基于知识工程的船体结构快速设计及优化_杜光凤.pdf

第 31 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.31 No.3Mar.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言我国船舶制造产业的迅速发展，为中国海洋运输事业的发展提供了有力的支撑。在船舶生产设计体系中，船体结构的设计是比较关键的组成部分。船体结构设计工作的质量水平，直接影响船舶产品的质量以及船舶航行的安全，并且对船舶工业以及水路运输行业的发展有着重要的意义1。在世界船舶市场竞争比较激烈的背景下，我国的船体结构设计虽取得了一定的成就，但是在具体发展和实际应用方面也面临着许多的困难。在进行船舶结构快速设计和全面优化的过程中，需要考虑性能要素，例如设计产品的安全性、稳定性以及耐用性等。船舶结构设计与其他设计工程具有一定的同一性，在船体结构设计过程中，需要理清设计思路，创新设计理念，以此确保设计的质量。1 船体结构设计综述建立合理、科学的船体结构设计概念，可以在完善船体结构设计的同时，保证设计工作的整体质量。从内容结构的角度来看，需要从以下方面展开分析：1）充分了解船体结构设计的总工作量。船体结构设计的工作量大约占整个船舶设计制造工作量的 1/3，船体结构设计内容具有综合性，涉及较为广泛的专业内容。2）必须充分基于知识工程的船体结构快速设计及优化杜光凤（招商局金陵船舶（南京）有限公司，江苏 南京 210015）摘 要：中国造船产业不断发展，船体结构设计有了更多的提升空间，如何在确保设计结构安全的前提下，使船体结构的设计速度更快、结构更美观，成为一个重要的课题。鉴于此，船舶生产制造企业都在寻求一种更完善、更先进的设计方式，以此来提升船体结构设计的美观性、安全性、适用性。就目前的船体结构设计来说，既包含了复杂的工程学理论，又包含了先进的数字化技术，只有充分利用船体结构设计的内容，才能实现船体结构的快速设计及全面优化。本文以笔者从事船体结构设计工作的经验出发，以船体结构设计的概念作为重要依据，结合一些工程原理和技术，对船体结构设计的方向展开分析，希望能够为船体结构设计从业者提供一定的助益。关键词：船体结构；知识工程；船舶制造中图分类号：U662 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.03.011引用格式 杜光凤.基于知识工程的船体结构快速设计及优化 J.船舶物资与市场,2023,31(3):31-33.和详细地考虑施工实际情况，从而制定出最佳的方案，进而画出相应的图纸。另外，要注重沟通协调管理，优化整个系统的工作模式2。由此可知，船体结构设计需要从宏观角度进行全面考虑，才能使整个设计过程更全面、更具体、更合理。1.1 船体结构设计理念船体结构的可靠性，作为设计制造工作的一个主要目标，对船舶整体结构具有重要的影响。为实现船舶的安全稳定航行，需要做好船体结构设计工作，例如对船舶的最大载荷、空船重量、船体变形量等参数的掌握。为提升船舶结构设计效果，设计理念也非常重要。例如，在展开船舶结构位置设计的过程中，必须要使参数设置更加合理，才能更好地确定方位。而在针对船体构件尺寸的设计中，相关数值要通过 NURBS 函数设值进行确定，可以采用量子行为遗传算法对设计进行优化。就船体结构设计而言，设计工作者所持有的设计理念对设计工作的质量有着重要影响。唯有在正确理念的指引下，才能更加全面地界定设计概念以及后续的施工内容，例如需要对船舶施工的整体任务量做好分析。船体结构的组成部分较多，需要不同工种参与建设。该设计工作既是一项综合性的工作，也是船舶建造工程中的重要工作3。为实现船体结构设计工作的目标，需要不同专业的人员协力配合，并且不断优化船体结构设计的收稿日期：2022-12-20作者简介：杜光凤（1984-），男，本科，工程师，研究方向为船舶工程（船体）技术及项目管理。船舶物资与市场第 31 卷 第 3 期 32 理念，使其与时代发展相匹配，才能将设计开展之前的准备工作做充分。