基于結構優(yōu)化的客滾船輕量化設計

朱寶會，喬學彬，孫彥剛，歐書博，王洪玉

基于結構優(yōu)化的客滾船輕量化設計

朱寶會，喬學彬，孫彥剛，歐書博，王洪玉

（招商局金陵船舶（威海）有限公司，山東 威海 264200）

以客滾船為研究對象，基于結構優(yōu)化的思想，探究客滾船輕量化設計方法。首先介紹了結構優(yōu)化的概念、原理和方法，明確了客滾船結構優(yōu)化設計的特點和要求。接著闡述了客滾船輕量化的意義，以及常用的輕量化方法和技術。針對客滾船輕量化設計的問題，提出了一種基于結構優(yōu)化的客滾船輕量化設計方法。最后，通過案例分析驗證了該方法的有效性，同時分析了輕量化設計對客滾船性能的影響，并對未來的研究進行了展望。本文研究結果對于提高客滾船的性能和安全性，降低成本和環(huán)境污染具有重要的意義。

客滾船 結構優(yōu)化 輕量化設計 案例分析 船舶性能與成本

0 引言

客滾船是一種具有重要戰(zhàn)略意義的船舶類型，對經濟和社會具有重要意義。隨著社會經濟的發(fā)展和人們出行需求的增加，客滾船的使用量增多，同時也面臨著能源和環(huán)境保護的壓力。因此，研究客滾船輕量化設計具有重要的現(xiàn)實意義和應用價值。

在實際應用中，客滾船的輕量化設計面臨著許多挑戰(zhàn)和難點。首先，輕量化設計需要滿足船舶的強度、穩(wěn)定性和安全性等要求。其次，客滾船作為大型船舶，需要綜合考慮材料、結構、工藝等多個方面的因素。最后，輕量化設計需考慮船舶的整個生命周期成本，從全局角度出發(fā)綜合考慮各個影響因素。

客滾船輕量化設計已成為國內外船舶設計領域的研究熱點，取得一定的成果。國外已制定嚴格的船舶減排法規(guī)和標準，應用新技術支持輕量化設計。國內研究主要集中在客滾船的結構設計和材料選擇，有限元分析方法對結構進行優(yōu)化設計，但仍存在一些問題和不足。

本研究旨在利用現(xiàn)代輕量化設計方法和技術，以客滾船為研究對象，從材料、結構、工藝等多個方面進行優(yōu)化設計，實現(xiàn)客滾船的輕量化。具體內容包括分析現(xiàn)狀和問題，探究輕量化設計的重要性和發(fā)展趨勢，綜合運用現(xiàn)代設計方法進行優(yōu)化，驗證設計方案的可行性和實用性。

本研究的具體內容包括：

1）分析客滾船輕量化設計的現(xiàn)狀和存在問題，探究輕量化設計的重要性和發(fā)展趨勢；

3）綜合運用有限元分析、拓撲優(yōu)化、多目標優(yōu)化等現(xiàn)代輕量化設計方法，從材料、結構、工藝等多個方面進行優(yōu)化設計，以提高客滾船的輕量化水平；

4）基于實際案例，對輕量化設計進行驗證和分析，探究設計方案的可行性和實用性；

探究客滾船輕量化設計中存在的問題和挑戰(zhàn)，并提出相應的解決方案和建議，為進一步推動客滾船輕量化設計的發(fā)展提供科學依據(jù)和技術支持。

1 客滾船結構優(yōu)化設計原理

1.1 結構優(yōu)化的概念和原理

圖1 輕量化優(yōu)化流程圖

結構優(yōu)化是指利用現(xiàn)代計算機輔助設計和分析軟件，通過數(shù)值分析和優(yōu)化算法，對結構進行設計、分析和優(yōu)化的過程。在結構優(yōu)化過程中，需要考慮多個因素，包括結構的強度、剛度、穩(wěn)定性、輕量化等方面，以達到優(yōu)化設計的目的。結構優(yōu)化流程圖詳見圖1。

結構優(yōu)化的基本原理是通過分析結構的載荷、約束條件等參數(shù)，建立數(shù)學模型，并運用數(shù)值優(yōu)化算法，自動搜索最優(yōu)解。在優(yōu)化過程中，需要根據(jù)實際情況和設計要求，設置優(yōu)化變量和約束條件，并進行多目標優(yōu)化、多點優(yōu)化、拓撲優(yōu)化等優(yōu)化方式的選擇。

結構優(yōu)化能夠有效提高結構的性能、減少材料的消耗和成本，是船舶輕量化設計中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

