船舶結構優(yōu)化設計方法及應用實踐微探

俞善博 王浩

【摘?要】由于經(jīng)濟社會建設越發(fā)完善，制造業(yè)在我國也迎來了全新的發(fā)展契機。在船舶制造行業(yè)中，船舶的結構設計是一項重要的工作性，其具有較高的綜合性與創(chuàng)造性，隨著科技水平的不斷發(fā)展，實現(xiàn)了對船舶結構進行優(yōu)化設計，改變了傳統(tǒng)船舶結構設計中存在的困境，并實現(xiàn)了創(chuàng)新性船舶設計，對船舶制造業(yè)的發(fā)展起到了重要作用。本文結合船舶制造過程中結構設計的優(yōu)化方案和策略進行分析，并結合船舶的實際應用需求，合理的選擇優(yōu)化方式，實現(xiàn)良好的應用價值。

【關鍵詞】船舶結構;優(yōu)化設計方法;應用實踐

引言

隨著國民經(jīng)濟體制的不斷改革，給各行各業(yè)都帶來了全新的機遇。在船舶制造領域中，基于科技水平的提高也實現(xiàn)了良好的發(fā)展。目前，市場對船舶的質量和性能提出了全新的要求，為船舶制造企業(yè)帶來了巨大的考驗，因此，船舶制造企業(yè)必須秉承科技時代理念，積極開展船舶制造過程優(yōu)化，并有效的提高船舶制造的速度和質量，才能確保船舶制造企業(yè)持續(xù)的發(fā)展。在船舶制造領域中，在保障船舶質量問題的前提下，提高船舶制造效率是船舶企業(yè)最關注的問題，所以，實現(xiàn)船舶結構設計的全面優(yōu)化具有重要意義。

1.船舶結構優(yōu)化設計的意義

隨著計算機技術的全面普及，在船舶制造業(yè)中得到了廣泛的應用，在開展船舶結構設計中，船舶結構的基本原則是要體現(xiàn)出便捷性與安全性，在這個基礎上為了追求更好的經(jīng)濟收益開展優(yōu)化設計，從而實現(xiàn)全新的船舶結構設計理念。通過對船舶結構的合理優(yōu)化，能夠有效的挖掘船舶更大的經(jīng)濟收益，在進行船舶的結構設計時，主要包括船舶的外形以及大小等內(nèi)容進行合理規(guī)劃，并滿足重量和目標的同時也要注意相關標準的約束設計，確保船舶各環(huán)節(jié)的結構設計能夠與船舶主體完美融合。

2.船舶主船體結構設計的若干問題及對策

2.1 船底骨架

（1）肋腹板的高度與厚度之比。對于單底船，實肋板腹板的高度和厚度比不能超過75;雙底船的比例不能超過100。規(guī)定這樣做是為了確保密肋腹板的局部穩(wěn)定性，并且不能忽略。如果該值超過規(guī)定值，則會由于肋板腹板的局部不穩(wěn)定性而導致結構損壞。第一種解決方案是增加腹板的厚度，第二種解決方案是在堅固的肋板上安裝垂直加強筋。

（2）內(nèi)龍骨修正系數(shù)K。在計算實肋板剖面模量的公式中，船體結構類型、船側肋骨制類型、內(nèi)部龍骨根數(shù)和艙底平面長度等都與內(nèi)部龍骨修正系數(shù)的K值有關。所以，想要獲取K值，就需要對船體結構類型進行分析，對于艙內(nèi)龍骨的數(shù)量、機艙的長度以及肋骨制進行深入的了解，這樣才能正確的計算出K值。

（3）實肋板跨距l(xiāng)。針對單口船艙：一般情況下會使用船寬B，所以該值既方便又安全;在具有型線圖的前提下，使用實肋板所在艙室內(nèi)肋板高度的水線寬度，往往是更正確有效的方法。如果沒有準確的實肋板高度，測量該值也會受到一定的阻礙。針對甲板船（半倉船包含在內(nèi)）：縱向艙壁或者縱向艙壁與舷側之間距離的大值。但應注意的是，當縱向桁架（包括縱向艙壁）有3條道時，l應不小于B / 3;當大于等于4線時，l不應小于B / 4。

