工程船舶參數(shù)化設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析

原躍峰　陳煜坍

摘 要：為了提高工程船舶的設(shè)計效率，我國船舶制造行業(yè)利用參數(shù)化設(shè)計軟件完成工程船舶的設(shè)計工作。從工程船舶參數(shù)化設(shè)計的發(fā)展現(xiàn)狀入手，簡要闡述了參數(shù)化船舶設(shè)計的主要內(nèi)容，并分析了有限元法在船體結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用，進而說明了參數(shù)化設(shè)計工程船舶的重要性。

關(guān)鍵詞：工程船舶；參數(shù)化設(shè)計；船體結(jié)構(gòu)；有限元法

中圖分類號：U661.4 文獻標(biāo)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(jié)構(gòu)具有固定的形式，所以，可以利用參數(shù)化設(shè)計技術(shù)完成船舶的設(shè)計工作。利用參數(shù)化設(shè)計技術(shù)可以簡化工程船舶的設(shè)計過程，提高船舶的制造效率。

1 參數(shù)化船舶的研究現(xiàn)狀

1.1 參數(shù)化船舶設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計是指基于實際情況的約束條件，利用參數(shù)化設(shè)計軟件進行船舶的設(shè)計工作，將船舶設(shè)計過程中的方案構(gòu)思、圖紙繪制船舶設(shè)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(zhǔn)計算下，有效地保障了船舶設(shè)計的準(zhǔn)確性。因此，參數(shù)化船舶設(shè)計技術(shù)得到了船舶制造技術(shù)人員的重視，并被充分應(yīng)用到了近年來的工程船舶制造實踐中，從而使參數(shù)化船舶設(shè)計技術(shù)不斷完善、日趨成熟。

1.2 關(guān)于AutoCAD技術(shù)軟件

AutoCAD技術(shù)軟件的中文名字是歐特克計算機設(shè)計輔助軟件。目前，我國船舶制造行業(yè)參數(shù)化設(shè)計船舶主要利用的技術(shù)軟件就是該軟件。該技術(shù)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(shè)計工作提供便利，但是，它畢竟不是專門的船舶設(shè)計軟件。在設(shè)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(shù)人員手動操作修改。

1.3 實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計的主要方式

實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計的主要方式是代數(shù)法，而代數(shù)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(yōu)勢，它能夠貼近船舶制造的實際生產(chǎn)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(yōu)化方程的根，避免了求不出合適的根這一情況出現(xiàn)。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(yīng)用過程中不容易控制，所以，還需要進一步完善代數(shù)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(yōu)化問題的所有參數(shù)值。利用這種算法可以很好地實現(xiàn)優(yōu)化問題中近似滿足約束條件的求解問題，放寬了優(yōu)化問題的求解要求，從而實現(xiàn)了對船舶制造設(shè)計工程的進一步優(yōu)化。因此，該算法在船舶制造工程中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。

2 工程船舶及其參數(shù)化設(shè)計

2.1 關(guān)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(yè)，比如港口建造、修復(fù)和航道的維護等工作的，承擔(dān)技術(shù)性業(yè)務(wù)的船舶。根據(jù)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(dān)的業(yè)務(wù)不同，其船舶上配備的設(shè)備也不同。因為工程船舶的格局具有多樣性，所以，其設(shè)計制作工作也變得復(fù)雜、繁重。為了減輕工程船舶設(shè)計工作人員設(shè)計工作的負擔(dān)，工程船舶制造行業(yè)技術(shù)人員采納了利用參數(shù)法制作工程船舶設(shè)計圖的設(shè)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(nèi)部構(gòu)造都大同小異，因此，可以利用參數(shù)法設(shè)計技術(shù)完成對工程船舶的設(shè)計，而后期可以根據(jù)工程船舶的具體應(yīng)用修改、調(diào)整細節(jié)。

近年來，隨著世界經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國海上貿(mào)易活動也取得了很大的發(fā)展。為了保障海上貿(mào)易的順利進行，要保障工程船舶在海上航道的持續(xù)穩(wěn)定運行。工程船舶要定期清理海上航道，并完成相關(guān)的修復(fù)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(guān)的應(yīng)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(shù)法設(shè)計工程船舶技術(shù)。這樣不僅提高了船舶制造的效率，還滿足了社會發(fā)展對工程船舶的需求。

2.2 工程船舶參數(shù)化設(shè)計

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

3 船體結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 有限元法

有限元法是指將連續(xù)的求解區(qū)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(shè)計過程中不規(guī)則幾何區(qū)域內(nèi)的優(yōu)化求解問題，求解區(qū)域劃分得越細致，其區(qū)域內(nèi)解的關(guān)系越明確。這時，便可以將其模擬成某種函數(shù)的求解問題，從而實現(xiàn)單元區(qū)域的快速求解。

3.2 有限元法在船體分析中的應(yīng)用

由于工程船舶自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以，計算報告工程船舶整體強度這一任務(wù)一直都有極高的難度。在傳統(tǒng)的工程船舶制造工程中，船舶制造技術(shù)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(shù)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(tǒng)工程船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)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(jié)構(gòu)的強度。

4 總結(jié)

工程船舶制造技術(shù)人員應(yīng)進一步研究參數(shù)化船舶設(shè)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(jié)構(gòu)分析服務(wù)，從而推動我國船舶制造行業(yè)向更好更快的方向發(fā)展。

參考文獻

[1]時光志.工程船舶參數(shù)化設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[2]羅忠卿.大型甲板貨船參數(shù)化設(shè)計與結(jié)構(gòu)屈服屈曲強度直接計算研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

〔編輯：白潔〕