超小水線面船主機艙段結構優化設計

艾海峰1 陳志堅1 陳煒然1 王志鵬2

1．海軍工程大學船舶與動力學院 武漢 430033 2．海軍駐葫蘆島431廠軍事代表室 葫蘆島 125000

超小水線面船主機艙段結構優化設計

艾海峰1 陳志堅1 陳煒然1 王志鵬2

1．海軍工程大學船舶與動力學院 武漢 430033 2．海軍駐葫蘆島431廠軍事代表室 葫蘆島 125000

采用MSC．Nastran的靜態響應有限元分析的優化方法，對某超小水線面船的主機艙段構件進行優化，降低該艙段的結構重量，增大艙內空間，為整船結構模型計算中構件參數的確定提供了依據。

超小水線面船 結構優化 靜態響應分析

超小水線面船是一種綜合性能比較優秀的新船型，它兼容了水翼艇和小水線面雙體船的優點，又可克服這些船型的一些缺陷。超小水線面船的水線面面積小，因而興波阻力小，能以較小的推進功率達到所需的航速。良好的外形特點使它在風浪中受到的擾動力大為減小，運動加速度也變小，而運動周期加大，加上側翼的作用，可避開經常遭遇到的波浪周期而不致發生諧搖，所以超小水線面船具有很好的機動性、快速性及穩定性。雖然具有眾多優點，但其發展卻緩慢，主要問題是它對自身重量十分敏感，以100 t級船為例：負載差別10 t時，單體船吃水影響0．01 m，雙體船吃水影響0．05 m，而小水線面雙體船吃水影響可能達到0．50 m，有時必須用壓載水來調整，超小水線面船要求盡量使浮心在重心之上，設計難度更大；另一方面在骨架結構相同時，構件的重量越大，其尺寸也會越大，這將會占用更多可利用空間，超小水線面船自身空間相對較小，內部設備的布置也成為問題。

為減輕結構重量，應選擇性能好、重量輕的材料，但由于可加工、力學性能等原因，材料的選擇總是有限的。在材料確定后，對船體結構進行優化，往往能取得更好的效果［1-2］。超小水線面船是由潛沒于水中提供大部分浮力的魚雷狀下體，高于水平面的箱形平臺和穿越水面連接下體和平臺的支柱三部分組成，其結構重量主要集中在有主機安放的潛體部分，而且潛體重心位置對于整船的重心位置調節又十分重要，因此對潛體中主機所在的艙段結構進行優化是減輕結構重量的重要途徑。文中針對某超小水線面船在初步設計后，潛體結構的總縱強度還有較大的富余，從減輕結構重量增大船體利用空間的角度出發，采用有限元方法對主機艙段骨架構件的尺寸進行優化［2-5］。

1 優化理論

優化問題的數學模型為

使W（A）＝W（a1，a2，…，aN）最小，

且滿足pi（A）≤0i＝1，2，…，L

qi（A）＝0j＝1，2，…，M

式中：W（A）——目標函數；

A——設計變量a1到aN組成的列向量；

pi（A）——不等式約束條件；

q

i（A）——等式約束條件；

L，M——相應約束條件的個數。

2 有限元模型

本次優化計算采用MSC．Nastran，前后處理仍采用MSC公司的軟件MSC．Patran進行。

主機艙段由板架結構組成，模型共有1 677個單元和938個節點，單元包括板單元705個和梁單元972個。坐標系及整體模型見圖1。

圖1 主機艙段有限元模型

根據其自身結構特點，把艙壁處的位移約束條件作為固定端處理。外部的靜水壓力通過MSC．Patran場函數的功能等效到艙段殼體的節點上，主機的重量通過單元分布力加載在相應的平臺板單元節點上。

