張 扯，姜 偉

（大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116000）

0 引言

在目前科技時(shí)代背景下，船舶建造行業(yè)面臨著很大挑戰(zhàn)，尤其是船舶建造速度和質(zhì)量，相比以往有了更高的要求，因此在建造過(guò)程中需要利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，滿足船舶建造的各項(xiàng)要求。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。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是指在船舶建造強(qiáng)度、剛度等條件限制下，利用科學(xué)的技術(shù)方法，對(duì)船舶建造形式、尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)展開(kāi)優(yōu)化，從而大大降低船舶建造時(shí)間，這對(duì)于推動(dòng)我國(guó)船舶建造行業(yè)發(fā)展來(lái)說(shuō)，起到至關(guān)重要的作用和意義。因此要利用好各類(lèi)科學(xué)技術(shù)，促進(jìn)船舶建造行業(yè)不斷發(fā)展，提高我國(guó)船舶建造水平，最終形成競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

1 船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)概念與理念

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

近些年科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，并且應(yīng)用到了造船行業(yè)中，也促使建造技術(shù)得到了進(jìn)一步提高，目前在船舶設(shè)計(jì)建造中，必須要保證其安全性、穩(wěn)定性，這是船舶建造中的一條重要原則，最后再深入挖掘船舶設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益。因此船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是在滿足建造質(zhì)量等條件的情況下，追求更多的經(jīng)濟(jì)利益，并且可以創(chuàng)新船舶設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式，有助于推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的全面發(fā)展。其次船舶建造是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工程，其中涉及到諸多的環(huán)節(jié)，包含尺寸、外形等，還需要達(dá)到預(yù)期的重量標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，想要滿足這些條件，必須要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保船舶框架形式、結(jié)構(gòu)尺寸、強(qiáng)度剛性，以獲得最佳的設(shè)計(jì)方案。

1.2 船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理念

針對(duì)船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最關(guān)鍵的部分就是設(shè)計(jì)理念，并且要以此理念為基礎(chǔ)展開(kāi)進(jìn)一步分析，包括任務(wù)總量等因素。由于船舶建造工程較大，所以在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面也會(huì)涉及到很多內(nèi)容，比如基礎(chǔ)信息綜合性工作。另外在設(shè)計(jì)過(guò)程中要加強(qiáng)準(zhǔn)備控制，按照實(shí)際情況制定設(shè)計(jì)方案與建造要點(diǎn)。船舶造型優(yōu)化設(shè)計(jì)，也是較為重要的環(huán)節(jié)，需要不斷溝通嚴(yán)格制定設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)船舶建造的實(shí)際情況展開(kāi)管理，包括圖紙、方案、準(zhǔn)備以及管理等多個(gè)方面。由于船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，屬于混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，因此需要針對(duì)結(jié)構(gòu)展開(kāi)分類(lèi)，按照變量屬性的方法，分為多種不同的結(jié)構(gòu)模型展開(kāi)優(yōu)化[1]。

2 船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的重要因素

2.1 工作環(huán)境

船舶在海水中航行，因此不可避免會(huì)與腐蝕性介質(zhì)接觸，很容易引發(fā)結(jié)構(gòu)腐蝕等現(xiàn)象，這需要工作人員及時(shí)展開(kāi)保養(yǎng)工作，如果腐蝕不斷加重，就會(huì)導(dǎo)致船舶構(gòu)件損壞，船體強(qiáng)度也會(huì)不斷降低。另外，海面氣候往往惡劣，會(huì)遭遇波浪拍擊等現(xiàn)象，也會(huì)給船體造成嚴(yán)重影響，尤其在船體本身存在腐蝕、損傷等情況下，就會(huì)引發(fā)船體破損進(jìn)水，最終造成嚴(yán)重的安全事故。在船舶的運(yùn)行過(guò)程中，波浪沖擊是無(wú)法避免的現(xiàn)象，對(duì)于船體外板會(huì)造成腐蝕、變形，船體應(yīng)力會(huì)受到很大影響。巨大浪涌往往會(huì)造成船體扭曲的問(wèn)題，為船舶航行帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)，因此在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，要充分考慮到這個(gè)因素。

