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摘 要：针对船舶结构设计方式及其优化，采用理论结合实践的方法，先分析了船舶结构设计中需要考虑的因素，接着探讨了船舶结构设计方法，最后提出船舶结构设计优化的要点。分析结果表明，船舶结构设计对船舶结构的质量以及性能有很大影响，传统设计方法，存在一定的局限性，需要进行科学合理的优化，才能提升设计效果，保证船舶结构的稳定性，促使我国船舶建造事业健康发展。
关键词：船舶;结构设计;优化;遗传设计
中图分类号：U663 文献标识码：A
0 引言
在我国社会经济高速发展的背景下，船舶工程事业取得了良好发展，同时对船舶结构设计提出了更高的要求，不仅仅需要按照船舶结构稳定性、耐久性、抗冲击性需求，也要注重轻量化，这就需要对船舶结构设计方法进行全面优化，以探索出更加科学、合理的船舶结构设计形式，在提升船舶使用性能的基础上，提升经济性。因此，有必要对船舶结构设计方式及其优化进行分析。
1 船舶结构设计中需要考虑的因素
在船舶结构设计为提升设计效果，需要综合考虑多方面因素，其中最关键的因素体现在两个方面，其一是工作环境，其二是船体载荷。
1.1 工作环境
船舶在运行中长时间浸泡在水中，腐蚀速度非常快，如果没有做好维护保养工作，会大度缩短船舶的使用寿命。而且船舶在航行中经常会遇到不良气候、波浪冲击、货物装卸时的机械碰撞等，船舶结构非常容易发生疲劳性损伤。船舶结构长时间在腐蚀和疲劳性损伤的影响下，极易发生船体渗漏问题。或者在波浪的冲击下，船舶结构可能会发生不同程度的变形，影响船舶航行的安全性。
1.2 船体荷载
船舶在航行时，会受到多重荷载的同时影响，包括：船舶结构的自身重力、水的浮力、风力、惯性力、货物及人员的压力等。在特殊情况下，还存在爆炸或者是撞击形成的突发荷载。所以，在船舶结构设计中，不能只考虑单方面荷载，而是需要综合考虑所有可能遇到的荷载。通过合理的结构设计来抵消或者分散不良荷载对船舶结构造成的影响，以实现船舶结构荷载均衡，提升船舶航行的稳定性。
2 船舶结构设计方式
2.1 船舶结构设计步骤
在船舶结构设计中，可分“三步走”，第一步是初步设计;第二步是详细设计;第三步是生产设计。
初步设计：将设计图纸上的结构，转变为具体化的船舶结构，包括：船舶结构技术标准的分析、船舶结构设计框架的构建等。按照设计预案、设计技术、设计标准等选择材料、部件型号，并建立起预算标准，形成预算报告。
详细设计：按照审批意见，开展船舶结构设计方案的修改工作，对船舶结构建造时的一些细节进行综合、详细的考量，对船舶结构的材料质量、构件尺寸、性能、型号等进行详细检查。以保证各项标准都符合船舶结构设计的要求。在信息设计阶段，需要注重船舶结构设计方案全面性和整体性的凸显，设计完成之后，及时汇报给审核部门。
生产设计：在此阶段，需要注重船舶结构生产条件、材料、运用过程等，保证实际船舶结构建造图和设计方案相互吻合，以满足船舶结构设计的相关要求。
2.2 确定性设计方法
在船舶结构确定性设计时常用的方法有两种，一种是规范设计法，另一种是直接计算法。
规范设计法指的是按照船舶结构的主尺度和结构形式，运营条件和建造要求的相关规范来进行设计。设计完成之后再进行总强度和局部强度的全面验收，并对船舶结构的稳定性、安全性等进行详细检查，发现不达标问题，及时修改和处理，直到达标为止[1]。
直接计算法指的是根据船舶造型、构件布置情况的差异性，以及在规范中没有确定的特征进行设计，在应用此种设计方法时，对设计师的专业技术有很高的要求，需要按照各种构件的受力情况，直接进行强度计算，以保证设计出的船舶结构自身就具有良好的力学能力。
2.3 船舶結构可靠性分析法
