趙明超 吳桂軍 徐光旗
摘要:社會經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術的進步極大地推動了我國船舶制造行業(yè)的發(fā)展。船舶制造不管是在生產(chǎn)工藝和技術,還是在生產(chǎn)質量和效率方面都實現(xiàn)了飛躍。船舶是海運的基本交通工具,船舶制造的進步保證了海洋運輸?shù)陌踩?。?yōu)化船舶結構是相關領域專家研究的重要課題,是船舶制造企業(yè)的發(fā)展出路。以現(xiàn)有結構優(yōu)化原理為基礎,加大對新技術、新工藝的研究投入,擺脫傳統(tǒng)技術的弊端,加強理念創(chuàng)新、技術創(chuàng)新。本文以船舶為研究對象,以船舶結構優(yōu)化設計方法為主題,展開了具體細致的研究,希望對船舶制造企業(yè)具有指導性的意義,提高我國船舶生產(chǎn)制造的質量和綜合水平。
關鍵詞:船舶;結構;優(yōu)化設計;方法研究;合理建議
引言
物流運輸行業(yè)是國民經(jīng)濟必不可少的組成部分。改革開放以來,我國物流運輸業(yè)取得了一定的成果,呈現(xiàn)出運輸網(wǎng)絡化、高速化、大型化的發(fā)展趨勢。水路運輸是五種基本交通運輸方式之一,水路運輸所依賴的交通工具就是船舶。船舶制造水平的進步提高了水路交通的速率,增強了水路運輸?shù)膬?yōu)勢。船舶的結構設計是船舶設計的核心,只有優(yōu)化船舶結構,才能在保證船舶安全穩(wěn)定航行的前提下,進一步提高船舶航行速率。船舶結構優(yōu)化越來越受到船舶制造企業(yè)和相關政府部門的重視,加強設計方法的研究勢在必行。從不同的角度出發(fā),船舶結構優(yōu)化有不同的設計方法,下面將展開具體的研討。
1 船舶結構優(yōu)化設計方法分析
1.1 早期應用的優(yōu)化方法
在社會發(fā)展水平較為的低下的早期,船舶結構優(yōu)化的設計方法也比較淺顯,內(nèi)容單一。主要使用公式和計算機,對船舶結構進行局部的、簡單的優(yōu)化。第一步,相關人員向計算機輸入所需公式,輸入時要以計算機能夠讀懂的代碼為語言。第二步,計算機自動根據(jù)輸入數(shù)據(jù)完成計算,發(fā)揮其強大的計算功能。第三步,相關人員在深入分析計算結果的基礎上確定優(yōu)化方法。以計算機和公式為主要工具的設計方法,體現(xiàn)了船舶結構優(yōu)化的初步發(fā)展,提高了相關人員的設計工作效率,促進了我國船舶制造和遠洋運輸業(yè)的發(fā)展。
早期優(yōu)化方法充分使用了數(shù)學方法和理論,分析船舶的物理結構,協(xié)調各級各層結構之間的關系,從宏觀層面對比分析船舶的兩級結構。從迭代思想出發(fā),調整船舶兩級結構的部分變量,使前期問題與目前問題產(chǎn)生固定的聯(lián)系。早期優(yōu)化方法有一定的先進性,例如適應范圍廣、收斂性高、簡單易懂、計算方便簡單等。不可否認地,早期優(yōu)化方法與現(xiàn)代優(yōu)化方法相比弊端顯露。第一,理論性較強,以數(shù)學理論為計算基礎,使用公式計算相關數(shù)據(jù)時難以估計收斂性,船舶結構無法實現(xiàn)最優(yōu)化。第二,早期優(yōu)化方法受設計人員工作經(jīng)驗的影響度高。選擇優(yōu)化方法的初始位置是結構優(yōu)化的首要步驟,對優(yōu)化效果具有直接影響。設計人員往往通過多次重復計算和個人經(jīng)驗來確定初始位置,容易出現(xiàn)失誤或偏差。因此,為促進船舶制造的發(fā)展,要進一步加大對船舶結構優(yōu)化設計方法的研究。
1.2 智能化優(yōu)化方法
機遇和挑戰(zhàn)是一對矛盾,社會經(jīng)濟的發(fā)展,一方面為船舶運輸帶來了極大的發(fā)展機遇,另一方面對船舶的質量和功能提出了更高的要求,具體衡量指標有最大運輸噸位、最大航行速率、最大存儲空間、安全性能等。船舶結構優(yōu)化的內(nèi)容更加豐富,從內(nèi)部艙體結構延伸到包括甲板、剖面的外部結構。擴大優(yōu)化工作范圍,計算時的數(shù)量、函數(shù)以及約束條件會同步增加。早期優(yōu)化方法的局限性顯露,難以適應數(shù)據(jù)龐大、流程復雜的計算工作。值得注意的是,早期優(yōu)化方法主要是針對船舶的靈敏度,涵蓋的數(shù)據(jù)較為單調。船舶運輸業(yè)的進步和發(fā)展催生了新的需求。如何提高船舶運輸?shù)男屎唾|量,成為專家和學者的研究主題。在發(fā)展的時代背景下,更加科學合理的智能化優(yōu)化方法應運而生。