1.2 客滾船結構優(yōu)化設計原理

結構優(yōu)化方法和技術是指在結構設計、分析和優(yōu)化中運用的具體技術和算法。下面列舉幾種常用的結構優(yōu)化方法和技術：

1.2.1 有限元分析：

有限元分析是一種基于數(shù)值計算的結構分析方法，通過離散化的方式，將結構分解成多個小部件，然后進行數(shù)值計算，以求解結構的應力、應變等參數(shù)。有限元分析可以在短時間內獲得較為準確的結構參數(shù)，是結構優(yōu)化的基礎。

1.2.2 拓撲優(yōu)化：

拓撲優(yōu)化是指通過去除結構中不必要的材料，使結構在保證強度和剛度的前提下達到最小重量的優(yōu)化方法。拓撲優(yōu)化通過優(yōu)化結構的拓撲形態(tài)，實現(xiàn)輕量化設計的目的。

1.2.3 多目標優(yōu)化：

多目標優(yōu)化是指同時優(yōu)化多個目標函數(shù)的優(yōu)化方法，如結構的強度、穩(wěn)定性和輕量化程度等。多目標優(yōu)化可以綜合考慮多個因素，以獲得更好的優(yōu)化效果。

1.2.4 參數(shù)化設計：

參數(shù)化設計是指將結構的設計參數(shù)化，以便進行優(yōu)化設計和靈活調整。通過參數(shù)化設計，可以快速有效地生成大量結構設計方案，并在其中選擇最優(yōu)的設計方案。

1.2.5 人工神經網(wǎng)絡：

人工神經網(wǎng)絡是一種模仿人類大腦神經元功能的計算模型，可以用于預測結構的性能和參數(shù)。在結構優(yōu)化過程中，可以利用人工神經網(wǎng)絡，快速有效地預測結構的性能，并進行優(yōu)化設計。

結構優(yōu)化方法和技術的應用可以大大提高輕量化設計的效率和精度，為船舶輕量化設計提供了有力的技術支持。

1.3 客滾船結構優(yōu)化的特點和要求

1.3.1 輕量化：

客滾船結構優(yōu)化的首要目標是輕量化，即在保證船舶安全性、強度和穩(wěn)定性的前提下，最大限度地減少船舶重量。

1.3.2 穩(wěn)定性：

客滾船結構優(yōu)化需要考慮船舶在各種情況下的穩(wěn)定性，如載貨、承載人員、海況等，以確保船舶的穩(wěn)定性和航行安全。

1.3.4 強度

客滾船結構優(yōu)化需要考慮船舶的強度，即結構在外力作用下的抵抗能力。船舶結構的強度是保證船舶安全性的重要因素。

1.3.4 節(jié)能

客滾船結構優(yōu)化需要考慮船舶的能源消耗，以實現(xiàn)節(jié)能減排。通過結構優(yōu)化設計，可以減少船舶的阻力和波浪阻力，從而降低能源消耗。

2 客滾船輕量化設計方法

2.1 客滾船輕量化的概念和意義

客滾船輕量化是指在不影響船舶安全性、航行性能和舒適性的前提下，最大程度地減少船舶的自重?？蜐L船輕量化設計的主要目的是提高船舶的載貨能力、經濟性和可靠性，并減少能源消耗和環(huán)境污染。

2.2 客滾船輕量化設計方法的分類和特點

采用結構優(yōu)化設計方法可以實現(xiàn)船舶結構的輕量化。通過有限元分析和數(shù)值優(yōu)化技術，對船體各部分進行優(yōu)化設計，最大限度地減少結構的自重。

2.2.1 材料選用：

選擇輕量、高強度的材料可以實現(xiàn)船舶輕量化。目前，一些新型的復合材料和高強度鋼材已經應用于客滾船的建造中，以實現(xiàn)輕量化設計。

2.2.2 燃油管理技術：

采用燃油管理技術可以有效地降低船舶的燃油消耗。其中包括燃油節(jié)約技術、能量回收技術和節(jié)能改裝技術等。

2.2.3 船舶系統(tǒng)優(yōu)化設計：

對船舶系統(tǒng)進行優(yōu)化設計可以實現(xiàn)船舶輕量化。例如，在客艙布局設計中，可以采用輕量化的設計思想和先進的船舶系統(tǒng)技術，以最大程度地減少船舶的自重。