在船舶结构强度确定性设计中，各项参数都可以设置成定值，安全系数可反映为强度储备，此时人们对船舶结构有比较固定的印象，认为船舶结构是绝对安全的，不会被破坏。但无论何种船舶，都是通过空间板梁组合形成，即便其中一个构件发生问题无法使用，此时船舶结构的内力会重新分配，整个结构依然可以继续运行[2]。只有相当多的构件都出现问题之后，船舶结构才能出现失效问题，这就需要研究船舶结构中各构件发生破坏的原因，以及破坏之后整个船舶结构造成的影响，再通过概率法对船舶结构的可靠性进行计算和分析研究。结构的可靠性，指的是某一个结构在规定时间内和特定条件下，完成预定功能的概率，如果达到结构功能的极限状态，就可以认为该结构已经失效，无法继续使用。目前我国很多船舶结构设计中都采用基于概率论的结构可靠性分析方法，但此种结构可靠性分析方法，存在很大的局限性。概率论就可能发生也可能不发生，这对船舶结构设计的安全性、可靠性会造成一定的影响，亟待改进。
3 船舶结构设计优化的要点
3.1 遗传设计优化法
在船舶结构设计优化中，可采用遗传设计优化法，其主要机理是利用模拟生物遗传进化的方法，来优化船舶结构设计。在具体应用中通常和生物学中的进化了相互结合，从而形成新的遗传设计算法[3]。此种算法和早期算法项目相比，具有更强的鲁棒性，船舶结构优化设计中，无需进行导数数据处理，可通过设计目标函数的方式，将早期船舶结构设计中存在的问题，转化为能够理解的问题。再用二进制的计算方法，清楚直观的展现出船舶结构设计变量之间的离散性，从而获得交叉因子、异化因子、再生因子等，再利用非线性数据规划的方法进行计算，就能很好的适应复杂多变的船舶结构设计运算环境，自动对船舶结构设计中存在的问题进行优化。
3.2 模糊设计优化方法
此种船舶结构设计优化的方法的主要机理是以模糊判断理论为基础，形成一种新型的搜索界限，应用在船舶结构设计优化中，可不间断的完善目标模糊模式，再通过合理的排序，就能确定二级模糊评级目标，进而确定出模糊约束条件之间的容差[4]。比如：在船舶结构设计中，很多槽形横舱的舱壁上存在剖面，为提升船舶结构设计效果，需要对这些剖面进行详细测量和计算，此时就需要充分了解模糊要素所覆盖的具体情况，从而在保证船舶结构设计效果的基础上，减少原材料使用量，降低建造成本。尤其是在约束条件比较模糊时，需要先找到船舶结构设计优化的最佳解决方案，以保证模糊设计优化方法，能够在水平方向得到扩张，建立起符合模数条件的隶属函数，实现对船舶结构设计的全面优化。
3.3 可靠性优化设计法
船舶结构设计可靠性优化中，需要从安全可靠的角度进行设计，主要目的是提升船舶的航行的安全性和可靠性。在就可以从船舶结构施工材料的均质系数、工作条件、超载系数等方面同时入手来提升船舶结构整体荷载能力[5]。同时，要结合船舶结构建造单位的实际生产能力，制定不同的可靠性优化设计方案。如果船舶结构的可靠性要求为R，结构重量要求为W，此时需要W达到最小值，来保证船舶结构的可靠性，二者之间的关系满足以下公式：
MinW（X），s.t.R≥R
当船舶结构W为最大承受重量值时，此时船舶结构的可靠性也达到最大，此时二者之间的关系满足如下公式：
Min Pf（X），s.t.W（X）≤W
4 结束语
综上所述，本文采用理论结合实践的方法，分析了船舶结构设计方式及其优化，分析结果表明，船舶结构设计具有很强的综合性和技术性，难度比较大，需要综合考虑很多方面的因素及内容。早期设计方法和思路已经难以满足现代化船舶结构设计的要求，采用遗传设计优化法、模糊设计优化方法、可靠性优化设计法等先进的船舶结构设计优化方法，可大幅度提升船舶结构设计质量和效果，促使我国船舶事业稳健发展。
参考文献：
[1]陆鲲鹏.船舶结构优化设计方法及应用[J].科技资讯，2020（15）：61-62.
[2]白雪，侯思微.船体结构设计最优化理论经典算法分析[J].机电设备，2019（5）：72-74+80.
[3]张旭，曹玉库，曹素红.船舶焊接与结构设计优化[J].科技风，2020（9）：156.
[4]陈力铭，邱浩波，高亮.基于梯度增强Kriging方法的水下航行器结构优化设计[J].中国舰船研究，2021（4）：1-7.
