倪 軍，張瑞婷

1.武漢船舶職業(yè)技術學院，湖北武漢 430050

2.長江航運科學研究所，湖北武漢 430011

進行船舶結構優(yōu)化設計的目的就是尋求合適的結構形式和最佳的構件尺寸，既保證船體結構的強度、穩(wěn)定性、頻率和剛度等一般條件，又保證其具有很好的力學性能、經濟性能、使用性能和工藝性能。隨著計算機信息技術的發(fā)展，在計算機分析與模擬基礎上建立的船舶結構的優(yōu)化設計，借鑒了相關的工程學科的基本規(guī)律， 而且取得了卓越的成效；基于可靠性的優(yōu)化設計方法也取得了較大的進步；建立在人工智能原理與專家系統(tǒng)技術基礎上的智能型結構設計方法也取得了突破性進展。

1 經典優(yōu)化設計的數(shù)學規(guī)劃方法

結構優(yōu)化設計數(shù)學規(guī)劃方法于1960 年由L.A.Schmit 率先提出。他認為在進行結構設計時應當把給定條件的結構尺寸的優(yōu)化設計問題轉變成目標函數(shù)求極值的數(shù)學問題。這一方法很快得到了其他專家的認可。1966 年，D.Kavlie 與J.Moe 等首次將數(shù)學規(guī)劃法應用于船舶的結構設計，翻開了船舶結構設計的新篇章。我國的船舶結構的設計方法研究工作始于70 年代末，已研究出水面船舶和潛艇在中剖面、框架、板架和圓柱形耐壓殼等基本結構的優(yōu)化設計方法。

由于船舶結構是非常復雜的板梁組合結構，在受力和使用的要求上也很高，所以在進行船舶結構的優(yōu)化設計時，會涉及到許多設計變量與約束條件，工作內容很多，十分困難。船舶結構的分級優(yōu)化設計法就是在這個基礎上產生的，其基本思路是最優(yōu)配置第一級的整個材料，優(yōu)選第二級的具體結構的尺寸。每一級又可以根據(jù)具體情況劃分成若干個子級。兩級最后通過協(xié)調變量迭代，將整個優(yōu)化問題回歸到原問題。分級優(yōu)化方法成功地解決了進行船舶優(yōu)化設計中的剖面結構、船舶框架和板架、潛艇耐壓殼體等一系列基本問題。

2 多目標的模糊優(yōu)化設計法

經典優(yōu)化設計的數(shù)學規(guī)劃方法是在確定性條件下進行的， 也就是說目標函數(shù)與約束條件是人為的或者按某種規(guī)定提出的，是個確定的值。但是在實際上， 在船舶結構的優(yōu)化設計過程、約束條件、評價指標等各方面都包含著許多的模糊因素，想要實現(xiàn)模糊因素優(yōu)化問題， 就必須依賴于模糊數(shù)學來實現(xiàn)多目標的優(yōu)化設計。模糊優(yōu)化設計問題的主要形式是：

模糊優(yōu)化設計方法大大的增加了設計者在選擇優(yōu)化方案時的可能性， 讓設計者對設計方案的形態(tài)有了更深入的了解。目前，模糊優(yōu)化設計法發(fā)展很快， 但是，還未實現(xiàn)完全實用化。多目標的模糊優(yōu)化設計法的難點主要在于如何針對具體設計對象， 正確描述目標函數(shù)的滿意度與約束函數(shù)滿足度隸屬函數(shù)的問題。

3 基于可靠性的優(yōu)化設計方法

概率論與數(shù)理統(tǒng)計方法首先在40 年代后期由原蘇聯(lián)引入到結構設計中， 產生了安全度理論。這種理論以材料勻質系數(shù)、超載系數(shù)、工作條件系數(shù)來分析考慮材料、載荷及環(huán)境等隨機性因素。早在50 年代，人們就在船舶結構的優(yōu)化設計中指出了可靠性概念，隨后，船舶設計的可靠性受到人們的重視，開始研究可靠性設計方法在船舶結構建造中的應用。

船舶結構可靠性的理論和方法根據(jù)設計目標的不同要求， 可以得出不同的結構可靠性的優(yōu)化設計準則。大體分為以下3種：

1）根據(jù)結構的可靠性R·，要求結構的重量W 最輕，即：

MinW(X)，s.t.R ≧R·

2）根據(jù)結構的最大承重量W·， 要求結構的可靠性最大或者破損概率最小，即：

Min Pf(X ) ， s.t.W (X ) ≦ W·

3）兼顧結構重量和可靠性或破損概率， 實現(xiàn)某種組合的滿意度達到最大，即：

Max[a1uw(X)+a2upf(X)]

式中， a1，a2 分別代表結構重量和破損概率的重要度程度， 而且滿足a1+a2 ≥1.0，a1，a2 ≥0；uw，upf 分別為代表相應的滿意度。

關于船舶結構的可靠性優(yōu)化設計方法的研究越來越多， 逐漸成為船舶的結構優(yōu)化設計中的重要方向。但是，可靠性的優(yōu)化設計方法除了在大規(guī)模的隨機性非線性規(guī)劃求解中存在困難外， 還有一個重要的難點在于評估船舶結構可靠性的過程很復雜， 而且計算量大。

4 智能型的優(yōu)化設計方法

隨著人工智能技術(Al)和計算機信息技術的發(fā)展， 給船舶結構的優(yōu)化設計提供了一個新的途徑，也就是智能型優(yōu)化設計法。

智能型的優(yōu)化設計法的基本做法為：搜索優(yōu)秀的相關產品資料，通過整理，概括成典型模式，再進行關聯(lián)分析、類比分析和敏度分析尋找設計對象和樣本模式間的相似度、差異性與設計變量敏度等，按某種準則實施的樣本模式進行變換， 進而產生若干符合設計要求的新模式， 經過綜合評估與經典優(yōu)化方法的調參和優(yōu)選， 最終取得最優(yōu)方案。

智能型的優(yōu)化設計法法的優(yōu)點是創(chuàng)造性較強，缺點是可靠性較弱。所以在分析計算其產生的各種性能指標時，應當進行多目標的模糊評估， 必要時還應當使用經典優(yōu)化方法對某些參數(shù)進行調整。

5 結論

通過本文對船舶結構優(yōu)化設計方法的研究，我們得出在進行船舶結構優(yōu)化設計的時候， 往往會涉及到很多相互制約和互相影響的因素， 這就需要設計人員權衡利弊， 進行綜合考察， 不但要進行結構參數(shù)與結構型式的優(yōu)選，而且還要針對具體情況對做出的方案進行評估、優(yōu)選和排序。通過什么準則對不同的方案進行綜合評估，得出最優(yōu)方案， 成為專家和設計人員需要繼續(xù)研究的問題。

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