船舶结构优化设计技术研究进展

船舶结构优化设计技术研究进展

发表时间：2019-05-22T17:04:32.603Z 来源：《基层建设》2019年第4期作者：王立平1 李东2 王亚妮1 [导读] 摘要：船舶结构设计对船舶的应用性有着很大的意义。

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摘要：船舶结构设计对船舶的应用性有着很大的意义。船舶结构设计的优化方法主要有经典优化设计的数学规划法、多目标模糊优化设计法、智能型优化设计法等。在进行具体的船舶结构优化设计时，必须要与实际工程的特点相符合，同时结合计算机技术、现代数学理论等。本文主要介绍了船舶结构优化设计的几种方法，及其在实现船舶结构的优化、实现船舶的性能最大化中的优缺点。

关健词：船舶结构；优化；设计方法

进行船舶结构优化设计的目的就是寻求合适的结构形式和最佳的构件尺寸，既保证船体结构的强度、稳定性、频率和刚度等一般条件，又保证其具有很好的力学性能、经济性能、使用性能和工艺性能。随着计算机信息技术的发展，在计算机分析与模拟基础上建立的船舶结构的优化设计，借鉴了相关的工程学科的基本规律，而且取得了卓越的成效；基于可靠性的优化设计方法也取得了较大的进步；建立在人工智能原理与专家系统技术基础上的智能型结构设计方法也取得了突破性进展。

一、经典优化设计的数学规划方法

结构优化设计数学规划方法于1960年由L.A.Schmit率先提出。他认为在进行结构设计时应当把给定条件的结构尺寸的优化设计问题转变成目标函数求极值的数学问题。这一方法很快得到了其他专家的认可。1966年，D.Kavlie与J.Moe等首次将数学规划法应用于船舶的结构设计，翻开了船舶结构设计的新篇章。我国的船舶结构的设计方法研究工作始于70年代末，已研究出水面船舶和潜艇在中剖面、框架、板架和圆柱形耐压壳等基本结构的优化设计方法。

由于船舶结构是非常复杂的板梁组合结构，在受力和使用的要求上也很高，所以在进行船舶结构的优化设计时，会涉及到许多设计变量与约束条件，工作内容很多，十分困难。船舶结构的分级优化设计法就是在这个基础上产生的，其基本思路是最优配置第一级的整个材料，优选第二级的具体结构的尺寸。每一级又可以根据具体情况划分成若干个子级。两级最后通过协调变量迭代，将整个优化问题回归到原问题。分级优化方法成功地解决了进行船舶优化设计中的剖面结构、船舶框架和板架、潜艇耐压壳体等一系列基本问题。

二、多目标的模糊优化设计法

经典优化设计的数学规划方法是在确定性条件下进行的，也就是说目标函数与约束条件是人为的或者按某种规定提出的，是个确定的值。但是在实际上，在船舶结构的优化设计过程、约束条件、评价指标等各方面都包含着许多的模糊因素，想要实现模糊因素优化问题，就必须依赖于模糊数学来实现多目标的优化设计。

模糊优化设计方法大大的增加了设计者在选择优化方案时的可能性，让设计者对设计方案的形态有了更深入的了解。目前，模糊优化设计法发展很快，但是，还未实现完全实用化。多目标的模糊优化设计法的难点主要在于如何针对具体设计对象，正确描述目标函数的满意度与约束函数满足度隶属函数的问题。

三、基于可靠性的优化设计方法

概率论与数理统计方法首先在40年代后期由原苏联引入到结构设计中，产生了安全度理论。这种理论以材料匀质系数、超载系数、工作条件系数来分析考虑材料、载荷及环境等随机性因素。早在50年代，人们就在船舶结构的优化设计中指出了可靠性概念，随后，船舶设计的可靠性受到人们的重视，开始研究可靠性设计方法在船舶结构建造中的应用。船舶结构可靠性的理论和方法根据设计目标的不同要求，可以得出不同的结构可靠性的优化设计准则。大体分为以下3种：

1）根据结构的可靠性R?，要求结构的重量W最轻，即：MinW(X)，s.t.R≧R?

2）根据结构的最大承重量W?，要求结构的可靠性最大或者破损概率最小，即：MinPf(X)，s.t.W(X)≦W? 3）兼顾结构重量和可靠性或破损概率，实现某种组合的满意度达到最大，即：Max[a1uw(X)+a2upf(X)] 式中，a1，a2分别代表结构重量和破损概率的重要度程度，而且满足a1+a2≥1.0，a1，a2≥0；uw，upf分别为代表相应的满意度。

关于船舶结构的可靠性优化设计方法的研究越来越多，逐渐成为船舶的结构优化设计中的重要方向。但是，可靠性的优化设计方法除了在大规模的随机性非线性规划求解中存在困难外，还有一个重要的难点在于评估船舶结构可靠性的过程很复杂，而且计算量大。

四、智能型的优化设计方法

随着人工智能技术(Al)和计算机信息技术的发展，给船舶结构的优化设计提供了一个新的途径，也就是智能型优化设计法。

智能型的优化设计法的基本做法为：搜索优秀的相关产品资料，通过整理，概括成典型模式，再进行关联分析、类比分析和敏度分析寻找设计对象和样本模式间的相似度、差异性与设计变量敏度等，按某种准则实施的样本模式进行变换，进而产生若干符合设计要求的新模式，经过综合评估与经典优化方法的调参和优选，最终取得最优方案。智能型的优化设计法法的优点是创造性较强，缺点是可靠性较弱。所以在分析计算其产生的各种性能指标时，应当进行多目标的模糊评估，必要时还应当使用经典优化方法对某些参数进行调整。

五、知识工程在船舶结构优化设计中的应用

应用知识工程进行船舶结构的优化设计，主要就是通过对于船舶结构优化设计的目的进行把握基础上，按照船舶结构优化设计的目标，对于船舶结构设计过程进行把握控制，以实现优化设计的一种方法手段。因此，应用知识工程进行船舶结构优化设计时，需要注意： 1.进行船舶结构优化设计所需要的知识库系统的设计建立。其中，知识库系统是对于船舶结构设计的经验以及规范要求、设计案例等知识内容进行集成的一个系统，通过这一系统的设计构建，将船舶结构设计相关的设计知识与经验、资料信息等进行统一的收集和整体归纳，在设计过程中进行参考应用，不仅能够保证设计过程的规范化，同时还能够有效缩短船舶结构设计的周期，在一定程度上也能够对于船舶结构设计质量进行保障。需要注意的是，所设计建立的知识库系统需要包含船舶结构设计中应用到的资料信息以及技术经验的搜索、查询、获取、维护、更新、保存等作用功能。

2.应用知识工程进行船舶结构的设计中，由于船舶本身的结构相对复杂，因此在进行优化设计过程中，不仅设计内容比较多，并且还具有较多的离散变量，像船舶结构骨材的间距以及板材厚度、型材样式设计等，并且不同设计变量的设计要求与规定内容之间也有区别，因此就导致船舶结构优化设计具有突出的非线性与多峰性特征。针对这一情况，通过知识工程应用进行船舶结构优化设计，能够有效的解决船舶结构优化设计中的离散变量问题，实现设计模型之间的相互转换，以此保证船舶结构优化设计效果。