探討船舶結構優化設計方法及應用實踐

楊玉慶 李宏越

摘 要：不論何種船舶結構，其創造性、綜合性、經驗性都比較強，隨著市場經濟的轉型，科學技術的迅速發展，各行各業逐漸開始創新，船舶制造行業也應該進行創新。在實際中采取何種優化方法，才能獲取相應的效果，這就需要結合實際的建造需求，文章主要探討的是船舶結構優化設計的方式及其應用實踐。首先分析了船舶結構優化設計的概述，同時闡述了各類優化設計方式及其應用。

關鍵詞：船舶結構；優化設計；概念；應用

近幾年，隨著我國市場經濟的迅速發展，船舶行業也得到了較好的發展，在科技時代背景下，船舶建造行業也面臨著較大的挑戰，對船舶的制造速度和制造質量提出了更高的要求。借助何種手段，在確保船舶制造質量的同時，縮減制造速度是當前船舶制造企業首要解決的難題。全球范圍內的造船大國，僅創建了大量的數字化造船體系。

1 船舶結構優化設計概述

1.1 船舶結構優化設計概念

隨著船舶行業的不斷發展，計算機技術的不斷轉變，與船舶設計相關的知識、技術也在發生了變化。在船舶設計制造過程中不管應用何種設計方式，首先需要確保船舶使用的安全性、便捷性，進而再追求船舶設計的經濟利益，這也是船舶結構設計的原則。對船舶結構設計進行優化主要是為了挖掘更大的經濟效益，同時創新船舶設計結構形式，在設計過程中主要包含設計大小、設計外形等信息，追求目標與重量的同時，還需要符合相應的標準，滿足相應的約束限制，以此確保在船舶設計過程中，實現動力形態與精力形態的完美結合。

1.2 船舶結構優化分類

按照變量屬性，將船舶結構優化劃分為離散模型、連續模型、混合變量模型。由于船舶制造過程中自身的比較繁瑣，在建造過程中包括連續性、離散性，在骨材制造中包含連續性，在鋼材厚度、型材上涉及離散性內容，因此，船舶結構優化設計本身屬于一項混合優化設計方式。

2 船舶結構經典優化設計方式

2.1 準則優化設計方式

準則法是在力學相關知識和工程設計相關經驗的基礎上，創建出來的優化設計方式。這類船舶結構經典優化設計方式，在符合所有約束限制的設計方案內，選擇最佳的準則法設計方式。

準則法經典優化設計方法的優點包括：（1）物理層的作用比較清晰，能夠更好地開展分析工作；（2）準則法計算方式比較簡單；（3）在具體的計算環節里，結構分析的次數較少；（4）計算過程中收斂速度較快，在最初使用傳播結構優化設計的時候，這類設計方式得到了廣泛的應用。準則優化設計方式的缺點包括：（1）無法確保計算結果的最優化；（2）收斂性難以驗證；（3）在優化過程中，設計工作人員需要按照實際狀況完成各項工作。

基于準則法的缺點，將其融入了形狀優化內，通過實踐形狀優化設計方式，能夠有效避免應力集中問題。若是力學模型中涉及大量的變量，使用這類方法能夠簡化設計環節。目前，在一般的船舶建造工程內，常見的準則法包括：位移準則法、能量準則法、滿應力準則法。

2.2 數學規劃設計方式

隨著準則法的不斷發展，相關專家學者對數學規劃也展開了探討，在1970年，相關學者創新了結構優化定義，為規范法注入了活力。通常情況下使用的方式為：單目標排序法、降維法、函數評價法等。在使用過程中是將多個目標進行規范，簡化為單個目標，通過優化單個目標進行實現設計方式的優化。

數學規劃法是在規劃論的基礎上存在，由于理論較為全面，因此使用范圍也比較廣，數學規劃法自身還具備一定的收斂性。但是在應用中依舊存在一些缺點，主要包括：（1）計算環境較為復雜、收斂耗費的時間比較長，特別是是在變量較多的情況下，收斂耗時比較明顯；（2）在計算上還存在一些隱性缺陷。

