基于多学科优化的船舶结构设计研究

基于多学科优化的船舶结构设计研究
发表时间：2017-09-21T14:15:44.680Z 来源：《防护工程》2017年第12期作者：叶帆[导读] 满足其实际设计要求，建立健全相关管理机制，合理解决其中存在的设计问题，提高优化设计工作效果。

武汉船舶设计研究院有限公司湖北省武汉市 430000
摘要：在船舶结构设计的过程中，设计者需要积极应用多学科优化设计方式，建立专门的框架体系，在继承有限元建模与分析软件优化技术的支持之下，科学开展船舶设计工作，逐渐提高设计质量与可靠性，增强其工作成效。

关键词：多学科；船舶结构；优化设计
在船舶设计的过程中，设计人员应用多学科优化设计方式，可以有效提高设计工作质量，建立科学的计算结构，对其进行校核处理，应用专门的软件设计技术，明确约束条件，提高结构的耐波性与操控性，满足其实际设计要求，建立健全相关管理机制，合理解决其中存在的设计问题，提高优化设计工作效果。

一、优化设计模型的构建措施
在建立优化设计模型期间，需要对船舱区域结构进行重点分析，主要因为其占有整个船体重量的70%左右，决定着船舶的造价与费用，因此，需要对其进行全面的处理，提高结构设计的优化型，做好区域结构设计工作。

第一，设计模型范围。

对于模型范围而言，需要根据船舱实际情况，对其货仓进行划分处理，利用先进的定位技术，明确船舱的各类区域。

一方面，需要建设完善的有限元模型，按照工作要求，对其进行优化处理。

另一方面，需要建设有效分析区域模型，根据传承的设计要求，对其设计质量进行控制。

且在结构优化设计期间，需要对燃油舱与淡水舱等重量进行检验，通过多点约束的方式，对其进行等效划分处理，全面调节空船重量与实体船舱重量之间的关系，及时发现其中存在的差值问题，采取有效措施对其进行改革，以此增强设计成效。

第二，边界条件的明确。

设计者需要科学明确边界条件，按照国家《钢制海船入级规范》等条例，对船舱模型进行独立点约束，明确独立点的位置，对其横剖面与轴高速进行分析，提高前后端面约束处理工作质量。

第三，荷载调节措施。

为了做好简化设计工作，需要对于船舱的装载情况进行分析，及时发现危险荷载中存在的问题，例如：静水荷载、波浪荷载等，科学计算船舱压力数据信息，以此提高优化设计工作效果。

二、舱段优化设计模型
在结构优化设计的过程中，需要对舱段优化设计模型进行全面分析，在严格控制的情况下，提高设计质量。

第一，设计变量的分析。

在多学科优化设计期间，需要利用多个学科对船舶主尺度进行全面的分析，明确结构优化设计要求，在获取相关确定值之后，科学开展设计工作。

首先，对于船体而言，可以利用高级强度钢对其进行建造处理，例如：AH32强度钢材料，对于货仓区域而言，需要对其纵向构件进行处理，利用AH36级强度的钢材料开展制作工作，提高优化设计工作质量，增强其工作效果[1]。

其次，在有限元软件的限制之下，板单元的应力数据信息分析工作受到广泛重视，需要相关设计者对其设计参数进行全面的处理，在参数改变的情况下，提高系统设计质量。

最后，需要对各类板单元的厚度进行控制，根据实际设计情况，对设计方案进行简化处理，在减少计算时间的基础上，提高设计工作效率与质量，满足其实际发展需求。

同时，需要规范计算方式，选择离散设计变量开展优化设计工作，提高工作成效。

第二，边界条件的明确。

设计者需要科学明确边界条件，按照国家《钢制海船入级规范》等条例，对船舱模型进行独立点约束，明确独立点的位置，对其横剖面与轴高速进行分析，提高前后端面约束处理工作质量。

第三，荷载调节措施。

为了做好简化设计工作，需要对于船舱的装载情况进行分析，及时发现危险荷载中存在的问题，例如：静水荷载、波浪荷载等，科学计算船舱压力数据信息，以此提高优化设计工作效果。

二、舱段优化设计模型
在结构优化设计的过程中，需要对舱段优化设计模型进行全面分析，在严格控制的情况下，提高设计质量。

第一，设计变量的分析。

在多学科优化设计期间，需要利用多个学科对船舶主尺度进行全面的分析，明确结构优化设计要求，在获取相关确定值之后，科学开展设计工作。

首先，对于船体而言，可以利用高级强度钢对其进行建造处理，例如：AH32强度钢材料，对于货仓区域而言，需要对其纵向构件进行处理，利用AH36级强度的钢材料开展制作工作，提高优化设计工作质量，增强其工作效果[1]。