一方面，设计工作者需要全面地分析船舶结构设计以及施工过程中的具体情况。在掌握实际情况后，制定更加合理和具体的施工方案及流程，使施工的每一个环节都具有科学性，才能有效提升图纸设计的精准度。另一方面，船体结构设计人员绝对不能“闭门造车”、“纸上谈兵”，要经常深入施工现场进行实地的考察，并展开深入的调查研究，才能获取到具有高度适用性的信息资料。同时要与上级管理者、各个部门科室保持有效的沟通，严格遵循管理船舶的详细流程，在设计方面从严从实，争取达成更优的设计效果。1.2 船体结构设计的基本要求船体结构设计的开展，其目标具有全面性。为实现整体的设计目标，需要满足相应的要求。船体结构设计，需要使船舶外部尽可能美观，确保船舶投入运行后的安全性和可靠性，无论是“面子”还是“里子”都要达到更好的效果。船舶长期运行于海洋环境中，必须要确保其运行安全。在实际的设计中，要确保船体结构选材合理、符合相应的力学原理，还要对船舶投产运行后的海洋区域环境加以分析，包括海洋区域的水文、气候条件等要素4。通过全面考量海洋区域环境，消除更多的设计盲点，使船舶安全运行。因此，在船体结构设计过程中，相关人员必须要有全局意识，对各种不同的因素加以综合考虑，才能使设计更科学、更精准。当然，如何更好地实现船体结构的稳定性始终是一项重要的要求。船体结构设计者需要具备较强的专业能力，同时还要具备良好的协调能力、创新能力。比如在施工材料的选择方面，要保证船体结构设计所使用材料的型号、质量符合实际要求，不能使用有缺陷的材料来过分追求成本，这样会直接影响船舶运行安全。在船体结构设计实践中，设计人员要高度重视设计要求,并完全融入参考系统。比如针对甲板部分，必须按照实际的负荷要求展开设计，确保设计结果的科学性,与此同时还应考虑船舶的安全性以及舒适性等内容。1.3 船体结构设计的主要内容船体结构设计主要包括初步设计、详细设计、生产设计等不同内容。现作如下分析：初步设计阶段。在此设计阶段，设计人员需要基于相关的设计标准和相关的设计要求来确定设计任务的整体框架。在明确整体框架的基础上，摸透设计技术标准要求，对基本图纸展开相应的设计制作。内容需要包含各种材料的型号规格、对不同零件的规划以及成本预算明细等5。此外，在这一阶段，还应明确船舶的船体尺寸和结构，做好预算。在初级设计阶段，需要依循相关的技术标准和设计目标,完成相应图纸的设计，并且在构建预算方案的同时形成详致的预算报告，将材料的需求、成本支出等项展示出来。详细设计阶段。这一阶段的工作主要是在初步设计的基础上展开的，且已初步形成框架。该阶段工作按照实际设计要求和规定,根据相关审批意见和建议，就设计的相关细节展开深度分析，并且依据实际情况作出适度的调整。在这一阶段，设计人员需要针对生产施工过程的细节予以最大程度地考虑，包括所有结构设备模型和材质,以确保符合设计的要求。针对船体结构设计项目，应注意设计方案的全面性和完整性，当图纸完成时，应与相关设计方案的内容与要求进行匹配，并将相关内容报告给相关审计部门。还需要在初步设计的框架中完善不同的细节，比如船体构件实际型号、材料性能等。针对细节的设计，按照有关标准、上级审批作出相应的调整,在充分考虑各项细节的基础上,使设计的方案更加全面，为船舶制造后续工作提供有效支撑。生产设计阶段。该阶段的工作非常重要。在船体结构生产设计过程中，一定要对不同的要求加以明确，同时要特别关注施工条件、施工材料以及材料应用过程。实际施工说明应符合船体结构设计方案，以满足船体结构设计的要求和规范。船舶设计工作者在设计的过程中要始终考虑施工图纸要求并关注设计方案，设计者需要严格按照计划流程要求进行材料的选择、施工和优化等6。2 船体结构设计优化的对策分析根据结构的位置及其不同的功能可知，船体组成结构具有一定的复杂性。因此，船体结构设计制造过程中需要进行许多不同类型的操作，所花费的时间比较多，并且需要确保其有效性和安全性。比如在对船体梁进行分析的过程中，可以进一步明确，上、下板块分别是船的甲板和船底，而腹板则是指的侧板框架。由于功能的不同，骨架排列的方式也不一样，通常可以分为横向骨架式结构和纵向骨架式结构。