船舶结构优化设计方法及应用实践

船舶结构优化设计方法及应用实践

沈强昇

（江苏扬子鑫福造船有限公司，江苏，泰兴 225453）

摘要：不论何种船舶结构，其创造性、综合性、经验性都比较强，随着市场经济的转型科学技术的迅速发展，各行各业逐渐开始创新，船舶制造行业也应该进行创新。在实际中采取何种优化方法，才能获取相应的效果，这就需要结合实际的建造需求，文章主要探讨的是船舶结构优化设计的方式及其应用实践。

关键词：船舶结构，优化设计，方法，探讨分析

1船舶结构优化设计概述

船舶结构优化设计是指能够满足其强度、刚度、稳性、频率和建造等约束条件下，借助计算机编程和数学方法，对船舶的形式、布局和尺寸等结构参数进行优化，使船舶结构重量、布局等目标值达到一种最优化的技术。船舶结构优化设计是基于船舶结构与水介质耦合动力学等知识，用以改善船舶的运动性能和结构安全性等，其优化的目标是追求最小的重量结构，

满足最优的动力或静力形态特性，设计和建造出最合理的船舶框架形式和结构尺寸，在满足强度、稳性、频率等设计约束条件基础上得出一个在力学性能、工艺性能、经济性能以及使用性能等方面的最优设计方案。船舶结构优化设计包括尺寸、形状和拓扑优化三个层次。常用的船舶结构优化设计方法主要有经典优化算法（如准则法、数学规划法等）、启发式优化算法（如遗传算法和蚁群算法等），以及基于代理模型的优化算法。具体选用何种优化算法则主要是根据设计船舶的结构求解方法的不同而不同。

2船舶结构优化设计常用方法

2.1经典优化设计方法

1960年，L.A.Schmit提出了用于结构优化设计的数学规划方法；提出在对结构进行优化设计的过程中，需要将限定尺寸要求的优化设计问题转化为目标函数求极值的数学问题。此方法很快就获得了其他专家的认同和赞赏。1966年，D.Kavlie等率先把数学规划法运用到船舶结构设计过程中，开启了船舶结构设计的“新时代”。20世纪70年代末，我国开始对船舶结构设计方法进行探究，探索出潜艇和船舶在框架、中剖面、圆柱形耐压壳、板架等结构的优化技术。船舶结构是较为繁杂的板梁组合架构，对于使用、受力等有着极高的要求，因此在船舶结构优化设计过程中，会牵扯到很多约束条件和设计变量，相关工作难度较大。分级优化设计方法正是在此前提下形成的，基本原理为：最佳配置第1级的所有材料，优选第2级的结构尺寸；每级还可按照实际状况区分为大量的子级。两级最终经由协调变量迭代，将优化问题转化为原问题。分级优化方法的使用，有效处理了船舶结构优化设计过程中所遇到的船舶框架、剖面结构等若干问题。

2.2全局优化算法

全局优化算法属于比较常见的非线性优化搜索技术，其优势是有较强的全局收敛性，有助于寻找到改善问题的全局最佳解。为了能够妥善处理局部结构优化的问题，在船舶轴系结构优化过程中使用全局优化算法，遵守有限元分析方法与多提系统动力学相互融合的基本原则，创建起波浪激励。船一轴系互相产生作用的结构优化模型，同时对其加以优化设计，进而有效化解船舶轴系结构优化问题。除此以外，为了能够提高船舶结构的稳定性，则应创建“5自由度动力学模型”，选取阻尼及悬架刚度作为具体的优化设计变量，采取全局优化算法对其加以优化设计，最终结果表明，经过设计以后的结构可以确保船舶系统在不同的航行速度下都有比较好的稳定性，船员乘坐舒适度有较大程度的加强。

