船舶结构优化设计方法及应用

船舶结构优化设计方法及应用

韩歆

宁波东方船舶设计院有限公司

摘要：现阶段，随着我国经济的发展，船舶行业也得到了较好的发展，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。借助何种手段，在确保船舶制造质量的同时，缩减制造速度是当前船舶制造企业首要解决的难题。全球范围内的造船大国，仅创建了大量的数字化造船体系。

关键词：船舶结构；优化设计；应用

引言

近年来国内的市场经济整体发展是十分迅速的，船舶制造业也是有非常明显的进步，尤其是科技迅速更新，让船舶制造业面临诸多的挑战，这对船舶制造的质量以及速度都是提出非常高的要求，需要借助合理的手段，在船舶的质量有所保障的基础上，让船舶制造的效率实现全面提升，这是诸多企业要面临的一个关键问题，船舶结构要展开合理优化。然而船舶结构实施优化设计是比较复杂的工作，要找到合适的优化方法，并展开实践应用，让船舶结构可以满足客观的需求。

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。

2船舶主船体结构设计的相关要求

2.1船底骨架设计

（1）肋腹板的设计，尽量提高肋腹板的稳定性，确保其高度与厚度之间的比例在合理范围内。一般情况下，单底船的比例低于75，双底船的比例低于100。如果比例超出合理的范围，肋腹板在使用中易出现局部失稳的情况，损坏船舶结构。为避免问题发生，可调高腹板厚度或将垂直加强筋安装到肋板上。（2）双壳船双层底实肋板的设计问题，如果双壳双底船的高度不达标，需要在实肋板上塞焊面板，将“T”型材配置到实肋板上边缘，保证实肋板厚度高于船底厚度。（3）机舱内船底骨架设计问题，船底骨架的制作材料为“T”型组合材料，不能选用折边材料。实肋板腹板的厚度比货仓腹板厚1mm，截面面积是其2倍。所有肋位均需配置实肋板，其中纵骨架式实肋板的间隔不能超过1.25m。（4）实肋板跨距的问题，通常情况下在单口船舱中实肋板跨距即为船宽，数值较为简单，相对安全。如果是甲板船，实肋板跨距为纵向舱壁与舷侧距离或者纵向舱壁长度，选择二者之间更大的数值。（5）内龙骨修正系数的问题，系数关系到舱底平面长度、内部龙骨根数、船侧肋骨类型以及船体结构类型等众多参数，确定好内龙骨修正系数，对船舶结构的优化有重要意义。

2.2甲板骨架设计

（1）跨度距离设计通常参考横向舱壁的相邻距离，甲板跨度中间有船底集中载荷支柱的情况除外，此时需要运用函数计算，确定甲板纵桁。（2）支撑区域宽度的平均值计算，计算甲板纵桁间距×0.5，2个甲板纵桁距离×0.5，将二者相加获得结果，再计算舷侧到甲板纵桁之间的距离，得到第2个结果，对比2个结果，最大值即为所需结果。

2.3舱壁设计

（1）平面水密舱壁板。平面水密舱壁有多种形式，分别是干货舱壁、深舱舱壁和防撞舱壁。所以在实际的制造过程中，对各个舱壁的性质应当做出区分，这样才能选择出正确的K值和c值，得出需要的板厚。所谓的深舱是去除双层底之后的压载舱、燃油舱和水舱。因此，这些舱室的两端应视为深舱壁。同时，应注意，根据相应的舱壁计算，双壳船和单舷长开船的货舱的前后横向舱壁的厚度应增加0.5mm。①舱壁板高度h取值：h等于梁拱加甲板边线高；如果是深舱的话，则需要在原有的基础上加上0.5m，也就是梁拱加甲板边线高加0.5m，但无论什么样的情况下，取值应不小于2m。②根据舱壁的性质，来选择系数K和c。③将整个舱壁中各扶强材间距当中的最大值当做扶强材间距s。（2）扶强材。一般情况下会竖向布置舱壁扶强材，对于深舱舱壁和防撞舱壁，允许的最大间距是650mm，而对于干货舱壁则是750mm。当具体的数值大于规定数值时，需要结合计算法计算剖面模数，而不能使用规范化的公式。在个体造船中经常会出现没有扶强材，只有垂直桁的情况，并且间距比规定的数值更大，这就需要增加扶强材的数量。①将各扶强材当中的间距的最大值作为s。②水柱高度h的取值：在计算防撞舱壁和干货舱壁时，取舱壁板高度的一半；深舱舱壁取1/2舱壁板高度加0.5m，上述2种情况h的取值都应不小于2m。③跨距l：没有水平桁，以舱壁高度值为准，反之，应该量取扶强材端部到桁材或者桁材之间的距离，取较大值。④系数K：先确定扶强材的两端固定情况，明确舱壁性质后，才能选择正确的K植。

