基于结构优化的客滚船轻量化设计

朱宝会，乔学彬，孙彦刚，欧书博，王洪玉

基于结构优化的客滚船轻量化设计

朱宝会，乔学彬，孙彦刚，欧书博，王洪玉

（招商局金陵船舶（威海）有限公司，山东 威海 264200）

以客滚船为研究对象，基于结构优化的思想，探究客滚船轻量化设计方法。首先介绍了结构优化的概念、原理和方法，明确了客滚船结构优化设计的特点和要求。接着阐述了客滚船轻量化的意义，以及常用的轻量化方法和技术。针对客滚船轻量化设计的问题，提出了一种基于结构优化的客滚船轻量化设计方法。最后，通过案例分析验证了该方法的有效性，同时分析了轻量化设计对客滚船性能的影响，并对未来的研究进行了展望。本文研究结果对于提高客滚船的性能和安全性，降低成本和环境污染具有重要的意义。

客滚船 结构优化 轻量化设计 案例分析 船舶性能与成本

0 引言

客滚船是一种具有重要战略意义的船舶类型，对经济和社会具有重要意义。随着社会经济的发展和人们出行需求的增加，客滚船的使用量增多，同时也面临着能源和环境保护的压力。因此，研究客滚船轻量化设计具有重要的现实意义和应用价值。

在实际应用中，客滚船的轻量化设计面临着许多挑战和难点。首先，轻量化设计需要满足船舶的强度、稳定性和安全性等要求。其次，客滚船作为大型船舶，需要综合考虑材料、结构、工艺等多个方面的因素。最后，轻量化设计需考虑船舶的整个生命周期成本，从全局角度出发综合考虑各个影响因素。

客滚船轻量化设计已成为国内外船舶设计领域的研究热点，取得一定的成果。国外已制定严格的船舶减排法规和标准，应用新技术支持轻量化设计。国内研究主要集中在客滚船的结构设计和材料选择，有限元分析方法对结构进行优化设计，但仍存在一些问题和不足。

本研究旨在利用现代轻量化设计方法和技术，以客滚船为研究对象，从材料、结构、工艺等多个方面进行优化设计，实现客滚船的轻量化。具体内容包括分析现状和问题，探究轻量化设计的重要性和发展趋势，综合运用现代设计方法进行优化，验证设计方案的可行性和实用性。

本研究的具体内容包括：

1）分析客滚船轻量化设计的现状和存在问题，探究轻量化设计的重要性和发展趋势；

3）综合运用有限元分析、拓扑优化、多目标优化等现代轻量化设计方法，从材料、结构、工艺等多个方面进行优化设计，以提高客滚船的轻量化水平；

4）基于实际案例，对轻量化设计进行验证和分析，探究设计方案的可行性和实用性；

探究客滚船轻量化设计中存在的问题和挑战，并提出相应的解决方案和建议，为进一步推动客滚船轻量化设计的发展提供科学依据和技术支持。

1 客滚船结构优化设计原理

1.1 结构优化的概念和原理

图1 轻量化优化流程图

结构优化是指利用现代计算机辅助设计和分析软件，通过数值分析和优化算法，对结构进行设计、分析和优化的过程。在结构优化过程中，需要考虑多个因素，包括结构的强度、刚度、稳定性、轻量化等方面，以达到优化设计的目的。结构优化流程图详见图1。

结构优化的基本原理是通过分析结构的载荷、约束条件等参数，建立数学模型，并运用数值优化算法，自动搜索最优解。在优化过程中，需要根据实际情况和设计要求，设置优化变量和约束条件，并进行多目标优化、多点优化、拓扑优化等优化方式的选择。

结构优化能够有效提高结构的性能、减少材料的消耗和成本，是船舶轻量化设计中不可或缺的重要环节。

1.2 客滚船结构优化设计原理

结构优化方法和技术是指在结构设计、分析和优化中运用的具体技术和算法。下面列举几种常用的结构优化方法和技术：

1.2.1 有限元分析：

有限元分析是一种基于数值计算的结构分析方法，通过离散化的方式，将结构分解成多个小部件，然后进行数值计算，以求解结构的应力、应变等参数。有限元分析可以在短时间内获得较为准确的结构参数，是结构优化的基础。

