連接肘板設置、整體式端肘板以及成整體型設計。往往會通過疲勞強度校核等方法優(yōu)化節(jié)點，增強船舶構件的局部或整體強度，從而避免受到不良荷載的影響，降低疲勞程度延長船舶使用壽命[2]。

4 船舶結構優(yōu)化設計方法及應用實踐

4.1 經(jīng)典數(shù)學規(guī)劃法

數(shù)學規(guī)劃法屬于較為傳統(tǒng)的規(guī)劃理論，不過整體相對較為全面，并且具有較大的應用范疇，同時在收斂性上也有一定保障，但也存在較為復雜的計算步驟，收斂所需要的時間也比較長。例如在針對多個變量的優(yōu)化方面，就會暴露出很多應用缺陷。目前數(shù)學規(guī)劃方法在不斷完善，而且充分融合了準則法，能夠發(fā)揮出較多的設計優(yōu)勢，尤其在力學特征等方面，像選取顯示逼近、有效限制、連接變量等，大幅度增加了運算速度。準則法是在力學相關知識和工程設計相關經(jīng)驗的基礎上，創(chuàng)建出來的優(yōu)化設計方式。這類船舶結構經(jīng)典優(yōu)化設計方式，在符合所有約束限制的設計方案內(nèi)，選擇最佳的準則法設計方式。近些年來數(shù)學規(guī)劃法不斷進步，在船舶結構優(yōu)化設計中也發(fā)揮出了重要作用，能夠實現(xiàn)多目標優(yōu)化效果，運用該方法能夠解決船舶剖面結構、船舶框架、船舶板架等多項基礎問題。

4.2 遺傳優(yōu)化設計法

為了對船舶結構進行有效優(yōu)化，因此針對數(shù)學模型變量屬性展開分析研究，并演變出遺傳模型優(yōu)化設計方法，在應用過程中會把結構優(yōu)化設計分為不同模型，例如離散變量模型、連續(xù)變量模型以及混合變量模型。目前來看，遺傳模型結構優(yōu)化設計方法，要比傳統(tǒng)模型設計更加完善，并且通過新的研究，以船舶結構設計為基礎，融入生物化知識等內(nèi)容，對遺傳算法進行有效的創(chuàng)新。在運用過程中具有較為優(yōu)秀的穩(wěn)健性，不需要導出資料就能借助目標函數(shù)及時完善不足之處，能夠充分解決設計過程中的連續(xù)性、離散型等重要問題，并且通過大量實踐證明，該方法適用于不同的環(huán)境，因此在船舶結構優(yōu)化設計過程中，可以發(fā)揮出至關重要的作用[3]。

4.3 模糊優(yōu)化設計法

模糊原理主要是以模糊判決為基礎進行創(chuàng)新，屬于限界搜索法，最早誕生于1980年代，該方法應用在船舶結構優(yōu)化設計中，可以處理機構優(yōu)化等難題。在實際應用過程中，針對船舶的槽形、橫艙壁、剖面以及其他結構展開計算，并結合建造需求明確模糊要素的覆蓋情況，再通過該方法實現(xiàn)設計優(yōu)化。另外，該方法適用于較為復雜的設計工程，可以實現(xiàn)多目標模糊優(yōu)化設計，因此具有較強的適用性，能夠充分滿足船舶結構優(yōu)化設計目標，在減少原材料的基礎上，進行有效的優(yōu)化設計。

4.4 智能優(yōu)化設計法

在目前的科技時代背景下，智能優(yōu)化設計方法無疑更為適用，能夠滿足現(xiàn)代船舶建造設計標準，根據(jù)實際建造需求，最終獲得最佳的設計方案。目前有很多船舶結構設計公司，都在采用智能化設計方法，不僅增加了優(yōu)化設計的效率，也可以為船舶建造打下扎實基礎。準確來說智能優(yōu)化設計方法，主要由智能網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)組成，并且在實際運用過程中發(fā)揮出重要作用。例如在船舶解剖面的優(yōu)化設計中，就需要利用專家系統(tǒng)，并針對表殼展開分析，最終實現(xiàn)有效的優(yōu)化。通過實際應用可以看到，專家系統(tǒng)的原理就在于模仿專業(yè)人士展開優(yōu)化，主要利用儲存的理論知識、設計結果[4]。

