关于船舶结构优化设计方法的研究 黄格

关于船舶结构优化设计方法的研究彭正摘要：不论何种船舶结构，其创造性、综合性、经验性都比较强，随着市场经济的转型，科学技术的迅速发展，各行各业逐渐开始创新，船舶制造行业也应该进行创新。

在实际中采取何种优化方法，才能获取相应的效果，这就需要结合实际的建造需求，主要探讨的是船舶结构优化设计的方式及其应用实践。

关键词：船舶结构；优化设计；方法引言近几年，随着我国市场经济的迅速发展，船舶行业也得到了较好的发展，在科技时代背景下，船舶建造行业也面临着较大的挑战，对船舶的制造速度和制造质量提出了更高的要求。

借助何种手段，在确保船舶制造质量的同时，缩减制造速度是当前船舶制造企业首要解决的难题。

全球范围内的造船大国，仅创建了大量的数字化造船体系。

1.船舶结构优化设计概述1.1 船舶结构优化设计概念随着船舶行业的不断发展，计算机技术的不断转变，与船舶设计相关的知识、技术也在发生了变化。

在船舶设计制造过程中不管应用何种设计方式，首先需要确保船舶使用的安全性、便捷性，进而再追求船舶设计的经济利益，这也是船舶结构设计的原则。

对船舶结构设计进行优化主要是为了挖掘更大的经济效益，同时创新船舶设计结构形式，在设计过程中主要包含设计大小、设计外形等信息，追求目标与重量的同时，还需要符合相应的标准，满足相应的约束限制，以此确保在船舶设计过程中，实现动力形态与精力形态的完美结合。

1.2 船舶结构优化分类按照变量属性，将船舶结构优化划分为离散模型、连续模型、混合变量模型。

由于船舶制造过程中自身的比较繁琐，在建造过程中包括连续性、离散性，在骨材制造中包含连续性，在钢材厚度、型材上涉及离散性内容，因此，船舶结构优化设计本身属于一项混合优化设计方式。

2.船舶结构设计的方式2.1船舶结构设计的设计理念对于船舶结构的设计首先就要对其设计理念、建设内容进行具体的分析。

这最先要分析船舶将来进行任务的总量。

船舶结构的工程量十分巨大，在通常条件下，它是多种工程建设的一个基础性、综合性的工作，为此，船舶的设计过程当中涉及到了一些其它的专业，因此，在进行船舶设计时，一定要做好充足的准备工作。

船舶结构设计中的优化方法研究1.材料优化：船舶结构设计中，材料的选择对于船舶的性能和成本有重要影响。

材料的优化方法主要包括研究不同材料的力学性能和耐久性能，针对具体的船舶类型和使用环境，选择最合适的材料。

例如，高强度钢材可以减轻船体重量，提高载重能力；复合材料可以提供良好的耐腐蚀性能等。

2.结构拓扑优化：结构拓扑优化是一种基于数学优化方法的设计方法，通过改变船舶结构的形状和布局，以达到减轻船体重量、提高结构刚度和减小船舶的阻力等目标。

这种优化方法可以通过数学模型和计算机软件来实现，能够在保证结构安全性的前提下，有效优化船舶结构。

3.结构刚度优化：结构刚度是船舶结构设计的重要指标之一、通过优化结构的刚度，可以提高船舶的稳定性和航行性能。

采用结构刚度优化方法，可以通过改变构件的尺寸和形状，来调整船舶结构的刚度。

此外，通过选择合适的支承结构和刚度分布，也可以实现结构刚度的优化。

4.结构疲劳寿命优化：船舶在长期使用的过程中，会受到疲劳破坏的影响。

结构疲劳寿命优化方法主要包括研究结构的疲劳损伤机理、确定结构的疲劳荷载谱以及预测结构的疲劳寿命等。

通过优化结构的设计和材料的选择，可以提高船舶的疲劳寿命，同时减少结构检测和维护的成本。

5.结构安全优化：船舶结构的安全性是设计中的重要考虑因素之一、结构安全优化方法主要包括研究结构的极限状态和破坏机制，通过合理的结构布局、加强关键部位的结构和采用合适的结构连接方式等手段，提高船舶结构的安全性。

