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摘要：随着科学技术的迅速发展，结构优化设计逐渐得到人们的重视。在船舶结构设计中应该结合实际的建造需求，优化设计方式。文章主要探讨的是船舶结构优化设计的方式及其应用实践，以期为實践工作提供指导。
关键词：船舶结构；优化设计；方法；应用
前言：
近些年来，中国的船舶行业得到了高速的发展。为了使得今后中国水路运输业具有较强的交通能力支持，船舶结构的建设作为制造船舶的一个核心步骤，它既决定着船舶总体的质量，更对于船舶业的发展以及水路运输业的进步都具有巨大的促进作用。因此，在进行船舶结构的设计时，一定要坚持科学合理的设计观念。
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。
2船舶主体结构设计的考虑因素
2.1工作环境
船舶在营运期间长时间地与海水等腐蚀性介质接触，很容易出现结构腐蚀问题，若保养工作跟不上，腐蚀不断加重，最终可能出现构件锈穿，导致船体强度大幅下降。与此同时，受不良气候、波浪拍击、货物装卸等方面的影响，船体很容易出现疲劳性损伤，在腐蚀与疲劳损伤的双重作用下，很可能出现船壳破损进水等严重事故。同时，船舶航行过程中，不可避免地会受到波浪的冲击，这种冲击轻则造成船体外板腐蚀、变形，重则引发船体中垂弯曲等问题，使船体应力出现较大变化。此外，当船舶遭遇大的浪涌冲击时，波浪反复交替作用，会使船体扭曲、中垂等负面状态进一步恶化，严重时会造成荷载分布的严重失衡，影响整个船舶的航行安全。
2.2船体载荷
船舶航运期间，同时受到多重荷载影响，如船体自重、海水浮力、风力、惯性力、物资压力等，此外，个别情况下还可能产生爆炸、撞击等突发性荷载。在设计船舶主体结构过程中，应充分考虑上述荷载的影响，通过一定的结构设计来抵消、分散不良荷载的影响，保持船舶整体荷载均衡。
3船舶结构优化设计方法及应用
3.1船舶结构经典优化设计方式
（1）准则优化设计
准则法是在力学相关知识和工程设计相关经验的基础上，创建出来的优化设计方式。这类船舶结构经典优化设计方式，在符合所有约束限制的设计方案内，选择最佳的准则法设计方式。准则法经典优化设计方法的优点包括：①物理层的作用比较清晰，能够更好地开展分析工作；②准则法计算方式比较简单；③在具体的计算环节里，结构分析的次数较少；④计算过程中收敛速度较快，在最初使用传播结构优化设计的时候，这类设计方式得到了广泛的应用。
（2）数学规划设计
随着准则法的不断发展，相关专家学者对数学规划也展开了探讨，在1970年，相关学者创新了结构优化定义，为规范法注入了活力。通常情况下使用的方式为：单目标排序法、降维法、函数评价法等。在使用过程中是将多个目标进行规范，简化为单个目标，通过优化单个目标进行实现设计方式的优化。数学规划法是在规划论的基础上存在，由于理论较为全面，因此使用范围也比较广，数学规划法自身还具备一定的收敛性。但是在应用中依旧存在一些缺点，主要包括：①计算环境较为复杂、收敛耗费的时间比较长，特别是是在变量较多的情况下，收敛耗时比较明显；②在计算上还存在一些隐性缺陷。针对上述问题，相关学者进行了改进，在规范法中融入了准则法的优点，依照力学的特征进行了完善，其完善范围包括：选取显示、导入倒数、制约功能、连接变量等方面，很大程度提升了运算速度。
3.2启发式优化设计方法
随着船舶行业的快速发展，大型化船舶不断地被设计和建造出来，对于船舶的结构优化的要求也越来越高，板架、横剖面、舱段甚至是整个船体都被提出了优化设计要求，设计变量增多、约束条件以及目标函数等非线性程度增大，优化问题呈现出多峰、高维和高非线性特点。于是出现了遗传优化设计方法和蚁群优化设计等新的优化设计方法，进一步提升了船舶的结构优化成效。
（1）遗传算法（GA）。遗传优化设计方法是模拟生物遗传进行原理所采取的一种新的船舶结构优化方法。汤金敏将遗传算法应用到船舶推进轴系统的优化校中，以6500DWT杂货船轴系为研究对象，将遗传算法应用轴系结构优化中，轴系简化为40个节点、39个梁单元，优化后艉管后轴承的载荷减小幅度很大，提升了轴系运行的安全性能。
（2）蚁群算法（ACO）。蚁群算法是应用组合优化问题的启发式随机搜索算法，它是对自然界中蚂蚁的寻径方式进行模拟所得出的一种仿生算法，用来在图中寻找优化路径的几率型算法，与其他算法相比，蚁群算法在发现最优解方面具有明显优势。在实际应用中，在求解节点树为5-100的组合优化方面，选用合适的参数，蚁群算法的优化结果要明显优于遗传算法、进化算法以及模拟退火算法等。陈强等人，利用蚁群算法，对长江干散货船中部结构进行了优化设计，优化后比原始设计重量减少了20.6%，优化后船舶结构更趋合理。、
