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摘要：数字化、智能化造船是全球造船行业大趋势，包括在设计阶段采用三维设计建模，形成产品数据管理系统，实现设计和生产的协同。这不仅需要提高造船速度，还要降低造船成本。结构设计要考虑生产的便捷性，而不再是以前单纯地考虑结构满足强度。本文对船舶结构设计的目标函数进行优化，找到结构参数和载荷等因素的最优解。
关键词：结构设计；多目标优化；模糊算法
1船舶与海洋工程结构环境载荷来源以及设计原理
船舶结构在服役期间会受到各种外界环境的影响作用，通过设备与海洋平台的相互作用可以产生多种复杂的环境载荷变化，严重时会导致船舶受损。结合研究的现状来看，船舶与海洋工程结构所受到的外界环境载荷在本质上都属于动载荷的范畴。既然属于动载荷，那么其势必成为结构性能设计的重要指标。在船舶与海洋工程平台的结构设计活动中，除了动力优化本身的特点之外，还需要结合静力优化设计的相关要求与内容，通过理论与方法的融合与创新来实现相应的设计目标。一般来说，频率变化较快且动态特性较为稳定的结构可以实现约束目标的效果，动力响应速度、优化约束效果以及目标的结构动力都将成为优化设计工作的主要目标之一。
2船舶结构经典优化设计方式
2.1准则优化设计方式
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：物理层的作用比较清晰，能够更好地开展分析工作；计算方式比较简单。在具体的计算环节里，结构分析的次数较少；计算过程中收敛速度较快，在最初使用船舶结构优化设计的时候，这类设计方式得到了广泛的应用。准则优化设计方式的缺点包括：无法确保计算结果的最优化；收敛性难以验证；在优化过程中，设计工作人员需要按照实际状况完成各项工作。
基于准则法的缺点，将其融入了形状优化内，通过实践形状优化设计方式，能够有效避免应力集中问题。若是力学模型中涉及大量的变量，使用这类方法能够简化设计环节。目前，在一般的船舶建造工程内，常见的准则法包括：位移准则法、能量准则法、满应力准则法。
2.2数学规划设计方式
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：计算环境较为复杂、收敛耗费的时间比较长，特别是在变量较多的情况下，收敛耗时比较明显；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，其完善范圍包括：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船舶结构优化设计内容
3.1人字形甲板梁拱
现在市场上大部分的油轮都是采用平直过渡对称形梁拱，船体主甲板中间一段平直区域，在舷侧两边对称折，两条KL折线。两折梁拱的主甲板船舶使用时，平直部分由于凹凸不平容易形成积水。而单折型甲板，降低了甲板积水；通过总纵强度计算，单折型甲板结构设计不仅满足强度要求，还为生产过程中节约了冷弯加工，以及减少了分段胎架的制作工作，缩短了生产周期，降低了生产成本。
3.2夹层结构力学特性优化与设计
金属夹层结构具有良好的机械性能，其不但重量轻、强度高，而且具有良好的隔音性能与隔热性能，通过特殊的表层处理还可以获得不错的耐腐蚀性，所以在夹层的结构力学优化与设计中应用极为广泛。目前最为常见的夹层结构就是上下面板与中间芯层组成的夹层结构，其按照结构形式可以分为连续型以及离散型两种不同的形式。其中结构形式为连续的力学性能更加稳定，离散型的则具有更高的强度，在一些特殊的夹层结构设计中的应用也相对广泛一些。
3.3板缝布置与板规选取
国内有相当大一部分结构设计在绘图和有限元分析计算时，不绘制板缝板规，只标明不同板厚的板缝，不考虑切割设备能力，不考虑曲加工设备情况。而生产设计只能在有限、特定范围内布置板缝，当需调整时，只能微弱调整跨界板缝，以便达到钢材最大利用和方便采购；当想优化曲加工量或曲加工存在困难时，只能依赖与详细设计的反复沟通、协商。韩国造船中，早已将排板工作交由详细设计完成，提升钢材利用率，和降低采购板规数量，降低后续物资集配工作，效益明显。详设在板规选取上也有技巧，主要考虑以下几点：
