基于等強度板格穩定的船體結構優化設計研究

，，

(武漢理工大學 交通學院，武漢 430063)

IACS《散貨船共同結構規范》于2006年4月1日開始實施。其中有很多技術亮點，包括采用了新的凈尺度概念等。

所謂“凈尺寸”，即為從船舶新建階段開始一直到整個船舶設計壽命中都得以保持的厚度，以滿足結構強度的要求，它提供了結構承受載荷所需的強度特征，不包括任何船舶運營期間可能發生的腐蝕余量和船東自愿增加的厚度。

我國現行的各種船舶入級規范都是基于構件的建造厚度以及相應的統計規律、統計結果和研究手段等建立的，與凈尺寸的要求有一定的距離。

從理論和實用的角度上說，將船舶運營期間可能發生的腐蝕余量(和磨耗余量等)從船體構件的建造厚度中剝離出去，采用凈尺寸的概念對船體構件的最低要求進行規定，對于確保船舶結構在全生命周期內的安全是合理的和必要的。

針對江海通航船的特點和要求、根據目前所掌握的計算分析手段，認為所研究的“凈尺寸”應該保證的項目應有所側重：疲勞強度暫不考慮，極限強度不予考慮，所得到的“凈尺寸”實際為對應于“等效設計波”的波浪載荷以及船舶正常的裝載狀態，船體結構構件滿足屈服強度和板格穩定最低要求的最小厚度。

1 計算模型

1.1 主尺度及結構形式

總長：112.50 m；水線長：110.00 m；型寬：24.40 m；型深：8.20 m；方形系數：0.862。

雙尾、首部球鼻首。2個大開口貨艙，范圍分別為：No.2從Fr28～Fr90，長度40.3 m；No.1從Fr92～Fr152，長度39.0 m。船中處的橫艙壁為雙壁艙壁，內部垂直桁、水平桁與底縱桁、平臺甲板位置對應。計算模型見圖1。

圖1 計算模

1.2 應力評估范圍

取0.2L～0.8L范圍內的主要(板殼)構件的應力結果進行評估。

直接計算的經驗表明：在常規的計算(不考慮艙口蓋的剛度)情況下，對于常規設計的艙口圍板及其面板、艙口處甲板，其強度一般都難以滿足。故本文中僅提取其應力但不修改其板厚，在優化完成后建議根據其應力狀況進行局部加強。

該范圍內主要構件的分組見表1。其中各主要構件的初始設計尺寸以及縱骨和骨材不變。

表1 應力評估范圍內主要構件分組

續表1

2 邊界條件及載荷

2.1 慣性釋放

航行的船舶結構處于“全自由”狀態,但是對它進行有限元靜力分析計算時,不能處理為全自由結構。

慣性釋放[1]是MSC.NASTRAN或ANSYS中的一個高級應用,允許對完全無約束的結構進行靜力分析。它對于船舶結構強度的有限元直接計算具有很強的實際意義。如果結構上作用有一個自平衡力系或者作用(如溫度載荷或電磁載荷等),即使完全不受約束的全自由結構,也會產生應力;但此時在結構上任意一點進行約束,得到的反力應該等于0。

2.2 計算工況

考慮在壓載出港、滿載出港、半載出港3種載況下，船體在不同的波浪條件作用下的21種工況，見表2。

按照《江海通航船舶檢驗指南》2.3.5.2條的規定，大開口船舶計算工況考慮下列波浪條件：隨(迎)浪工況；斜浪60°工況；橫浪工況。

在計算模型中，施加了以下幾種載荷：

1) 空船重量。

2) 貨物壓力(包括礦石貨物或者壓載水)。

3) 舷外水壓力(考慮靜水、中拱波浪以及中垂波浪等波浪條件，以“等效設計波”的概念、用“理想”波面以靜水壓力的形式處理舷外水壓力)。

表2 不同波浪條件下的21種工況

2.3 調整外力平衡

要得到一個精確平衡的外力極其困難。為了盡量減小由于外力的不平衡程度太高而造成的計算結果有較大的誤差，本次計算中對各工況下計算得到的舷外水壓力進行適當調整，使得外力中的垂向合力(重力與浮力)基本平衡，以此作為外力平衡的基本要求[3]。

3 本船優化方法

3.1 優化算法

由于本船所涉及到的優化設計變量21個、工況21個，屬于多工況多變量的復雜結構的優化[4]，變量之間互相影響關系復雜，一般的數學優化算法比較難以實現。

若余量為正值說明強度不夠，需要加大板厚；若余量為負值說明板厚有富余，需要減小。

顯然，希望屈服余量、屈曲余量都在±5%以內，但是這樣不可能做到。

實際情況是每組板屈服余量或者屈曲余量之一在±5%范圍之內(一些構件是以屈服強度控制的，其屈曲有一定的富余；而有些構件是以屈曲強度控制的，屈服強度有一定的富余。)另一個余量小于5%。