2.2.4 全生命周期分析：

通過對船舶的全生命周期進行分析，包括建造、使用和報廢等各個階段，可以全面考慮船舶輕量化的影響和效果。

綜上所述，客滾船輕量化設計需要采用多種方法和技術進行綜合優(yōu)化，以實現(xiàn)最佳的設計效果。

2.3 基于結構優(yōu)化的客滾船輕量化設計方法

基于結構優(yōu)化的客滾船輕量化設計方法主要是將結構優(yōu)化技術應用于客滾船輕量化設計中。該方法主要包括以下幾個步驟：

2.3.1 確定輕量化目標和設計指標：

確定客滾船輕量化的目標和指標，如減輕船舶重量、提高載重能力、降低燃油消耗等。

2.3.2 建立數(shù)學模型：

建立客滾船的數(shù)學模型，包括船體結構模型、荷載模型、約束模型等。

2.3.3 設計變量和約束條件的確定：

將設計變量和約束條件確定為優(yōu)化參數(shù)，如材料的厚度、幾何形狀、截面面積等。

2.3.4 優(yōu)化目標函數(shù)的設定：

將輕量化設計目標轉化為數(shù)學優(yōu)化模型的目標函數(shù)，并設定合適的優(yōu)化算法和迭代次數(shù)。

2.3.5 進行結構優(yōu)化計算：

通過計算機數(shù)值模擬，進行結構優(yōu)化計算，根據(jù)優(yōu)化算法和迭代次數(shù)得到最優(yōu)設計方案。

2.3.6 驗證優(yōu)化結果：

根據(jù)優(yōu)化結果，進行結構力學分析和其他性能評估，驗證輕量化設計方案的可行性和有效性。

基于結構優(yōu)化的客滾船輕量化設計方法可以有效提高船舶的結構性能和重量效益，從而實現(xiàn)更高效、更環(huán)保、更經濟的航行。同時，該方法也具有較高的普適性和適用性，可以應用于各種類型的客滾船輕量化設計中。

3 案例分析

3.1 客滾船結構優(yōu)化設計的案例分析

客滾船結構優(yōu)化設計的案例分析是通過具體案例來展示結構優(yōu)化技術在客滾船輕量化設計中的應用效果。下面是一個具體案例分析的步驟：

3.1.1 確定輕量化目標和設計指標：

以某型客滾船為研究對象，將輕量化目標確定為減輕船舶重量和提高載重能力。

3.1.2 建立數(shù)學模型：

通過計算機輔助設計軟件，建立客滾船的數(shù)學模型，并進行力學分析和性能評估。

3.1.3 設計變量和約束條件的確定：

將材料的厚度、截面形狀和幾何形態(tài)等設計變量作為優(yōu)化參數(shù)，將結構強度、穩(wěn)定性和耐久性等約束條件作為優(yōu)化約束條件。

3.1.4 優(yōu)化目標函數(shù)的設定：

將減輕船舶重量作為數(shù)學優(yōu)化模型的目標函數(shù)，選用基于梯度法或基于遺傳算法的優(yōu)化算法進行計算。

3.1.5 進行結構優(yōu)化計算：

通過計算機數(shù)值模擬，進行結構優(yōu)化計算，根據(jù)優(yōu)化算法和迭代次數(shù)得到最優(yōu)設計方案。

3.1.6 驗證優(yōu)化結果：

根據(jù)優(yōu)化結果，進行結構力學分析和其他性能評估，驗證輕量化設計方案的可行性和有效性。

通過上述步驟，可以得到一個最優(yōu)的客滾船輕量化設計方案，實現(xiàn)減輕船舶重量和提高載重能力的目標。同時，該設計方案也具有良好的結構性能和航行性能，可以提高船舶的運行效率和經濟性。

3.2 客滾船輕量化設計的案例分析

在客滾船輕量化設計方面，目前已經有不少案例研究。以下是其中兩個案例的分析：

3.2.1 基于結構優(yōu)化的客滾船輕量化設計案例

該案例以一艘載客量為800人的客滾船為研究對象，利用結構優(yōu)化設計方法對船體結構進行優(yōu)化，實現(xiàn)輕量化目標。具體步驟包括確定優(yōu)化目標、建立優(yōu)化模型、進行優(yōu)化計算以及對優(yōu)化結果進行分析等。在該案例中，通過將船體結構進行優(yōu)化，實現(xiàn)了船舶重量減輕了10%左右，且船舶結構強度和穩(wěn)定性不受影響。如圖2所示已結構欄桿為例進行的輕量化優(yōu)化方案。

