关于船舶结构优化设计方法的研究

关于船舶结构优化设计方法的研究

张园园

南京普宁船舶设计有限公司  210000     江苏省

摘要：随着科学技术在船舶制造中的推广，我国船舶制造工艺、质量和效率等方面取得了进一步的提高，有效地提升了海上运输的安全性。为了更好地优化船舶内部结构设计，使其更符合时代的发展需求，我们必须在现有优化方法的基础上加大对新理念和新方法的研究，突破原有技术的局限性，并积极开拓创新。

关键词：船舶结构；优化设计；方法；

引言

近年来，我国经济的迅猛增长带动了船舶工业的繁荣，尤其是在科技日益突显的当下，船舶建造业面临着双重压力，不仅要追求卓越的制造品质，还得提升生产效率。在全球领先的造船强国中，他们已经纷纷采用创新策略来应对这一挑战，那就是构建先进的数字化造船模式，以实现质量和速度的双重提升，这是当前船舶制造商亟待突破的关键课题。

1.船舶结构优化设计的重要性

随着我国现代化船舶工程项目不断发展，船舶工程相关技术水平也在不断提高。因此，船舶结构的总体设计理念和设计范式也在发生改变。然而，无论船舶结构设计如何变化，都需要确保船舶工程生产的经济效益。这也是实施船舶结构设计优化的根本原因。我们的目标是以最低的成本获得更好的生产价值，减少不必要的施工浪费。通过结构设计优化的方法，可以改善船舶的外形、结构大小等拓扑学信息，并尽可能地找到质量较轻的结构。但同时，船舶结构也需要满足船舶工程的生产要求，并展现出良好的船舶结构静力学特性和动力学特性。为此，我们需要制定更科学的船舶结构框架，以提高我国船舶工程船体结构的强度、刚性和稳定性。这样的努力将推进我国船舶工程的发展，使其在国际舞台上具备更竞争力的优势。

2.船舶结构优化设计方法

2.1数学规划方法

数学规划策略作为传统设计优化的基石，起源于1960年的创新思维，它巧妙地将船舶设计中的参数抉择转化为寻求最优解的数学挑战，其初期应用即引起了显著的反响，并迅速在全球范围内推广开来。尽管我国在70年代才开始引入这种方法，但其迅速而深远的影响立即显现，极大地丰富了船舶设计的全面性。船舶的构造众所周知，主要依赖于复杂的板梁结构支撑负载，这导致在运用数学优化过程中，需处理众多的变量和限制条件，这些因素无疑增加了设计计算的复杂性和工作量，即便是借助计算机，庞大的数据量也给实际优化设计带来挑战。为应对这一难题，我们采取了一种分层次优化策略。首先，我们从材料配置的全局最优角度出发，这是初级阶段的任务；然后，进入第二阶段，聚焦于结构设计的深入探究，目标是实现结构设计的最佳平衡。这种方法的核心在于将船舶设计过程分解成一系列明确的步骤，使得每个环节的操作更为简化。最后，通过整合各个部分的独立变量，整个优化过程得以整合为一个协调和谐的整体。

2.2多目标的模糊优化设计法

传统的优化设计数学规划方法是在特定条件下进行的，意味着目标函数和约束是根据人为设定或按照特定规则确定的值。然而，在船舶结构优化的实际设计过程中存在许多模糊因素、制约因素和评估指标等方面。如果要优化这些模糊因子，就需要借助模糊数学来进行多目标优化设计。模糊优化设计问题的主要形式是：它极大地增加了设计人员选择优化程序的可能性，并使设计人员对设计方案有了更深入的理解。目前，模糊优化设计方法的发展非常迅速，但仍有待完善。多目标模糊优化设计方法的主要难点在于如何准确描述具体设计对象的目标函数满足度和约束函数满足度的隶属度函数。因此，在研究模糊优化设计方法时需要注重解决这个问题。