1.2.2 拓扑优化：

拓扑优化是指通过去除结构中不必要的材料，使结构在保证强度和刚度的前提下达到最小重量的优化方法。拓扑优化通过优化结构的拓扑形态，实现轻量化设计的目的。

1.2.3 多目标优化：

多目标优化是指同时优化多个目标函数的优化方法，如结构的强度、稳定性和轻量化程度等。多目标优化可以综合考虑多个因素，以获得更好的优化效果。

1.2.4 参数化设计：

参数化设计是指将结构的设计参数化，以便进行优化设计和灵活调整。通过参数化设计，可以快速有效地生成大量结构设计方案，并在其中选择最优的设计方案。

1.2.5 人工神经网络：

人工神经网络是一种模仿人类大脑神经元功能的计算模型，可以用于预测结构的性能和参数。在结构优化过程中，可以利用人工神经网络，快速有效地预测结构的性能，并进行优化设计。

结构优化方法和技术的应用可以大大提高轻量化设计的效率和精度，为船舶轻量化设计提供了有力的技术支持。

1.3 客滚船结构优化的特点和要求

1.3.1 轻量化：

客滚船结构优化的首要目标是轻量化，即在保证船舶安全性、强度和稳定性的前提下，最大限度地减少船舶重量。

1.3.2 稳定性：

客滚船结构优化需要考虑船舶在各种情况下的稳定性，如载货、承载人员、海况等，以确保船舶的稳定性和航行安全。

1.3.4 强度

客滚船结构优化需要考虑船舶的强度，即结构在外力作用下的抵抗能力。船舶结构的强度是保证船舶安全性的重要因素。

1.3.4 节能

客滚船结构优化需要考虑船舶的能源消耗，以实现节能减排。通过结构优化设计，可以减少船舶的阻力和波浪阻力，从而降低能源消耗。

2 客滚船轻量化设计方法

2.1 客滚船轻量化的概念和意义

客滚船轻量化是指在不影响船舶安全性、航行性能和舒适性的前提下，最大程度地减少船舶的自重。客滚船轻量化设计的主要目的是提高船舶的载货能力、经济性和可靠性，并减少能源消耗和环境污染。

2.2 客滚船轻量化设计方法的分类和特点

采用结构优化设计方法可以实现船舶结构的轻量化。通过有限元分析和数值优化技术，对船体各部分进行优化设计，最大限度地减少结构的自重。

2.2.1 材料选用：

选择轻量、高强度的材料可以实现船舶轻量化。目前，一些新型的复合材料和高强度钢材已经应用于客滚船的建造中，以实现轻量化设计。

2.2.2 燃油管理技术：

采用燃油管理技术可以有效地降低船舶的燃油消耗。其中包括燃油节约技术、能量回收技术和节能改装技术等。

2.2.3 船舶系统优化设计：

对船舶系统进行优化设计可以实现船舶轻量化。例如，在客舱布局设计中，可以采用轻量化的设计思想和先进的船舶系统技术，以最大程度地减少船舶的自重。

2.2.4 全生命周期分析：

通过对船舶的全生命周期进行分析，包括建造、使用和报废等各个阶段，可以全面考虑船舶轻量化的影响和效果。

综上所述，客滚船轻量化设计需要采用多种方法和技术进行综合优化，以实现最佳的设计效果。

2.3 基于结构优化的客滚船轻量化设计方法

基于结构优化的客滚船轻量化设计方法主要是将结构优化技术应用于客滚船轻量化设计中。该方法主要包括以下几个步骤：

2.3.1 确定轻量化目标和设计指标：

确定客滚船轻量化的目标和指标，如减轻船舶重量、提高载重能力、降低燃油消耗等。

2.3.2 建立数学模型：

建立客滚船的数学模型，包括船体结构模型、荷载模型、约束模型等。

2.3.3 设计变量和约束条件的确定：

将设计变量和约束条件确定为优化参数，如材料的厚度、几何形状、截面面积等。

2.3.4 优化目标函数的设定：

将轻量化设计目标转化为数学优化模型的目标函数，并设定合适的优化算法和迭代次数。

2.3.5 进行结构优化计算：

通过计算机数值模拟，进行结构优化计算，根据优化算法和迭代次数得到最优设计方案。

2.3.6 验证优化结果：

根据优化结果，进行结构力学分析和其他性能评估，验证轻量化设计方案的可行性和有效性。

基于结构优化的客滚船轻量化设计方法可以有效提高船舶的结构性能和重量效益，从而实现更高效、更环保、更经济的航行。同时，该方法也具有较高的普适性和适用性，可以应用于各种类型的客滚船轻量化设计中。