3 分析過程

3．1 原設計結構的靜態響應分析

原設計方案中主機艙段結構總重量為

材料的彈性模量為

泊松比為

密度為

它們的尺寸及相應重量見表1。

表1 主要型材、板的尺寸及相應重量

材料的抗拉強度為σb≥310 MPa；

屈服點為σ0．2≥250 MPa；

延伸率δ≥10%。

由相關艦艇的設計經驗，其許用應力取為

［σ］＝0．65σ0．2＝162．5 MPa

對模型進行靜態響應分析，彎曲應力和位移分布分別見圖2、3。

圖2 靜載荷作用下的彎曲應力分布

圖3 靜載荷作用下的位移分布

從圖2、3中可以看出梁的最大彎曲應力為123．0 MPa小于其許用應力。最大位移發生在殼的頂部為4．34 mm，與撓度要求相比還較小。因此，原結構設計方案中構件的材料性能還可進一步開發，需要進行優化處理。

3．2 優化分析

將結構總重量最小作為目標函數，設計變量為表1中所示的T型材的腹板寬度a1、面板寬度a2、角材的長邊寬度a3、短邊寬度a4、板厚a5，約束條件［1］包括構件尺寸、應力、位移約束，見表2。

表2 約束條件

尺寸約束按相關設備安裝要求確定，應力約束按材料強度要求決定，位移約束按抗失穩及結構剛度要求選取。但由于工程實際，在以上尺寸約束下，角材只有4種選擇：L9．0／5．6／0．6、L8．0／5．0／0．6、L7．5／5．0／0．6，板的厚度一般可取0．4、0．6、0．8 cm，于是問題變為3種角材與3種板的9種選擇組合下尋求最優的T型材腹板寬度a1及面板寬度a2，這樣就減少了計算量。

結構優化后，原主要型材、板的尺寸及相應重量結果見表3，其彎曲應力和位移分布分別見圖4、5。

表3 優化后主要型材、板的尺寸及相應重量

圖4 結構優化后靜載荷作用下的彎曲應力分布

圖5 結構優化后靜載荷作用下的位移分布

采用表3所示的骨材及板之后，結構重量變為W′（A）＝4 578 kg，與原結構相比重量減少了5．78%。從圖4中可以看出結構優化后的梁的最大彎曲應力為145．0 MPa仍小于其許用應力162．5 MPa。由圖5可知最大位移為4．49 mm，仍滿足剛度要求。

4 結論

結合工程實際，將主機艙段的主要重量構件通過MSC．Nastran優化處理后，結構條件得到較好的改善，與原結構相比重量減少5．78%，潛體內部空間直徑增大20 mm。雖然在建模過程中邊界條件及局部結構作了近似處理，但為整船設計提供了更為合理的構件尺寸。

［1］俞銘華，謝祚水．船舶中剖面結構優化設計研究進展［J］．1998，12（3）：36-41．

［2］葉 勇，朱若艷．基于有限元分析的結構優化設計方法［J］．機械，2004，31（11）：18-20．

［3］印 鐵，蘇世明．有限單元法在結構優化設計中應用［J］．光電技術應用，2003（3）：44-47．

［4］謝永和，黃 俊．基于三維造型的船體艙段結構優化設計［J］．研究與開發，2001（8）：47-48．

［5］毛筱菲，譚廷壽．小水線面雙體船（SWATH）優化設計及數值方法［J］．船海工程，2005（特刊）：113-119．

Structural optimal design of the main frame of the microminiature waterplane area yacht

AI Hai-feng1CHEN Zhi-jian1CHEN Wei-ran1WANG Zhi-peng2
1．School of Naval Architecture and Power Naval University of Engineering Wuhan 430033 2．Naval Dept．of Representative of 431 Factory Huludao 125000

The members of main frame of the micro-miniature waterplane area yacht are optimized by direct strength analysis in MSC．Nastran．The structural weight of the cabin was reduced while its capacity was enlarged．The optimal scantlings of members can provide references for the design of the whole hull．

micro-miniature waterplane area yacht structural optimization static response analysis

U661．4

A

1671-7953（2007）02-0025-03

2006-09-08

修回日期2006-10-12

艾海峰（1983—），男，碩士生。