本设计目的及意义：

散货船作为当今三大主流民用船舶之一,主要用于干散货的运输。载运的货物一般是均质的,可直接在货舱内装载而不需要任何形式的中间包装。散货船的货物品种范围很广泛,世界贸易中主要的干散货矿石、煤、谷物等,还有质量比较集中的货物简装石油、钢材、水泥、糖、化肥和各种林业产品等都可以通过散货船进行运输。在过去的几十年中,散货船的海难及海损事故数不胜数。在欧洲和美国,一旦发生船舶海难事故就会立即引起社会的高度关注,给整个海事界带来巨大压力^[5]。

面对巨大的生命和财产损失,一方面，为了消除和避免以往世界各国和地区的船级社、船舶修造厂和船舶设计研究所在激烈竞争的国际船舶市场中难免会发生的不顾船舶运营风险而减少船体钢板厚度、拉开龙骨间距等减少建造成本的做法^[6],另外一方面，也是为了使船舶不断适应变化的国际货运规范和要求,其中包括世界各国和地区层出不穷日益严厉的环境保护法规,减少船舶对环境的污染。因此,建造更加坚固耐用的船舶在国际上越来越成为共识^[11]。

随着当今中国经济的快速发展，使得中国的人力资源成本也越来越高，而船舶工业既是技术密集型，又是资金密集型、劳动力密集型产业，其管理成本、融资成本、人力成本占比都较高，这就迫使我们继续创新和改进船体结构设计，以降低建造成本，并保持中国造船业在国际市场上的竞争力。在造船过程中，空船重量可以说是船舶的重要技术指标之一。船体结构重量是船舶建造成本的重要组成部分，其约占空船重量的80%以上，它直接关系到船舶的经济性。因此，为了提高船舶经济性、实用性，在船体结构的基本设计、详细的设计阶段，满足规范要求的最小结构重量是设计工作的重点^[9]。

近年来，更高的需求也对船舶设计行业提出了更高的要求，老旧的设计方法已经无法满足现有市场^[18]。我们在进行船体结构设计时，对船体建立有限元模型是十分重要的^[10]。通过对模型加载外力，才能完成应力的分析和强度的校核^[14]。

船舶的结构形式主要分为纵骨架式和横骨架式两种结构形式。船体在海面上的承受外力的情况和变形情况是有一定规律可循的。经过学者们的大量验证，在对结构强度进行校核时^[21]，船体可以看做是一根梁。人们把船体结构的总纵强度问题，有时也称为总强度问题定义为研究静置于静水中，在沿船长方向分布的重力与浮力共同作用下的整个船体梁弯曲变形以及应力问题^[24]。

在进行强度评估时，总纵强度的评估是十分重要的^[12]。除此以外，船体其它部位的强度问题也是值得考虑的。其它部位的强度问题，主要包括一些横向构件以及其他较为特殊的构件的强度问题。比如说因为受到巨大的压力造成了船舶内地板变形过大发生断裂的情况^[22]。其他部位的强度问题也会导致船舶发生破损而无法正常航行。所以，保证其他部位的强度也是十分必要的。

为此,在满足使用要求、建造要求和规范要求的前提下,对其结构进行优化使船体结构重量最轻^[19],提高材料的利用率,既节约了建造成本又使船舶的承载能力加大的同时,使船速增加、石油消耗降低、减少运营成本。因此本课题具有理论及现实意义。

国内外的研究现状分析：

船舶结构优化设计的研究起步比较晚^[13],60年代中期,Moe等发表了关于汽车运输船甲板优化的论文,首次把数规划论应用于船舶结构设计领域,标志着船舶结构设计思想的重大飞跃。我国从70年代末开始研究船舶结构优化设计,比国外晚了大约10年^[8]。迄今,使用数学规划的理论和方法已经能够解决大量船舶结构优化的问题。在当前的民用船舶设计过程中,依据经验和规范的设计仍然占主导地位。在按规范要求进行船舶结构设计时^[16],只要满足规范的有关要求,便认为是可靠性的设计,便能得到各船级社的认可。但满足规范要求的设计方案有很多,其中使船体结构重量最轻的方案才是我们追求的最优方案。国内外曾有不少文献讨论了船舶结构优化设计^[7][15][20],但大多都将船体结构优化分解为纵向构件、横向构件、平面板架以及舱壁结构等部分进行单独优化^[17][25]。