圖2 船用欄桿節(jié)點圖

1)考慮將欄桿橫檔由目前的φ20圓鋼改為φ25*3的圓管，對照如下

圖3 管材參數(shù)計算

綜上；剖面模數(shù)大于標準要求的等效值，重量減少約0.84 kg/m。室外欄桿總計用料約750 m，因此本方案減重約750*0.84=630 kg

2）將欄桿立柱由FB60*15改為FB68*12，對照如下：

表1 扁鐵剖面模數(shù)及重量對比表

綜上；剖面模數(shù)大于標準要求的等效值，重量減少約0.66 kg/m。

3.2.2 材料替代的客滾船輕量化設計案例

該案例采用了材料替代的方法，通過選用輕量化材料替代船舶原有材料，實現(xiàn)輕量化目標。具體步驟包括材料選型、結構設計、性能分析以及重量計算等。在該案例中，選用了一種新型高強度、輕量化的材料替代船體原有材料，使船舶重量減輕了約20%。同時，在滿足船舶性能和穩(wěn)定性的基礎上，實現(xiàn)了船舶的輕量化目標。圖4為某可客滾船鋁制結構代替鋼制示意圖。

藍色區(qū)域為鋁制結構代替鋼制結構

以上兩個案例均從不同的角度實現(xiàn)了客滾船的輕量化設計目標?；诮Y構優(yōu)化的設計方法可以通過優(yōu)化船舶結構來實現(xiàn)輕量化目標，而材料替代方法則是通過選用輕量化材料來實現(xiàn)船舶重量的減輕。這兩種方法在實際應用中可以根據(jù)具體情況選擇，以實現(xiàn)最佳的輕量化效果。

3.3 基于結構優(yōu)化的客滾船輕量化設計的案例分析

本研究選取某客滾船為研究對象，采用基于結構優(yōu)化的輕量化設計方法，以降低船舶自重和提高船舶載重能力。該客滾船總長120米，型寬17米，型深7.5米，設計吃水4.2米，總噸位為4 800噸，設計速度為16節(jié)。首先進行了客滾船的結構分析，獲得了客滾船的結構模型和受力情況，然后采用有限元軟件進行結構優(yōu)化設計。在優(yōu)化設計中，采用了材料優(yōu)化、構型優(yōu)化和拓撲優(yōu)化三種方法，以減少客滾船的結構重量。

針對材料優(yōu)化，通過選擇合適的材料來降低船體結構的重量。在該研究中，使用高強度鋼來替換傳統(tǒng)鋼材，通過降低船體材料密度實現(xiàn)減重。對于構型優(yōu)化，通過改變船體的布局和結構，以減少不必要的重量和增強船體的結構剛度。在拓撲優(yōu)化中，采用了基于密度的拓撲優(yōu)化方法，通過調整船體的空間結構來減少材料使用量和減輕船體結構重量。

拓撲優(yōu)化采用變密度法進行求解，材料的固有屬性與材料密度定義為非線性關系。在拓撲優(yōu)化過程中，定義優(yōu)化區(qū)域內的材料密度分布

在0～1之間，通過查看優(yōu)化后材料的分布情況，指導優(yōu)化設計工作。材料的密度和彈性模量的非線性關系可以表示為如下關系：

在進行結構優(yōu)化設計后，對優(yōu)化后的客滾船進行了性能測試。結果顯示，通過基于結構優(yōu)化的輕量化設計，客滾船的結構重量得到了顯著降低，同時船舶的載重能力和速度得到了提高。

結論：本研究采用基于結構優(yōu)化的輕量化設計方法對某客滾船進行了優(yōu)化設計，通過材料優(yōu)化、構型優(yōu)化和拓撲優(yōu)化等方法降低了船體結構重量。研究結果表明，該方法可以有效地提高客滾船的載重能力和速度，同時降低船舶自重，具有較好的應用前景和推廣價值。

4 性能評估和優(yōu)化

客滾船輕量化設計旨在減少船舶自身重量，提高運行效率和性能。評估輕量化設計的核心目標是對船舶性能進行評估，確保安全性和可靠性不受影響。

客滾船的性能評估指標主要包括航行性能、安全性能、經濟性能和舒適性能。航行性能包括速度、航行穩(wěn)定性、操縱性和抗風浪能力。安全性能包括船舶的結構強度、穩(wěn)定性和船員的安全。經濟性能涉及燃油消耗和維護成本。舒適性能涉及噪音、震動、空氣質量和船員的舒適度。

