關(guān)于船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究

倪 軍，張瑞婷

1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050

2.長(zhǎng)江航運(yùn)科學(xué)研究所，湖北武漢 430011

進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的就是尋求合適的結(jié)構(gòu)形式和最佳的構(gòu)件尺寸，既保證船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、頻率和剛度等一般條件，又保證其具有很好的力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性能、使用性能和工藝性能。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)分析與模擬基礎(chǔ)上建立的船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，借鑒了相關(guān)的工程學(xué)科的基本規(guī)律， 而且取得了卓越的成效；基于可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法也取得了較大的進(jìn)步；建立在人工智能原理與專家系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上的智能型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法也取得了突破性進(jìn)展。

1 經(jīng)典優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)規(guī)劃方法于1960 年由L.A.Schmit 率先提出。他認(rèn)為在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)把給定條件的結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)變成目標(biāo)函數(shù)求極值的數(shù)學(xué)問題。這一方法很快得到了其他專家的認(rèn)可。1966 年，D.Kavlie 與J.Moe 等首次將數(shù)學(xué)規(guī)劃法應(yīng)用于船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，翻開了船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新篇章。我國(guó)的船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法研究工作始于70 年代末，已研究出水面船舶和潛艇在中剖面、框架、板架和圓柱形耐壓殼等基本結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

由于船舶結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的板梁組合結(jié)構(gòu)，在受力和使用的要求上也很高，所以在進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)涉及到許多設(shè)計(jì)變量與約束條件，工作內(nèi)容很多，十分困難。船舶結(jié)構(gòu)的分級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)法就是在這個(gè)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，其基本思路是最優(yōu)配置第一級(jí)的整個(gè)材料，優(yōu)選第二級(jí)的具體結(jié)構(gòu)的尺寸。每一級(jí)又可以根據(jù)具體情況劃分成若干個(gè)子級(jí)。兩級(jí)最后通過協(xié)調(diào)變量迭代，將整個(gè)優(yōu)化問題回歸到原問題。分級(jí)優(yōu)化方法成功地解決了進(jìn)行船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)中的剖面結(jié)構(gòu)、船舶框架和板架、潛艇耐壓殼體等一系列基本問題。

2 多目標(biāo)的模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)法

經(jīng)典優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法是在確定性條件下進(jìn)行的， 也就是說目標(biāo)函數(shù)與約束條件是人為的或者按某種規(guī)定提出的，是個(gè)確定的值。但是在實(shí)際上， 在船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程、約束條件、評(píng)價(jià)指標(biāo)等各方面都包含著許多的模糊因素，想要實(shí)現(xiàn)模糊因素優(yōu)化問題， 就必須依賴于模糊數(shù)學(xué)來實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的主要形式是：

模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法大大的增加了設(shè)計(jì)者在選擇優(yōu)化方案時(shí)的可能性， 讓設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)方案的形態(tài)有了更深入的了解。目前，模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)法發(fā)展很快， 但是，還未實(shí)現(xiàn)完全實(shí)用化。多目標(biāo)的模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)法的難點(diǎn)主要在于如何針對(duì)具體設(shè)計(jì)對(duì)象， 正確描述目標(biāo)函數(shù)的滿意度與約束函數(shù)滿足度隸屬函數(shù)的問題。

3 基于可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法首先在40 年代后期由原蘇聯(lián)引入到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 產(chǎn)生了安全度理論。這種理論以材料勻質(zhì)系數(shù)、超載系數(shù)、工作條件系數(shù)來分析考慮材料、載荷及環(huán)境等隨機(jī)性因素。早在50 年代，人們就在船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中指出了可靠性概念，隨后，船舶設(shè)計(jì)的可靠性受到人們的重視，開始研究可靠性設(shè)計(jì)方法在船舶結(jié)構(gòu)建造中的應(yīng)用。

船舶結(jié)構(gòu)可靠性的理論和方法根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的不同要求， 可以得出不同的結(jié)構(gòu)可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。大體分為以下3種：

1）根據(jù)結(jié)構(gòu)的可靠性R·，要求結(jié)構(gòu)的重量W 最輕，即：

MinW(X)，s.t.R ≧R·

2）根據(jù)結(jié)構(gòu)的最大承重量W·， 要求結(jié)構(gòu)的可靠性最大或者破損概率最小，即：

Min Pf(X ) ， s.t.W (X ) ≦ W·

3）兼顧結(jié)構(gòu)重量和可靠性或破損概率， 實(shí)現(xiàn)某種組合的滿意度達(dá)到最大，即：

Max[a1uw(X)+a2upf(X)]

式中， a1，a2 分別代表結(jié)構(gòu)重量和破損概率的重要度程度， 而且滿足a1+a2 ≥1.0，a1，a2 ≥0；uw，upf 分別為代表相應(yīng)的滿意度。

關(guān)于船舶結(jié)構(gòu)的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究越來越多， 逐漸成為船舶的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的重要方向。但是，可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法除了在大規(guī)模的隨機(jī)性非線性規(guī)劃求解中存在困難外， 還有一個(gè)重要的難點(diǎn)在于評(píng)估船舶結(jié)構(gòu)可靠性的過程很復(fù)雜， 而且計(jì)算量大。

4 智能型的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

隨著人工智能技術(shù)(Al)和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展， 給船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的途徑，也就是智能型優(yōu)化設(shè)計(jì)法。

智能型的優(yōu)化設(shè)計(jì)法的基本做法為：搜索優(yōu)秀的相關(guān)產(chǎn)品資料，通過整理，概括成典型模式，再進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析、類比分析和敏度分析尋找設(shè)計(jì)對(duì)象和樣本模式間的相似度、差異性與設(shè)計(jì)變量敏度等，按某種準(zhǔn)則實(shí)施的樣本模式進(jìn)行變換， 進(jìn)而產(chǎn)生若干符合設(shè)計(jì)要求的新模式， 經(jīng)過綜合評(píng)估與經(jīng)典優(yōu)化方法的調(diào)參和優(yōu)選， 最終取得最優(yōu)方案。

智能型的優(yōu)化設(shè)計(jì)法法的優(yōu)點(diǎn)是創(chuàng)造性較強(qiáng)，缺點(diǎn)是可靠性較弱。所以在分析計(jì)算其產(chǎn)生的各種性能指標(biāo)時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行多目標(biāo)的模糊評(píng)估， 必要時(shí)還應(yīng)當(dāng)使用經(jīng)典優(yōu)化方法對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)論

通過本文對(duì)船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究，我們得出在進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候， 往往會(huì)涉及到很多相互制約和互相影響的因素， 這就需要設(shè)計(jì)人員權(quán)衡利弊， 進(jìn)行綜合考察， 不但要進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)與結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)選，而且還要針對(duì)具體情況對(duì)做出的方案進(jìn)行評(píng)估、優(yōu)選和排序。通過什么準(zhǔn)則對(duì)不同的方案進(jìn)行綜合評(píng)估，得出最優(yōu)方案， 成為專家和設(shè)計(jì)人員需要繼續(xù)研究的問題。

[1]郭軍，肖熙.基于可靠性的船體結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(1).

[2]俞銘華，謝祚水，吳劍國(guó)，竇培林，曹驥.船舶中剖面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究進(jìn)展[J].華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012(3).

[3]郭小東，嵇春艷，王自力，顧學(xué)康，胡嘉駿.大型油船中剖面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的遺傳算法[A].2005年船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C]，2011(12).