付有强
天津德赛海洋船舶工程技术有限公司天津市300450
摘要：经济发展水平的提高，在一定程度上依赖于物品流通性的提高。对于运输行业来说，无论是从运输范围上来看，还是从运输速度上来看，较之以前都取得了突破性的发展，而这一切都离不开船舶制造水平的提高。其中，船舶的结构设计，又将直接影响到船舶使用过程中的稳定性、安全性与航行速度。因此，如何优化船舶结构设计，已经成为船舶制造过程中一个亟待解决的问题。下文中，分析了船舶结构优化设计方法及应用实践，为船舶业的稳定发展奠定基础。
关键词：船舶结构；优化设计方法；应用实践
1船舶结构优化设计概念
随着船舶行业的不断发展，计算机技术的不断转变，与船舶设计相关的知识、技术也在发生了变化。在船舶设计制造过程中不管应用何种设计方式，首先需要确保船舶使用的安全性、便捷性，进而再追求船舶设计的经济利益，这也是船舶结构设计的原则。对船舶结构设计进行优化主要是为了挖掘更大的经济效益，同时创新船舶设计结构形式，在设计过程中主要包含设计大小、设计外形等信息，追求目标与重量的同时，还需要符合相应的标准，满足相应的约束限制，以此确保在船舶设计过程中，实现动力形态与精力形态的完美结合。
2船舶结构优化设计方法
2.1准则优化设计方式
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
该方法是在准则法发展到一定阶段，根据数学规划的结构优化，以规划论为基础，可用于求解不同性质的船舶优化问题。其中，最为典型的是多目标模糊优化设计法。虽然，目标函数和约束条件是预先按照规定确定的，但在实际设计和建造过程中，船舶结构中的优化设计过程、约束条件，以及相应的评价指标是较为模糊的因子，将这些模糊因子进一步地优化，则必须要通过模糊数学方法来实现其各个目标的优化设计。
3船舶结构优化设计中的应用实践
3.1遗传算法（GA）的应用
遗传优化设计方法是模拟生物遗传进行原理所采取的一种新的船舶结构优化方法。它的基本处理流程是：设计参数编码和生成初始群体，设定初始群体，并通过适合度函数的设计，评估群体中的个体适合度，再进行遗传操作设计和参数控制，通过繁殖、交叉以及变异等构成GA主要操作算子。与传统结构优化方法相比，遗传计算方法具有简单通用和鲁棒性强的特点，不依赖于梯度信息，无需与导数相关的资料，运用目标函数的处罚函数方式，将原先的不足转化成为没有约束的问题，效仿生物进化环节中最为重要的三个遗传三子：繁殖、交叉以及变异。适用于处理各种传统搜索方法无法解决的非线性领域，被广泛应用于工程和船舶结构优化等领域。汤金敏将遗传算法应用到船舶推进轴系统的优化校中，以6500DWT杂货船轴系为研究对象，将遗传算法应用轴系结构优化中，轴系简化为40个节点、39个梁单元，优化后艉管后轴承的载荷减小幅度很大，提升了轴系运行的安全性能。
3.2模糊原理方式的应用
模糊原理最早起源于1980年，是在模糊判决的基础上创新出的限界搜索法，将其应用在船舶结构优化设计中，能够有效处理机构优化的难题。应用健全的模糊目标原理，将阈值视为变量（附加），有效避免了一次求解下的最大水平法，在求解之后只需要对施工、结构等要素进行思考，创建要素权重集与排序结合的模糊评价方式，在此基础上确定模糊约束容差值。例如：在对油船的槽形、横舱壁、剖面、其他结构等进行计算，首先需要结合工程的实际情况，明确模糊要素的覆盖情况，接着再借助模糊优化设计方式，在减少原材料的基础上，实现设计的优化性。模糊船舶结构优化设计在较为繁杂的设计工程内，会存在着多个目标问题，在最大法背景下，对模糊结构优化设计进行扩张，能够实现多目标模糊优化设计方法的融合，同时实现了约束、目标不同层次的模糊性。在应用过程中首先需要创建符合模糊约束的目标子集，接着按照模糊判决，将其转变为普通的规划接着开展求解。模糊船舶结构优化设计在实际的应用中，不仅能够满足现实的设计需求，同时相关工作人员还能够结合实际状况，选取应用，具有较强的适用性。
3.3蚁群算法（ACO）的应用
