船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計方式及優(yōu)化分析

陳丹

摘要：為了保證船舶的安全穩(wěn)定航行，船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須滿足應(yīng)力、變形、動力特性、穩(wěn)定性、可用性和可靠性等相關(guān)要求。同時，應(yīng)建立有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，以滿足船舶安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。本文論述了船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中的相關(guān)問題及對策。

關(guān)鍵詞：船舶結(jié)構(gòu)；設(shè)計；問題分析；處理方法

1船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計的設(shè)計理念

在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中，首先要對其設(shè)計理念和施工內(nèi)容進(jìn)行具體分析。首先，有必要對未來船舶將承擔(dān)的任務(wù)總量進(jìn)行分析。船舶結(jié)構(gòu)工程量巨大。在正常情況下，是多種工程建設(shè)的基礎(chǔ)性、綜合性工作。因此，船舶設(shè)計過程中還涉及到其他一些專業(yè)。因此，在船舶設(shè)計中必須做好充分的準(zhǔn)備。

2經(jīng)典優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法是L.A.Schmit于1960年首次提出的。他認(rèn)為，在一定條件下結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)設(shè)計中求目標(biāo)函數(shù)極值的數(shù)學(xué)問題。這種方法很快得到了其他專家的認(rèn)可。1966年，D.Kavlie和J.Moe首次將數(shù)學(xué)規(guī)劃方法應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計，開啟了船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計的新篇章。我國船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的研究始于20世紀(jì)70年代末，研究了水面艦艇和潛艇在中剖面、框架、板架、圓柱壓力殼等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化設(shè)計方法。

2.1數(shù)學(xué)規(guī)劃法

數(shù)學(xué)規(guī)劃方法在標(biāo)準(zhǔn)方法中發(fā)展到一定階段。根據(jù)數(shù)學(xué)規(guī)劃的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，基于規(guī)劃理論，可以解決不同性質(zhì)的船舶優(yōu)化問題。其中最典型的是多目標(biāo)模糊優(yōu)化設(shè)計方法。雖然按照規(guī)定預(yù)先確定了目標(biāo)函數(shù)和約束條件，但在實(shí)際設(shè)計和施工過程中，船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計過程、約束條件和相應(yīng)的評價指標(biāo)都是相對模糊的因素。為了進(jìn)一步優(yōu)化這些模糊因素，必須采用模糊數(shù)學(xué)的方法對各個目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2.2經(jīng)典優(yōu)化算法優(yōu)勢及不足

首先，傳統(tǒng)的優(yōu)化算法是基于梯度信息的最速下降法，但在船舶設(shè)計和建造過程中很難完全掌握梯度信息，這在一定程度上限制了經(jīng)典優(yōu)化算法在船舶優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用。其次，經(jīng)典優(yōu)化算法更適合于連續(xù)變量的優(yōu)化，但對船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中離散變量的優(yōu)化適應(yīng)性較差。

3船舶優(yōu)化設(shè)計啟發(fā)式方法

隨著航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展，大型船舶不斷設(shè)計建造，對船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化的要求也越來越高。提出了框架、橫截面、船艙乃至整個船體的優(yōu)化設(shè)計要求。隨著設(shè)計變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)的增加，非線性度增大，優(yōu)化問題呈現(xiàn)出多峰、高維、高非線性的特點(diǎn)。線性特性。由此，出現(xiàn)了遺傳優(yōu)化和蟻群優(yōu)化等新的優(yōu)化方法，進(jìn)一步提高了船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性。

3.1遺傳算法（GA）

遺傳優(yōu)化方法是一種模擬生物遺傳學(xué)原理的船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化新方法。其基本過程是設(shè)計參數(shù)編碼并生成初始種群，設(shè)置初始種群，通過設(shè)計適應(yīng)度函數(shù)評價種群中個體的適應(yīng)度。然后進(jìn)行了遺傳操作設(shè)計和參數(shù)控制。遺傳算法主要由繁殖、交叉和變異三部分組成。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法相比，遺傳算法具有簡單、通用、魯棒等特點(diǎn)。它不依賴于梯度信息，也不需要與導(dǎo)數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)。利用目標(biāo)函數(shù)的罰函數(shù)，將原始缺陷轉(zhuǎn)化為無約束問題，模擬生物進(jìn)化中三個最重要的遺傳三聯(lián)體：繁殖、交叉和變異。它適用于處理傳統(tǒng)搜索方法無法求解的非線性區(qū)域，在工程和船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化中有著廣泛的應(yīng)用。唐金民運(yùn)用遺傳算法對船舶推進(jìn)軸系的找正進(jìn)行了優(yōu)化。以6500載重噸雜貨船軸系為研究對象，將軸系簡化為40個節(jié)點(diǎn)和39個梁單元。優(yōu)化后的尾軸管后軸承負(fù)荷大大降低，提高了軸系運(yùn)行的安全性能。