（1）在结构设计时，厚度尽量选取相对集中的板厚，即可降低单种板厚的数量，且厚度尽量避用半毫米厚的板；（2）排板时，板的宽度和长度选取，首选整数倍的板规，即宽度优先选用整米宽，其次0.5m，再0.1m，再0.05m，再0.01递增选用；长度优先选用整米长，其次0.5m，再0.1m，再0.05m，再0.01递增选用。（3）一条船的型材种类尽量集中且易于采购，小规格型钢长度不得大于10m，其它规格可最长12m；（4）外板板缝布置，首尾有线型的部分根据公司自身设备吊装能力、加工能力、建造场地及套料利用率综合考虑，尽量对外板板厚差在0.5mm的板予以并板处理；外板环缝布置最好和分段划分保持一致，以减少在生产设计中的代板等情况。
4多目标模糊优化技术应用
4.1船舶结构设计的模糊约束函数
本研究将船舶结构设计参数和载荷作为优化目标，利用多目标模糊优化算法对该目标函数进行优化和求解。为了使目标函数的求解更加精确，确定合理的模糊约束函数非常有必要。通常，模糊约束函数分为几何约束（尺寸、形状约束等）、人为因素约束（成本等）和性能约束（应力、应变约束等）3种，3种模糊约束的函数图形如图1所示。
模糊约束函数的确定有一定的规律可循，主要包括：①约束函数要符合客观实际，同时结合一定的多目标优化经验公式；②某些随机性较强的影响因素需要单独处理，按照单因素矩阵进行优化；③当模糊集合中的某些随机因素已经被优化为最优参数时，可以略过该模糊因素。
4.2基于多目标模糊优化的船舶结构设计
由上文可知，在船舶结构设计的模糊因素集合中，目标函数解的隶属度越大，其与最优解越接近，船舶结构设计越合理。本研究的基于多目标模糊优化的船舶结构设计流程如图2所示。
结语：
船舶结构的优化设计是一个多目标、多变量的求解过程，研究船舶结构设计的影响因素优化算法可以提高船舶结构的工作性能，节省成本。
参考文献：
[1]吕振肖，李志杰，罗枭龙，伦少卿，张大川.船舶结构设计方式及优化分析[J].化工管理，2017（26）：141.
[2]常永辉.船舶主体结构设计相关问题及对策[J].中国新技术新产品，2017（15）：68-69.
关键词：结构设计；多目标优化；模糊算法
1船舶与海洋工程结构环境载荷来源以及设计原理
船舶结构在服役期间会受到各种外界环境的影响作用，通过设备与海洋平台的相互作用可以产生多种复杂的环境载荷变化，严重时会导致船舶受损。结合研究的现状来看，船舶与海洋工程结构所受到的外界环境载荷在本质上都属于动载荷的范畴。既然属于动载荷，那么其势必成为结构性能设计的重要指标。在船舶与海洋工程平台的结构设计活动中，除了动力优化本身的特点之外，还需要结合静力优化设计的相关要求与内容，通过理论与方法的融合与创新来实现相应的设计目标。一般来说，频率变化较快且动态特性较为稳定的结构可以实现约束目标的效果，动力响应速度、优化约束效果以及目标的结构动力都将成为优化设计工作的主要目标之一。
2船舶结构经典优化设计方式
2.1准则优化设计方式
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：物理层的作用比较清晰，能够更好地开展分析工作；计算方式比较简单。在具体的计算环节里，结构分析的次数较少；计算过程中收敛速度较快，在最初使用船舶结构优化设计的时候，这类设计方式得到了广泛的应用。准则优化设计方式的缺点包括：无法确保计算结果的最优化；收敛性难以验证；在优化过程中，设计工作人员需要按照实际状况完成各项工作。
基于准则法的缺点，将其融入了形状优化内，通过实践形状优化设计方式，能够有效避免应力集中问题。若是力学模型中涉及大量的变量，使用这类方法能够简化设计环节。目前，在一般的船舶建造工程内，常见的准则法包括：位移准则法、能量准则法、满应力准则法。
2.2数学规划设计方式
