船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法及應用實踐微探

高兆進

摘 要：不論何種船舶結(jié)構(gòu)，其創(chuàng)造性、綜合性、經(jīng)驗性都比較強，隨著市場經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型，科學技術的迅速發(fā)展，各行各業(yè)逐漸開始創(chuàng)新，船舶制造行業(yè)也應該進行創(chuàng)新。在實際中采取何種優(yōu)化方法，才能獲取相應的效果，這就需要結(jié)合實際的建造需求，文章主要探討的是船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的方式及其應用實踐。首先分析了船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的概述，同時闡述了各類優(yōu)化設計方式及其應用。

關鍵詞：船舶結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設計；概念；應用

中圖分類號：U661.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）05-0103-02

Abstract： Regardless of the type of ship structure， its creativity， comprehensiveness， and experience are relatively strong. With the transformation of market economy， and the rapid development of science and technology， various industries gradually began to innovative. The shipbuilding industry should also be innovated. What kind of optimization method can be adopted in practice to get the corresponding effect needs to be combined with the actual construction needs. This paper mainly discusses the way of the optimal design of ship structure and its application. Firstly， the overview of ship structure optimization design is analyzed； at the same time， all kinds of optimization design methods and their applications are expounded.

Keywords： ship structure； optimal design； concept； application

近幾年，隨著我國市場經(jīng)濟的迅速發(fā)展，船舶行業(yè)也得到了較好的發(fā)展，在科技時代背景下，船舶建造行業(yè)也面臨著較大的挑戰(zhàn)，對船舶的制造速度和制造質(zhì)量提出了更高的要求。借助何種手段，在確保船舶制造質(zhì)量的同時，縮減制造速度是當前船舶制造企業(yè)首要解決的難題。全球范圍內(nèi)的造船大國，僅創(chuàng)建了大量的數(shù)字化造船體系。

1 船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計概述

1.1 船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計概念

隨著船舶行業(yè)的不斷發(fā)展，計算機技術的不斷轉(zhuǎn)變，與船舶設計相關的知識、技術也在發(fā)生了變化。在船舶設計制造過程中不管應用何種設計方式，首先需要確保船舶使用的安全性、便捷性，進而再追求船舶設計的經(jīng)濟利益，這也是船舶結(jié)構(gòu)設計的原則。對船舶結(jié)構(gòu)設計進行優(yōu)化主要是為了挖掘更大的經(jīng)濟效益，同時創(chuàng)新船舶設計結(jié)構(gòu)形式，在設計過程中主要包含設計大小、設計外形等信息，追求目標與重量的同時，還需要符合相應的標準，滿足相應的約束限制，以此確保在船舶設計過程中，實現(xiàn)動力形態(tài)與精力形態(tài)的完美結(jié)合。

1.2 船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化分類

按照變量屬性，將船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化劃分為離散模型、連續(xù)模型、混合變量模型。由于船舶制造過程中自身的比較繁瑣，在建造過程中包括連續(xù)性、離散性，在骨材制造中包含連續(xù)性，在鋼材厚度、型材上涉及離散性內(nèi)容，因此，船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計本身屬于一項混合優(yōu)化設計方式。

2 船舶結(jié)構(gòu)經(jīng)典優(yōu)化設計方式

2.1 準則優(yōu)化設計方式

準則法是在力學相關知識和工程設計相關經(jīng)驗的基礎上，創(chuàng)建出來的優(yōu)化設計方式。這類船舶結(jié)構(gòu)經(jīng)典優(yōu)化設計方式，在符合所有約束限制的設計方案內(nèi)，選擇最佳的準則法設計方式。

準則法經(jīng)典優(yōu)化設計方法的優(yōu)點包括：（1）物理層的作用比較清晰，能夠更好地開展分析工作；（2）準則法計算方式比較簡單；（3）在具體的計算環(huán)節(jié)里，結(jié)構(gòu)分析的次數(shù)較少；（4）計算過程中收斂速度較快，在最初使用傳播結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的時候，這類設計方式得到了廣泛的應用。準則優(yōu)化設計方式的缺點包括：（1）無法確保計算結(jié)果的最優(yōu)化；（2）收斂性難以驗證；（3）在優(yōu)化過程中，設計工作人員需要按照實際狀況完成各項工作。

基于準則法的缺點，將其融入了形狀優(yōu)化內(nèi)，通過實踐形狀優(yōu)化設計方式，能夠有效避免應力集中問題。若是力學模型中涉及大量的變量，使用這類方法能夠簡化設計環(huán)節(jié)。目前，在一般的船舶建造工程內(nèi)，常見的準則法包括：位移準則法、能量準則法、滿應力準則法。

1.2 數(shù)學規(guī)劃設計方式

隨著準則法的不斷發(fā)展，相關專家學者對數(shù)學規(guī)劃也展開了探討，在1970年，相關學者創(chuàng)新了結(jié)構(gòu)優(yōu)化定義，為規(guī)范法注入了活力。通常情況下使用的方式為：單目標排序法、降維法、函數(shù)評價法等。在使用過程中是將多個目標進行規(guī)范，簡化為單個目標，通過優(yōu)化單個目標進行實現(xiàn)設計方式的優(yōu)化。

