船舶结构优化设计方法及应用

张 扯，姜 伟

（大连船舶重工集团有限公司，辽宁 大连 116000）

0 引言

在目前科技时代背景下，船舶建造行业面临着很大挑战，尤其是船舶建造速度和质量，相比以往有了更高的要求，因此在建造过程中需要利用结构优化的设计方法，满足船舶建造的各项要求。随着我国市场经济的迅速发展，船舶行业也得到了较好发展，在科技时代背景下，船舶建造行业也面临着较大的挑战，对船舶的制造速度和制造质量提出了更高的要求。准确来说船舶结构优化设计，就是指在船舶建造强度、刚度等条件限制下，利用科学的技术方法，对船舶建造形式、尺寸等结构参数展开优化，从而大大降低船舶建造时间，这对于推动我国船舶建造行业发展来说，起到至关重要的作用和意义。因此要利用好各类科学技术，促进船舶建造行业不断发展，提高我国船舶建造水平，最终形成竞争优势。

1 船舶结构优化设计概念与理念

1.1 船舶结构优化设计概念

近些年科学技术不断发展，并且应用到了造船行业中，也促使建造技术得到了进一步提高，目前在船舶设计建造中，必须要保证其安全性、稳定性，这是船舶建造中的一条重要原则，最后再深入挖掘船舶设计的经济效益。因此船舶结构优化设计，就是在满足建造质量等条件的情况下，追求更多的经济利益，并且可以创新船舶设计结构形式，有助于推动整个行业的全面发展。其次船舶建造是一项十分复杂的工程，其中涉及到诸多的环节，包含尺寸、外形等，还需要达到预期的重量标准、质量标准，想要满足这些条件，必须要加强结构优化设计，确保船舶框架形式、结构尺寸、强度刚性，以获得最佳的设计方案。

1.2 船舶结构优化设计理念

针对船舶结构优化设计，最关键的部分就是设计理念，并且要以此理念为基础展开进一步分析，包括任务总量等因素。由于船舶建造工程较大，所以在结构优化设计方面也会涉及到很多内容，比如基础信息综合性工作。另外在设计过程中要加强准备控制，按照实际情况制定设计方案与建造要点。船舶造型优化设计，也是较为重要的环节，需要不断沟通严格制定设计方案，并根据船舶建造的实际情况展开管理，包括图纸、方案、准备以及管理等多个方面。由于船舶结构优化设计，属于混合优化设计方式，因此需要针对结构展开分类，按照变量属性的方法，分为多种不同的结构模型展开优化[1]。

2 船舶结构优化设计中的重要因素

2.1 工作环境

船舶在海水中航行，因此不可避免会与腐蚀性介质接触，很容易引发结构腐蚀等现象，这需要工作人员及时展开保养工作，如果腐蚀不断加重，就会导致船舶构件损坏，船体强度也会不断降低。另外，海面气候往往恶劣，会遭遇波浪拍击等现象，也会给船体造成严重影响，尤其在船体本身存在腐蚀、损伤等情况下，就会引发船体破损进水，最终造成严重的安全事故。在船舶的运行过程中，波浪冲击是无法避免的现象，对于船体外板会造成腐蚀、变形，船体应力会受到很大影响。巨大浪涌往往会造成船体扭曲的问题，为船舶航行带来极大的风险，因此在结构优化设计中，要充分考虑到这个因素。

2.2 船体荷载

很多船舶都会运送大量货物，所以对其自身的结构质量有很高的要求，在结构优化设计中，要充分考虑船舶应力、稳定性等方面的因素。另外船体荷载也极为关键，在运输期间会受到多重荷载的影响，例如船体自重、海水浮力、货物压力等，甚至风力都会带来一定影响，当然也有比较严重的撞击等突发性荷载，这也是需要重视的优化因素。一般可以通过结构设计抵消荷载，来增加船舶的稳定性，促使整体的荷载达到平衡状态。

3 船舶结构优化设计中的关键环节

按照变量属性，将船舶结构优化划分为离散模型、连续模型、混合变量模型。由于船舶制造过程比较繁琐，在建造过程中包括连续性、离散性，在骨材制造中包含连续性，在钢材厚度、型材上涉及离散性内容，因此，船舶结构优化设计本身属于一项混合优化设计方式。