[5]孔小兵，张海瑛，张鼎.超大型集装箱船剪力墙式绑扎桥结构设计及优化探讨[J].船舶，2020（1）：141-148.
关键词：船舶;结构设计;优化;遗传设计
中图分类号：U663 文献标识码：A
0 引言
在我国社会经济高速发展的背景下，船舶工程事业取得了良好发展，同时对船舶结构设计提出了更高的要求，不仅仅需要按照船舶结构稳定性、耐久性、抗冲击性需求，也要注重轻量化，这就需要对船舶结构设计方法进行全面优化，以探索出更加科学、合理的船舶结构设计形式，在提升船舶使用性能的基础上，提升经济性。因此，有必要对船舶结构设计方式及其优化进行分析。
1 船舶结构设计中需要考虑的因素
在船舶结构设计为提升设计效果，需要综合考虑多方面因素，其中最关键的因素体现在两个方面，其一是工作环境，其二是船体载荷。
1.1 工作环境
船舶在运行中长时间浸泡在水中，腐蚀速度非常快，如果没有做好维护保养工作，会大度缩短船舶的使用寿命。而且船舶在航行中经常会遇到不良气候、波浪冲击、货物装卸时的机械碰撞等，船舶结构非常容易发生疲劳性损伤。船舶结构长时间在腐蚀和疲劳性损伤的影响下，极易发生船体渗漏问题。或者在波浪的冲击下，船舶结构可能会发生不同程度的变形，影响船舶航行的安全性。
1.2 船体荷载
船舶在航行时，会受到多重荷载的同时影响，包括：船舶结构的自身重力、水的浮力、风力、惯性力、货物及人员的压力等。在特殊情况下，还存在爆炸或者是撞击形成的突发荷载。所以，在船舶结构设计中，不能只考虑单方面荷载，而是需要综合考虑所有可能遇到的荷载。通过合理的结构设计来抵消或者分散不良荷载对船舶结构造成的影响，以实现船舶结构荷载均衡，提升船舶航行的稳定性。
2 船舶结构设计方式
2.1 船舶结构设计步骤
在船舶结构设计中，可分“三步走”，第一步是初步设计;第二步是详细设计;第三步是生产设计。
初步设计：将设计图纸上的结构，转变为具体化的船舶结构，包括：船舶结构技术标准的分析、船舶结构设计框架的构建等。按照设计预案、设计技术、设计标准等选择材料、部件型号，并建立起预算标准，形成预算报告。
详细设计：按照审批意见，开展船舶结构设计方案的修改工作，对船舶结构建造时的一些细节进行综合、详细的考量，对船舶结构的材料质量、构件尺寸、性能、型号等进行详细检查。以保证各项标准都符合船舶结构设计的要求。在信息设计阶段，需要注重船舶结构设计方案全面性和整体性的凸显，设计完成之后，及时汇报给审核部门。
生产设计：在此阶段，需要注重船舶结构生产条件、材料、运用过程等，保证实际船舶结构建造图和设计方案相互吻合，以满足船舶结构设计的相关要求。
2.2 确定性设计方法
在船舶结构确定性设计时常用的方法有两种，一种是规范设计法，另一种是直接计算法。
规范设计法指的是按照船舶结构的主尺度和结构形式，运营条件和建造要求的相关规范来进行设计。设计完成之后再进行总强度和局部强度的全面验收，并对船舶结构的稳定性、安全性等进行详细检查，发现不达标问题，及时修改和处理，直到达标为止[1]。
直接计算法指的是根据船舶造型、构件布置情况的差异性，以及在规范中没有确定的特征进行设计，在应用此种设计方法时，对设计师的专业技术有很高的要求，需要按照各种构件的受力情况，直接进行强度计算，以保证设计出的船舶结构自身就具有良好的力学能力。
2.3 船舶結构可靠性分析法
在船舶结构强度确定性设计中，各项参数都可以设置成定值，安全系数可反映为强度储备，此时人们对船舶结构有比较固定的印象，认为船舶结构是绝对安全的，不会被破坏。但无论何种船舶，都是通过空间板梁组合形成，即便其中一个构件发生问题无法使用，此时船舶结构的内力会重新分配，整个结构依然可以继续运行[2]。只有相当多的构件都出现问题之后，船舶结构才能出现失效问题，这就需要研究船舶结构中各构件发生破坏的原因，以及破坏之后整个船舶结构造成的影响，再通过概率法对船舶结构的可靠性进行计算和分析研究。结构的可靠性，指的是某一个结构在规定时间内和特定条件下，完成预定功能的概率，如果达到结构功能的极限状态，就可以认为该结构已经失效，无法继续使用。目前我国很多船舶结构设计中都采用基于概率论的结构可靠性分析方法，但此种结构可靠性分析方法，存在很大的局限性。概率论就可能发生也可能不发生，这对船舶结构设计的安全性、可靠性会造成一定的影响，亟待改进。