总之，船舶结构设计优化方法是为了提高船舶性能和降低成本而进行的研究。

这些方法可以通过数学模型、计算机软件和实验手段来实现。

然而，每种方法都有其优缺点，需要根据具体情况选择最合适的方法。

此外，船舶结构设计的优化是一个复杂的过程，需要综合考虑结构的力学性能、材料的性能、船舶的使用环境和要求等因素，以实现最佳的设计效果。

关于船舶结构优化设计方法的研究摘要：船舶结构设计对船舶的应用性有着很大的意义。

船舶结构设计的优化方法主要有经典优化设计的数学规划法、多目标模糊优化设计法、基于可靠性的优化设计法、智能型优化设计法等。

在进行具体的船舶结构优化设计时，必须要与实际工程的特点相符合，同时结合计算机技术、现代数学理论等。

本文主要介绍了船舶结构优化设计的几种方法，及其在实现船舶结构的优化、实现船舶的性能最大化中的优缺点。

关健词：船舶结构；优化；设计方法进行船舶结构优化设计的目的就是寻求合适的结构形式和最佳的构件尺寸，既保证船体结构的强度、稳定性、频率和刚度等一般条件，又保证其具有很好的力学性能、经济性能、使用性能和工艺性能。

随着计算机信息技术的发展，在计算机分析与模拟基础上建立的船舶结构的优化设计，借鉴了相关的工程学科的基本规律，而且取得了卓越的成效；基于可靠性的优化设计方法也取得了较大的进步；建立在人工智能原理与专家系统技术基础上的智能型结构设计方法也取得了突破性进展。

1经典优化设计的数学规划方法最近几年来计算机信息技术的发展不断对各种理论产生冲击，并且带来了深远的影响。

很多的公式和积分方程法等数值方面的内容都被运用在结构力学的进步上面，特别是有限单元法。

这能够给结构力学带来深远的意义，数学的基础是来自于很多的原理（最小余能原理、最小位能原理、广义变分原理和它的特殊形式海林格尔一赖斯纳Hellinger一Reissner变分原理等）和构造分片插值函数（拉格朗日插值，埃米特Hermit插位、Spline插值等）的巧妙结合。

但是最重要的还是有限单元法的运用，能够具有代表性，有物理意义，能够通过构建的方式将复杂的问题变得简单。

也就是说有限单元法的合理性和间接性能够得到直观的体现，所以，电子计算机的发展能够让有限单元切实执行，这样就能够应用方便。

1966年，D.Kavlie与J.Moe 等首次将数学规划法应用于船舶的结构设计，翻开了船舶结构设计的新篇章。

船舶结构设计中的优化算法研究船舶是人类划时代的发明之一，自重要性不言而喻。

在船舶的制造和设计过程中，结构的合理性和安全性是至关重要的，因此优化算法在船舶结构设计中的作用也越来越受到关注。

船舶结构设计的要求船舶结构设计要考虑多方面的要求，包括减少漏水风险、增强稳定性、减小船体重量和增大载货量等。

当然，这些要求都是相互冲突的，因为增加稳定性和载货量常常需要增加船体的重量，但同时也会降低船体的漏水风险。

优化算法在船舶结构设计中的应用因为以上要求中的冲突性，传统的手工设计显然无法解决这些问题。

优化算法可以通过计算机的高速运算和重复试验过程中获取的数据进行数值模拟，来解决复杂的决策问题。

因此，优化算法在船舶结构设计中有较多的应用。

其中比较常用的技术是遗传算法和多目标遗传算法。

遗传算法是一种基于生物进化原理的优化搜索算法，其基本流程包括初始化种群、个体评价、选择、交叉和突变等步骤。

而多目标遗传算法则是在遗传算法的基础上增加了多目标优化的技术，其主要目的是通过尽量充分地利用各个目标之间的相互关系来使得解的多样性和均衡性得到优化。

船舶结构设计中的实例以滚装货船为例，其特点是在船舶前半部分没有传统船头结构，极大地增大了货仓自然填满水时的空间，因此滚装货船的船体稳定性比普通散货船要差。

同时，滚装货船由于其重心位置的特殊关系，也很容易发生滚转事故。

为了解决这些问题，研究者提出用遗传算法对滚装货船船体结构进行优化设计。

通过逐步优化，将结构设计改进到了最优状态，既保证了船体稳定性，还减少了船体重量，增大了船载量。

另外，还可以利用多目标遗传算法来进行满足相关目标的函数优化。

例如，船舶结构设计目标一般会包括船体重量、船体稳定性、载货量和船速等参数。

为了使船体达到最优的状态，多目标遗传算法十分实用。

总结船舶结构设计中的优化算法可以提高船体结构的安全性和可靠性，为其稳定性和载货量等提供保障。

同时，也可以更具节约成本，提高建造效率和减少环境污染等方面的优势。

关于船舶结构优化设计方法的分析摘要：船舶优化设计方法有很多，从经典的优化设计方法到启发式优化设计方法，是从不同的角度采用不同的算法进行设计，船舶结构越来越复杂化，因此设计者需要明确自身的优势，并且根据市场的需求进行船舶结构的优化设计。