2.2 船體荷載

很多船舶都會(huì)運(yùn)送大量貨物，所以對(duì)其自身的結(jié)構(gòu)質(zhì)量有很高的要求，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，要充分考慮船舶應(yīng)力、穩(wěn)定性等方面的因素。另外船體荷載也極為關(guān)鍵，在運(yùn)輸期間會(huì)受到多重荷載的影響，例如船體自重、海水浮力、貨物壓力等，甚至風(fēng)力都會(huì)帶來(lái)一定影響，當(dāng)然也有比較嚴(yán)重的撞擊等突發(fā)性荷載，這也是需要重視的優(yōu)化因素。一般可以通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抵消荷載，來(lái)增加船舶的穩(wěn)定性，促使整體的荷載達(dá)到平衡狀態(tài)。

3 船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

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。

3.1 縱橫向構(gòu)件

為了提高船舶結(jié)構(gòu)建造強(qiáng)度、剛性，在頂邊艙、底邊艙等部分，都會(huì)采取高強(qiáng)度的箱形三角結(jié)構(gòu)，再利用雙層底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就能滿足船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。針對(duì)單殼體船舶，應(yīng)該著重考慮布置方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，大多數(shù)船舶在雙底層結(jié)構(gòu)中，都會(huì)選擇縱骨架式的設(shè)計(jì)方案，機(jī)艙部分設(shè)置主肋板，不過(guò)需要注意位置，一般主機(jī)座、鍋爐座下都需要設(shè)置主肋板，間距必須保持在3.6 m。除此之外大型船舶則會(huì)使用旁龍骨，也就是在龍骨兩端設(shè)置，并且要保持好間距，應(yīng)控制在4.6 m以上。

3.2 箱形中桁材

箱型龍骨的應(yīng)用也比較多，被稱為箱形中桁材，在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)作為普通龍骨的替代，并設(shè)計(jì)在船舶雙層結(jié)構(gòu)中線下，箱形中桁材大多會(huì)采用集中布設(shè)的形式，需要注意管道在穿過(guò)時(shí)不會(huì)影響整體操作。

船舶機(jī)艙前端的部分，會(huì)采用通往箱形中桁材的人孔設(shè)計(jì)，同時(shí)增加水密裝置，為保證后續(xù)各項(xiàng)檢查工作的開(kāi)展。很多船舶也會(huì)通過(guò)橫向骨架替換肋板，或環(huán)形框架替換橫骨的設(shè)計(jì)，從而提高船舶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 構(gòu)件連接

在船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，構(gòu)件連接是較為重要的環(huán)節(jié)，目前主要采用3種連接形式，包括連接肘板設(shè)置、整體式端肘板以及成整體型設(shè)計(jì)。往往會(huì)通過(guò)疲勞強(qiáng)度校核等方法優(yōu)化節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)船舶構(gòu)件的局部或整體強(qiáng)度，從而避免受到不良荷載的影響，降低疲勞程度延長(zhǎng)船舶使用壽命[2]。

4 船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用實(shí)踐

4.1 經(jīng)典數(shù)學(xué)規(guī)劃法

數(shù)學(xué)規(guī)劃法屬于較為傳統(tǒng)的規(guī)劃理論，不過(guò)整體相對(duì)較為全面，并且具有較大的應(yīng)用范疇，同時(shí)在收斂性上也有一定保障，但也存在較為復(fù)雜的計(jì)算步驟，收斂所需要的時(shí)間也比較長(zhǎng)。例如在針對(duì)多個(gè)變量的優(yōu)化方面，就會(huì)暴露出很多應(yīng)用缺陷。目前數(shù)學(xué)規(guī)劃方法在不斷完善，而且充分融合了準(zhǔn)則法，能夠發(fā)揮出較多的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，尤其在力學(xué)特征等方面，像選取顯示逼近、有效限制、連接變量等，大幅度增加了運(yùn)算速度。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(lèi)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。近些年來(lái)數(shù)學(xué)規(guī)劃法不斷進(jìn)步，在船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中也發(fā)揮出了重要作用，能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化效果，運(yùn)用該方法能夠解決船舶剖面結(jié)構(gòu)、船舶框架、船舶板架等多項(xiàng)基礎(chǔ)問(wèn)題。