3 案例分析

3.1 客滚船结构优化设计的案例分析

客滚船结构优化设计的案例分析是通过具体案例来展示结构优化技术在客滚船轻量化设计中的应用效果。下面是一个具体案例分析的步骤：

3.1.1 确定轻量化目标和设计指标：

以某型客滚船为研究对象，将轻量化目标确定为减轻船舶重量和提高载重能力。

3.1.2 建立数学模型：

通过计算机辅助设计软件，建立客滚船的数学模型，并进行力学分析和性能评估。

3.1.3 设计变量和约束条件的确定：

将材料的厚度、截面形状和几何形态等设计变量作为优化参数，将结构强度、稳定性和耐久性等约束条件作为优化约束条件。

3.1.4 优化目标函数的设定：

将减轻船舶重量作为数学优化模型的目标函数，选用基于梯度法或基于遗传算法的优化算法进行计算。

3.1.5 进行结构优化计算：

通过计算机数值模拟，进行结构优化计算，根据优化算法和迭代次数得到最优设计方案。

3.1.6 验证优化结果：

根据优化结果，进行结构力学分析和其他性能评估，验证轻量化设计方案的可行性和有效性。

通过上述步骤，可以得到一个最优的客滚船轻量化设计方案，实现减轻船舶重量和提高载重能力的目标。同时，该设计方案也具有良好的结构性能和航行性能，可以提高船舶的运行效率和经济性。

3.2 客滚船轻量化设计的案例分析

在客滚船轻量化设计方面，目前已经有不少案例研究。以下是其中两个案例的分析：

3.2.1 基于结构优化的客滚船轻量化设计案例

该案例以一艘载客量为800人的客滚船为研究对象，利用结构优化设计方法对船体结构进行优化，实现轻量化目标。具体步骤包括确定优化目标、建立优化模型、进行优化计算以及对优化结果进行分析等。在该案例中，通过将船体结构进行优化，实现了船舶重量减轻了10%左右，且船舶结构强度和稳定性不受影响。如图2所示已结构栏杆为例进行的轻量化优化方案。

图2 船用栏杆节点图

1)考虑将栏杆横档由目前的φ20圆钢改为φ25*3的圆管，对照如下

图3 管材参数计算

综上；剖面模数大于标准要求的等效值，重量减少约0.84 kg/m。室外栏杆总计用料约750 m，因此本方案减重约750*0.84=630 kg

2）将栏杆立柱由FB60*15改为FB68*12，对照如下：

表1 扁铁剖面模数及重量对比表

综上；剖面模数大于标准要求的等效值，重量减少约0.66 kg/m。

3.2.2 材料替代的客滚船轻量化设计案例

该案例采用了材料替代的方法，通过选用轻量化材料替代船舶原有材料，实现轻量化目标。具体步骤包括材料选型、结构设计、性能分析以及重量计算等。在该案例中，选用了一种新型高强度、轻量化的材料替代船体原有材料，使船舶重量减轻了约20%。同时，在满足船舶性能和稳定性的基础上，实现了船舶的轻量化目标。图4为某可客滚船铝制结构代替钢制示意图。

蓝色区域为铝制结构代替钢制结构

以上两个案例均从不同的角度实现了客滚船的轻量化设计目标。基于结构优化的设计方法可以通过优化船舶结构来实现轻量化目标，而材料替代方法则是通过选用轻量化材料来实现船舶重量的减轻。这两种方法在实际应用中可以根据具体情况选择，以实现最佳的轻量化效果。

3.3 基于结构优化的客滚船轻量化设计的案例分析

本研究选取某客滚船为研究对象，采用基于结构优化的轻量化设计方法，以降低船舶自重和提高船舶载重能力。该客滚船总长120米，型宽17米，型深7.5米，设计吃水4.2米，总吨位为4 800吨，设计速度为16节。首先进行了客滚船的结构分析，获得了客滚船的结构模型和受力情况，然后采用有限元软件进行结构优化设计。在优化设计中，采用了材料优化、构型优化和拓扑优化三种方法，以减少客滚船的结构重量。