关键词：船舶结构；优化水；方法前言：船舶结构的优化设计需要满足刚度、强度、稳定性等多方面的要求，同时也要科学利用数学方法以及计算机编程。

在实践过程中，设计者需要掌握更多的技能，才能真正满足当前船舶优化设计的要求。

一、经典优化设计方法传统的船舶设计方法主要是针对简单的结构，比如一些规范的公式或者是经验公式等，设计者一般需要把这些公式编程程序，并且利用准则法一级数学规划等方式对一些问题采用求解的方式。

准则法是根据问题的工程经验等建立的最佳设计准则，这样就可以构建最优迭代式进行求解。

采用物理的方式进行计算，比较简单，而且结构重分析次数比较少，收敛的速度比较快。

船舶工程中经常使用的准则法有位移准则法、能量准则法等，数学规划化则是将规划论作为基础，然后具有较好的通用性，能够对不同性质的优化问题进行求解，经典优化算法也具有比较广泛的用途，但是其中也存在一些问题：（一）准则法缺乏数据理论的基础，收敛性无法有效证明，使用的准则法不一定能够达到最优的结果，因此在整个优化的过程中也需要设计者进行干预才能得到满意的结果。

数学规划法理论性较强，但是其收敛性无法有效保证，特别是需要进行大量的计算，因此收敛较慢。

（二）经典优化算法的搜索得了会基于梯度信息的最速下降法，但是在分析实际的工程问题时，无法有效获取信息，所以导致经典算法在工程上的使用存在较大的限制。

（三）梯度信息搜素偶的方式，无法有效解决高非线性问题，尤其是无法得到最优解，这样的话就会在极大程度上影响结果，虽然可以得到局部最优解，但是不是整体的最优解。

而且这一过程也要依赖于初始点，设计者需要不断的进行分析，通过初始点的计算，会降低工作的效率。

新型船舶结构设计及优化研究第一章：引言随着全球贸易的增长和海洋资源的开发利用，航运业发展迅速。

为了满足不断增长的需求和提高运输效率，新型船舶结构设计及优化研究变得尤为重要。

本章首先介绍研究背景和意义，然后分析当前新型船舶设计存在的问题，并提出研究的目的与意义。

第二章：新型船舶结构设计方法本章将介绍新型船舶结构设计的基本原则和设计方法。

首先，介绍船舶结构设计的功能和要求，包括船体的强度、稳定性和适航性等。

然后，分析各种结构设计方法的优缺点，如有限元方法、优化算法和计算流体力学等。

最后，总结新型船舶结构设计的关键技术和挑战。

第三章：新型船舶结构优化方法本章将介绍新型船舶结构优化的基本原理和方法。

首先，介绍船舶结构优化的目标和约束条件。

然后，详细介绍各种优化方法，如遗传算法、粒子群算法和人工神经网络等。

最后，讨论如何将新型材料和先进技术应用于船舶结构优化中，以提高船舶性能和效率。

第四章：新型船舶结构设计与优化实例研究本章将通过实例研究，验证新型船舶结构设计与优化方法的有效性。

选取几种常见的船舶类型，如散货船、油轮和客船等，进行结构设计和优化。

通过对比不同设计方案的性能和经济指标，评估新型船舶结构设计与优化方法的可行性和效果。

第五章：新型船舶结构设计与优化应用前景本章将分析新型船舶结构设计与优化在航运业中的应用前景。

首先，讨论新型船舶结构设计与优化对船舶性能和运输效率的影响。

然后，分析新型船舶结构设计与优化在环保和能源节约方面的优势。

最后，展望未来新型船舶结构设计与优化的发展方向和挑战。

第六章：结论本章总结全文，回顾新型船舶结构设计与优化的研究内容和成果。

重申本研究的意义和现实意义，并指出未来研究的方向和重点。

总结本文以新型船舶结构设计及优化研究为主题，通过多个章节分别介绍了新型船舶结构设计的方法、新型船舶结构优化的方法、实例研究以及应用前景等内容。

通过对该主题的研究，可以为航运业的发展提供科学依据，提高船舶的运输效率和环境友好性，推动船舶技术的创新和进步。

船舶结构强度分析与优化方法船舶作为一种重要的水上交通工具，其结构强度直接关系到船舶的安全性、可靠性和使用寿命。

因此，对船舶结构强度进行准确的分析和有效的优化是船舶设计和建造过程中至关重要的环节。