3 船舶结构设计优化的要点
3.1 遗传设计优化法
在船舶结构设计优化中，可采用遗传设计优化法，其主要机理是利用模拟生物遗传进化的方法，来优化船舶结构设计。在具体应用中通常和生物学中的进化了相互结合，从而形成新的遗传设计算法[3]。此种算法和早期算法项目相比，具有更强的鲁棒性，船舶结构优化设计中，无需进行导数数据处理，可通过设计目标函数的方式，将早期船舶结构设计中存在的问题，转化为能够理解的问题。再用二进制的计算方法，清楚直观的展现出船舶结构设计变量之间的离散性，从而获得交叉因子、异化因子、再生因子等，再利用非线性数据规划的方法进行计算，就能很好的适应复杂多变的船舶结构设计运算环境，自动对船舶结构设计中存在的问题进行优化。
3.2 模糊设计优化方法
此种船舶结构设计优化的方法的主要机理是以模糊判断理论为基础，形成一种新型的搜索界限，应用在船舶结构设计优化中，可不间断的完善目标模糊模式，再通过合理的排序，就能确定二级模糊评级目标，进而确定出模糊约束条件之间的容差[4]。比如：在船舶结构设计中，很多槽形横舱的舱壁上存在剖面，为提升船舶结构设计效果，需要对这些剖面进行详细测量和计算，此时就需要充分了解模糊要素所覆盖的具体情况，从而在保证船舶结构设计效果的基础上，减少原材料使用量，降低建造成本。尤其是在约束条件比较模糊时，需要先找到船舶结构设计优化的最佳解决方案，以保证模糊设计优化方法，能够在水平方向得到扩张，建立起符合模数条件的隶属函数，实现对船舶结构设计的全面优化。
3.3 可靠性优化设计法
船舶结构设计可靠性优化中，需要从安全可靠的角度进行设计，主要目的是提升船舶的航行的安全性和可靠性。在就可以从船舶结构施工材料的均质系数、工作条件、超载系数等方面同时入手来提升船舶结构整体荷载能力[5]。同时，要结合船舶结构建造单位的实际生产能力，制定不同的可靠性优化设计方案。如果船舶结构的可靠性要求为R，结构重量要求为W，此时需要W达到最小值，来保证船舶结构的可靠性，二者之间的关系满足以下公式：
MinW（X），s.t.R≥R
当船舶结构W为最大承受重量值时，此时船舶结构的可靠性也达到最大，此时二者之间的关系满足如下公式：
Min Pf（X），s.t.W（X）≤W
4 结束语
综上所述，本文采用理论结合实践的方法，分析了船舶结构设计方式及其优化，分析结果表明，船舶结构设计具有很强的综合性和技术性，难度比较大，需要综合考虑很多方面的因素及内容。早期设计方法和思路已经难以满足现代化船舶结构设计的要求，采用遗传设计优化法、模糊设计优化方法、可靠性优化设计法等先进的船舶结构设计优化方法，可大幅度提升船舶结构设计质量和效果，促使我国船舶事业稳健发展。
参考文献：
[1]陆鲲鹏.船舶结构优化设计方法及应用[J].科技资讯，2020（15）：61-62.
[2]白雪，侯思微.船体结构设计最优化理论经典算法分析[J].机电设备，2019（5）：72-74+80.
[3]张旭，曹玉库，曹素红.船舶焊接与结构设计优化[J].科技风，2020（9）：156.
[4]陈力铭，邱浩波，高亮.基于梯度增强Kriging方法的水下航行器结构优化设计[J].中国舰船研究，2021（4）：1-7.
[5]孔小兵，张海瑛，张鼎.超大型集装箱船剪力墙式绑扎桥结构设计及优化探讨[J].船舶，2020（1）：141-148.