智能化優(yōu)化方法的優(yōu)點在于,以數(shù)學理論為解決問題的基礎,建立數(shù)學模型進行智能化運算,減少了對數(shù)據(jù)資料的依賴程度,發(fā)展了尋找最優(yōu)變量的新功能。其基本原理為:第一步,整理產(chǎn)品資料,分析數(shù)據(jù)信息,總結產(chǎn)品具有的普遍性特質,建立分析模式。第二步,使用類比法、關聯(lián)法,找出樣本與設計目標的異同點。第三步,根據(jù)統(tǒng)一指標歸納出新模式,通過比較確定最合適的優(yōu)化方法。智能化優(yōu)化方法相較于早期優(yōu)化方法,具有先進之處。智能化優(yōu)化方法具備自動查找最優(yōu)變量的功能,突破了早期點對點查找的弊端,發(fā)展以種群、蟻群為典型代表的群體算法,更新了尋優(yōu)算法理論,實現(xiàn)了理論創(chuàng)新。早期優(yōu)化方法或早或晚會遭到淘汰,新興的智能優(yōu)化方法將取而代之,這是發(fā)展的必然趨勢。以下三個方面可以充分印證。第一,智能化優(yōu)化方法對復雜計算工作的適應性強,輸入數(shù)量、函數(shù)、約束條件便可以通過迭代法自動完成計算。第二,智能化優(yōu)化方法對確定初始位置的依賴性較小,計算結果受影響小、更加可靠。第三,智能化優(yōu)化方法使用群體算法,能滿足非線性、高緯度的計算工作,降低設計工作的難度,實現(xiàn)船舶結構的最優(yōu)化。總的來說,智能化優(yōu)化方法對船舶結構優(yōu)化至關重要。
2 提高船舶結構優(yōu)化設計方法有效性的措施
2.1 提高設計人員的專業(yè)素養(yǎng)
早期的船舶結構優(yōu)化更多依賴設計人員的工作經(jīng)驗。與之相反,智能化優(yōu)化方法對設計人員個人經(jīng)驗的依賴性大幅度降低。盡管在船舶結構優(yōu)化設計過程中,智能化優(yōu)化方法占有一席之地并繼續(xù)擴大其影響力,但并不意味著所有的設計人員都掌握了新理念、新方法,提高設計工作的有效性仍然是一個難題。要加大對設計人員的培新力度,鼓勵設計人員學習新型的設計方法,踐行新型的設計理念,增強創(chuàng)新意識,提高設計人員的專業(yè)素養(yǎng)和綜合能力,為我國船舶制造和運輸業(yè)培養(yǎng)一支高素質的人才隊伍。
2.2 算法的進一步優(yōu)化
船舶生產(chǎn)技術的進步體現(xiàn)之一在于算法的進步。在算法的選擇上,要根據(jù)船舶的構造確定最合適的算法。算法在船舶結構優(yōu)化設計工作中占有重要地位,提高算法的有效性是設計工作的重點內(nèi)容。一方面,加大對算法的研究投入,減少非相關因素的負面影響,提高算法的精準度。另一方面,培養(yǎng)創(chuàng)新意識,增強創(chuàng)新能力,根據(jù)成功的船舶優(yōu)化案例,進一步開展對優(yōu)化方法的研究,以促進我國船舶業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。
總結
做好船舶結構優(yōu)化的設計工作,有利于保證船舶運輸?shù)陌踩€(wěn)定、促進國民經(jīng)濟的發(fā)展。加大人才培養(yǎng)力度,提高設計人員的專業(yè)知識水平,重視結構優(yōu)化的研究,提高優(yōu)化方法的科學性,朝著智能化的方向發(fā)展。減少設計人員對以往經(jīng)驗的依賴,更多地依靠先進的、智能化的專業(yè)知識和技術。從而縮減我國與歐美等發(fā)達國家的差距,與發(fā)達國家船舶制造水平保持一致,實現(xiàn)我國船舶制造和運輸業(yè)的飛躍發(fā)展。
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(作者單位:南通諾德瑞海洋工程研究院有限公司)