3.1 纵横向构件

为了提高船舶结构建造强度、刚性，在顶边舱、底边舱等部分，都会采取高强度的箱形三角结构，再利用双层底结构设计，就能满足船舶结构强度要求。针对单壳体船舶，应该着重考虑布置方面的优化设计，大多数船舶在双底层结构中，都会选择纵骨架式的设计方案，机舱部分设置主肋板，不过需要注意位置，一般主机座、锅炉座下都需要设置主肋板，间距必须保持在3.6 m。除此之外大型船舶则会使用旁龙骨，也就是在龙骨两端设置，并且要保持好间距，应控制在4.6 m以上。

3.2 箱形中桁材

箱型龙骨的应用也比较多，被称为箱形中桁材，在应用过程中会作为普通龙骨的替代，并设计在船舶双层结构中线下，箱形中桁材大多会采用集中布设的形式，需要注意管道在穿过时不会影响整体操作。

船舶机舱前端的部分，会采用通往箱形中桁材的人孔设计，同时增加水密装置，为保证后续各项检查工作的开展。很多船舶也会通过横向骨架替换肋板，或环形框架替换横骨的设计，从而提高船舶结构的强度标准。

3.3 构件连接

在船舶结构优化设计过程中，构件连接是较为重要的环节，目前主要采用3种连接形式，包括连接肘板设置、整体式端肘板以及成整体型设计。往往会通过疲劳强度校核等方法优化节点，增强船舶构件的局部或整体强度，从而避免受到不良荷载的影响，降低疲劳程度延长船舶使用寿命[2]。

4 船舶结构优化设计方法及应用实践

4.1 经典数学规划法

数学规划法属于较为传统的规划理论，不过整体相对较为全面，并且具有较大的应用范畴，同时在收敛性上也有一定保障，但也存在较为复杂的计算步骤，收敛所需要的时间也比较长。例如在针对多个变量的优化方面，就会暴露出很多应用缺陷。目前数学规划方法在不断完善，而且充分融合了准则法，能够发挥出较多的设计优势，尤其在力学特征等方面，像选取显示逼近、有效限制、连接变量等，大幅度增加了运算速度。准则法是在力学相关知识和工程设计相关经验的基础上，创建出来的优化设计方式。这类船舶结构经典优化设计方式，在符合所有约束限制的设计方案内，选择最佳的准则法设计方式。近些年来数学规划法不断进步，在船舶结构优化设计中也发挥出了重要作用，能够实现多目标优化效果，运用该方法能够解决船舶剖面结构、船舶框架、船舶板架等多项基础问题。

4.2 遗传优化设计法

为了对船舶结构进行有效优化，因此针对数学模型变量属性展开分析研究，并演变出遗传模型优化设计方法，在应用过程中会把结构优化设计分为不同模型，例如离散变量模型、连续变量模型以及混合变量模型。目前来看，遗传模型结构优化设计方法，要比传统模型设计更加完善，并且通过新的研究，以船舶结构设计为基础，融入生物化知识等内容，对遗传算法进行有效的创新。在运用过程中具有较为优秀的稳健性，不需要导出资料就能借助目标函数及时完善不足之处，能够充分解决设计过程中的连续性、离散型等重要问题，并且通过大量实践证明，该方法适用于不同的环境，因此在船舶结构优化设计过程中，可以发挥出至关重要的作用[3]。

4.3 模糊优化设计法

模糊原理主要是以模糊判决为基础进行创新，属于限界搜索法，最早诞生于1980年代，该方法应用在船舶结构优化设计中，可以处理机构优化等难题。在实际应用过程中，针对船舶的槽形、横舱壁、剖面以及其他结构展开计算，并结合建造需求明确模糊要素的覆盖情况，再通过该方法实现设计优化。另外，该方法适用于较为复杂的设计工程，可以实现多目标模糊优化设计，因此具有较强的适用性，能够充分满足船舶结构优化设计目标，在减少原材料的基础上，进行有效的优化设计。