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：计算环境较为复杂、收敛耗费的时间比较长，特别是在变量较多的情况下，收敛耗时比较明显；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，其完善范圍包括：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船舶结构优化设计内容
3.1人字形甲板梁拱
现在市场上大部分的油轮都是采用平直过渡对称形梁拱，船体主甲板中间一段平直区域，在舷侧两边对称折，两条KL折线。两折梁拱的主甲板船舶使用时，平直部分由于凹凸不平容易形成积水。而单折型甲板，降低了甲板积水；通过总纵强度计算，单折型甲板结构设计不仅满足强度要求，还为生产过程中节约了冷弯加工，以及减少了分段胎架的制作工作，缩短了生产周期，降低了生产成本。
3.2夹层结构力学特性优化与设计
金属夹层结构具有良好的机械性能，其不但重量轻、强度高，而且具有良好的隔音性能与隔热性能，通过特殊的表层处理还可以获得不错的耐腐蚀性，所以在夹层的结构力学优化与设计中应用极为广泛。目前最为常见的夹层结构就是上下面板与中间芯层组成的夹层结构，其按照结构形式可以分为连续型以及离散型两种不同的形式。其中结构形式为连续的力学性能更加稳定，离散型的则具有更高的强度，在一些特殊的夹层结构设计中的应用也相对广泛一些。
3.3板缝布置与板规选取
国内有相当大一部分结构设计在绘图和有限元分析计算时，不绘制板缝板规，只标明不同板厚的板缝，不考虑切割设备能力，不考虑曲加工设备情况。而生产设计只能在有限、特定范围内布置板缝，当需调整时，只能微弱调整跨界板缝，以便达到钢材最大利用和方便采购；当想优化曲加工量或曲加工存在困难时，只能依赖与详细设计的反复沟通、协商。韩国造船中，早已将排板工作交由详细设计完成，提升钢材利用率，和降低采购板规数量，降低后续物资集配工作，效益明显。详设在板规选取上也有技巧，主要考虑以下几点：
（1）在结构设计时，厚度尽量选取相对集中的板厚，即可降低单种板厚的数量，且厚度尽量避用半毫米厚的板；（2）排板时，板的宽度和长度选取，首选整数倍的板规，即宽度优先选用整米宽，其次0.5m，再0.1m，再0.05m，再0.01递增选用；长度优先选用整米长，其次0.5m，再0.1m，再0.05m，再0.01递增选用。（3）一条船的型材种类尽量集中且易于采购，小规格型钢长度不得大于10m，其它规格可最长12m；（4）外板板缝布置，首尾有线型的部分根据公司自身设备吊装能力、加工能力、建造场地及套料利用率综合考虑，尽量对外板板厚差在0.5mm的板予以并板处理；外板环缝布置最好和分段划分保持一致，以减少在生产设计中的代板等情况。
4多目标模糊优化技术应用
4.1船舶结构设计的模糊约束函数
本研究将船舶结构设计参数和载荷作为优化目标，利用多目标模糊优化算法对该目标函数进行优化和求解。为了使目标函数的求解更加精确，确定合理的模糊约束函数非常有必要。通常，模糊约束函数分为几何约束（尺寸、形状约束等）、人为因素约束（成本等）和性能约束（应力、应变约束等）3种，3种模糊约束的函数图形如图1所示。
模糊约束函数的确定有一定的规律可循，主要包括：①约束函数要符合客观实际，同时结合一定的多目标优化经验公式；②某些随机性较强的影响因素需要单独处理，按照单因素矩阵进行优化；③当模糊集合中的某些随机因素已经被优化为最优参数时，可以略过该模糊因素。
4.2基于多目标模糊优化的船舶结构设计
由上文可知，在船舶结构设计的模糊因素集合中，目标函数解的隶属度越大，其与最优解越接近，船舶结构设计越合理。本研究的基于多目标模糊优化的船舶结构设计流程如图2所示。
结语：
船舶结构的优化设计是一个多目标、多变量的求解过程，研究船舶结构设计的影响因素优化算法可以提高船舶结构的工作性能，节省成本。
参考文献：
[1]吕振肖，李志杰，罗枭龙，伦少卿，张大川.船舶结构设计方式及优化分析[J].化工管理，2017（26）：141.
[2]常永辉.船舶主体结构设计相关问题及对策[J].中国新技术新产品，2017（15）：68-69.