客滾船輕量化設計的性能評估方法包括實驗評估、數(shù)值模擬和經驗公式。實驗評估直接測量船舶性能指標，適用于整船性能評估。數(shù)值模擬利用計算機模擬軟件對船舶的航行、結構和流場進行模擬，評估輕量化設計對船舶性能的影響。經驗公式通過統(tǒng)計和分析歷史數(shù)據(jù)，初步評估輕量化設計對船舶性能的影響。

通過綜合評估客滾船的航行性能、安全性能、經濟性能和舒適性能，可以確定輕量化設計的有效性，確保船舶在減重的同時不犧牲性能和安全。

5 結論和展望

5.1 研究成果總結

通過對客滾船結構優(yōu)化和輕量化設計的研究，本文提出了基于結構優(yōu)化的客滾船輕量化設計方法，并進行了案例分析和性能評估。結論如下：

1）結構優(yōu)化是客滾船輕量化設計的基礎，能夠通過合理的結構設計減少船舶重量，提高船舶性能。結構優(yōu)化方法包括拓撲優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化、多目標優(yōu)化等，可以根據(jù)設計要求和優(yōu)化目標選擇合適的方法。

2）輕量化設計是客滾船設計中重要的一環(huán)，可以有效減少船舶的燃油消耗和排放，提高經濟性和環(huán)保性。輕量化設計方法包括材料優(yōu)化、結構優(yōu)化、系統(tǒng)優(yōu)化等，可以通過多種途徑減少船舶的重量。

3）基于結構優(yōu)化的客滾船輕量化設計方法可以實現(xiàn)船舶的高效設計和優(yōu)化，進一步提高客滾船的性能和經濟性。未來的研究可以進一步探索新的輕量化設計方法，優(yōu)化客滾船的性能和經濟性。

5.2 研究展望

未來，可以進一步完善客滾船結構優(yōu)化和輕量化設計方法，優(yōu)化客滾船的性能和經濟性?？梢酝ㄟ^應用新的材料、結構和系統(tǒng)設計等手段，進一步降低客滾船的重量，提高客滾船的經濟性和環(huán)保性。另外，也可以開展多學科交叉研究，將機器學習、人工智能等技術引入客滾船設計中，提高設計的效率和準確性。

[1] 李群. 船舶重量重心控制方案[J]. 機電技術, 2020(5): 66-69.

[2] 王勝, 陳嫦娥. 淺談船舶建造過程中的重量重心控制[J]. 中國水運(下半月), 2019, 19(5): 3-4, 11.

[3] 王凱歌, 周晶, 尹東亮. 大型船舶現(xiàn)場建造期間的重量重心控制[J]. 裝備制造技術, 2016(6): 181-182.

[4] Romadhoni, Santoso B, Suzdayan, et al. Models computing for simulating ship stability by using Arduino microcontroller based[J]. Italienisch, 2022, 12(1): 749-755.

[5] Ueng S K. Physical models for simulating ship stability and hydrostatic motions[J]. J Mar Sci Technol, 2013, 21(6): 674-685.

[6] International Maritime Organization (IMO). Code on intact stability for all types of ships covered by IMO instruments: resolution A.749(18)[M]. London: International Maritime Organization, 1995.

Lightweight design of Ro-Ro passenger ship based on structural optimization

Zhu Baohui, Qiao Xuebin, Sun Yangang, Ou Shuhao, Wang Hongyu

（China Merchants Jinling Shipyard (Weihai) Co,.Ltd, Weihai264200, Shandong, China）

This article focuses on the lightweight design method of roll-on/roll-off passenger ships based on the concept of structural optimization. Firstly, the concept, principles, and methods of structural optimization are introduced, and the characteristics and requirements of structural optimization design for ro-ro passenger ships are clarified. Secondly, the significance and usual methods and technologies of lightweight design for ro-ro passenger ships are explained. A structural optimization-based lightweight design method for ro-ro passenger ships is proposed. Finally, the effectiveness of this method is validated through case studies, and the impact of lightweight design on the performance of ro-ro passenger ships is analyzed. Future research directions are also discussed. The research results of this article have great significance for improving performance and safety, reducing cost, and minimizing environmental pollution for ro-ro- passenger ships.

structural optimization; lightweight design; case study; ship performance and cost

U674

A

1003-4862（2023）11-0058-06

2023-05-14

2021年山東省重點研發(fā)計劃《高端客滾船高效建造關鍵技術研究與應用》（編號：2021CXGC010702）

朱寶會（1981-），男，工程師，主要從事船舶輪機和舾裝設計。E-mail:zhubaohui@cmhk.com