針對上述問題，相學者進行了改進，在規范法中融入了準則法的優點，依照力學的特征進行了完善，其完善范圍包括：選取顯示、導入倒數、制約功能、連接變量等方面，很大程度提升了運算速度。

3 船舶結構創新優化設計方式及應用實例

3.1 遺傳模型優化設計方式

遺傳模型是在相關數學模型變量屬性的基礎上演變而來，能夠將結構優化設計劃分為離散變量模型、連續變量模型、混合變量模型。基于傳統模型結構優化設計中的不足之處，相關專家學者研發出了一種全新的算法，依照船舶結構設計的特征，融入生物進化知識，創新遺傳算法。經過實驗得知，這類遺傳算法具備較強的魯棒性，不需要導數資料，就能夠借助目標函數的方式，將之前的不足之處及時完善。相應工作由編碼集完成，利用二進制將相應的變量關系表現出來，有效解決在設計過程中連續性、離散性問題。效仿生物進化的方式開展交叉算子、再生算子、異化算子。通過實踐證明，這類優化設計方式適用于各類繁瑣的設計環境。在實際的應用中，遺傳優化設計方式具有顯著的應用效果，是工程設計上的又一次革新，意義顯著。

3.2 模糊原理優化設計方式

模糊原理最早起源于1980年，是在模糊判決的基礎上創新出的限界搜索法，將其應用在船舶結構優化設計中，能夠有效處理機構優化的難題。應用健全的模糊目標原理，將閾值視為變量（附加），有效避免了一次求解下的最大水平法，在求解之后只需要對施工、結構等要素進行思考，創建要素權重集與排序結合的模糊評價方式，在此基礎上確定模糊約束容差值。例如：在對油船的槽形、橫艙壁、剖面、其他結構等進行計算，首先需要結合工程的實際情況，明確模糊要素的覆蓋情況，接著再借助模糊優化設計方式，在減少原材料的基礎上，實現設計的優化性。

模糊船舶結構優化設計在較為繁雜的設計工程內，會存在著多個目標問題，在最大法背景下，對模糊結構優化設計進行擴張，能夠實現多目標模糊優化設計方法的融合，同時實現了約束、目標不同層次的模糊性。在應用過程中首先需要創建符合模糊約束的目標子集，接著按照模糊判決，將其轉變為普通的規劃接著開展求解。模糊船舶結構優化設計在實際的應用中，不僅能夠滿足現實的設計需求，同時相關工作人員還能夠結合實際狀況，選取應用，具有較強的適用性。

3.3 智能型優化設計方式

由于當前屬于科學技術時代，因此，在船舶結構設計中智能型優化設計方式使用較為普遍，在明確了最基礎的設計方式之后，接著根據實際情況深入研究設計問題，用數學規劃的方案總結出最佳的設計方案。例如：某船舶結構設計公司，借助智能型優化設計方式，系統內部的專家技術系統，為優化結構設計奠定了基礎，在實際的應用中發現智能型船舶結構優化設計有效融合了經典的優化設計方式與人工智能，全面提升系統的設計效率。

根據相關調查，目前智能型船舶結構優化設計主要包括兩種：一是神經網絡設計法、二是專家系統設計法，這類系統在輪船結構優化設計上得到了廣泛應用。例如：在設計過程中可以將輪船的節剖面發送至專家系統，專家將在線對表殼進行理性分析，將專家的主觀經驗整合，以此實現結構設計的優化。由于這類系統是效仿專業人士開展優化設計工作，其中儲存的理論知識、優化設計結果具有十分重要的作用。

4 結束語

隨著科學技術的迅速發展，結構優化設計逐漸得到人們的重視。在船舶結構設計中應該結合實際的建造需求，優化設計方式。就目前船舶結構設計情況而言，應用了形狀優化、模糊優化、遺傳優化等設計方式，在此背景下很大程度推動了船舶結構優化設計的發展，為船舶結構優化設計的發展奠定了基礎。

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