數(shù)學規(guī)劃法是在規(guī)劃論的基礎上存在，由于理論較為全面，因此使用范圍也比較廣，數(shù)學規(guī)劃法自身還具備一定的收斂性。但是在應用中依舊存在一些缺點，主要包括：（1）計算環(huán)境較為復雜、收斂耗費的時間比較長，特別是是在變量較多的情況下，收斂耗時比較明顯；（2）在計算上還存在一些隱性缺陷。

針對上述問題，相學者進行了改進，在規(guī)范法中融入了準則法的優(yōu)點，依照力學的特征進行了完善，其完善范圍包括：選取顯示、導入倒數(shù)、制約功能、連接變量等方面，很大程度提升了運算速度。endprint

3 船舶結(jié)構(gòu)創(chuàng)新優(yōu)化設計方式及應用實例

3.1 遺傳模型優(yōu)化設計方式

遺傳模型是在相關數(shù)學模型變量屬性的基礎上演變而來，能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設計劃分為離散變量模型、連續(xù)變量模型、混合變量模型?；趥鹘y(tǒng)模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中的不足之處，相關專家學者研發(fā)出了一種全新的算法，依照船舶結(jié)構(gòu)設計的特征，融入生物進化知識，創(chuàng)新遺傳算法。經(jīng)過實驗得知，這類遺傳算法具備較強的魯棒性，不需要導數(shù)資料，就能夠借助目標函數(shù)的方式，將之前的不足之處及時完善。相應工作由編碼集完成，利用二進制將相應的變量關系表現(xiàn)出來，有效解決在設計過程中連續(xù)性、離散性問題。效仿生物進化的方式開展交叉算子、再生算子、異化算子。通過實踐證明，這類優(yōu)化設計方式適用于各類繁瑣的設計環(huán)境。在實際的應用中，遺傳優(yōu)化設計方式具有顯著的應用效果，是工程設計上的又一次革新，意義顯著。

3.2 模糊原理優(yōu)化設計方式

模糊原理最早起源于1980年，是在模糊判決的基礎上創(chuàng)新出的限界搜索法，將其應用在船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中，能夠有效處理機構(gòu)優(yōu)化的難題。應用健全的模糊目標原理，將閾值視為變量（附加），有效避免了一次求解下的最大水平法，在求解之后只需要對施工、結(jié)構(gòu)等要素進行思考，創(chuàng)建要素權(quán)重集與排序結(jié)合的模糊評價方式，在此基礎上確定模糊約束容差值。例如：在對油船的槽形、橫艙壁、剖面、其他結(jié)構(gòu)等進行計算，首先需要結(jié)合工程的實際情況，明確模糊要素的覆蓋情況，接著再借助模糊優(yōu)化設計方式，在減少原材料的基礎上，實現(xiàn)設計的優(yōu)化性。

模糊船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計在較為繁雜的設計工程內(nèi)，會存在著多個目標問題，在最大法背景下，對模糊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計進行擴張，能夠?qū)崿F(xiàn)多目標模糊優(yōu)化設計方法的融合，同時實現(xiàn)了約束、目標不同層次的模糊性。在應用過程中首先需要創(chuàng)建符合模糊約束的目標子集，接著按照模糊判決，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ǖ囊?guī)劃接著開展求解。模糊船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計在實際的應用中，不僅能夠滿足現(xiàn)實的設計需求，同時相關工作人員還能夠結(jié)合實際狀況，選取應用，具有較強的適用性。

3.3 智能型優(yōu)化設計方式

由于當前屬于科學技術時代，因此，在船舶結(jié)構(gòu)設計中智能型優(yōu)化設計方式使用較為普遍，在明確了最基礎的設計方式之后，接著根據(jù)實際情況深入研究設計問題，用數(shù)學規(guī)劃的方案總結(jié)出最佳的設計方案。例如：某船舶結(jié)構(gòu)設計公司，借助智能型優(yōu)化設計方式，系統(tǒng)內(nèi)部的專家技術系統(tǒng)，為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計奠定了基礎，在實際的應用中發(fā)現(xiàn)智能型船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計有效融合了經(jīng)典的優(yōu)化設計方式與人工智能，全面提升系統(tǒng)的設計效率。

根據(jù)相關調(diào)查，目前智能型船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計主要包括兩種：一是神經(jīng)網(wǎng)絡設計法、二是專家系統(tǒng)設計法，這類系統(tǒng)在輪船結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計上得到了廣泛應用。例如：在設計過程中可以將輪船的節(jié)剖面發(fā)送至專家系統(tǒng)，專家將在線對表殼進行理性分析，將專家的主觀經(jīng)驗整合，以此實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化。由于這類系統(tǒng)是效仿專業(yè)人士開展優(yōu)化設計工作，其中儲存的理論知識、優(yōu)化設計結(jié)果具有十分重要的作用。

4 結(jié)束語

隨著科學技術的迅速發(fā)展，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計逐漸得到人們的重視。在船舶結(jié)構(gòu)設計中應該結(jié)合實際的建造需求，優(yōu)化設計方式。就目前船舶結(jié)構(gòu)設計情況而言，應用了形狀優(yōu)化、模糊優(yōu)化、遺傳優(yōu)化等設計方式，在此背景下很大程度推動了船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的發(fā)展，為船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的發(fā)展奠定了基礎。

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