4.2 遺傳優(yōu)化設(shè)計(jì)法

為了對(duì)船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效優(yōu)化，因此針對(duì)數(shù)學(xué)模型變量屬性展開(kāi)分析研究，并演變出遺傳模型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)把結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分為不同模型，例如離散變量模型、連續(xù)變量模型以及混合變量模型。目前來(lái)看，遺傳模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，要比傳統(tǒng)模型設(shè)計(jì)更加完善，并且通過(guò)新的研究，以船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，融入生物化知識(shí)等內(nèi)容，對(duì)遺傳算法進(jìn)行有效的創(chuàng)新。在運(yùn)用過(guò)程中具有較為優(yōu)秀的穩(wěn)健性，不需要導(dǎo)出資料就能借助目標(biāo)函數(shù)及時(shí)完善不足之處，能夠充分解決設(shè)計(jì)過(guò)程中的連續(xù)性、離散型等重要問(wèn)題，并且通過(guò)大量實(shí)踐證明，該方法適用于不同的環(huán)境，因此在船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以發(fā)揮出至關(guān)重要的作用[3]。

4.3 模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)法

模糊原理主要是以模糊判決為基礎(chǔ)進(jìn)行創(chuàng)新，屬于限界搜索法，最早誕生于1980年代，該方法應(yīng)用在船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可以處理機(jī)構(gòu)優(yōu)化等難題。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，針對(duì)船舶的槽形、橫艙壁、剖面以及其他結(jié)構(gòu)展開(kāi)計(jì)算，并結(jié)合建造需求明確模糊要素的覆蓋情況，再通過(guò)該方法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化。另外，該方法適用于較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)工程，可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此具有較強(qiáng)的適用性，能夠充分滿足船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，在減少原材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.4 智能優(yōu)化設(shè)計(jì)法

在目前的科技時(shí)代背景下，智能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法無(wú)疑更為適用，能夠滿足現(xiàn)代船舶建造設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際建造需求，最終獲得最佳的設(shè)計(jì)方案。目前有很多船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)公司，都在采用智能化設(shè)計(jì)方法，不僅增加了優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率，也可以為船舶建造打下扎實(shí)基礎(chǔ)。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)智能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，主要由智能網(wǎng)絡(luò)和專(zhuān)家系統(tǒng)組成，并且在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中發(fā)揮出重要作用。例如在船舶解剖面的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，就需要利用專(zhuān)家系統(tǒng)，并針對(duì)表殼展開(kāi)分析，最終實(shí)現(xiàn)有效的優(yōu)化。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用可以看到，專(zhuān)家系統(tǒng)的原理就在于模仿專(zhuān)業(yè)人士展開(kāi)優(yōu)化，主要利用儲(chǔ)存的理論知識(shí)、設(shè)計(jì)結(jié)果[4]。

