基于ANSYS Workbench軟件的軟剛臂結(jié)構(gòu)輕量化研究*

□ 李 慧 □ 董海防 □ 朱 剛 □ 李 劍 □ 王偉偉

武漢第二船舶設(shè)計研究所 武漢 430064

1 研究背景

單點系泊系統(tǒng)主要用于將油輪、浮式儲油卸油裝置和超大浮體定位于預定海域,使船舶具有風向標效應,在各種風浪流作用下船舶的受力最小。單點系泊系統(tǒng)實物圖如圖1所示。軟剛臂是單點系泊系統(tǒng)的重要構(gòu)件之一,通過自重及壓載水質(zhì)量為單點系泊系統(tǒng)提供回復力。為滿足各種設(shè)計參數(shù)、環(huán)境載荷、使用要求、作業(yè)形式和產(chǎn)品特性,需要對軟剛臂結(jié)構(gòu)進行強度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，筆者基于ANSYS Workbench軟件對軟剛臂結(jié)構(gòu)進行輕量化研究。

2 軟剛臂結(jié)構(gòu)

單點系泊系統(tǒng)的軟剛臂采用雙瓶式基本形式,主要由壓載水艙、橫桿、軛架和軛架鉸接頭四部分組成。兩個壓載水艙通過連接座與系泊腿下部萬向節(jié)相連，壓載水艙之間通過橫桿連接。兩個壓載水艙與軛架采用錐段連接,通過焊接的方式將軛架與軛架鉸接頭相連,構(gòu)成A字形鋼結(jié)構(gòu),使軟剛臂的整體受力均勻,提高軟剛臂的剛度和穩(wěn)定性。

軟剛臂材料選用EH36鋼,長度為30 m,寬度為22.6 m。軟剛臂結(jié)構(gòu)如圖2所示，EH36鋼性能參數(shù)見表1。圖2中，坐標系原點位于軛架鉸接頭縱搖軸承的銷軸中心,X軸正向由坐標原點指向兩個壓載水艙方向,Y軸正向由坐標原點指向左壓載水艙方向。

表1 EH36鋼性能參數(shù)

3 有限元建模

應用ANSYS Workbench軟件建立軟剛臂模型,軛架鉸接頭采用體單元建模,軟剛臂中各鋼管段采用殼單元建模。軛架鉸接頭與軛架之間設(shè)置多方安全計算接觸,在處理體單元與殼單元連接時，計算精度和效率更優(yōu)[1]。網(wǎng)格劃分后軟剛臂有限元模型如圖3所示。

4 邊界及載荷設(shè)置

對軟剛臂進行靜強度分析,在左、右壓載水艙吊耳處設(shè)置Z向轉(zhuǎn)動約束,釋放其余五個空間自由度。在軛架鉸接頭縱搖軸承處釋放Y向轉(zhuǎn)動,約束其余五個空間自由度。由于軟剛臂在作業(yè)過程中連續(xù)運動,水動力計算所提取的系泊力加載后表現(xiàn)為動不平衡狀態(tài),因此在強度分析時需要進行慣性釋放設(shè)置。

在軟剛臂的左、右壓載艙吊耳處施加載荷,載荷來源于單點系泊作業(yè)時左、右壓載水艙吊耳處所受到的結(jié)構(gòu)外力。因為軟剛臂在工作過程中Y向受力可通過單點系泊系統(tǒng)的風向標運動釋放,所以分析中不考慮Y向載荷。軟剛臂左、右壓載水艙吊耳受力工況見表2。

表2 軟剛臂壓載水艙吊耳受力工況 kN

5 強度分析結(jié)果

應用Workbench軟件對軟剛臂結(jié)構(gòu)強度進行有限元分析,得到軟剛臂等效應力云圖,如圖4所示。由圖4可知，軟剛臂最大等效應力為296.18 MPa,小于材料EH36鋼的屈服強度(355 MPa),滿足強度要求。由于在最大受壓工況下的等效應力最大,因此進行軟剛臂輕量化分析時,選取最大受壓工況的載荷作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基準值[2]。

