高兆進(jìn)

摘 要：不論何種船舶結(jié)構(gòu)，其創(chuàng)造性、綜合性、經(jīng)驗(yàn)性都比較強(qiáng)，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型，科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各行各業(yè)逐漸開(kāi)始創(chuàng)新，船舶制造行業(yè)也應(yīng)該進(jìn)行創(chuàng)新。在實(shí)際中采取何種優(yōu)化方法，才能獲取相應(yīng)的效果，這就需要結(jié)合實(shí)際的建造需求，文章主要探討的是船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式及其應(yīng)用實(shí)踐。首先分析了船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的概述，同時(shí)闡述了各類優(yōu)化設(shè)計(jì)方式及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：船舶結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；概念；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U661.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）05-0103-02

Abstract： Regardless of the type of ship structure， its creativity， comprehensiveness， and experience are relatively strong. With the transformation of market economy， and the rapid development of science and technology， various industries gradually began to innovative. The shipbuilding industry should also be innovated. What kind of optimization method can be adopted in practice to get the corresponding effect needs to be combined with the actual construction needs. This paper mainly discusses the way of the optimal design of ship structure and its application. Firstly， the overview of ship structure optimization design is analyzed； at the same time， all kinds of optimization design methods and their applications are expounded.

Keywords： ship structure； optimal design； concept； application

近幾年，隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，船舶行業(yè)也得到了較好的發(fā)展，在科技時(shí)代背景下，船舶建造行業(yè)也面臨著較大的挑戰(zhàn)，對(duì)船舶的制造速度和制造質(zhì)量提出了更高的要求。借助何種手段，在確保船舶制造質(zhì)量的同時(shí)，縮減制造速度是當(dāng)前船舶制造企業(yè)首要解決的難題。全球范圍內(nèi)的造船大國(guó)，僅創(chuàng)建了大量的數(shù)字化造船體系。

1 船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

1.1 船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)概念

隨著船舶行業(yè)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷轉(zhuǎn)變，與船舶設(shè)計(jì)相關(guān)的知識(shí)、技術(shù)也在發(fā)生了變化。在船舶設(shè)計(jì)制造過(guò)程中不管應(yīng)用何種設(shè)計(jì)方式，首先需要確保船舶使用的安全性、便捷性，進(jìn)而再追求船舶設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)利益，這也是船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則。對(duì)船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化主要是為了挖掘更大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)創(chuàng)新船舶設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式，在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要包含設(shè)計(jì)大小、設(shè)計(jì)外形等信息，追求目標(biāo)與重量的同時(shí)，還需要符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，滿足相應(yīng)的約束限制，以此確保在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力形態(tài)與精力形態(tài)的完美結(jié)合。

1.2 船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化分類

按照變量屬性，將船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化劃分為離散模型、連續(xù)模型、混合變量模型。由于船舶制造過(guò)程中自身的比較繁瑣，在建造過(guò)程中包括連續(xù)性、離散性，在骨材制造中包含連續(xù)性，在鋼材厚度、型材上涉及離散性內(nèi)容，因此，船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)本身屬于一項(xiàng)混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方式。

2 船舶結(jié)構(gòu)經(jīng)典優(yōu)化設(shè)計(jì)方式

2.1 準(zhǔn)則優(yōu)化設(shè)計(jì)方式

準(zhǔn)則法是在力學(xué)相關(guān)知識(shí)和工程設(shè)計(jì)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建出來(lái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方式。這類船舶結(jié)構(gòu)經(jīng)典優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，在符合所有約束限制的設(shè)計(jì)方案內(nèi)，選擇最佳的準(zhǔn)則法設(shè)計(jì)方式。

準(zhǔn)則法經(jīng)典優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)包括：（1）物理層的作用比較清晰，能夠更好地開(kāi)展分析工作；（2）準(zhǔn)則法計(jì)算方式比較簡(jiǎn)單；（3）在具體的計(jì)算環(huán)節(jié)里，結(jié)構(gòu)分析的次數(shù)較少；（4）計(jì)算過(guò)程中收斂速度較快，在最初使用傳播結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，這類設(shè)計(jì)方式得到了廣泛的應(yīng)用。準(zhǔn)則優(yōu)化設(shè)計(jì)方式的缺點(diǎn)包括：（1）無(wú)法確保計(jì)算結(jié)果的最優(yōu)化；（2）收斂性難以驗(yàn)證；（3）在優(yōu)化過(guò)程中，設(shè)計(jì)工作人員需要按照實(shí)際狀況完成各項(xiàng)工作。

基于準(zhǔn)則法的缺點(diǎn)，將其融入了形狀優(yōu)化內(nèi)，通過(guò)實(shí)踐形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，能夠有效避免應(yīng)力集中問(wèn)題。若是力學(xué)模型中涉及大量的變量，使用這類方法能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。目前，在一般的船舶建造工程內(nèi)，常見(jiàn)的準(zhǔn)則法包括：位移準(zhǔn)則法、能量準(zhǔn)則法、滿應(yīng)力準(zhǔn)則法。

1.2 數(shù)學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)方式

隨著準(zhǔn)則法的不斷發(fā)展，相關(guān)專家學(xué)者對(duì)數(shù)學(xué)規(guī)劃也展開(kāi)了探討，在1970年，相關(guān)學(xué)者創(chuàng)新了結(jié)構(gòu)優(yōu)化定義，為規(guī)范法注入了活力。通常情況下使用的方式為：?jiǎn)文繕?biāo)排序法、降維法、函數(shù)評(píng)價(jià)法等。在使用過(guò)程中是將多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行規(guī)范，簡(jiǎn)化為單個(gè)目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化單個(gè)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方式的優(yōu)化。