（4）機艙內(nèi)船底骨架。針對機艙底架有著獨特的要求：1）采用“T”型組合型材料制作船底骨架，不能用邊緣折疊的材料來制作。2）相較于貨倉腹板的厚度，實肋板腹板的厚度應當適當增加1mm，而且在橫截面積上也應當有一倍的提升。3）相較于機艙中實肋板的尺寸，龍骨的面板和腹板尺寸應該更大。4）在每個肋位都應該設置實肋板，對橫骨架式單底機艙來講是如此，縱骨架式實肋板之間的間距要保持在1.25m以下。底部框架應當另行計算：結合貨艙外實肋板的截面模數(shù)，根據(jù)相關的計算公式算出需要的截面模數(shù)，然后將腹板厚度和面板厚度增加一倍，這樣才能決定機艙實肋板與內(nèi)龍骨剖面的尺寸。

（5）雙殼船雙層底實肋板。有時雙殼雙底，并且高度不足，就需要使用塞焊工藝，在實肋板上邊緣位置配置面板，也就是使用“T”型材，而不能使用折邊材。相較于腹板來說，面板的厚度應當保持在1.25倍以上，寬度不應小于80mm。對實肋板的厚度應當進行把控，保持大于船底的厚度。

2.2 甲板骨架

（1）橫梁跨距l(xiāng)。無論什么樣的情況，對于船舶來講，舷側與甲板縱桁或者甲板縱梁（縱向艙壁）之間的距離大值，是不會小于2m的。

（2）甲板縱桁。1）通常情況下，跨度1的距離會參照兩個相鄰橫向艙壁之間的距離，但是如若甲板跨度中有支柱傳遞集中載荷那就需要通過計算的方式來測算出甲板截面尺寸縱桁，而不能簡單的使用艙壁到支柱的距離大值。2）甲板縱桁與舷側或者甲板縱桁之間的1/2距離加上甲板縱桁間距的1/2中的大值，就是支撐區(qū)域的平均寬度b。

2.3 艙壁

（1）平面水密艙壁板。平面水密艙壁有著多種形式，分別是干貨倉壁、深艙艙壁和防撞艙壁。所以在實際的制造過程中，對各個艙壁的性質應當做出區(qū)分，這樣才能選擇出正確的K值和c值，得出我們需要的板厚。所謂的深艙是去除雙層底之后的壓載艙、燃油罐和水艙。因此，這些艙室的兩端應視為深艙壁。同時，應注意，根據(jù)相應的艙壁計算，雙殼船和單舷長開船的貨艙的前后橫向艙壁的厚度應增加0.5mm。1）計算艙壁板高度的公式：高度h=梁拱+甲板邊線高;假如是深艙的話，則需要在原有的基礎上加上0.5m，也就是梁拱+甲板邊線高+0.5m，無論是什么樣的情況下，艙壁板高度都需要大于2m。2）根據(jù)艙壁的性質，來選擇系數(shù)K和c。3）將整個艙壁中各扶強材間距當中的最大值當做扶強材間距s。

（2）扶強材。一般情況下會豎向布置艙壁扶強材，對于深艙艙壁和防撞艙壁，允許的最大間距是650mm，而對于干貨艙壁則有750mm。當具體的數(shù)值大于規(guī)定數(shù)值時，需要結合計算法計算剖面模數(shù)，而不能使用規(guī)范化的公式。在個體造船中經(jīng)常會出現(xiàn)沒有扶強材，只有垂直桁的情況，并且間距比規(guī)定的數(shù)值更大，這就需要增加扶強材的數(shù)量。1）將各扶強材當中的最大值作為間距s。2）水柱高度h的計算：在計算防撞艙壁和干貨艙壁時，保持高度大于2m，取艙壁板高度的一半。深艙艙壁取1/2艙壁板高度+0.5m，且應不小于2m。3）跨距1：沒有水平桁，艙壁高度值為準，繁殖，將扶強材端部到桁材或者桁材之間的大值為主，需要注意的是有兩個距離，應當選擇更大的一個。4）系數(shù)K：先確定扶強材的兩端固定情況，明確艙壁性質，才能選擇正確的K植。