（3）启发式算法除了遗传算法、蚁群算法外，还有模拟退火算法、粒子群算法等。启发式优化算法较经典优化算法逐渐被更为广泛的应用，其主要原因在于：①启发式算法在船舶优化设计中不需要目标函数导数的有关信息，只需要在迭代过程中应用到相应的目标函数值即可，因此，更适合船舶结构的优化设计；②启发式算法全局搜索能力更强，设计者不需要关注初始点节点优劣，寻优结果不依赖于初始点的设计，应用效率大为提升；③启发式算法在高维、多峰、高非线性方面优化能力更强，进一步提升了复杂的船舶结构优化设计处理能力；虽然起发式算法较经典式优化算法应用更为更广，但其自身也有一些不足和局限：首先表现要面对的问题就是启发式算法“早熟”，即在寻优过程中难以跳出对船舶某个结构或局部过早集中的现象；其次是要面对启发式算法算量过大问题，增加了工作量。
4船舶结构设计今后的优化措施
4.1缩短工期是进行船舶制造最为根本的条件
要更好的对船舶的建造过程进行具体、详细的策划，并且依靠计算机进行模拟，并且对于船舶各个部分的制造进行分段划分，在进行有效地分析基础上，完成对于船舶整体的焊接设计。
4.2对船舶进行分段的预舾装以及预涂装
大中型船舶的压载舱的可用空间十分窄小，由首到尾的过渡区间仅仅只有一米，在进行分段设计时很难更好的展开施工建设，并且在进行建设时，不安全因素也逐步增加，因此，要高度重视对于壳舾涂一体化的建设。
4.3大型船舶合理规划船坞的快速搭载工作
船舶当中的槽形舱壁作为一个独立的部分，它不受到船舶的船体形状的影响，因此，能够把双层底以及舱壁当中单独的的总段最先进行建筑，最后把舷侧进行分段向后进行整组。
4.4重视关键疲劳节点部位的施工质量的提高
这里的关键疲劳节点主要包括舱口围板的前端终止点以及纵向舱口围板开孔等，它们这些部位最容易产生疲劳，因此，要提高这些节点的材料质量。
结语：
就目前船舶结构设计情况而言，设计方式很大程度推动了船舶结构优化设计的发展，为船舶结构优化设计的发展奠定了基础。实践工作中，需要继续总结结构设计及优化方法的经验，以满足船舶结构设计要求，保证船舶生产，提高经济效益。
参考文献：
[1]高占锋.船舶结构优化设计方法比较研究[J].中国水运，2017（11）：38-39.
关键词：船舶结构；优化设计；方法；应用
前言：
近些年来，中国的船舶行业得到了高速的发展。为了使得今后中国水路运输业具有较强的交通能力支持，船舶结构的建设作为制造船舶的一个核心步骤，它既决定着船舶总体的质量，更对于船舶业的发展以及水路运输业的进步都具有巨大的促进作用。因此，在进行船舶结构的设计时，一定要坚持科学合理的设计观念。
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。
2船舶主体结构设计的考虑因素
2.1工作环境
船舶在营运期间长时间地与海水等腐蚀性介质接触，很容易出现结构腐蚀问题，若保养工作跟不上，腐蚀不断加重，最终可能出现构件锈穿，导致船体强度大幅下降。与此同时，受不良气候、波浪拍击、货物装卸等方面的影响，船体很容易出现疲劳性损伤，在腐蚀与疲劳损伤的双重作用下，很可能出现船壳破损进水等严重事故。同时，船舶航行过程中，不可避免地会受到波浪的冲击，这种冲击轻则造成船体外板腐蚀、变形，重则引发船体中垂弯曲等问题，使船体应力出现较大变化。此外，当船舶遭遇大的浪涌冲击时，波浪反复交替作用，会使船体扭曲、中垂等负面状态进一步恶化，严重时会造成荷载分布的严重失衡，影响整个船舶的航行安全。
2.2船体载荷
船舶航运期间，同时受到多重荷载影响，如船体自重、海水浮力、风力、惯性力、物资压力等，此外，个别情况下还可能产生爆炸、撞击等突发性荷载。在设计船舶主体结构过程中，应充分考虑上述荷载的影响，通过一定的结构设计来抵消、分散不良荷载的影响，保持船舶整体荷载均衡。
3船舶结构优化设计方法及应用
3.1船舶结构经典优化设计方式
（1）准则优化设计
准则法是在力学相关知识和工程设计相关经验的基础上，创建出来的优化设计方式。这类船舶结构经典优化设计方式，在符合所有约束限制的设计方案内，选择最佳的准则法设计方式。准则法经典优化设计方法的优点包括：①物理层的作用比较清晰，能够更好地开展分析工作；②准则法计算方式比较简单；③在具体的计算环节里，结构分析的次数较少；④计算过程中收敛速度较快，在最初使用传播结构优化设计的时候，这类设计方式得到了广泛的应用。
