基于知识的船体结构快速设计及优化段威威

基于知识的船体结构快速设计及优化段威威

段威威唐冲

段威威唐冲

江苏扬子江船业集团公司

摘要：在保障安全问题的基础上，将船体结构完整化标准化的设计出来，并且在修改设计过程中也要高效快速化的，是相关船舶设计师以及相关生产设计行业的共同目标。针对船体结构的快速设计目标，提出了基于知识工程基础上的船体结构快速的设计方法，将船体结构的基础知识还有知识工程中的基本原理以及知识工程参数化技术相接合在一起，对船体结构的设计开展分析研究，实现了三维的船体结构设计。此文就基于知识工程基础上的船体结构快速设计以及优化方法开展分析和研讨。

关键词：船体结构设计；快速设计方法；知识工程；优化策略

前言

在进行船体结构设计的时候，怎么样在保证安全质量的基础条件上，还能进行船体结构的快速设计，是相关船体结构设计工作人员所关心和需要考虑的问题。在过去传统的船体结构设计过程中，主要以数据信息为处理对象，相关船体结构设计工作人员将船体结构的船体外形造型、船体的具体数值和尺寸标注出来即可，不用结合相关专家的设计指导意见，也没有设计中心思想，也未涉及到船体结构的母型信息和相关规范等方面的内容，比较单一化，不具备标准性和科学性。此文会针基于知识工程基础上，对船体结构的快速设计方法以及优化措施来进行分析和研讨，以确保船体结构的详细设计和生产设计在未来更好的发展。

1.知识工程相关介绍

⑴知识工程介绍

知识工程即为进行知识研究的新的学科，知识工程可以把智能系统中研究发现的共同的具有共性的问题进行提取，提取之后作为知识工程的主要核心点，也是对于智能化系统进行指导和研究的基础工具。知识工程的工作内容为主要研究应该如何对产品开发中的知识进行有效挖掘开发和累积，并在挖掘开发出来后，对产品知识如何进行有效应用以及表达和维护，好在以后的工作环节中，利用产品开发出来的相关问题进行求解，实现知识循环有效使用和利用，以高效率和高质量的进行产品开发[1]。

⑵船体结构知识本体

船体结构的类型种类繁多，在实际的设计当中不会根据每种不同的船型结构进行一一的具体设计，但是相同种类的船型会有类似的船体结构[2]。所以，在此情况下，在与知识工程相结合设计船体结构的基础上，要结合具有共性特点的结构，来搭建出具备三维参数值的船体结构设计模型，也被称为船体结构知识本体。将船体的结构设计进行高度集中合成就是船体结构知识本体，其中融合了船体结构设计的相关专业知识，规范标准的知识模型以及船体结构设计专家的经验指点。通过使用现代化的计算机技术来将船体结构设计的相关知识集成到船体模型的设计中，使得船体结构的设计具备智能化、自动化和参数化[3]。

2.针对船体结构设计知识库的建立

知识工程中的结构化，便于应用的性质，以及具有组织性的相关知识集合，便组成了知识库。船体结构设计的知识库包括船体结构设计专业理论知识，船体结构设计专家经验，船东对新船型的规格书要求，还要相关成功参考案例以及船体结构构件标准等方面。在进行搭建船体结构设计知识库的时候，必须把这些相关知识收集整合之后在用来制定船体结构设计的相关设计方案[4]。除此以外，还需要将这些数据信息输入到计算机中储存保护，以方便船体结构设计师以及相关工作人员搜索和参考使用。

⑴船体结构设计构件库

在进行船体结构设计的工作中，因为船体结构中的构件数量多，而且相类似的结构也多，所以为了提高工作效率，在进行船体结构建造模型的时候不用重复建造，可以就船体结构搭建出构件库。将参数驱动的构件模型进行搭建组成，再参考相关电子表格对相关构件参数的参数值进行调整，使知识驱动带动生成构件[5]。

⑵船体结构设计规则库

在进行船体结构设计的工作中，需要建立出船体结构设计的规则库。船体结构设计规则库中包括船体结构各种船级社设计规范设计规范、船体结构设计标准、船体结构设计相关专家的经验指点以及船体结构的母型实例等多方面的相关知识的整理集合[6]。在进行规则库建立的时候，必须将全面细致化的信息知识进行收集整理之后，在进行分类，接着再按照标准传输进数据库中进行保存和储存，以便后续中的船体结构设计师以及其他相关工作人员在需要使用的时候可以即时找到，以供借鉴参考。