3.船舶結構創(chuàng)新優(yōu)化設計策略與應用實踐

3.1遺傳模型結構優(yōu)化設計

在船舶的創(chuàng)新優(yōu)化設計中，遺傳模型結構優(yōu)化是基于數(shù)學模型變量為基礎，通過對其進行優(yōu)化而產(chǎn)生，采用遺傳模型的結構設計主要包括連續(xù)變量模型、混合變量以及離散變量買模型。通過與傳統(tǒng)結構設計中存在的問題進行分析，不斷的研究出全新的算法，按照當前船舶結構的設計特點，將其融入到生物進化知識中，從而衍生出創(chuàng)新的遺傳模型設計。通過遺傳算法的應用，不需要進行導數(shù)資料就可以借助函數(shù)來解決之前的問題。有效的解決了在出船舶結構設計優(yōu)化中的離散性和連續(xù)性問題。通過遺傳模型結構優(yōu)化設計，主要采用仿生進化策略實現(xiàn)交叉算子、異化算子以及再生算子。

經(jīng)過長期的實踐應用，這種遺傳模型結構優(yōu)化設計主要適用于一些繁瑣的設計環(huán)境，通過遺傳船舶結構優(yōu)化設計可以實現(xiàn)有效的應用效果，實現(xiàn)了船舶領域結構設計的突破，對船舶制造業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

3.2智能型船舶結構優(yōu)化設計

隨著智能化的全面普及，船舶的結構設計優(yōu)化也應該朝著智能化發(fā)展，就目前的技術水平來看，船舶的結構設計已經(jīng)實現(xiàn)了智能型的優(yōu)化，并結合實際設計情況深入研究了設計問題，并采用數(shù)學規(guī)劃實現(xiàn)最佳船舶結構設計方案，有效的促進了船舶制造業(yè)的發(fā)展。

例如：在進行船舶結構的優(yōu)化設計時，采用智能型優(yōu)化方式進行結構的設計，結合系統(tǒng)內(nèi)部的專家技術系統(tǒng)，實現(xiàn)了船舶結構的合理優(yōu)化，并全面考慮實際的應用環(huán)境，通過智能型設計方式與經(jīng)典設計優(yōu)化方式進行有效融合，實現(xiàn)人工智能的結構優(yōu)化設計，全面提升了船舶結構的設計效率。

對于當前的船舶制造企業(yè)而言，智能型優(yōu)化設計的方法常用的表現(xiàn)為以下兩種：神經(jīng)網(wǎng)絡設計法和專家系統(tǒng)設計法，通過這兩種系統(tǒng)實現(xiàn)了船舶結構設計的合理優(yōu)化，促進了船舶制造的經(jīng)濟效益。

4.結束語

綜上所述，隨著經(jīng)濟全球化發(fā)展，船舶企業(yè)得到了迅猛發(fā)展，為了有效的提高船舶制造企業(yè)的技術水平，應該結合傳統(tǒng)的船舶結構設計方式，并基于現(xiàn)代化科技水平，實現(xiàn)創(chuàng)新的船舶結構優(yōu)化設計方法，開創(chuàng)了模糊優(yōu)化方法、遺傳優(yōu)化方法以及智能型優(yōu)化等多種方式，促進了船舶結構設計的優(yōu)化效果，實現(xiàn)了船舶企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻：

[1]陳映秋.IACS CSR 中的計算力學的應用及對傳統(tǒng)船舶設計方案的影響—— — 兼論風險設計方法的發(fā)展趨勢 C//2016，15（04）：184-188.

[2]阮雪榆，周雄輝，崔振山，等.數(shù)字化制造技術及其在船舶智能設計與優(yōu)化中的應用 C//2016，08（14）：204-208.

[3]徐雯珠，曹曉偉.我國船舶設計建造技術現(xiàn)狀及展望[J].科技創(chuàng)新與應用，2015（23）：166.