船舶结构设计方式及优化分析邱帜

邱帜

武汉船舶设计研究院有限公司湖北武汉430060

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、基于可靠性的优化设计法、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。

关健词：船舶结构；优化；设计方法

引言

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。

1.船舶结构设计的方式

1.1船舶结构设计的设计理念

在设计过程中，由于船舶结构的复杂性，有必要对其设计理念和施工过程中出现的问题进行具体分析。第一要分析船舶运输能力及性能指标。船舶结构的工程量非常大。在正常情况下，它是各种工程建设的基础和综合工作。出于这个原因，船舶的设计过程涉及结构、管系、轮机、电气、舾装等多个专业。因此进行船舶设计时，各专业必须提前做好准备。一方面要分析船舶结构设计和施工过程中的关键点，并针对各关键点制定具体的科学实施方案。另一方面还应设计船舶结构图纸，针对特殊型式有必要与船东方沟通，并按照造船管理的具体过程进行严格管理。这方面主要包括详细设计、生产设计，辅助工装设计，准备工作和管理施工方案。

1.2船体结构设计的设计要求

船体结构的设计必须是可行的，并且应在确保船舶安全的同时进行具体的设计和优化。船舶在海洋中的安全航行是所有工作的重要保证。在设计过程中，必要按照船级设规范要求进行设计，并确保船舶的稳定性。船舶设计时应考虑在航行过程中的海洋环境，气候、水文和极端天气。另船舶的设计需考虑施工的科学性，以方便制造厂进行施工。

船舶结构需有良好的强度和稳性。施工期间必须确保各项材料的质量，例如，船舶构造中使用的板材必须保证强度及机械性能。不能为追求成本而使用有缺陷的材料，导致船舶的安全性降低。在设计过程中，船舶装载能力需高度重视，船舶的舱室和甲板的设计应根据实际装载要求进行优化设计，以便有足够的空间保证人员的生活和货物的装载，同时还应考虑到船员的安全性以及舒适性。

2.船体结构型式

船体结构基础模式属于板以及型材的组合，还可以叫作是板架结构。针对结构处于的地方和功能，手动将其分成几个干板架。例如，船底和甲板板架等。通过分析船体梁，能够清楚甲板与船底板架可以说是船体梁的上冀板和下冀板，舷侧板架则是其腹板。其功能不一样，骨架排列模式不同，一般分为横纵骨架式结构。在纵向结构配置的时候，存在大量纵向构建必须穿过横向构件，在分段合拢过程中，纵向构件有大量的接口，导致纵骨架式结构配置难度较大，因此部分情况下，就算是甲板和船底也应该使用横骨架式的结构。

针对干货船，上面的甲板应该使用横骨架式机构的详细情况为：

（1）船只长度不超过10m的时候，船只长度在10m到120m，L/D不超过11。整个弯矩不大，中刨面模数标准值不大，部分强度要求成为重点的。

（2）上方甲板时常摆放货物，进而横向荷载巨大，若使用纵骨架式结构，相对较大的横梁将会对于舱容造成影响。如图1所示为横骨架式机构图。针对船体应该使用骨架式结构的情况为：

（1）船只长度不超过10m，L/D不超过12的时候，船底外板厚度并不视强度情况确定的，而是以锈蚀和磨损进行掌控。

（2）船只中垂弯矩超出拱弯矩较大的时候。

（3）船底容易搁浅，或者是舱内使用抓斗起货，同时舱底缺少护板，厚度主要取决于磨损程度。舷侧结构型式，主要是横舱壁之间的距离以及甲板和舱底之间的距离确定的。通常垂向距离不应该使用横骨架式，这对于结冰区域航行十分重要。部分地区在冬天时常存在漂浮的冰排，船只的舷侧结构骨架型式必须充分思考这个因素。

3.船舶板架结构动力优化设计的具体方法

3.1船舶与海洋平台结构动力优化设计

船舶与海洋平台的结构动力优化设计活动中最大的限制因素就是结构动态响应与设计变量之间的关系。由于两者的关系属于高度非线性，所以在实际设计优化过程中只能够通过可行域对其连通性进行判断，所以优化的难度相对较大。根据国内一些学者的研究情况来看，通过可行域调整、一维搜索以及自适应运动极限调整等方式能够优化求解算法，让优化设计的结果更加接近实际数据。马红艳等人通过实际环境载荷对海洋导管架的平台结构进行了研究，同时也对导管架的海洋平台结构进行了尺寸以及形状方面的优化，提升了非线性设计的可能性，也为实现船舶与海洋平台结构动力的优化设计提供了新的思路与方向。

3.2夹层结构力学特性优化与设计

金属夹层结构具有良好的机械性能，其不但重量轻、强度高，而且具有良好的隔音性能与隔热性能，通过特殊的表层处理还可以获得不错的耐腐蚀性，所以在夹层的结构力学优化与设计中应用极为广泛。目前最为常见的夹层结构就是上下面板与中间芯层组成的夹层结构，其按照结构形式可以分为连续型以及离散型两种不同的形式。其中结构形式为连续的力学性能更加稳定，离散型的则具有更高的强度，在一些特殊的夹层结构设计中的应用也相对广泛一些。

3.3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，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。

4.结论

通过对船舶结构优化设计方法的研究，我们得出在进行船舶结构优化设计的时候，往往会涉及到很多相互制约和互相影响的因素，这就需要设计人员权衡利弊，进行综合考察，不但要进行结构参数与结构型式的优选，而且还要针对具体情况对做出的方案进行评估、优选和排序。通过什么准则对不同的方案进行综合评估，得出最优方案，成为专家和设计人员需要继续研究的问题。

参考文献

[1]郭军，肖熙.基于可靠性的船体结构多目标优化设计[J].上海交通大学学报，2010（1）.

[2]俞铭华，谢祚水，吴剑国，窦培林，曹骥.船舶中剖面结构优化设计研究进展[J].华东船舶工业学院学报，2012（3）.

[3]郭小东，嵇春艳，王自力，顾学康，胡嘉骏.大型油船中剖面结构优化设计的遗传算法[A].2005年船舶结构力学学术会议论文集[C]，2011（12）.