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探究船舶结构优化设计方法及应用

发表时间：2020/12/28 来源：《基层建设》2020年第24期作者：袁村村邱其江

[导读] 摘要：船舶制造业对我国经济发展有着十分重要的意义，与发达国家相比，我国船舶制造与生产起步较晚，各项技术还不够成熟，尤其是在船舶结构优化设计方面。

        广船国际有限公司广东省广州市 510000
        摘要：船舶制造业对我国经济发展有着十分重要的意义，与发达国家相比，我国船舶制造与生产起步较晚，各项技术还不够成熟，尤其是在船舶结构优化设计方面。由于我国最近几年船舶制造业发展速度加快，对于船舶的质量与制造速度提出了更好的要求，因此，要积极开展船舶优化设计，在保证质量的前提下对船舶结构进行优化设计方，从而加快我国船舶行业的发展。
        关键词：船舶结构；优化设计；方法应用
        1、船舶结构优化设计概述
        1.1 船舶结构优化设计概念
        经济与社会的全面发展，使得我国的船舶行业取得了很大的进步，计算机技术水平得到很大的提升，船舶设计知识、技术都有了一定的变化。船舶设计制造环节，无论是选择何种设计方法，首先需要保证的是船舶应该达到安全性、便捷性标准，然后才能产生更高的经济效益，这是基本原则。船舶结构设计优化就是实现经济效益的最大化，可以研发出更高水平的船舶设计结构形式，确保设计尺寸、外形等方面符合要求，能够实现设计目标，还要达到相关技术标准，符合约束要求，以提升船舶设计综合水平，动力与静力才能实现完美的融合。
        1.2 船舶结构的优化分类
        根据变量属性展开分析，把船舶结构形式分为离线模型、连续模型、混合变量模型等。因为船舶制造环节有着一定的复杂性，所以建设中应该保证其达到连续性、离散性，骨材制造也是尤为关键，钢材厚度、型材都要符合设计标准。从这一方面出发，船舶结构优化设计包含内容非常多，也非常的复杂。
        2、船舶结构优化设计方法
        2.1准则优化设计方法
        准则法是在力学相关知识和工程设计相关经验的基础上，创建出来的优化设计方式。这类船舶结构经典优化设计方式，在符合所有约束限制的设计方案内，选择最佳的准则法设计方式。准则法经典优化设计方法的优点包括：物理层的作用比较清晰，能够更好地开展分析工作；准则法计算方式比较简单；在具体的计算环节里，结构分析的次数较少；计算过程中收敛速度较快，在最初使用传播结构优化设计的时候，这类设计方式得到了广泛的应用。
        准则优化设计方式的缺点包括：无法确保计算结果的最优化；收敛性难以验证；在优化过程中，设计工作人员需要按照实际状况完成各项工作。基于准则法的缺点，将其融入了形状优化内，通过实践形状优化设计方式，能够有效避免应力集中问题。若是力学模型中涉及大量的变量，使用这类方法能够简化设计环节。目前，在一般的船舶建造工程内，常见的准则法包括：位移准则法、能量准则法、满应力准则法。
        2.2数学规划设计方式
        随着船舶结构设计方法的不断进步，船舶设计专业对数学规划设计方法也开展了深入的规划与探究，并且针对数学规划设计方法提出了新的定义，为规范法驻入了新的活力。在一般情况下，使用数学规划设计方法主要为单目标排序法、降维法、函数评价法等。在实际开展设计的过程中，一般是将多个目标开展具体规范，简化单各目标的手段，科学合理的实现目标设计。数学规划设计方法所涉及到的内容非常广泛，自身具备一定程度的收敛性。但是，在实际开展数学规划设计的过程中也存在诸多缺陷。例如，计算环境复杂、收敛消耗时间较长、计算存在隐性缺陷等诸多问题。在开展数学规划设计方法优化的过程中，主要是在数学规划设计方法当中融入准则法优势，添加了力学特征，并完善了规范。通过选取显示、导入倒数、制约功能、连接变量等诸多手段，切实有效地增强了运算速度。

