工程船舶参数化设计与结构分析

原跃峰　陈煜坍

摘 要：为了提高工程船舶的设计效率，我国船舶制造行业利用参数化设计软件完成工程船舶的设计工作。从工程船舶参数化设计的发展现状入手，简要阐述了参数化船舶设计的主要内容，并分析了有限元法在船体结构分析中的应用，进而说明了参数化设计工程船舶的重要性。

关键词：工程船舶；参数化设计；船体结构；有限元法

中图分类号：U661.4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.06.100

工程船舶的外观线型比较简单，而且工程船舶的结构具有固定的形式，所以，可以利用参数化设计技术完成船舶的设计工作。利用参数化设计技术可以简化工程船舶的设计过程，提高船舶的制造效率。

1 参数化船舶的研究现状

1.1 参数化船舶设计

参数化设计是指基于实际情况的约束条件，利用参数化设计软件进行船舶的设计工作，将船舶设计过程中的方案构思、图纸绘制船舶设计图和船舶的主要性能分析3个过程一体化。这样做，不仅缩短了船舶的制造周期，而且在计算机的精准计算下，有效地保障了船舶设计的准确性。因此，参数化船舶设计技术得到了船舶制造技术人员的重视，并被充分应用到了近年来的工程船舶制造实践中，从而使参数化船舶设计技术不断完善、日趋成熟。

1.2 关于AutoCAD技术软件

AutoCAD技术软件的中文名字是欧特克计算机设计辅助软件。目前，我国船舶制造行业参数化设计船舶主要利用的技术软件就是该软件。该技术软件具有强大的图形绘制功能，它的许多功能都能够为船舶的设计工作提供便利，但是，它毕竟不是专门的船舶设计软件。在设计船舶的过程中，很多问题不能利用该软件解决，还要从事船舶制造工作的技术人员手动操作修改。

1.3 实现参数化设计的主要方式

实现参数化设计的主要方式是代数法，而代数法又包括符号法和概率约束算法。其中，符号算法具有能够包容多种约束条件的优势，它能够贴近船舶制造的实际生产情况。除此之外，符号算法还具备超强的求根功能，它能够求出所有符合条件的优化方程的根，避免了求不出合适的根这一情况出现。但是，符号法也具有它自身的局限性，符号法的计算量过大，在实际应用过程中不容易控制，所以，还需要进一步完善代数法。而概率约束算法是将约束条件表示成方程组的形式，并对其求解，得到优化问题的所有参数值。利用这种算法可以很好地实现优化问题中近似满足约束条件的求解问题，放宽了优化问题的求解要求，从而实现了对船舶制造设计工程的进一步优化。因此，该算法在船舶制造工程中得到了广泛的推广和应用。

2 工程船舶及其参数化设计

2.1 关于工程船舶

所谓“工程船舶”，是指停留在港口和航道上从事工程作业，比如港口建造、修复和航道的维护等工作的，承担技术性业务的船舶。根据工程船舶的不同功能，可将其分为不同的种类。常见的工程船舶有起重工程船舶、挖泥工程船舶和搅拌工程船舶。不同的工程船舶承担的业务不同，其船舶上配备的设备也不同。因为工程船舶的格局具有多样性，所以，其设计制作工作也变得复杂、繁重。为了减轻工程船舶设计工作人员设计工作的负担，工程船舶制造行业技术人员采纳了利用参数法制作工程船舶设计图的设计方案。虽然工程船舶的种类众多，但是，同种类型工程船舶的内部构造都大同小异，因此，可以利用参数法设计技术完成对工程船舶的设计，而后期可以根据工程船舶的具体应用修改、调整细节。

近年来，随着世界经济的迅速发展，我国海上贸易活动也取得了很大的发展。为了保障海上贸易的顺利进行，要保障工程船舶在海上航道的持续稳定运行。工程船舶要定期清理海上航道，并完成相关的修复工作，这无疑对工程船舶的制造工作提出了更高的要求。鉴于此，工程船舶制造商提出了相关的应对措施。例如，江苏造船厂和沪东造船厂都引入了先进的参数法设计工程船舶技术。这样不仅提高了船舶制造的效率，还满足了社会发展对工程船舶的需求。

2.2 工程船舶参数化设计

要想顺利实现工程船舶的参数化设计，其必须满足以下条件：①在工程船舶的设计生产模型中，必须要有一定的拓扑关系和相关的约束条件，这样才能将其带入计算机设计的辅助软件中，从而实现最优解的求值。②船舶设计模型中的几何图形必须能够通过尺寸驱动，这样才能够在设计软件中通过修改设备尺寸来改变船舶设计图。③要保障工程船舶设计模型中的参数，就要与设计图形中的尺寸有对应关系。设计软件以原有的工程船舶设计模型为基础，重新输入新建工程船舶的具体要求和相关的参数数据，而这些参数大致代表了工程船舶技术人员向新建工程船舶提出的要求，之后计算机设计系统便能够自动生成新的工程船舶设计图。出图后，技术人员可以再做相关的细节修改工作，使新建工程船舶更好地满足工程需要。

3 船体结构有限元分析

3.1 有限元法

有限元法是指将连续的求解区域划分成离散的求解组合，每个求解组合中只有有限的个解，每个求解单元都有其自身的几何形状。因此，可以将其模拟成工程船舶制造设计过程中不规则几何区域内的优化求解问题，求解区域划分得越细致，其区域内解的关系越明确。这时，便可以将其模拟成某种函数的求解问题，从而实现单元区域的快速求解。

3.2 有限元法在船体分析中的应用

由于工程船舶自身结构复杂，所以，计算报告工程船舶整体强度这一任务一直都有极高的难度。在传统的工程船舶制造工程中，船舶制造技术人员一直采用总强度与局部强度分开计算、报告的方式，直至进一步完善了有限元法后，才有效地解决了这一问题。船舶技术人员将有限元法运用到了船舶静力分析和动力分析上，改变了传统工程船舶结构力学的分析计算方式。利用有限元法能够简单、快捷地计算船舶结构的强度。

4 总结

工程船舶制造技术人员应进一步研究参数化船舶设计，提高船舶的制造效率，并进一步完善有限元法，使其更好地为船舶结构分析服务，从而推动我国船舶制造行业向更好更快的方向发展。

参考文献

[1]时光志.工程船舶参数化设计与结构分析[D].武汉：武汉理工大学，2008.

[2]罗忠卿.大型甲板货船参数化设计与结构屈服屈曲强度直接计算研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.

〔编辑：白洁〕