在设计船体甲板和船底的过程中，应注意纵向承载力骨架的使用，通过优化骨架排列形式来提高船体的安全性能。为保证设计结果的合理性，尽可能地优化设计，需要采取分段设计的形式，制定合理的设计计划，在明晰设计范围的基础上去彰显重点部位的设计，通过优化局部细节来解决设计过程中产生的实际问题。2.1 分段接口的细节优化在船体结构设计工作正式开始前，为了更好地对船第 3 期 33 舶的施工过程进行具体、详细的规划，船体结构设计工作者需要增强统筹意识，以分段辅助支撑作为前提，去完成不同细节的优化工作。要以保证船舶产品质量作为目标，明晰船舶产品的需求，听取不同的意见。按照设计的要求，设置足够数量的辅助支撑，并对船体设计制造的各个部分进行有效地分析，使不同阶段的设计质量都能够得到保证，从而提升船舶的整体质量。船体舾装优化方面，设计人员一定要对码头舾装、船台舾装、分段舾装等内容加以熟悉和了解，并且需要关注分段舾装结构7。比如采取分段处理措施，双层底高度降低，会比前端臂和外板低一些。为了不影响设备的运行，需要安置临时板以确保舾装的质量，降低相应的工程操作量，最终实现对舾装成本的有效控制。待安装作业完成以后，临时板的“使命”就算基本达成，此时可以对其进行拆除，进而实现舾装细节的优化。在船体装配优化方面，针对传统分段，P 型接口弊处很多，会使船体重心失衡。为了优化相关的细节稳固重心，可以采取辅助的形式展开支撑，进而保证工作质量。为使施工效率获得保证，提升船舶安全性，可以采用 R型分段进行船舶结构的设计。采用 R 型分段能够简化作业流程，使重心更稳固，优化船体的安全系数。2.2 肘板端部的细节优化相关工作者恰当处理肘板端部的细节，对保证船体结构的安全性具有重要意义。为避免肘板与开舱机轴承部位之间产生受力冲突，需要尽可能地消除一些影响结构安全的隐患点。在规避裂断问题发生的同时，还能使后续的施工更加的简捷。肘板端部的细节优化，一定要严格参照相关的标准进行。2.3 通焊孔的细节优化通焊孔的类型与具体参数具有多样性，主要是为了让焊缝顺利通过构件而设置。所以在实际设置过程中，一定要明晰船舶的使用目的，才能确保设置的合理性。传统的实施方式是在肋板上焊孔，一旦肋板不再稳定，焊孔就会随之产生问题隐患。为了保证焊孔的质量，则需要对肋板予以加固，增加了工作难度与时间成本，为施工带来了不良影响。所以为避免造成资源的浪费，需要对补板进行合理运用。设计通焊孔时，要遵守相应的要求，使设计更加合理，并且需要注重细节，严格控制材料使用量8。3 结语船体结构每一个设计环节中的细节都与设计工作的效率与整体质量有着一定联系，而且设计细节的质量还会对船舶产品的质量产生直接的影响。所以，需要对船体结构的设计进行一定程度的优化。在此过程中，一定要进行设计理念的创新、设计方法的创新以及设计模式的创新，并且关注船舶结构的整体设计与各处细节。基于此，才能保障船体结构设计具有科学性、有效性及适用性，进而推动整个船舶制造产业的发展，实现船舶的安全稳定运行。参考文献：1管官,林焰,纪卓尚.基于知识的船体结构快速设计及优化J.船舶力学,2017,21(4):472-483.2 朱俊侠,吴嘉蒙,刘亚冲,等.复杂船体结构拓扑优化中最小稳定拓扑板厚的快速确定方法 J.中国舰船研究,2021,16(6):159-165.3 韩涛,汪俊泽,王元,等.屈曲利用因子约束下船体板架结构优化设计方法 J.海洋工程,2021,39(3):42-50+134.4 俞祥彪.船体结构设计中生产工艺性问题及应对措施 J.船舶物资与市场,2020(9):57-58.5 郭瑞,李文孝.船体结构设计及建造细节处理研究 J.建筑工程技术与设计,2017(23):4876-4878.6 王震.基于增材制造的船用洗消喷头结构优化设计及性能研究 D.镇江:江苏科技大学,2021.7 李鑫.基于船舶与海洋工程的船体结构设计思路 J.科技创新导报,2021,18(2):9-11.8 姜伟,曲永科.船体结构设计与建造细节的处理探究 J.科学与财富,2019(33):252.杜光凤：基于知识工程的船体结构快速设计及优化