蚁群算法是应用组合优化问题的启发式随机搜索算法，它是对自然界中蚂蚁的寻径方式进行模拟所得出的一种仿生算法，用来在图中寻找优化路径的几率型算法，与其他算法相比，蚁群算法在发现最优解方面具有明显优势。在实际应用中，在求解节点树为5-100的组合优化方面，选用合适的参数，蚁群算法的优化结果要明显优于遗传算法、进化算法以及模拟退火算法等。蚁群算法主要由信息素的更新和路径构建量方面组成，其中，信息素越多，路径被选择的概率就会增加。其基本流程是：算法参数和信息素矩阵的初始化、对所有路径对应的目标函数进行质量评估，通过信息素的更新将搜索范围缩小到少数、具有较大潜力的路径上，最后是利用概率选择机制重构路径。陈强等人，利用蚁群算法，对长江干散货船中部结构进行了优化设计，优化后比原始设计重量减少了20.6%，优化后船舶结构更趋合理。
3.4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、艙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。
4相关建议分析
4.1明确船舶主体结构设计的要求
船舶主体结构设计过程中，要综合考虑航运可靠性、船舶使用性、生产工艺性、维护便捷性等多方面因素，其中尤以可靠性因素最为关键。在设计船舶主体结构时，必须严格依据相关设计规范，科学选取设计依据，这是保证船舶结构稳定性的先提条件。船舶设计最终是为船舶制造服务的，因此所设计出来的结构必须易于制造，便于进行质量控制等活动。一般情况下，船舶主体结构要尽可能多地使用标准化型材或者轧制型材，各骨材间要保持合理的间距，这样一方面有利于提高船舶制造的工艺性，另一方面也易于开展各项成本控制工作，提升船舶制造的经济性。使用性也是船舶主体结构设计的重要考虑因素，例如，在设计货船时要提前规划好舱口尺寸的大小，避免因舱口过小而对货物装卸造成不便；在设计客船时要设法减小船体的总变形，防止航运过程中出现过大变形而造成乘客的不适或恐慌。
4.2重视船舶结构设计的设计理念
对于船舶结构的设计首先就要对其设计理念、建设内容进行具体的分析。这最先要分析船舶将来进行任务的总量。船舶结构的工程量十分巨大，在通常条件下，它是多种工程建设的一个基础性、综合性的工作，为此，船舶的设计过程当中涉及到了一些其它的专业，因此，在进行船舶设计时，一定要做好充足的准备工作。一方面要对船舶结构设计施工过程当中的具体条件展开分析，并且根据现实的情况，制定出具体且科学的实施方案和建设要点等，并且，更应该对船舶的造型进行图纸设计；另一方面要同管理者进行交流沟通，根据管理造船的详细过程进行严格的管理，这方面主要包含着建造图纸的设计、辅助性方案设计、准备工作以及管理施工的进行。
4.3完善船体结构设计的步骤
4.3.1初步规划
这一步骤是指按照相关的技术标准以及设计目的对于任务展开架构性的建设，绘制基础的设计图，根据原先的计划以及设计目标对于所需原料的型号、用量等检查预算方案并产生与之对应的报告，进而对船舶的大小、结构架势展开设计。
4.3.2详细设计
开始之初最主要的是一个大的框架的构设，之后要适当加入些许细节，在进行细节的设计时，必须按照有关标准、上级的审批意见作出对应的调整，在完全考虑到细节的基础上，根据材料的型号以及材质，设计出系统性的方案，经过绘制之后在交给相关部门审核。
4.3.3生产设计
这一环节是对于船舶的设计当中所提出的要求，它要求设计过程严格按照制定的方案进行材料选择、施工建设以及优化完善等。
5结论
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]倪军，张瑞婷.关于船舶结构优化设计方法的研究[J].科技传播，2013，5（22）：100+115.
[2]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，2012，7（05）：8-13.
[3]吕振肖，李志杰，罗枭龙，伦少卿，张大川.船舶结构设计方式及优化分析[J].化工管理，2017（26）：141.