在本文編制的FORTRAN程序中不僅給出了余量衡準，即判斷余量是否在±5%以內，若在為“yes”,反之為“no”；而且給出了應力衡準，即最大應力是否超出相應的許用應力和臨界應力，若沒超出為“yes”,反之為“no”。

對于屈服余量不滿足要求(±5%以外)，則取新板厚為t(i+1)=t(i)×(1+Yul(i))

取屈服強度分析和屈曲強度分析的兩個新板厚中的最大值為修正板厚，這樣保證了程序的收斂，也保證了最后板厚使得某一余量在±5%范圍之內，另一余量小于5%(基本上有較大的富余)。

3.2 優化過程中各程序

3.2.1 結果后處理的PCL程序

每次計算完成后需要提取0.2L～0.8L范圍內的主要(板殼)構件的應力結果進行評估。

由于涉及到21個組在21個工況作用下的應力結果，所以有必要編寫PCL程序對數據庫直接讀取結果。利用res_data_load_dbresult()， res_display_report_create()， res_display_report_write()編寫循環程序，提取21個組在21個工況分別作用下的應力結果，將shell、beam單元的應力值[2]分別寫到shell.txt,beam.txt文件中便于后面再處理。

3.2.2 結果后處理的FORTRAN程序

利用FORTRAN程序，提取shell.txt,beam.txt文件中所需應力，并評判21個組分別在21個工況作用下的最大應力值是否超過許用屈服強度標準和屈曲臨界應力，并且根據屈服、屈曲強度的不足或者富余編寫算法分別建議新板厚。在屈服和屈曲分析分別建議的新板厚中，再建議修正板厚并寫入thickness.txt文件。

3.2.3 PCL參數化修改板厚程序

利用FORTRAN程序讀取修正板厚文件thickness.txt中各組板厚數值，并寫入PCL程序elementprops_modify()中，修正21個組的板厚(其中艙口處甲板、艙口圍板及其面板厚度不修改)。

3.3 結果分析

經過5次優化計算后，結果收斂，所有各組構件(不包括未修正的3組)，都能滿足屈服、屈曲強度要求(低于許用標準或不超過許用標準的5%)，見表3。

主甲板、殼下縱桁屈服屈曲余量都能控制在5%以內，中縱桁、旁縱桁、實肋板、橫框架由屈服強度控制，其余各組構件都由屈曲強度控制。

未修正的3組，其中角隅甲板屈服屈曲強度都能滿足；艙口圍板、艙圍面板在船中部分屈服屈曲強度均不足，需要局部加強，見表4。

表3 修正后的構件屈服強度分析

表4 未經修正的構件計算結果

4 結論

1) 同時考慮屈服強度和屈曲強度的“凈尺寸”研究是可行的。

2) 文中的優化算法是可行的，計算5次即收斂。

3) 有相當大一部分構件是由屈曲強度控制的，所以進行屈曲分析是必要的。

4) 在優化的過程中，沒有考慮角隅甲板、艙口圍板、艙圍面板的強度。直接計算的經驗表明：在常規的計算(不考慮艙口蓋的剛度)情況下，對于常規設計的艙口圍板及其面板，其強度一般都難以滿足。而且其整體應力水平并不十分大，只是在船中貨艙區橫艙壁處較大，沒有必要為了滿足局部的應力集中，而加大整個構件的尺寸，而且這樣也容易導致其他尺寸的不可信。

雖說達到了預期的研究目標，但這其中也存在一些不足，對于這種復雜情況下的優化還需要進一步不斷的努力，具體為：

1) 得到的“凈尺寸”優化解不一定是全局最優解，對于每次計算后修正板厚的算法，還需要進一步的研究，以期能找到全局的最優解。

2) 由于優選的過程中，沒有改變結構形式以及骨材的截面和分布，所以所得到的優選結果是：在給定的結構形式和骨架尺寸，在“等效設計波”載荷條件下，同時滿足屈服強度以及屈曲最低要求的“凈板厚”。能否進一步同時考慮結構形式以及骨材的截面和分布。

3) “等效設計波面”的方法施加的波浪狀態下的載荷，與規范要求的載荷(波浪彎矩)之間的相互關系，需要進行深入細致的研究。

[1] 張少雄，楊永謙.船體結構強度直接計算中慣性釋放的應用[J].中國艦船研究.2006(2)：40-43.

[2] 張少雄，李雪良.船舶結構強度直接計算中板單元應力的取法[J].船舶工程，2004(3):36-39.

[3] 張延輝.船體結構強度直接計算中載荷平衡方法研究[D].武漢：武漢理工大學，2006.

[4] 錢令希.工程結構優化設計[M].北京:水利電力出版社，1983.

[5] 隋允康.建?！ぷ儞Q·優化—結構綜合方法新進展[M].大連:大連理工大學出版社.1996.