船舶在航行过程中会受到各种外力的作用，如静水压力、波浪载荷、货物载荷、风载荷等。

这些外力会使船舶结构产生变形和应力，如果应力超过了材料的强度极限，就会导致结构的破坏，从而引发严重的安全事故。

因此，在船舶设计阶段，就需要对船舶结构的强度进行精确的分析，以确保船舶在各种工况下都能够安全可靠地运行。

船舶结构强度分析的方法主要有两种：传统的解析方法和现代的数值方法。

传统的解析方法主要是基于材料力学和结构力学的理论，通过简化船舶结构的几何形状和载荷分布，建立数学模型，求解结构的应力和变形。

这种方法虽然简单直观，但由于其对船舶结构和载荷的简化过于严重，往往难以准确地反映船舶结构的实际受力情况，因此在现代船舶设计中已经逐渐被淘汰。

现代的数值方法主要包括有限元法、边界元法和有限差分法等。

其中，有限元法是目前船舶结构强度分析中应用最为广泛的方法。

有限元法的基本思想是将连续的船舶结构离散成有限个单元，通过对单元的分析和组合，求解整个结构的应力和变形。

这种方法可以较为准确地模拟船舶结构的复杂几何形状和载荷分布，从而得到较为精确的分析结果。

在进行船舶结构强度分析时，首先需要建立船舶结构的有限元模型。

这包括对船舶结构进行几何建模、网格划分、材料属性定义和边界条件设置等。

几何建模是将船舶结构的实际形状转化为计算机能够识别的数学模型，网格划分是将几何模型离散成有限个单元，材料属性定义是确定船舶结构所用材料的力学性能参数，边界条件设置是模拟船舶结构在实际运行过程中的约束和载荷情况。

建立好有限元模型后，就可以通过有限元分析软件进行求解。

求解的结果包括结构的应力分布、变形情况和振动特性等。

通过对这些结果的分析，可以评估船舶结构的强度是否满足设计要求。

船舶结构可靠性优化设计方法研究摘要：在传统的船舶设计制造中，更多的是以人工方式为主，虽然这种方式可以完成相应的工作，但在完成过程中却存在着一些问题，如精细化无法保证、误差无法控制、制造效果无法确定、质量无法提升等。

因此，设计人员需要针对船舶结构可靠性优化设计进行新的研究。

下面本文就对此展开探讨。

关键词：船舶结构；可靠性；优化设计；1船舶结构可靠性优化设计概述船舶结构可靠性优化设计体现在3个方面：1）智能化发展。

受新技术发展的影响，智能化已成为一种必然趋势，智能化发展指的是将人工智能技术应用于产品的设计和生产中，使工厂生产趋向于无人化。

2）绿色化发展。

绿色化指的是环保、节能和和谐。

在船舶制造过程中，环保是基础性要求。

例如，使用环保型材料、结合环保型工艺、节约资源使用以及提高材料使用效率等都属于绿色化发展的一部分。

3）数字化发展。

作为信息化发展的前提之一，数字化可以将传统的船舶生产制造调整为模块化生产制造和总段性生产制造。

数字化主要体现在3个方面：模型建设的数字化、船舶研发的数字化以及船舶制造的数字化。

2船舶结构可靠性优化设计意义2.1船舶轻量化结构设计1）利用有限元法计算分析技术，以屈服强度利用系数、屈曲强度利用系数以及疲劳强度利用系数等在船体结构中的均衡分布为优化目标，开展船舶的高强钢配置及船体结构优化设计研究，从而达到船舶结构轻量化设计的目标。

2）从船舶的结构设计、构件布置方面以及设计中构件的选取、骨架形式、肋骨间距等方面进行优化，以减轻船舶的重量。

3）船舶轻量化应力法设计中，主要从3个方面展开研究。

①调整舱室布置，优化总体布局，并合理使用轻质高强度材料。

②对结构进行优化创新，使其薄壁化、标准化、临界化和复合化。

基于经验，采用CAD/CAE进行拓扑优化和结构轻量化，并通过CAM/CAPP数字化技术和制造技术提高各成组结构的质量。

③减少结构件数和舾装件数。

随着我国科技的快速革新和计算机软硬件的发展，拓扑技术和增材制造技术也逐渐应用于船舶轻量化设计领域。

关于船舶结构优化设计方法的研究摘要：船舶结构的优化设计具有重要的意义，本文主要是对船舶结构优化设计的方法进行探讨，从经典优化设计方法、启发式优化设计方法以及基于代理模型的优化设计方法三个部分进行了分析。