4.5 準(zhǔn)則優(yōu)化設(shè)計(jì)法

準(zhǔn)則優(yōu)化設(shè)計(jì)方式屬于力學(xué)和工程設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，其在實(shí)際運(yùn)用中需要以二者為基礎(chǔ)，進(jìn)而提升船舶的優(yōu)化效果，使其實(shí)際建造效果更佳。準(zhǔn)則法在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，需要根據(jù)約束限制的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行選擇和優(yōu)化，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)選擇最佳的設(shè)計(jì)方式，此方式包括位移準(zhǔn)則法、能量準(zhǔn)則法、滿應(yīng)力準(zhǔn)則法等。準(zhǔn)則優(yōu)化設(shè)計(jì)法，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中具有較大的優(yōu)勢(shì)，在物理層面上的設(shè)計(jì)工作開(kāi)展得較為清晰，并且其在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中的計(jì)算方式較為簡(jiǎn)單，在具體計(jì)算環(huán)節(jié)中，具有極高的準(zhǔn)確度，結(jié)構(gòu)分析較少，進(jìn)而在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中的收斂速度較快，在船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中具有廣泛的運(yùn)用[5]。

4.6 蟻群優(yōu)化設(shè)計(jì)法

蟻群算法主要是指，在設(shè)計(jì)中運(yùn)用組合優(yōu)化方式，啟發(fā)隨機(jī)搜索算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，此主要是針對(duì)螞蟻尋找路徑的方式進(jìn)行仿生模擬，經(jīng)過(guò)延緩和計(jì)算得到的一種路徑幾率性算法。蟻群算法在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中與其他方式相比具有明顯的解決優(yōu)勢(shì)，能在船舶的設(shè)計(jì)過(guò)程中尋找最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，致使設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工作過(guò)程中運(yùn)用最適合的數(shù)據(jù)。在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中，該方法具有較多的信息素，使得路徑選擇得到優(yōu)化，進(jìn)而提升設(shè)計(jì)效果，增加船舶的承受力，增強(qiáng)船舶的形式效果。蟻群算法的實(shí)際運(yùn)用流程如下：1）對(duì)算法參數(shù)和信息素矩陣進(jìn)行初始化處理。2）對(duì)信息素中包含的路徑對(duì)應(yīng)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。3）通過(guò)信息素的更新與增加，對(duì)所有路徑進(jìn)行審核，查找最具有潛力的路徑。4）利用概率學(xué)原理對(duì)禁止重構(gòu)路徑進(jìn)行查找和選擇。

4.7 可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)法

可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法由船舶結(jié)構(gòu)可靠性理論與要求的差異性推演而來(lái)，此種方式在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，可以根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的不同層次，得出不同船舶結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并在實(shí)踐中運(yùn)用直接法和半直接法取代習(xí)用方法開(kāi)展可靠性分析。具體運(yùn)用方式為運(yùn)用船舶橫將強(qiáng)度問(wèn)題實(shí)現(xiàn)確定的指數(shù)，再根據(jù)材料的屈曲度、承受能力、受疲勞度對(duì)整體計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行整改，致使有限單元法中的破壞發(fā)生概率得以有效求出，再運(yùn)用直接法和半直接法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，進(jìn)而擴(kuò)大船體的應(yīng)力范圍。根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果可知，此種優(yōu)化設(shè)計(jì)方式在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，對(duì)于弧肋框和縱強(qiáng)度構(gòu)建的面板彎曲部分的焊接處會(huì)產(chǎn)生一定的疲勞裂縫，因此一定要注重此處的疲勞強(qiáng)度[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

近些年我國(guó)船舶建造技術(shù)逐漸完善，能夠針對(duì)不同類(lèi)型的船舶結(jié)構(gòu)展開(kāi)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)建造需求制定新的設(shè)計(jì)方案，目前有很多優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以采用，極大程度推動(dòng)了我國(guó)船舶建造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。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。在船舶建造過(guò)程中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常重要的部分，只有這樣才能滿足建造需求，并保證船舶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此要利用科學(xué)技術(shù)不斷深入，有效結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)理論，最終達(dá)到船舶建造目標(biāo)。船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化十分復(fù)雜，涉及到很多專(zhuān)業(yè)性知識(shí)，因此需要船舶設(shè)計(jì)人員加以重視，并利用好各類(lèi)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為我國(guó)船舶建造產(chǎn)業(yè)奠定發(fā)展基礎(chǔ)。