4.5 準則優(yōu)化設計法

準則優(yōu)化設計方式屬于力學和工程設計方面的知識，其在實際運用中需要以二者為基礎，進而提升船舶的優(yōu)化效果，使其實際建造效果更佳。準則法在實際運用過程中，需要根據(jù)約束限制的設計方案進行選擇和優(yōu)化，運用標準化設計選擇最佳的設計方式，此方式包括位移準則法、能量準則法、滿應力準則法等。準則優(yōu)化設計法，在實際運用過程中具有較大的優(yōu)勢，在物理層面上的設計工作開展得較為清晰，并且其在實際運用過程中的計算方式較為簡單，在具體計算環(huán)節(jié)中，具有極高的準確度，結構分析較少，進而在實際計算過程中的收斂速度較快，在船舶優(yōu)化設計過程中具有廣泛的運用[5]。

4.6 蟻群優(yōu)化設計法

蟻群算法主要是指，在設計中運用組合優(yōu)化方式，啟發(fā)隨機搜索算法的優(yōu)化設計方法，此主要是針對螞蟻尋找路徑的方式進行仿生模擬，經(jīng)過延緩和計算得到的一種路徑幾率性算法。蟻群算法在實際運用過程中與其他方式相比具有明顯的解決優(yōu)勢，能在船舶的設計過程中尋找最優(yōu)化設計方法，致使設計人員在實際工作過程中運用最適合的數(shù)據(jù)。在船舶設計過程中，該方法具有較多的信息素，使得路徑選擇得到優(yōu)化，進而提升設計效果，增加船舶的承受力，增強船舶的形式效果。蟻群算法的實際運用流程如下：1）對算法參數(shù)和信息素矩陣進行初始化處理。2）對信息素中包含的路徑對應目標函數(shù)進行質量評估。3）通過信息素的更新與增加，對所有路徑進行審核，查找最具有潛力的路徑。4）利用概率學原理對禁止重構路徑進行查找和選擇。

4.7 可靠性的優(yōu)化設計法

可靠性優(yōu)化設計方法由船舶結構可靠性理論與要求的差異性推演而來，此種方式在實際運用過程中，可以根據(jù)設計目標的不同層次，得出不同船舶結構可靠性設計準則，并在實踐中運用直接法和半直接法取代習用方法開展可靠性分析。具體運用方式為運用船舶橫將強度問題實現(xiàn)確定的指數(shù)，再根據(jù)材料的屈曲度、承受能力、受疲勞度對整體計算數(shù)據(jù)進行整改，致使有限單元法中的破壞發(fā)生概率得以有效求出，再運用直接法和半直接法實現(xiàn)標準測試，進而擴大船體的應力范圍。根據(jù)相應的計算結果可知，此種優(yōu)化設計方式在實際運用過程中，對于弧肋框和縱強度構建的面板彎曲部分的焊接處會產(chǎn)生一定的疲勞裂縫，因此一定要注重此處的疲勞強度[6]。

5 結語

近些年我國船舶建造技術逐漸完善，能夠針對不同類型的船舶結構展開優(yōu)化設計，并根據(jù)建造需求制定新的設計方案，目前有很多優(yōu)化設計方法可以采用，極大程度推動了我國船舶建造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在船舶結構設計中應該結合實際的建造需求，優(yōu)化設計方式。就目前船舶結構設計情況而言，應用了形狀優(yōu)化、模糊優(yōu)化、遺傳優(yōu)化等設計方式。在船舶建造過程中，結構優(yōu)化設計是非常重要的部分，只有這樣才能滿足建造需求，并保證船舶結構的穩(wěn)定性，因此要利用科學技術不斷深入，有效結合優(yōu)化設計方法、設計理論，最終達到船舶建造目標。船舶結構優(yōu)化十分復雜，涉及到很多專業(yè)性知識，因此需要船舶設計人員加以重視，并利用好各類優(yōu)化設計方法，為我國船舶建造產(chǎn)業(yè)奠定發(fā)展基礎。