3.基于知识的生产设计中的船体结构快速设计

在进行基于知识的船体结构的快速设计工作中，在船体结构设计前期应该先将参数化构件库搭建出，接着整理出船体结构设计的各种相关规范，在进行船体结构设计前还需要借鉴相关专家的经验以及先前成功的船体结构设计的母型船实例等方面内容，然后将其各自整理分类，归纳成设计公式、设计规则、设计检验，使计算机可以有效进行识别之后储存进知识库，用以辅助船体结构设计工作人员进行船体结构设计，并且对于船体结构设计师设计完成的船体结构设计进行检查[7]。

在进行船体结构设计的时候，船体构件的具体位置需要参考位置参数来确定，船体构件的初始尺寸需要使用相关专业的计算方法来获得，根据相关的实际情况选择不同的计算方法，然后在进行船体构件尺寸最优值测算的时候需要应用优化算法来进行取值。

4.船体结构设计相关流程

在进行船体结构设计之前，需要先确定好船体结构中的构件位置。船体结构的构成主要使用加筋板而构成，利用板材作为材料基础，然后在板材上进行焊接。在确定船体结构构件的位置之前，需要先确定板材的位置，接着才对板上所需要施工的开孔等位置进行确定。使用船体结构设计知识理论中的平面与板边界的相关描述，可以确定板材的位置，理论面的获取在使用用户输入位置参数值的时候取得，或者其他板在进行操作变换的工作中获得[8]。

板边界的确立可以在平面方程信息中，还有船体外壳以及其他的板进行组合工作的时候获得。当板材的位置进行确定之后，还需要利用参数化方法来确定板材中的附属结构位置相关船体结构设计人员要将3种约束方式添加进板材中的附属结构当中。为了防止附属结构的位置会随着板材位置的移动也跟着移动，所以需要添加从属约束；附属结构与板上的一些特定位置需要保持一定的标准距离，所以需要添加距离约束；附属结构中的边界位置需要将板材的边界位置作为警戒线，即板材的边界也是附属结构中的边界。当板材的位置完全确认确立好了之后，才可以进行板材尺寸设计与加强筋尺寸的设计工作[9]。

5.保证船体结构设计中的船体构件之间的连接性和连续性

基于知识的船体结构快速设计工作开展中，在高效率的基础上完成船体结构设计的同时，还需要保证船体结构设计的质量和安全，并且在船体结构设计当中，加强船体结构构件中连接性、连续性的设计，才能确保船体结构设计在生产制作完成后的质量和安全。当船体结构处于高应力的区域位置的时候，船体结构构件中的连接位置区域的集中应力的产生，会对船体结构的质量水平造成影响，并且还会对于船体结构强度有所损坏，导致船体结构的整体质量和安全性能得不到保障，影响船体结构生产制造相关企业单位的经济效益。

所以，在进行船体结构设计的时候，相关的船体结构设计工作人员必须要注意并且加强船体结构构件之间的连接位置的设计，根据实际的情况来改善优化船体结构的节点设计，还要对已经有损坏的船体结构中的构件进行修复修补以及再次加强，以确保船体结构构件在使用中，由于受到集中应力或者交变载荷作用力等的影响情况下，船体结构构件能够不受影响，并且继续正常的使用工作，以保障相关船体结构设计生产的企业耽误的生产工作效率以及经济效益。

在实际的船体结构设计中，单壳体的散货货船中，船货舱还有货船舷的舷侧，一般情况下都是采用横骨架式连接方法。每一个肋为都会设计出合理的主肋骨作为主要支撑点，然后底边舱以及顶边舱和上方和下方的应用肘板和进行衔接，理论性要和货船舱中的相关构件的理论线保持一致。接着，为了降低船体结构中构件节点在集中应力下的疲劳伤害损坏，应该将船体肘板的端部设计为软趾，肘板的面板削斜的长度必须要大于面板的宽度或者等于面板宽度的2.5倍数，可以使用对接或者搭接的形式来进行肘骨和肘板之间的衔接，在进行衔接工作的时候，还需要注意肘骨的搭建长度必须要大于肋骨的高度，或者等于肋骨高度的1.25倍数，才是正确的操作方式。