关键词：船舶结构；优化设计；方法前言：船舶结构的优化设计受到多种因素的影响，比如要符合强度、稳定性、刚度、建造等多种要求，因此借助数学方法以及计算机编程的优势，对船舶结构参数机芯优化，能够使目标值达到最优。

一、经典优化设计方法传统的优化设计方法都是在简单结构基础上，尤其是采用规范公式或者是其他经验公式的求解方法。

一般在设计的过程中设计人员会将计算公式写成程序，然后利用数学规划等方式进行优化，最后得到答案。

准则法指的是结合问题的物理性质分析等建立最优设计准则，通过构造最优迭代式进行求解。

采用这种方式，具有计算简便的优势，同时其物理意义较为明确，优化过程中结构重分析次数也比较少，因此受到了欢迎。

在船舶工程中，经常采用的准则法是能量准则法、位移准则法等。

数学规划法是一种基础的设计方法，主要以规划论为基础，而且可以对不同性质的优化问题进行求解。

不过在早期船舶优化设计中，经典优化算法仍然存在很多的问题。

（一）在实际的设计过程中，准则法没有足够的数学理论支撑，因此导致准则法无法确保最终得到最优解，优化过程需要设计者进行干预。

数学规划法在数学理论基础上进行研究，具有极高的理论性，不过计算量太大成为负担，收敛比较慢，尤其是求解迭代次数随着设计变量维数的增大而增加。

（二）采用经典优化算法，搜索策略是基于梯度信息的最速下降法，不过实际工程问题的梯度信息却无法快速得到，所以经典算法在工程上的应用受到了限制。

（三）经典算法是基于梯度信息进行搜索，不过在高非线性问题的处理上，这一方法的使用只能得到局部的最优解，优化结果的好坏主要是依靠初始点的好坏，因此设计者需要进行多次试验才能确定初始点，降低工作效率。

二、启发式优化方法在船舶行业的飞速发展过程中，船舶大型化对结构重量提出了更高的要求，目前的设计要求越来越高，尤其设计的范围不再是简单的船舶结构，而是需要考虑船体的板架、舱段一直到整个船体。

船舶结构优化设计方法的研究作者：赵明超吴桂军徐光旗来源：《科学与技术》2018年第24期摘要：社会经济的发展和科学技术的进步极大地推动了我国船舶制造行业的发展。

船舶制造不管是在生产工艺和技术，还是在生产质量和效率方面都实现了飞跃。

船舶是海运的基本交通工具，船舶制造的进步保证了海洋运输的安全。

优化船舶结构是相关领域专家研究的重要课题，是船舶制造企业的发展出路。

以现有结构优化原理为基础，加大对新技术、新工艺的研究投入，摆脱传统技术的弊端，加强理念创新、技术创新。

本文以船舶为研究对象，以船舶结构优化设计方法为主题，展开了具体细致的研究，希望对船舶制造企业具有指导性的意义，提高我国船舶生产制造的质量和综合水平。

关键词：船舶；结构；优化设计；方法研究；合理建议引言物流运输行业是国民经济必不可少的组成部分。

改革开放以来，我国物流运输业取得了一定的成果，呈现出运输网络化、高速化、大型化的发展趋势。

水路运输是五种基本交通运输方式之一，水路运输所依赖的交通工具就是船舶。

船舶制造水平的进步提高了水路交通的速率，增强了水路运输的优势。

船舶的结构设计是船舶设计的核心，只有优化船舶结构，才能在保证船舶安全稳定航行的前提下，进一步提高船舶航行速率。

船舶结构优化越来越受到船舶制造企业和相关政府部门的重视，加强设计方法的研究势在必行。

从不同的角度出发，船舶结构优化有不同的设计方法，下面将展开具体的研讨。

1 船舶结构优化设计方法分析1.1 早期应用的优化方法在社会发展水平较为的低下的早期，船舶结构优化的设计方法也比较浅显，内容单一。

主要使用公式和计算机，对船舶结构进行局部的、简单的优化。

第一步，相关人员向计算机输入所需公式，输入时要以计算机能够读懂的代码为语言。

第二步，计算机自动根据输入数据完成计算，发挥其强大的计算功能。

第三步，相关人员在深入分析计算结果的基础上确定优化方法。

以计算机和公式为主要工具的设计方法，体现了船舶结构优化的初步发展，提高了相关人员的设计工作效率，促进了我国船舶制造和远洋运输业的发展。