3船舶结构经典优化设计方式

3.1准则优化设计

船舶结构设计当中常用的满应力准则法、能量准则法以及位移准则法均属于准则优化设计范畴。准则优化法在工程设计经验以及力学知识的基础上提出，通过分析所有设计方案，选择出最为适宜的设计方案。准则法设计具备以下优势：（1）明确物理层作用，高效开展分析工作。（2）计算方法更简单，减少计算量，缩短计算时间。（3）有较高的收敛速度。在船舶结构设计当中，准则法的应用频次较高，但仍存在一定缺点，如不能保证计算所得的结果是最佳结果；收敛结果无法得到实验验证；工作人员在真实的施工环境中需要依据实际情况安排工作，不能完全按照准则法开展施工建设。为了规避准则法的缺点，应将其与形状优化设计方案结合，改变应力集中等情况，应用到变量较多的力学模型中，实现对设计方案的简化处理。

3.2数学规划设计

函数评价法、降维法、单目标排序法等均属于数学规划设计方法，能够对多个目标做规范处理，使其转化为单个目标，在对单个目标做优化处理后，实现整体的优化。数学规划设计法的理论基础是规划论，其发展时间久远，内容覆盖广泛，在众多领域均有应用，其自身具有收敛性，应用优点较为明显，缺点主要表现为：（1）计算上存在隐性缺陷，不易被发现；（2）计算环境相对复杂，如果变量较多，会耗费收敛处理的时间，降低计算效率。如果将其与准则法结合，可以规避缺点，放大优势，2种设计方式在遵循力学规律的基础上融合，能够推动优化效率以及优化质量的双重提升。提高运算速度，需要完善连接变量、制约功能、导入倒数、选取显示等几个方面。

3船舶结构优化设计方法及应用

3.1遗传模型结构优化设计

在船舶的创新优化设计中，遗传模型结构优化是基于数学模型变量为基础，通过对其进行优化而产生，采用遗传模型的结构设计主要包括连续变量模型、混合变量以及离散变量模型。通过与传统结构设计中存在的问题进行分析，不断地研究出全新的算法，按照当前船舶结构的设计特点，将其融入到生物进化知识中，从而衍生出创新的遗传模型设计。通过遗传算法的应用，不需要进行导数资料就可以借助函数来解决之前的问题，有效地解决了在出船舶结构设计优化中的离散性和连续性问题。通过遗传模型结构优化设计，主要采用仿生进化策略实现交叉算子、异化算子以及再生算子。经过长期的实践应用，这种遗传模型结构优化设计主要适用于一些繁琐的设计环境，通过遗传船舶结构优化设计可以实现有效的应用效果，实现了船舶领域结构设计的突破，对船舶制造业的发展具有重要意义。

3.2模糊原理优化设计方式

模糊原理早在20世纪80年代开始发展起来，在模糊判决的基础上实现创新发展，建立了限界搜索法，运用到船舶结构的设计中，可以将结构优化的一些难题顺利解决。运用完善的模糊目标，可以将阀值看成是变量。这样避免在进行一次求解情况下的最大水平法，经过求解，对施工以及结构等各类的要素展开思考，建立要素权重集，并进行乱序结合，建立模糊评价法。然后可以明确模糊约束的容差，比如在船舶结构中，对油船的槽型以及剖面展开计算，需要结合工程的具体情况，对模糊要素的具体覆盖进行确定，然后可以运用合适的模糊优化方法，在缩减原材料的情况下，让船舶结构得到设计优化。这种方式可以在一些繁杂工程内展开应用，可以有多个目标问题。另外，对模糊结构展开适当拓展，让多目标实现模糊优化的融合，并约束各层次模糊性。在对该方法展开应用时，要注重建立符合模糊约束的子集，然后依据模糊判决，可以转变成一般规划，然后展开适当求解。这种方法在船舶结构设计的实际应用中，可以满足现实优化设计的需求，也能让相关人员结合船舶结构的需求，适当选取应用。

3.3智能型船舶结构优化设计

随着智能化的全面普及，船舶的结构设计优化也应该朝着智能化发展，就目前的技术水平来看，船舶的结构设计已经实现了智能型的优化，并结合实际设计情况深入研究了设计问题，并采用数学规划实现最佳船舶结构设计方案，有效地促进了船舶制造业的发展。例如，在进行船舶结构的优化设计时，采用智能型优化方式进行结构的设计，结合系统内部的专家技术系统，实现了船舶结构的合理优化，并全面考虑实际的应用环境，通过智能型设计方式与经典设计优化方式进行有效融合，实现人工智能的结构优化设计，全面提升了船舶结构的设计效率。对于当前的船舶制造企业而言，智能型优化设计的方法常用的表现形式为以下2种：神经网络设计法和专家系统设计法，通过这2种系统实现了船舶结构设计的合理优化，促进了船舶制造的经济效益。

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。

参考文献

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[3]田俊.浅析船舶结构优化设计的方法[J].全文版:工程技术,2021,(2):285-286.