試析船舶結構設計方式及其優化

冷旭東

摘 要：針對船舶結構設計方式及其優化，采用理論結合實踐的方法，先分析了船舶結構設計中需要考慮的因素，接著探討了船舶結構設計方法，最后提出船舶結構設計優化的要點。分析結果表明，船舶結構設計對船舶結構的質量以及性能有很大影響，傳統設計方法，存在一定的局限性，需要進行科學合理的優化，才能提升設計效果，保證船舶結構的穩定性，促使我國船舶建造事業健康發展。

關鍵詞：船舶;結構設計;優化;遺傳設計

中圖分類號：U663 文獻標識碼：A

0 引言

在我國社會經濟高速發展的背景下，船舶工程事業取得了良好發展，同時對船舶結構設計提出了更高的要求，不僅僅需要按照船舶結構穩定性、耐久性、抗沖擊性需求，也要注重輕量化，這就需要對船舶結構設計方法進行全面優化，以探索出更加科學、合理的船舶結構設計形式，在提升船舶使用性能的基礎上，提升經濟性。因此，有必要對船舶結構設計方式及其優化進行分析。

1 船舶結構設計中需要考慮的因素

在船舶結構設計為提升設計效果，需要綜合考慮多方面因素，其中最關鍵的因素體現在兩個方面，其一是工作環境，其二是船體載荷。

1.1 工作環境

船舶在運行中長時間浸泡在水中，腐蝕速度非?？?，如果沒有做好維護保養工作，會大度縮短船舶的使用壽命。而且船舶在航行中經常會遇到不良氣候、波浪沖擊、貨物裝卸時的機械碰撞等，船舶結構非常容易發生疲勞性損傷。船舶結構長時間在腐蝕和疲勞性損傷的影響下，極易發生船體滲漏問題?；蛘咴诓ɡ说臎_擊下，船舶結構可能會發生不同程度的變形，影響船舶航行的安全性。

1.2 船體荷載

船舶在航行時，會受到多重荷載的同時影響，包括：船舶結構的自身重力、水的浮力、風力、慣性力、貨物及人員的壓力等。在特殊情況下，還存在爆炸或者是撞擊形成的突發荷載。所以，在船舶結構設計中，不能只考慮單方面荷載，而是需要綜合考慮所有可能遇到的荷載。通過合理的結構設計來抵消或者分散不良荷載對船舶結構造成的影響，以實現船舶結構荷載均衡，提升船舶航行的穩定性。

2 船舶結構設計方式

2.1 船舶結構設計步驟

在船舶結構設計中，可分“三步走”，第一步是初步設計;第二步是詳細設計;第三步是生產設計。

初步設計：將設計圖紙上的結構，轉變為具體化的船舶結構，包括：船舶結構技術標準的分析、船舶結構設計框架的構建等。按照設計預案、設計技術、設計標準等選擇材料、部件型號，并建立起預算標準，形成預算報告。

詳細設計：按照審批意見，開展船舶結構設計方案的修改工作，對船舶結構建造時的一些細節進行綜合、詳細的考量，對船舶結構的材料質量、構件尺寸、性能、型號等進行詳細檢查。以保證各項標準都符合船舶結構設計的要求。在信息設計階段，需要注重船舶結構設計方案全面性和整體性的凸顯，設計完成之后，及時匯報給審核部門。

生產設計：在此階段，需要注重船舶結構生產條件、材料、運用過程等，保證實際船舶結構建造圖和設計方案相互吻合，以滿足船舶結構設計的相關要求。

2.2 確定性設計方法

在船舶結構確定性設計時常用的方法有兩種，一種是規范設計法，另一種是直接計算法。

規范設計法指的是按照船舶結構的主尺度和結構形式，運營條件和建造要求的相關規范來進行設計。設計完成之后再進行總強度和局部強度的全面驗收，并對船舶結構的穩定性、安全性等進行詳細檢查，發現不達標問題，及時修改和處理，直到達標為止[1]。

直接計算法指的是根據船舶造型、構件布置情況的差異性，以及在規范中沒有確定的特征進行設計，在應用此種設計方法時，對設計師的專業技術有很高的要求，需要按照各種構件的受力情況，直接進行強度計算，以保證設計出的船舶結構自身就具有良好的力學能力。

