船舶艙室橫向結構優化研究

張志剛　丁兆岡　王清　虞乾浩　沈毅斌

摘 要：隨著陸地資源的逐漸枯竭，向深海發展、進行資源開發已成為大趨勢。本研究以一海底電纜施工船為研究對象，構建船舶艙室橫向結構優化設計平臺，利用PCL建立參數化有限元模型，計算船體結構橫向強度，采用模擬退火算法，在ISIGHT優化平臺上進行結構優化設計，獲得同等結構強度的輕量化結構設計方案。

關鍵詞：海底電纜施工船;橫向結構優化;模擬退火;輕量化結構設計

中圖分類號：U663? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）10-0073-02

1 研究背景

人們對能源的需求會隨著人口的增長和經濟的發展而日益增加，成為人們生活中密不可分的保障之一。石油是全球最主要的能源來源，占全球消耗能源的30%以上，且呈現不斷增長的趨勢。

陸地油氣資源由于不斷開采，儲量日漸減少，已遠遠滿足不了世界經濟迅速發展的需要。海上油氣儲量豐富，必將成為未來油氣資源開采的重心。各海上油氣開采平臺諸多設備運轉以及人員生活，需要大量電力供給，對海底電纜施工船的需求不斷增長。

本研究以一海底電纜施工船為研究對象，利用Patran Command Language（以下簡稱PCL）語言建立艙段參數化有限元模型，設計變量包括板厚等連續型變量和構件尺寸、型材等離散型變量;采用具有較強適應性的模擬退火算法作為優化算法。結合有限元計算軟件、優化求解器，在ISIGHT平臺上構建深海底電纜施工船橫向結構優化設計平臺，進行結構優化設計。優化方案中橫剖面結構重量較原方案減輕了5.8%，且最大應力降低了3.6%。

2 研究方法

從船舶結構優化設計與海底電纜施工船橫向結構強度直接計算分析入手，在優化平臺上建立艙段參數化有限元模型，將有限元分析軟件、求解器和優化軟件相結合，建立海底電纜施工船結構優化設計平臺，完成橫向結構優化。具體研究方法如下：

（1）結構優化。在結構優化理論、結構優化設計方法的基礎上，確定本研究采用基于有限元方法計算船體橫向強度，采用模擬退火算法作為優化算法，以ISIGHT優化平臺驅動仿真流程的優化方法。

（2）橫向結構強度。分析海底電纜施工船結構的復雜性以及其橫向結構的受力狀況后，確定了中橫剖面基礎設計方案，根據相應規范完成了橫向結構強度校核。

（3）橫向強度優化。在分析設計變量、目標函數以及約束條件三要素的基礎上，完成橫向結構優化模型，并在ISIGHT上集成建立橫向結構優化平臺，對船中橫剖面基礎設計方案進行優化分析。

3 橫向結構優化平臺

3.1橫向強度計算分析模型

建立艙段半寬有限元計算模型，雙層底、縱桁、肋板、主甲板、中間甲板、橫艙壁、縱艙壁等用板單元模擬，甲板縱骨、甲板橫梁、甲板強橫梁、舷側肋骨、縱艙壁垂直桁材等用考慮偏心的梁單元模擬;橫向和垂向的網格按縱骨間距劃分，縱向的網格按肋骨間距劃分，船底縱桁和肋板在腹板高度方向上劃分為4個網格;施加規范規定的橫向強度校核的典型載荷工況及邊界條件，即可進行橫向強度計算分析。

3.2設計變量

考慮到海底電纜施工船的結構特點，對其進行橫向結構優化的設計變量屬于骨材尺寸的離散型設計變量，整合一些性質相似的變量后，共選取9個設計變量，各設計變量、變化范圍及間隔如表1所示。

3.3目標函數

本研究針對海底電纜施工船進行橫向強度優化，在滿足規范規定的前提下，船體結構重量最輕是優化目標，屬于單目標優化問題。其數學模型為：

式中：X為設計變量，設計變量總數為9，Mi為單個連續型設計變量的質量，M0為其他不變構件的質量，M（X）為整個模型的質量，F（x）是目標函數，優化的目的是使F（x）最小。

3.4約束條件

各方案都必須要滿足相關規范要求，將規范要求作為約束條件處理。優化平臺生成的各構件的剖面模數不得小于規范規定的值，且橫向強度計算所得的應力值不得大于許用應力，否則為不滿足強度要求方案，必須舍去。

3.5 優化平臺集成

ISIGHT優化軟件與PATRAN、NASTRAN交互的原理是ISIGHT能識別它們在建模、計算、分析過程中產生的各種文件類型。因此在ISIGHT集成之前，需要設置好各種文件，以便ISIGHT能進行識別。集成流程如圖1所示。

4 優化結果及分析

在對形成的892個方案進行橫向強度優化分析后，得到最優化可行方案，各構件尺寸滿足規范條文要求，最大正應力值為214MPa，小于許用應力，滿足規范對橫向強度的要求。各變量的優化結果如表1最右欄所示。在各優化變量中，甲板強橫梁的優化效果較好，其中主甲板強橫梁1、主甲板橫梁2最為明顯，達到了取值范圍的最低值。各甲板強橫梁的優化情況如圖2所示。

優化后電纜儲存艙的艙容從50.28m?增加到54.14m?，增加了7.68%;壓載水艙的艙容從44.59m?增加到46m?，增加了3.16%，有利于整體布置。艙段的橫向強框架結構重量從136.4t降低到128.5t，減輕了5.8%。

5 結論

本文以海底電纜施工船為研究對象，以結構重量最輕為優化指標，構建船舶艙室橫向結構優化平臺，進行橫向強度艙室結構優化研究，主要的研究工作及成果總結如下：

（1）進行了艙段模型參數化建模，采用模擬退火算法作為優化算法，在數學優化平臺ISIGHT上構建橫向強度優化分析系統;

（2）進行了海底電纜施工船橫向結構優化，各甲板強橫梁和縱艙壁垂直桁材的優化效果較好，設計尺寸可適當減小，用以減輕重量和增大艙室空間;

（3）優化后艙段的橫向強框架結構重量從136.4t降低到128.5t，減輕了5.8%。同時電纜儲存艙和壓載水艙的艙容分別增加了7.68%和3.16%。