针对材料优化，通过选择合适的材料来降低船体结构的重量。在该研究中，使用高强度钢来替换传统钢材，通过降低船体材料密度实现减重。对于构型优化，通过改变船体的布局和结构，以减少不必要的重量和增强船体的结构刚度。在拓扑优化中，采用了基于密度的拓扑优化方法，通过调整船体的空间结构来减少材料使用量和减轻船体结构重量。

拓扑优化采用变密度法进行求解，材料的固有属性与材料密度定义为非线性关系。在拓扑优化过程中，定义优化区域内的材料密度分布

在0～1之间，通过查看优化后材料的分布情况，指导优化设计工作。材料的密度和弹性模量的非线性关系可以表示为如下关系：

在进行结构优化设计后，对优化后的客滚船进行了性能测试。结果显示，通过基于结构优化的轻量化设计，客滚船的结构重量得到了显著降低，同时船舶的载重能力和速度得到了提高。

结论：本研究采用基于结构优化的轻量化设计方法对某客滚船进行了优化设计，通过材料优化、构型优化和拓扑优化等方法降低了船体结构重量。研究结果表明，该方法可以有效地提高客滚船的载重能力和速度，同时降低船舶自重，具有较好的应用前景和推广价值。

4 性能评估和优化

客滚船轻量化设计旨在减少船舶自身重量，提高运行效率和性能。评估轻量化设计的核心目标是对船舶性能进行评估，确保安全性和可靠性不受影响。

客滚船的性能评估指标主要包括航行性能、安全性能、经济性能和舒适性能。航行性能包括速度、航行稳定性、操纵性和抗风浪能力。安全性能包括船舶的结构强度、稳定性和船员的安全。经济性能涉及燃油消耗和维护成本。舒适性能涉及噪音、震动、空气质量和船员的舒适度。

客滚船轻量化设计的性能评估方法包括实验评估、数值模拟和经验公式。实验评估直接测量船舶性能指标，适用于整船性能评估。数值模拟利用计算机模拟软件对船舶的航行、结构和流场进行模拟，评估轻量化设计对船舶性能的影响。经验公式通过统计和分析历史数据，初步评估轻量化设计对船舶性能的影响。

通过综合评估客滚船的航行性能、安全性能、经济性能和舒适性能，可以确定轻量化设计的有效性，确保船舶在减重的同时不牺牲性能和安全。

5 结论和展望

5.1 研究成果总结

通过对客滚船结构优化和轻量化设计的研究，本文提出了基于结构优化的客滚船轻量化设计方法，并进行了案例分析和性能评估。结论如下：

1）结构优化是客滚船轻量化设计的基础，能够通过合理的结构设计减少船舶重量，提高船舶性能。结构优化方法包括拓扑优化、参数优化、多目标优化等，可以根据设计要求和优化目标选择合适的方法。

2）轻量化设计是客滚船设计中重要的一环，可以有效减少船舶的燃油消耗和排放，提高经济性和环保性。轻量化设计方法包括材料优化、结构优化、系统优化等，可以通过多种途径减少船舶的重量。

3）基于结构优化的客滚船轻量化设计方法可以实现船舶的高效设计和优化，进一步提高客滚船的性能和经济性。未来的研究可以进一步探索新的轻量化设计方法，优化客滚船的性能和经济性。

5.2 研究展望

未来，可以进一步完善客滚船结构优化和轻量化设计方法，优化客滚船的性能和经济性。可以通过应用新的材料、结构和系统设计等手段，进一步降低客滚船的重量，提高客滚船的经济性和环保性。另外，也可以开展多学科交叉研究，将机器学习、人工智能等技术引入客滚船设计中，提高设计的效率和准确性。

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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年山东省重点研发计划《高端客滚船高效建造关键技术研究与应用》（编号：2021CXGC010702）

朱宝会（1981-），男，工程师，主要从事船舶轮机和舾装设计。E-mail:zhubaohui@cmhk.com