2.3 船舶結構可靠性分析法

在船舶結構強度確定性設計中，各項參數都可以設置成定值，安全系數可反映為強度儲備，此時人們對船舶結構有比較固定的印象，認為船舶結構是絕對安全的，不會被破壞。但無論何種船舶，都是通過空間板梁組合形成，即便其中一個構件發生問題無法使用，此時船舶結構的內力會重新分配，整個結構依然可以繼續運行[2]。只有相當多的構件都出現問題之后，船舶結構才能出現失效問題，這就需要研究船舶結構中各構件發生破壞的原因，以及破壞之后整個船舶結構造成的影響，再通過概率法對船舶結構的可靠性進行計算和分析研究。結構的可靠性，指的是某一個結構在規定時間內和特定條件下，完成預定功能的概率，如果達到結構功能的極限狀態，就可以認為該結構已經失效，無法繼續使用。目前我國很多船舶結構設計中都采用基于概率論的結構可靠性分析方法，但此種結構可靠性分析方法，存在很大的局限性。概率論就可能發生也可能不發生，這對船舶結構設計的安全性、可靠性會造成一定的影響，亟待改進。

3 船舶結構設計優化的要點

3.1 遺傳設計優化法

在船舶結構設計優化中，可采用遺傳設計優化法，其主要機理是利用模擬生物遺傳進化的方法，來優化船舶結構設計。在具體應用中通常和生物學中的進化了相互結合，從而形成新的遺傳設計算法[3]。此種算法和早期算法項目相比，具有更強的魯棒性，船舶結構優化設計中，無需進行導數數據處理，可通過設計目標函數的方式，將早期船舶結構設計中存在的問題，轉化為能夠理解的問題。再用二進制的計算方法，清楚直觀的展現出船舶結構設計變量之間的離散性，從而獲得交叉因子、異化因子、再生因子等，再利用非線性數據規劃的方法進行計算，就能很好的適應復雜多變的船舶結構設計運算環境，自動對船舶結構設計中存在的問題進行優化。

3.2 模糊設計優化方法

此種船舶結構設計優化的方法的主要機理是以模糊判斷理論為基礎，形成一種新型的搜索界限，應用在船舶結構設計優化中，可不間斷的完善目標模糊模式，再通過合理的排序，就能確定二級模糊評級目標，進而確定出模糊約束條件之間的容差[4]。比如：在船舶結構設計中，很多槽形橫艙的艙壁上存在剖面，為提升船舶結構設計效果，需要對這些剖面進行詳細測量和計算，此時就需要充分了解模糊要素所覆蓋的具體情況，從而在保證船舶結構設計效果的基礎上，減少原材料使用量，降低建造成本。尤其是在約束條件比較模糊時，需要先找到船舶結構設計優化的最佳解決方案，以保證模糊設計優化方法，能夠在水平方向得到擴張，建立起符合模數條件的隸屬函數，實現對船舶結構設計的全面優化。

3.3 可靠性優化設計法

船舶結構設計可靠性優化中，需要從安全可靠的角度進行設計，主要目的是提升船舶的航行的安全性和可靠性。在就可以從船舶結構施工材料的均質系數、工作條件、超載系數等方面同時入手來提升船舶結構整體荷載能力[5]。同時，要結合船舶結構建造單位的實際生產能力，制定不同的可靠性優化設計方案。如果船舶結構的可靠性要求為R，結構重量要求為W，此時需要W達到最小值，來保證船舶結構的可靠性，二者之間的關系滿足以下公式：

MinW（X），s.t.R≥R

當船舶結構W為最大承受重量值時，此時船舶結構的可靠性也達到最大，此時二者之間的關系滿足如下公式：

Min Pf（X），s.t.W（X）≤W

4 結束語

綜上所述，本文采用理論結合實踐的方法，分析了船舶結構設計方式及其優化，分析結果表明，船舶結構設計具有很強的綜合性和技術性，難度比較大，需要綜合考慮很多方面的因素及內容。早期設計方法和思路已經難以滿足現代化船舶結構設計的要求，采用遺傳設計優化法、模糊設計優化方法、可靠性優化設計法等先進的船舶結構設計優化方法，可大幅度提升船舶結構設計質量和效果，促使我國船舶事業穩健發展。

參考文獻：

[1]陸鯤鵬.船舶結構優化設計方法及應用[J].科技資訊，2020（15）：61-62.

[2]白雪，侯思微.船體結構設計最優化理論經典算法分析[J].機電設備，2019（5）：72-74+80.

[3]張旭，曹玉庫，曹素紅.船舶焊接與結構設計優化[J].科技風，2020（9）：156.

[4]陳力銘，邱浩波，高亮.基于梯度增強Kriging方法的水下航行器結構優化設計[J].中國艦船研究，2021（4）：1-7.

[5]孔小兵，張海瑛，張鼎.超大型集裝箱船剪力墻式綁扎橋結構設計及優化探討[J].船舶，2020（1）：141-148.