除此之外，当船体结构中的纵向强构件间断之后，要实施有效的过渡。船体结构设计的相关设计工作人员务必要考量到船体结构中的底边舱的头尾结构的连续性，船体结构中的顶边舱的头尾结构的连续性，才能够保证船体结构中纵向构件整体的连续性，以避免由于船体结构剖面以及船体结构高度的不可预测的变化，造成船体结构中构件的连续性不稳定或者连续性遭到破坏，而发生应力集中等现象。

船体结构中的构件在船体舱壁或者其他船体构件的两侧进行对接衔接的时候，必须要保障构件的位置在同一条水平线上保持一致。在进行船体结构中船舷纵桁和船体结构中的横舱壁的衔接相连工作的时候，必须要根据实际情况来设置出连接肘板，或者根据实际情况的变化在制定出其他合理科学的解决方案。另外，在进行船体结构中船舷纵桁和船体结构中的强肋骨的衔接相连工作的时候，必须要让船舷侧纵桁面板具有一定程度的连续性，或者船舷侧纵桁的折边具有一定程度的连续性，并且，船体甲板纵桁端部和船体横舱壁在进行衔接工作的时候，务必要按照船体结构施工中的相关规范制定来开展工作。除此以外，船体结构中的甲板纵桁承担了船体结构中的总纵强度，所以要格外注意船体结构中的甲板纵桁与船体结构中的横舱壁结构之间纵向的连续性。

6.基于知识的船体结构快速设计优化策略

船体结构设计是一项设计内容宽广并且专业性强，设计难度高的一项生产设计，因此要想在高效率的基础上完成船体结构设计，必须结合知识工程的应用。在进行船体结构设计的工作前期，必须要了解到相关船体结构设计的中心理念，并且参考船体结构设计专家的相关经验指导，再依据相关成功的船体结构设计先例来进行信息数据梳理整合之后，然后在根据实际的船体结构设计情况，来制定出具备专业性、标准性以及科学性的船体结构设计，开发出更经济和环保的绿色船型。

接着，在使用的船体结构生产制造材料上，还需要切实的选用符合实际生产制定标准的材料，并且严格检查材料的质量规格，在通过验收和相应的检测之后才能投入使用。除此之外，不管是在进行船体结构设计的工作前期，还是在进行船体结构分段的生产制造中，都要依据现代信息化行业标准和现代科学技术来结合使用，并且进行适时调整，在船体结构的整个生产制造过程中，每个环节都要严格的进行监督管理工作，才能确保船体的生产制造过程中的施工的规范性以及船体结构的整体质量水平。

结束语

通过上述的具体讨论分析，我们知道了基于知识的船体结构的快速设计要求相对更高，但是基于知识的船体结构设计效果以及质量都会有更好的保障，不仅提高了生产工作效率，还提高了相关企业的经济效益，为相关的企业可持续发展奠定了坚实基矗

参考文献

[1]管官,林焰,纪卓尚.基于知识的船体结构快速设计及优化[J].船舶力学,2017,21(04):472-483.

[2]赵东,孔慧敏.基于知识工程的船体结构参数化设计[J].造船技术,2005(01):9-11.

[3]黄甜[1],郑飞飞[2].基于船体详细设计的船体结构重量预估浅探[J].全文版：工程技术,2016:69.

[4]温原博贺亮宋丽媛赵晨.基于Tribon在船体的结构设计[J].科学与财富,2015(7):250.

[5]赵向阳,戴春祥,马燕玲.基于知识的船体结构件重用系统[J].制造业自动化,2012(02):131-133.

[6]芮营营,吴佼.基于风险的船体结构腐蚀检测规划[J].科技传播,2012(23):69+80.

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[8]钱天龙,张进,姜得志.基于夹层板的单壳船体结构耐撞性设计[J].中国水运(下半月),2013(05):11-12.

[9]刘立光,谢志洋,杨文.船体主船体结构设计的若干问题分析[J].中国科技博览,2015:247.