船舶結構優化設計方法的研究

趙明超 吳桂軍 徐光旗

摘要：社會經濟的發展和科學技術的進步極大地推動了我國船舶制造行業的發展。船舶制造不管是在生產工藝和技術，還是在生產質量和效率方面都實現了飛躍。船舶是海運的基本交通工具，船舶制造的進步保證了海洋運輸的安全。優化船舶結構是相關領域專家研究的重要課題，是船舶制造企業的發展出路。以現有結構優化原理為基礎，加大對新技術、新工藝的研究投入，擺脫傳統技術的弊端，加強理念創新、技術創新。本文以船舶為研究對象，以船舶結構優化設計方法為主題，展開了具體細致的研究，希望對船舶制造企業具有指導性的意義，提高我國船舶生產制造的質量和綜合水平。

關鍵詞：船舶；結構；優化設計；方法研究；合理建議

引言

物流運輸行業是國民經濟必不可少的組成部分。改革開放以來，我國物流運輸業取得了一定的成果，呈現出運輸網絡化、高速化、大型化的發展趨勢。水路運輸是五種基本交通運輸方式之一，水路運輸所依賴的交通工具就是船舶。船舶制造水平的進步提高了水路交通的速率，增強了水路運輸的優勢。船舶的結構設計是船舶設計的核心，只有優化船舶結構，才能在保證船舶安全穩定航行的前提下，進一步提高船舶航行速率。船舶結構優化越來越受到船舶制造企業和相關政府部門的重視，加強設計方法的研究勢在必行。從不同的角度出發，船舶結構優化有不同的設計方法，下面將展開具體的研討。

1 船舶結構優化設計方法分析

1.1 早期應用的優化方法

在社會發展水平較為的低下的早期，船舶結構優化的設計方法也比較淺顯，內容單一。主要使用公式和計算機，對船舶結構進行局部的、簡單的優化。第一步，相關人員向計算機輸入所需公式，輸入時要以計算機能夠讀懂的代碼為語言。第二步，計算機自動根據輸入數據完成計算，發揮其強大的計算功能。第三步，相關人員在深入分析計算結果的基礎上確定優化方法。以計算機和公式為主要工具的設計方法，體現了船舶結構優化的初步發展，提高了相關人員的設計工作效率，促進了我國船舶制造和遠洋運輸業的發展。

早期優化方法充分使用了數學方法和理論，分析船舶的物理結構，協調各級各層結構之間的關系，從宏觀層面對比分析船舶的兩級結構。從迭代思想出發，調整船舶兩級結構的部分變量，使前期問題與目前問題產生固定的聯系。早期優化方法有一定的先進性，例如適應范圍廣、收斂性高、簡單易懂、計算方便簡單等。不可否認地，早期優化方法與現代優化方法相比弊端顯露。第一，理論性較強，以數學理論為計算基礎，使用公式計算相關數據時難以估計收斂性，船舶結構無法實現最優化。第二，早期優化方法受設計人員工作經驗的影響度高。選擇優化方法的初始位置是結構優化的首要步驟，對優化效果具有直接影響。設計人員往往通過多次重復計算和個人經驗來確定初始位置，容易出現失誤或偏差。因此，為促進船舶制造的發展，要進一步加大對船舶結構優化設計方法的研究。

1.2 智能化優化方法

機遇和挑戰是一對矛盾，社會經濟的發展，一方面為船舶運輸帶來了極大的發展機遇，另一方面對船舶的質量和功能提出了更高的要求，具體衡量指標有最大運輸噸位、最大航行速率、最大存儲空間、安全性能等。船舶結構優化的內容更加豐富，從內部艙體結構延伸到包括甲板、剖面的外部結構。擴大優化工作范圍，計算時的數量、函數以及約束條件會同步增加。早期優化方法的局限性顯露，難以適應數據龐大、流程復雜的計算工作。值得注意的是，早期優化方法主要是針對船舶的靈敏度，涵蓋的數據較為單調。船舶運輸業的進步和發展催生了新的需求。如何提高船舶運輸的效率和質量，成為專家和學者的研究主題。在發展的時代背景下，更加科學合理的智能化優化方法應運而生。

智能化優化方法的優點在于，以數學理論為解決問題的基礎，建立數學模型進行智能化運算，減少了對數據資料的依賴程度，發展了尋找最優變量的新功能。其基本原理為：第一步，整理產品資料，分析數據信息，總結產品具有的普遍性特質，建立分析模式。第二步，使用類比法、關聯法，找出樣本與設計目標的異同點。第三步，根據統一指標歸納出新模式，通過比較確定最合適的優化方法。智能化優化方法相較于早期優化方法，具有先進之處。智能化優化方法具備自動查找最優變量的功能，突破了早期點對點查找的弊端，發展以種群、蟻群為典型代表的群體算法，更新了尋優算法理論，實現了理論創新。早期優化方法或早或晚會遭到淘汰，新興的智能優化方法將取而代之，這是發展的必然趨勢。以下三個方面可以充分印證。第一，智能化優化方法對復雜計算工作的適應性強，輸入數量、函數、約束條件便可以通過迭代法自動完成計算。第二，智能化優化方法對確定初始位置的依賴性較小，計算結果受影響小、更加可靠。第三，智能化優化方法使用群體算法，能滿足非線性、高緯度的計算工作，降低設計工作的難度，實現船舶結構的最優化。總的來說，智能化優化方法對船舶結構優化至關重要。

2 提高船舶結構優化設計方法有效性的措施

2.1 提高設計人員的專業素養

早期的船舶結構優化更多依賴設計人員的工作經驗。與之相反，智能化優化方法對設計人員個人經驗的依賴性大幅度降低。盡管在船舶結構優化設計過程中，智能化優化方法占有一席之地并繼續擴大其影響力，但并不意味著所有的設計人員都掌握了新理念、新方法，提高設計工作的有效性仍然是一個難題。要加大對設計人員的培新力度，鼓勵設計人員學習新型的設計方法，踐行新型的設計理念，增強創新意識，提高設計人員的專業素養和綜合能力，為我國船舶制造和運輸業培養一支高素質的人才隊伍。

2.2 算法的進一步優化

船舶生產技術的進步體現之一在于算法的進步。在算法的選擇上，要根據船舶的構造確定最合適的算法。算法在船舶結構優化設計工作中占有重要地位，提高算法的有效性是設計工作的重點內容。一方面，加大對算法的研究投入，減少非相關因素的負面影響，提高算法的精準度。另一方面，培養創新意識，增強創新能力，根據成功的船舶優化案例，進一步開展對優化方法的研究，以促進我國船舶業的可持續健康發展。

總結

做好船舶結構優化的設計工作，有利于保證船舶運輸的安全穩定、促進國民經濟的發展。加大人才培養力度，提高設計人員的專業知識水平，重視結構優化的研究，提高優化方法的科學性，朝著智能化的方向發展。減少設計人員對以往經驗的依賴，更多地依靠先進的、智能化的專業知識和技術。從而縮減我國與歐美等發達國家的差距，與發達國家船舶制造水平保持一致，實現我國船舶制造和運輸業的飛躍發展。

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（作者單位：南通諾德瑞海洋工程研究院有限公司）