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        3、船舶结构创新优化设计方式及应用实例
        3.1遗传模型优化设计方式
        遗传模型是在相关数学模型变量属性的基础上演变而来的，能够将结构优化设计划分为离散变量模型、连续变量模型、混合变量模型。基于传统模型结构优化设计中的不足之处，相关专家学者研发出了一种全新的算法，依照船舶结构设计的特征，融入生物进化知识，创新遗传算法。经过实验得知，这类遗传算法具备较强的鲁棒性，不需要导数资料，就能够借助目标函数的方式，将之前的不足之处及时完善。相应工作由编码集完成，利用二进制将相应的变量关系表现出来，有效解决在设计过程中连续性、离散性问题。效仿生物进化的方式开展交叉算子、再生算子、异化算子。通过实践证明，这类优化设计方式适用于各类繁琐的设计环境。在实际的应用中，遗传优化设计方式具有显著的应用效果，是工程设计上的又一次革新，意义显著。
        3.2智能化优化方法的应用
        随着我国船舶运输需求量的逐渐增多，对船舶运输过程中的承重性、运输量、安全性等有了更高的设计要求。因此，船舶的优化问题，已经不仅仅是内部结构优化这么简单了，而是包括了船舶甲板、剖面、舱体等多个方面的优化。这样一来，就会造成数据量、限制条件以及函数类型的增多，使得早期优化方法应用的有效性大大降低。早期的结构优化设计方法主要应用于对船舶灵敏性的提高，涉及到的数据类型比较单一。在船舶业的不断发展下，一些新的应用需求应运而生，为了更好地实现对船舶运输性能的提升，就必须要采用更加科学、高效的优化方法，即智能化的优化方法。
        简单来说，这一优化方法对数据信息的依赖性较小，具备查找最优变量的能力，是一种利用数学理念求解，以智能化计算为主的优化方法。这一优化方法的基本原理是，通过对产品资料的整合分析，找出共同点，然后进行模式总结，并使用类比法、关联法等方法，归纳出样本和设计目标之间的异同点，最后按照统一标准变换出新的模式类型，并评选最佳的优化方法。与早期的优化方法相比，智能化理念的应用，打破了传统“点对点”式寻优的局限性，实现了以“群体”算法为主，如“种群”、“蚁群”等方式，寻找最佳优化算法的基本理念。由此可见，智能优化方法取代早期优化方法的现象并不是偶然，主要体现在以下几个方面。
        第一，前者在使用迭代法进行计算时，只需要输入基本的函数信息即可，更加符合较为复杂的船舶优化需求；第二，选用智能化方法进行船舶结构优化，能够有效减小初始位置选择对计算结果的影响，为优化方法选择的可靠性提供保障；第三，前者更适用于非线性程度较高、维数较高的船舶结构优化，能够通过“群体”算法的使用，大大降低结构优化的难度。因此，必须要重视智能化算法在船舶结构优化设计中的应用。
        3.3模糊原理优化设计方式
        模糊原理是在模糊判决的基础上创新而来的，其建立了限界搜索法，运用到了船舶结构的设计中，可以将结构优化的一些难题顺利解决。运用完善的模糊目标，可以将阀值看成是变量。这样就可以避免在进行一次求解情况下的最大水平法，经过求解，对施工以及结构等各类的要素展开思考，建立要素权重集，并进行乱序结合，建立模糊评价法。然后可以明确模糊约束的容差，比如在船舶结构中，对油船的槽型以及剖面展开计算，需要结合工程的具体情况，对模糊要素的具体覆盖进行确定，最后再运用合适的模糊优化方法，在缩减原材料的情况下，让船舶结构得到设计优化。这种方式可以在一些繁杂工程内展开应用，可以有多个目标问题。
        结束语
        总之，随着科学技术的迅速发展，结构优化设计逐渐得到人们的重视。在船舶结构设计中应该结合实际的建造需求，优化设计方式。就目前船舶结构设计情况而言，应用了形状优化、模糊优化、遗传优化等设计方式，在此背景下很大程度推动了船舶结构优化设计的发展，为船舶结构优化设计的发展奠定了基础。
        参考文献：
        [1]陆金颖.船舶结构优化设计方法及应用实践微探[J].建筑工程技术与设计，2020.
        [2]陆鲲鹏.船舶结构优化设计方法及应用[J].科技资讯，2020.
        [3]宋兴光，孔令昌.船舶结构优化设计技术研究进展[J].建筑工程技术与设计，2017.