工程船舶參數化設計與結構分析

原躍峰　陳煜坍

摘 要：為了提高工程船舶的設計效率，我國船舶制造行業利用參數化設計軟件完成工程船舶的設計工作。從工程船舶參數化設計的發展現狀入手，簡要闡述了參數化船舶設計的主要內容，并分析了有限元法在船體結構分析中的應用，進而說明了參數化設計工程船舶的重要性。

關鍵詞：工程船舶；參數化設計；船體結構；有限元法

中圖分類號：U661.4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.06.100

工程船舶的外觀線型比較簡單，而且工程船舶的結構具有固定的形式，所以，可以利用參數化設計技術完成船舶的設計工作。利用參數化設計技術可以簡化工程船舶的設計過程，提高船舶的制造效率。

1 參數化船舶的研究現狀

1.1 參數化船舶設計

參數化設計是指基于實際情況的約束條件，利用參數化設計軟件進行船舶的設計工作，將船舶設計過程中的方案構思、圖紙繪制船舶設計圖和船舶的主要性能分析3個過程一體化。這樣做，不僅縮短了船舶的制造周期，而且在計算機的精準計算下，有效地保障了船舶設計的準確性。因此，參數化船舶設計技術得到了船舶制造技術人員的重視，并被充分應用到了近年來的工程船舶制造實踐中，從而使參數化船舶設計技術不斷完善、日趨成熟。

1.2 關于AutoCAD技術軟件

AutoCAD技術軟件的中文名字是歐特克計算機設計輔助軟件。目前，我國船舶制造行業參數化設計船舶主要利用的技術軟件就是該軟件。該技術軟件具有強大的圖形繪制功能，它的許多功能都能夠為船舶的設計工作提供便利，但是，它畢竟不是專門的船舶設計軟件。在設計船舶的過程中，很多問題不能利用該軟件解決，還要從事船舶制造工作的技術人員手動操作修改。

1.3 實現參數化設計的主要方式

實現參數化設計的主要方式是代數法，而代數法又包括符號法和概率約束算法。其中，符號算法具有能夠包容多種約束條件的優勢，它能夠貼近船舶制造的實際生產情況。除此之外，符號算法還具備超強的求根功能，它能夠求出所有符合條件的優化方程的根，避免了求不出合適的根這一情況出現。但是，符號法也具有它自身的局限性，符號法的計算量過大，在實際應用過程中不容易控制，所以，還需要進一步完善代數法。而概率約束算法是將約束條件表示成方程組的形式，并對其求解，得到優化問題的所有參數值。利用這種算法可以很好地實現優化問題中近似滿足約束條件的求解問題，放寬了優化問題的求解要求，從而實現了對船舶制造設計工程的進一步優化。因此，該算法在船舶制造工程中得到了廣泛的推廣和應用。

2 工程船舶及其參數化設計

2.1 關于工程船舶

所謂“工程船舶”，是指停留在港口和航道上從事工程作業，比如港口建造、修復和航道的維護等工作的，承擔技術性業務的船舶。根據工程船舶的不同功能，可將其分為不同的種類。常見的工程船舶有起重工程船舶、挖泥工程船舶和攪拌工程船舶。不同的工程船舶承擔的業務不同，其船舶上配備的設備也不同。因為工程船舶的格局具有多樣性，所以，其設計制作工作也變得復雜、繁重。為了減輕工程船舶設計工作人員設計工作的負擔，工程船舶制造行業技術人員采納了利用參數法制作工程船舶設計圖的設計方案。雖然工程船舶的種類眾多，但是，同種類型工程船舶的內部構造都大同小異，因此，可以利用參數法設計技術完成對工程船舶的設計，而后期可以根據工程船舶的具體應用修改、調整細節。

近年來，隨著世界經濟的迅速發展，我國海上貿易活動也取得了很大的發展。為了保障海上貿易的順利進行，要保障工程船舶在海上航道的持續穩定運行。工程船舶要定期清理海上航道，并完成相關的修復工作，這無疑對工程船舶的制造工作提出了更高的要求。鑒于此，工程船舶制造商提出了相關的應對措施。例如，江蘇造船廠和滬東造船廠都引入了先進的參數法設計工程船舶技術。這樣不僅提高了船舶制造的效率，還滿足了社會發展對工程船舶的需求。

2.2 工程船舶參數化設計

要想順利實現工程船舶的參數化設計，其必須滿足以下條件：①在工程船舶的設計生產模型中，必須要有一定的拓撲關系和相關的約束條件，這樣才能將其帶入計算機設計的輔助軟件中，從而實現最優解的求值。②船舶設計模型中的幾何圖形必須能夠通過尺寸驅動，這樣才能夠在設計軟件中通過修改設備尺寸來改變船舶設計圖。③要保障工程船舶設計模型中的參數，就要與設計圖形中的尺寸有對應關系。設計軟件以原有的工程船舶設計模型為基礎，重新輸入新建工程船舶的具體要求和相關的參數數據，而這些參數大致代表了工程船舶技術人員向新建工程船舶提出的要求，之后計算機設計系統便能夠自動生成新的工程船舶設計圖。出圖后，技術人員可以再做相關的細節修改工作，使新建工程船舶更好地滿足工程需要。

3 船體結構有限元分析

3.1 有限元法

有限元法是指將連續的求解區域劃分成離散的求解組合，每個求解組合中只有有限的個解，每個求解單元都有其自身的幾何形狀。因此，可以將其模擬成工程船舶制造設計過程中不規則幾何區域內的優化求解問題，求解區域劃分得越細致，其區域內解的關系越明確。這時，便可以將其模擬成某種函數的求解問題，從而實現單元區域的快速求解。

3.2 有限元法在船體分析中的應用

由于工程船舶自身結構復雜，所以，計算報告工程船舶整體強度這一任務一直都有極高的難度。在傳統的工程船舶制造工程中，船舶制造技術人員一直采用總強度與局部強度分開計算、報告的方式，直至進一步完善了有限元法后，才有效地解決了這一問題。船舶技術人員將有限元法運用到了船舶靜力分析和動力分析上，改變了傳統工程船舶結構力學的分析計算方式。利用有限元法能夠簡單、快捷地計算船舶結構的強度。

4 總結

工程船舶制造技術人員應進一步研究參數化船舶設計，提高船舶的制造效率，并進一步完善有限元法，使其更好地為船舶結構分析服務，從而推動我國船舶制造行業向更好更快的方向發展。

參考文獻

[1]時光志.工程船舶參數化設計與結構分析[D].武漢：武漢理工大學，2008.

[2]羅忠卿.大型甲板貨船參數化設計與結構屈服屈曲強度直接計算研究[D].武漢：武漢理工大學，2009.

〔編輯：白潔〕