其次，在有限元软件的限制之下，板单元的应力数据信息分析工作受到广泛重视，需要相关设计者对其设计参数进行全面的处理，在参数改变的情况下，提高系统设计质量。

最后，需要对各类板单元的厚度进行控制，根据实际设计情况，对设计方案进行简化处理，在减少计算时间的基础上，提高设计工作效率与质量，满足其实际发展需求。

同时，需要规范计算方式，选择离散设计变量开展优化设计工作，提高工作成效。

第二，约束条件分析。

对于约束条件而言，需要参考屈服应力数据信息，对其进行全面的处理，满足相关工作要求。

在此期间，需要根据国家规范，对其强度进行计算，如果将刚才的屈服应力条件作为约束条件，就要对其最小值进行计算，获取合理的优化设计成果。

同时，在货仓区域优化设计期间，由于材料等级存在差异，系数也会有所不同，因此，在实际设计期间，需要制定针对性的约束条件设计方案，提高优化设计工作的合理性与有效性[2]。

第三，目标函数的分析。

对于目标函数而言，在实际分析期间，需要科学设定重量值，对其进行最小化的优化处理，将表达式设置为：
×X2....X6]7 minFX
三、多学科优化船舶结构设计实现措施
（一）工作流程分析
第一，做好准备工作。

首先，需要利用相关软件，建立有限元的模型，明确相关材料与各类属性，对荷载问题进行全面的分析与处理。

其次，需要对属性进行分析，在强度检验的情况下，生成文件。

再次，需要利用计算方式，对文件中的各类数据信息进行全面的计算，以此提高优化设计质量。

最后，需要计算质量与应力报告，对各类模型进行分析[3]。

第二，集成流程。

首先，需要对文件进行审批，对属性进行修改。

其次，需要对模型应力进行全面的分析，形成多学科优化软件系统，在驱动软件支持之下，输出相关报告，按照工作要求对其进行处理。

最后，需要建设多学科优化设计平台，将各类文件结合在一起，在集中管理的情况下，选择合适的优化算法，明确变量范围，在科学取值的情况下，对各类约束条件进行处理，提高简化设计方案的可靠性与准确性[4]。

（二）优化算法的使用措施
在建立相关模型的过程中，需要科学借鉴模拟退火模型与模拟淬火模型，对其进行全面的处理，且在结构优化设计工作中，需要制定完善的优化方案，严格开展分析与管理工作，在全局优化设计的情况下，对参数进行控制。

首先，需要科学应用模拟退火模型方式，及时发现设计文件中存在的问题，采取有效措施解决问题。

在产生初始解之后，需要做好稳定抽样处理工作，如果可以满足相关循环终止要求，就要对各类计算结构进行分析，全面提高计算工作准确性与可靠性。

同时，需要对其降温过程进行优化设计，明确外循环的终止条件，如果满足相关条件，就可以获取最优解数据信息，结束相关计算工作[5]。

（三）结构优化措施
在获取计算结果之后，需要对其进行全面的优化处理，按照工作要求，科学开展计算活动，提高计算结果准确性与可靠性。

同时，设计者需要科学分析结构优化设计要求，对各类系统进行全面的校核与分析，增强工作效果，满足其实际发展需求。

（四）屈服应力强度校核措施
在使用高强度钢材料的过程中，需要对结构尺寸进行优化设计处理，明确材料使用厚度，在提高系统稳定性的情况下，对结构荷载数据信息进行分析，科学完成屈服应力强度的校核工作。

在此期间，需要对屈服强度进行计算处理，在优化设计工作中，需要全面开展相关计算活动，提高屈服安全因子计算结果的准确性与可靠性，满足其实际发展需求。

同时，需要按照结构优化设计要求，科学开展管理与控制活动，提高设计工作质量与可靠性。

结语：
在船舶结构多学科优化设计的过程中，设计者需要制定完善的设计方案，根据相关要求，对其进行全面的处理，建立健全优化设计机制，明确各个结构的数据信息，在提高工作成效的基础上，发挥多学科优化设计工作作用。

参考文献：
[1]孙利,王德禹.船舶结构理性设计方法热点问题与展望[J].中国舰船研究,2012(5):8-13.
[2]邵伟.基于鲁棒性的船舶结构优化设计研究[D].江苏科技大学,2012.
[3]周凡.船体极限强度试验相似模型设计研究[D].武汉理工大学,2014.
[4]张鼎,黄小平,崔维成等.一种复杂载荷作用下船舶结构疲劳裂纹扩展预报方法[J].船舶力学,2015(5):541-552.
[5]朱云翔.长上层建筑结构设计有关问题的探讨[J].船海工程,2013,42(3):29-33.。