2.3智能型优化设计方法

目前常用的船舶结构优化设计方法,是在结构的基本模式确定以后,将设计问题加以解析

化,运用数学规划方法探求最优方案,这类方法存在两方面的问题。首先,难于处理设计中表现

出的综合性和经验性关系。船舶是一种复杂的工程结构物,其结构性能的优劣往往体现在各参数的有机组合,各项性能的适当兼顾,这将涉及到很复杂的因素。尽管人们已谋求用模糊数学方法来描述和处理这类间题,但综合性和经验性最直接最生动的体现,还是结构模型本身,所以在设计时总是力求寻找一个经实践证明满意的结构作为参考模型。第二,难于实现设计的创造性。设计的创造性往往体现在基本模式的构造上。有经验的设计师常常要通过对相关产品的联想,类比和变换,来创造新的结构模式,这是一种高层次的优化。人工智能技术(Al)的发展,尤其是专家系统技术(ES)的出现,提供了一条优化设计的新途径。这些工作对人工智能和专家系统技术在船舶结构设计中的应用进行了初步探索。船舶结构设计过程中,不仅要进行推理、归纳和分析,还要进行大量的数值分析计算。

2.4遗传模型优化设计方式

所谓的遗传模型，就是在相关的数学建模属性基础上进行发展的，将船舶结构展开优化设计，分成离散变量、连续变量以及混合变量3种模型，是在传统模型的基础上继续发展出来的一种新的算法，诸多的专家分析了传统模型的缺陷，建立了这种新算法。结合船舶结构的实际特点，为了满足其优化设计，适当融入了生物进化领域的一些理论，建立了这种遗传算法。经过船舶结构的设计经验证明，这种算法是有一定盲目性的，在其中不需要对导数资料进行导入，可以运用目标函数的建立，将以往方法的一些缺陷予以避免，让船舶结构展开优化设计实现简化。一些优化设计方面的工作，是经过编码集来实现的，然后借助二进制的方式，对一些变量关系展开表现，然后解决在结构设计中出现的连续性以及离散性问题。对生物进化展开效仿，在船舶结构的设计中展开交叉算子，经过设计实践，这种优化方式，对各类繁琐的环境都有一定的适用性，在船舶结构的实际优化设计中，运用这种方法可以取得比较显著的效果，是船舶设计方面的革新和突破。

2.5模糊原理优化设计方式

模糊原理最早起源于 1980 年，是在模糊判决的基础上创新出的限界搜索法，将其应用在船舶结构优化设计中，能够有效处理机构优化的难题。应用健全的模糊目标原理，将阈值视为变量（附加），有效避免了一次求解下的最大水平法，在求解之后只需要对施工、结构等要素进行思考，创建要素权重集与排序结合的模糊评价方式，在此基础上确定模糊约束容差值。例如：在对油船的槽形、横舱壁、剖面、其他结构等进行计算，首先需要结合工程的实际情况，明确模糊要素的覆盖情况，接着再借助模糊优化设计方式，在减少原材料的基础上，实现设计的优化性。模糊船舶结构优化设计在较为繁杂的设计工程内，会存在着多个目标问题，在最大法背景下，对模糊结构优化设计进行扩张，能够实现多目标模糊优化设计方法的融合，同时实现了约束、目标不同层次的模糊性。在应用过程中首先需要创建符合模糊约束的目标子集，接着按照模糊判决，将其转变为普通的规划接着开展求解。模糊船舶结构优化设计在实际的应用中，不仅能够满足现实的设计需求，同时相关工作人员还能够结合实际状况，选取应用，具有较强的适用性。

3结语

随着计算机技术的全面普及，在船舶制造业中得到了广泛的应用，在开展船舶结构设计中，船舶结构的基本原则是要体现出便捷性与安全性，在这个基础上为了追求更好的经济收益开展优化设计，从而实现全新的船舶结构设计理念。通过对船舶结构的合理优化，能够有效地挖掘船舶更大的经济收益，在进行船舶的结构设计时，主要包括船舶的外形以及大小等内容进行合理规划，并满足重量和目标的同时也要注意相关标准的约束设计，确保船舶各环节的结构设计能够与船舶主体完美融合。

参考文献

1. 刘沛锋.船舶结构优化研究进展[J].船舶物资与市场,2021,29(05):1-2.

2. 林焰,徐兴昂,叶超.远海无人快艇的自扶正优化设计方法[J].哈尔滨工程大学学报,2020,41(09):1261-1267.