2.3遗传设计法

在现代船舶构建领域，一种创新的设计策略——遗传优化设计法，源自于对生物遗传进化机制的深入模拟。这一理念首次由美国科研人员Goldberg引入，他巧妙地融合了船舶工程结构设计与生物学进化理论，从而革新了原有的设计方法。与传统算法相比，遗传优化设计展现出显著的优势，它摒弃了对导数的依赖，仅依赖于目标函数的设定，就能将船舶设计中的难题转化为易于理解的形式。这种方法采用二进制编码，清晰地反映了船舶设计参数间的离散特性，通过生成交叉、变异和再生因子，将这些离散变量转化为连续处理流程。然后，借助非线性数学规划技术，使得算法能够在多变复杂的运算环境中高效运作，适应性强，效率提升。

2.4智能优化设计

在当前常用的优化设计方法中，首先需要确定船舶结构的基本模式，然后考虑处理设计问题，并通过相应的数学方法来解决问题，得出最优解决方案。然而，传统的优化设计方法在两个方面存在问题：一是难以处理综合性和经验性的关系。船舶作为一种复杂的工程结构，其组合不仅需要每个数值都达到最优值，还需要这些数值之间相互配合良好，这涉及到各种复杂因素。虽然通过引入模糊计算方法可以清晰地表达数据，但一旦结构模型消失，经验和综合性也会消失。因此，当前的设计方法仍需要找到一个直观的模型。二是创新比较困难。目前的创新模式主要依靠基本模式的构造来完成优化，通过与类似产品进行参数交换等操作，期望能得到最佳设计作品，这属于高级别的优化方法。随着各种智能技术的进步，设计方法优化出现了新的途径。目前，智能优化设计采取以下思路：首先搜索和设计传播中要求相近的某类产品，将其作为基本模型，作为典型模式。然后，分析与设计对象之间的关联度，获取设计对象与模式作品的对比度、差异性以及与设计优化相关的一系列数值。根据样本模式的变换，得到几种新的模式。最后，通过人工智能的选择，得出最佳结果进行最优对比。

3.提高船舶结构优化设计方法有效性的措施

3.1提高设计者专业水平

关于初始阶段的船舶构造改良策略探讨，它曾依赖于设计师深厚的经验积累。然而，在智能优化理论的研究领域，设计经验对最终决策的影响力已明显减弱。尽管智能技术在船舶结构优化设计领域的普及趋势不可阻挡，仍有一部分设计师未能全面接纳这种创新的思维模式，这无疑削弱了优化过程的有效性。因此，提升设计团队的专业素养显得至关重要，应推动他们主动接纳并熟练掌握前沿的设计理念和技巧，通过不断的实践深化对专业知识的领悟。这样，我们才能为我国船舶工业的持续进步注入活力。

3.2算法的进一步优化

随着我国船舶业的快速发展，越来越多的科学算法被提出来，用于不同船舶结构的优化设计。然而，提高所选算法的有效性成为当前面临的主要挑战。首先，需要加大对现有算法的研究力度，以减少无关因素对算法准确性的负面影响。其次，应树立创新意识，并结合优秀的船舶优化案例，不断探索适应我国船舶业发展需求的优化设计方法。这些努力将有助于提高船舶结构优化设计的效果。

4.结束语

总而言之，船舶设计涉及许多重要元素，且设计结果需要通过指标分析来确定。在探讨船舶优化设计时，我们应以这些元素为基础，提升各个方面，从而得到有效的优化设计方法。

参考文献

[1]郭军，肖熙.基于可靠性的船体结构多目标优化设计[J].上海交通大学学报，2020（1）.

[2]俞铭华，谢祚水，吴剑国，窦培林，曹骥.船舶中剖面结构优化设计研究进展[J].华东船舶工业学院学报，2022（3）.

[3]郭小东，嵇春艳，王自力，顾学康，胡嘉骏.大型油船中剖面结构优化设计的遗传算法[A].2005年船舶结构力学学术会议论文集[C]，2021（12）.

[4]高兆进.船舶结构优化设计方法及应用实践微探[J].科技创新与应用,2022,(5):103-104.