數(shù)學(xué)規(guī)劃法是在規(guī)劃論的基礎(chǔ)上存在，由于理論較為全面，因此使用范圍也比較廣，數(shù)學(xué)規(guī)劃法自身還具備一定的收斂性。但是在應(yīng)用中依舊存在一些缺點(diǎn)，主要包括：（1）計(jì)算環(huán)境較為復(fù)雜、收斂耗費(fèi)的時(shí)間比較長(zhǎng)，特別是是在變量較多的情況下，收斂耗時(shí)比較明顯；（2）在計(jì)算上還存在一些隱性缺陷。

針對(duì)上述問(wèn)題，相學(xué)者進(jìn)行了改進(jìn)，在規(guī)范法中融入了準(zhǔn)則法的優(yōu)點(diǎn)，依照力學(xué)的特征進(jìn)行了完善，其完善范圍包括：選取顯示、導(dǎo)入倒數(shù)、制約功能、連接變量等方面，很大程度提升了運(yùn)算速度。endprint

3 船舶結(jié)構(gòu)創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)方式及應(yīng)用實(shí)例

3.1 遺傳模型優(yōu)化設(shè)計(jì)方式

遺傳模型是在相關(guān)數(shù)學(xué)模型變量屬性的基礎(chǔ)上演變而來(lái)，能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)劃分為離散變量模型、連續(xù)變量模型、混合變量模型?；趥鹘y(tǒng)模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的不足之處，相關(guān)專家學(xué)者研發(fā)出了一種全新的算法，依照船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特征，融入生物進(jìn)化知識(shí)，創(chuàng)新遺傳算法。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，這類遺傳算法具備較強(qiáng)的魯棒性，不需要導(dǎo)數(shù)資料，就能夠借助目標(biāo)函數(shù)的方式，將之前的不足之處及時(shí)完善。相應(yīng)工作由編碼集完成，利用二進(jìn)制將相應(yīng)的變量關(guān)系表現(xiàn)出來(lái)，有效解決在設(shè)計(jì)過(guò)程中連續(xù)性、離散性問(wèn)題。效仿生物進(jìn)化的方式開(kāi)展交叉算子、再生算子、異化算子。通過(guò)實(shí)踐證明，這類優(yōu)化設(shè)計(jì)方式適用于各類繁瑣的設(shè)計(jì)環(huán)境。在實(shí)際的應(yīng)用中，遺傳優(yōu)化設(shè)計(jì)方式具有顯著的應(yīng)用效果，是工程設(shè)計(jì)上的又一次革新，意義顯著。

3.2 模糊原理優(yōu)化設(shè)計(jì)方式

模糊原理最早起源于1980年，是在模糊判決的基礎(chǔ)上創(chuàng)新出的限界搜索法，將其應(yīng)用在船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，能夠有效處理機(jī)構(gòu)優(yōu)化的難題。應(yīng)用健全的模糊目標(biāo)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(duì)施工、結(jié)構(gòu)等要素進(jìn)行思考，創(chuàng)建要素權(quán)重集與排序結(jié)合的模糊評(píng)價(jià)方式，在此基礎(chǔ)上確定模糊約束容差值。例如：在對(duì)油船的槽形、橫艙壁、剖面、其他結(jié)構(gòu)等進(jìn)行計(jì)算，首先需要結(jié)合工程的實(shí)際情況，明確模糊要素的覆蓋情況，接著再借助模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，在減少原材料的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化性。

模糊船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在較為繁雜的設(shè)計(jì)工程內(nèi)，會(huì)存在著多個(gè)目標(biāo)問(wèn)題，在最大法背景下，對(duì)模糊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行擴(kuò)張，能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的融合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了約束、目標(biāo)不同層次的模糊性。在應(yīng)用過(guò)程中首先需要?jiǎng)?chuàng)建符合模糊約束的目標(biāo)子集，接著按照模糊判決，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ǖ囊?guī)劃接著開(kāi)展求解。模糊船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在實(shí)際的應(yīng)用中，不僅能夠滿足現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)需求，同時(shí)相關(guān)工作人員還能夠結(jié)合實(shí)際狀況，選取應(yīng)用，具有較強(qiáng)的適用性。

3.3 智能型優(yōu)化設(shè)計(jì)方式

由于當(dāng)前屬于科學(xué)技術(shù)時(shí)代，因此，在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中智能型優(yōu)化設(shè)計(jì)方式使用較為普遍，在明確了最基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方式之后，接著根據(jù)實(shí)際情況深入研究設(shè)計(jì)問(wèn)題，用數(shù)學(xué)規(guī)劃的方案總結(jié)出最佳的設(shè)計(jì)方案。例如：某船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)公司，借助智能型優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，系統(tǒng)內(nèi)部的專家技術(shù)系統(tǒng)，為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，在實(shí)際的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)智能型船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有效融合了經(jīng)典的優(yōu)化設(shè)計(jì)方式與人工智能，全面提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。

根據(jù)相關(guān)調(diào)查，目前智能型船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括兩種：一是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)法、二是專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)法，這類系統(tǒng)在輪船結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)上得到了廣泛應(yīng)用。例如：在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以將輪船的節(jié)剖面發(fā)送至專家系統(tǒng)，專家將在線對(duì)表殼進(jìn)行理性分析，將專家的主觀經(jīng)驗(yàn)整合，以此實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。由于這類系統(tǒng)是效仿專業(yè)人士開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，其中儲(chǔ)存的理論知識(shí)、優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果具有十分重要的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)逐漸得到人們的重視。在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該結(jié)合實(shí)際的建造需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)方式。就目前船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況而言，應(yīng)用了形狀優(yōu)化、模糊優(yōu)化、遺傳優(yōu)化等設(shè)計(jì)方式，在此背景下很大程度推動(dòng)了船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展，為船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

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