4.4 智能优化设计法

在目前的科技时代背景下，智能优化设计方法无疑更为适用，能够满足现代船舶建造设计标准，根据实际建造需求，最终获得最佳的设计方案。目前有很多船舶结构设计公司，都在采用智能化设计方法，不仅增加了优化设计的效率，也可以为船舶建造打下扎实基础。准确来说智能优化设计方法，主要由智能网络和专家系统组成，并且在实际运用过程中发挥出重要作用。例如在船舶解剖面的优化设计中，就需要利用专家系统，并针对表壳展开分析，最终实现有效的优化。通过实际应用可以看到，专家系统的原理就在于模仿专业人士展开优化，主要利用储存的理论知识、设计结果[4]。

4.5 准则优化设计法

准则优化设计方式属于力学和工程设计方面的知识，其在实际运用中需要以二者为基础，进而提升船舶的优化效果，使其实际建造效果更佳。准则法在实际运用过程中，需要根据约束限制的设计方案进行选择和优化，运用标准化设计选择最佳的设计方式，此方式包括位移准则法、能量准则法、满应力准则法等。准则优化设计法，在实际运用过程中具有较大的优势，在物理层面上的设计工作开展得较为清晰，并且其在实际运用过程中的计算方式较为简单，在具体计算环节中，具有极高的准确度，结构分析较少，进而在实际计算过程中的收敛速度较快，在船舶优化设计过程中具有广泛的运用[5]。

4.6 蚁群优化设计法

蚁群算法主要是指，在设计中运用组合优化方式，启发随机搜索算法的优化设计方法，此主要是针对蚂蚁寻找路径的方式进行仿生模拟，经过延缓和计算得到的一种路径几率性算法。蚁群算法在实际运用过程中与其他方式相比具有明显的解决优势，能在船舶的设计过程中寻找最优化设计方法，致使设计人员在实际工作过程中运用最适合的数据。在船舶设计过程中，该方法具有较多的信息素，使得路径选择得到优化，进而提升设计效果，增加船舶的承受力，增强船舶的形式效果。蚁群算法的实际运用流程如下：1）对算法参数和信息素矩阵进行初始化处理。2）对信息素中包含的路径对应目标函数进行质量评估。3）通过信息素的更新与增加，对所有路径进行审核，查找最具有潜力的路径。4）利用概率学原理对禁止重构路径进行查找和选择。

4.7 可靠性的优化设计法

可靠性优化设计方法由船舶结构可靠性理论与要求的差异性推演而来，此种方式在实际运用过程中，可以根据设计目标的不同层次，得出不同船舶结构可靠性设计准则，并在实践中运用直接法和半直接法取代习用方法开展可靠性分析。具体运用方式为运用船舶横将强度问题实现确定的指数，再根据材料的屈曲度、承受能力、受疲劳度对整体计算数据进行整改，致使有限单元法中的破坏发生概率得以有效求出，再运用直接法和半直接法实现标准测试，进而扩大船体的应力范围。根据相应的计算结果可知，此种优化设计方式在实际运用过程中，对于弧肋框和纵强度构建的面板弯曲部分的焊接处会产生一定的疲劳裂缝，因此一定要注重此处的疲劳强度[6]。

5 结语

近些年我国船舶建造技术逐渐完善，能够针对不同类型的船舶结构展开优化设计，并根据建造需求制定新的设计方案，目前有很多优化设计方法可以采用，极大程度推动了我国船舶建造产业发展。在船舶结构设计中应该结合实际的建造需求，优化设计方式。就目前船舶结构设计情况而言，应用了形状优化、模糊优化、遗传优化等设计方式。在船舶建造过程中，结构优化设计是非常重要的部分，只有这样才能满足建造需求，并保证船舶结构的稳定性，因此要利用科学技术不断深入，有效结合优化设计方法、设计理论，最终达到船舶建造目标。船舶结构优化十分复杂，涉及到很多专业性知识，因此需要船舶设计人员加以重视，并利用好各类优化设计方法，为我国船舶建造产业奠定发展基础。