3.2蟻群算法（ACO）

蟻群算法（ACO）是一種求解組合優(yōu)化問題的啟發(fā)式隨機(jī)搜索算法。它是一種仿生算法，從模擬螞蟻在自然界中的尋路過程中衍生而來。它是一種在圖中尋找最優(yōu)路徑的概率算法。與其他算法相比，蟻群算法在尋找最優(yōu)解方面具有明顯的優(yōu)勢。在實(shí)際應(yīng)用中，蟻群算法在求解參數(shù)適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)樹5-100組合優(yōu)化問題上優(yōu)于遺傳算法、進(jìn)化算法和模擬退火算法。蟻群算法主要由信息素更新和路徑構(gòu)建兩部分組成。信息素越多，選擇路徑的可能性就越大。其基本過程是：對算法參數(shù)和信息素矩陣進(jìn)行初始化，對所有路徑對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行質(zhì)量評價，通過信息素更新將搜索范圍縮小到幾個具有很大潛力的路徑，最后利用概率選擇機(jī)制重構(gòu)路徑。陳強(qiáng)等。采用蟻群算法對長江干散貨船中部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的船舶重量比原設(shè)計減輕了20.6%，結(jié)構(gòu)更加合理。

3.3啟發(fā)式優(yōu)化設(shè)計方法優(yōu)勢及不足

啟發(fā)式算法除了遺傳算法和蟻群算法外，還包括模擬退火算法和粒子群優(yōu)化算法。啟發(fā)式優(yōu)化算法比經(jīng)典優(yōu)化算法得到越來越廣泛的應(yīng)用。主要原因如下：一是啟發(fā)式算法在船舶優(yōu)化設(shè)計中不需要目標(biāo)函數(shù)導(dǎo)數(shù)的信息，只需要在迭代過程中應(yīng)用目標(biāo)函數(shù)的相應(yīng)值，更適合于船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；二是啟發(fā)式算法具有較強(qiáng)的全局搜索能力，設(shè)計人員無需關(guān)注初始節(jié)點(diǎn)的優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)化結(jié)果不依賴于初始點(diǎn)的設(shè)計，大大提高了應(yīng)用效率。第三，啟發(fā)式算法在高維、多峰、高非線性方面具有較強(qiáng)的優(yōu)化能力，進(jìn)一步提高了復(fù)雜船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的處理能力；第四，啟發(fā)式算法在船舶優(yōu)化設(shè)計中對離散設(shè)計變量的求解效果較好。雖然啟動算法比經(jīng)典的優(yōu)化算法得到了更廣泛的應(yīng)用，但它有其自身的缺點(diǎn)和局限性：首先，要面臨的問題是過早啟發(fā)式算法，即在這個過程中很難跳出某一結(jié)構(gòu)或部分船舶過早集中的現(xiàn)象。二是啟發(fā)式算法的過度計算問題。遺傳算法和蟻群算法都采用了基于“群體”的概率優(yōu)化模式，導(dǎo)致了后期計算量的巨大增加，工作量也隨之增加。有時需要計算數(shù)十萬個目標(biāo)值。有限元分析只需幾分鐘，最長甚至幾天。與不同結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化效果明顯，但復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程耗時較長。

4提高船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法有效性的措施

4.1提高設(shè)計者專業(yè)水平

在船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的早期研究中，設(shè)計人員需要豐富的經(jīng)驗(yàn)。在智能優(yōu)化方法的研究中，設(shè)計經(jīng)驗(yàn)對計算結(jié)果的影響有所降低。雖然智能化在船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用已成為一個大趨勢，但一些設(shè)計人員還沒有接受新的設(shè)計概念的應(yīng)用，從而降低了船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性。因此，我們必須注重提高設(shè)計師的專業(yè)水平，鼓勵他們積極學(xué)習(xí)先進(jìn)的設(shè)計理念和方法，在實(shí)踐中不斷加深對相關(guān)專業(yè)知識的了解，為中國航運(yùn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

4.2算法的進(jìn)一步優(yōu)化

隨著我國航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的科學(xué)算法被研究。對于不同的船舶結(jié)構(gòu)，所選算法也不同。因此，如何提高算法的有效性成為船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的一個重要問題。一是加強(qiáng)對現(xiàn)有算法的研究，減少無關(guān)因素對算法精度的負(fù)面影響；二是樹立創(chuàng)新意識，結(jié)合優(yōu)秀的船舶優(yōu)化案例，繼續(xù)研究更符合中國船舶發(fā)展需要的優(yōu)化設(shè)計方法。北美的航運(yùn)業(yè)。

結(jié)語

船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項(xiàng)高度科學(xué)的工作，也是一個動態(tài)優(yōu)化和不斷改進(jìn)的過程。在堅持相關(guān)設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，設(shè)計人員應(yīng)不斷優(yōu)化和調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計，以保證船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，同時盡量減輕船體重量，提高航運(yùn)經(jīng)濟(jì)性，充分發(fā)揮船舶的性能。

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（作者單位：大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司）