（2）数学规划设计
随着准则法的不断发展，相关专家学者对数学规划也展开了探讨，在1970年，相关学者创新了结构优化定义，为规范法注入了活力。通常情况下使用的方式为：单目标排序法、降维法、函数评价法等。在使用过程中是将多个目标进行规范，简化为单个目标，通过优化单个目标进行实现设计方式的优化。数学规划法是在规划论的基础上存在，由于理论较为全面，因此使用范围也比较广，数学规划法自身还具备一定的收敛性。但是在应用中依旧存在一些缺点，主要包括：①计算环境较为复杂、收敛耗费的时间比较长，特别是是在变量较多的情况下，收敛耗时比较明显；②在计算上还存在一些隐性缺陷。针对上述问题，相关学者进行了改进，在规范法中融入了准则法的优点，依照力学的特征进行了完善，其完善范围包括：选取显示、导入倒数、制约功能、连接变量等方面，很大程度提升了运算速度。
3.2启发式优化设计方法
随着船舶行业的快速发展，大型化船舶不断地被设计和建造出来，对于船舶的结构优化的要求也越来越高，板架、横剖面、舱段甚至是整个船体都被提出了优化设计要求，设计变量增多、约束条件以及目标函数等非线性程度增大，优化问题呈现出多峰、高维和高非线性特点。于是出现了遗传优化设计方法和蚁群优化设计等新的优化设计方法，进一步提升了船舶的结构优化成效。
（1）遗传算法（GA）。遗传优化设计方法是模拟生物遗传进行原理所采取的一种新的船舶结构优化方法。汤金敏将遗传算法应用到船舶推进轴系统的优化校中，以6500DWT杂货船轴系为研究对象，将遗传算法应用轴系结构优化中，轴系简化为40个节点、39个梁单元，优化后艉管后轴承的载荷减小幅度很大，提升了轴系运行的安全性能。
（2）蚁群算法（ACO）。蚁群算法是应用组合优化问题的启发式随机搜索算法，它是对自然界中蚂蚁的寻径方式进行模拟所得出的一种仿生算法，用来在图中寻找优化路径的几率型算法，与其他算法相比，蚁群算法在发现最优解方面具有明显优势。在实际应用中，在求解节点树为5-100的组合优化方面，选用合适的参数，蚁群算法的优化结果要明显优于遗传算法、进化算法以及模拟退火算法等。陈强等人，利用蚁群算法，对长江干散货船中部结构进行了优化设计，优化后比原始设计重量减少了20.6%，优化后船舶结构更趋合理。、
（3）启发式算法除了遗传算法、蚁群算法外，还有模拟退火算法、粒子群算法等。启发式优化算法较经典优化算法逐渐被更为广泛的应用，其主要原因在于：①启发式算法在船舶优化设计中不需要目标函数导数的有关信息，只需要在迭代过程中应用到相应的目标函数值即可，因此，更适合船舶结构的优化设计；②启发式算法全局搜索能力更强，设计者不需要关注初始点节点优劣，寻优结果不依赖于初始点的设计，应用效率大为提升；③启发式算法在高维、多峰、高非线性方面优化能力更强，进一步提升了复杂的船舶结构优化设计处理能力；虽然起发式算法较经典式优化算法应用更为更广，但其自身也有一些不足和局限：首先表现要面对的问题就是启发式算法“早熟”，即在寻优过程中难以跳出对船舶某个结构或局部过早集中的现象；其次是要面对启发式算法算量过大问题，增加了工作量。
4船舶结构设计今后的优化措施
4.1缩短工期是进行船舶制造最为根本的条件
要更好的对船舶的建造过程进行具体、详细的策划，并且依靠计算机进行模拟，并且对于船舶各个部分的制造进行分段划分，在进行有效地分析基础上，完成对于船舶整体的焊接设计。
4.2对船舶进行分段的预舾装以及预涂装
大中型船舶的压载舱的可用空间十分窄小，由首到尾的过渡区间仅仅只有一米，在进行分段设计时很难更好的展开施工建设，并且在进行建设时，不安全因素也逐步增加，因此，要高度重视对于壳舾涂一体化的建设。
4.3大型船舶合理规划船坞的快速搭载工作
船舶当中的槽形舱壁作为一个独立的部分，它不受到船舶的船体形状的影响，因此，能够把双层底以及舱壁当中单独的的总段最先进行建筑，最后把舷侧进行分段向后进行整组。
4.4重视关键疲劳节点部位的施工质量的提高
这里的关键疲劳节点主要包括舱口围板的前端终止点以及纵向舱口围板开孔等，它们这些部位最容易产生疲劳，因此，要提高这些节点的材料质量。
结语：
就目前船舶结构设计情况而言，设计方式很大程度推动了船舶结构优化设计的发展，为船舶结构优化设计的发展奠定了基础。实践工作中，需要继续总结结构设计及优化方法的经验，以满足船舶结构设计要求，保证船舶生产，提高经济效益。
参考文献：
[1]高占锋.船舶结构优化设计方法比较研究[J].中国水运，2017（11）：38-39.