6 優(yōu)化設(shè)計原理

軟剛臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本原理是通過建立優(yōu)化模型,在滿足設(shè)計變量和狀態(tài)變量要求的條件下進行迭代計算,求得目標函數(shù)的最優(yōu)值。軟剛臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程如圖5所示。

應用ANSYS Workbench軟件對軟剛臂進行有限元強度分析，得到軟剛臂在最大受載時的應力和變形云圖，以此確定優(yōu)化約束條件的基準值。優(yōu)化設(shè)計過程是迭代設(shè)計過程,最終收斂于某個確定解。每迭代一次,模型會自動更新,計算結(jié)果也會自動更新，迭代參數(shù)根據(jù)需要可以修改。

采用ANSYS Workbench軟件中的快速優(yōu)化工具,通過設(shè)計點的參數(shù)來研究輸出參數(shù)，幫助設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計和使用之前確定各種不同參數(shù)對整體結(jié)構(gòu)的影響。優(yōu)化設(shè)計的主要工具包括目標驅(qū)動優(yōu)化、相關(guān)參數(shù)和響應曲面。目標驅(qū)動優(yōu)化通過多目標優(yōu)化技術(shù),在給出的樣本中得出最佳的設(shè)計點[3]。相關(guān)參數(shù)用于得到輸入?yún)?shù)對輸出參數(shù)的敏感度。響應曲面用于直接觀察輸入?yún)?shù)對輸出參數(shù)的影響,通過圖表形式動態(tài)顯示輸入與輸出參數(shù)之間的關(guān)系。

7 設(shè)計變量與目標函數(shù)

在對軟剛臂結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計時，軟剛臂長度和鋼管直徑保持不變,軟剛臂的總質(zhì)量取決于各鋼管段的厚度。將各鋼管的厚度作為輸入?yún)?shù),將軟剛臂的最大等效應力、最大變形量作為輸出參數(shù),將軟剛臂總質(zhì)量最輕作為目標函數(shù)。軟剛臂各鋼管段厚度變量如圖6所示，P1為橫搖軸承連接筒壁厚，P2為軛架直筒壁厚，P3為軛架斜筒壁厚，P4為錐形連接筒壁厚，P5為壓載水艙壁厚，P6為橫桿壁厚。優(yōu)化設(shè)計各變量見表3，除P1～P6外，P7為最大等效應力，P8為最大變形量,P9為軟剛臂總質(zhì)量[4]。

在保證迭代精度和可靠收斂的前提下,選用目標函數(shù)驅(qū)動優(yōu)化,初始樣本數(shù)為100。軟鋼臂模型所有構(gòu)件材料均為EH36鋼,密度相同,因此可將軟剛臂總質(zhì)量最輕作為目標函數(shù)。

表3 軟剛臂設(shè)計優(yōu)化參數(shù)

8 優(yōu)化結(jié)果

應用ANSYS Workbench軟件進行優(yōu)化分析[5-7],設(shè)置最大等效應力的上限為355 MPa,基于目標函數(shù)的軟剛臂結(jié)構(gòu)三種優(yōu)化設(shè)計方案的結(jié)果見表4。由表4可知，方案一的軟剛臂總質(zhì)量最輕,是最優(yōu)設(shè)計方案。優(yōu)化前后變量對比見表5。

表4 軟剛臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

表5 軟剛臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對比

由表5可知，優(yōu)化后的軟剛臂總質(zhì)量減輕9 390 kg，降幅達4.27%，減少了結(jié)構(gòu)冗余。為觀察不同優(yōu)化設(shè)計變量的敏感性,導出優(yōu)化設(shè)計變量對軟剛臂最大等效應力、最大變形量和總質(zhì)量的影響,分析六個輸入?yún)?shù)對三個輸出參數(shù)的敏感性，得到敏感度柱狀圖，如圖7所示。

由圖7可知,軛架直筒壁厚對軟剛臂最大等效應力的影響最大,是軟剛臂的受力最薄弱處。后期進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，建議在軛架直筒內(nèi)部增設(shè)加強筋,改善軟剛臂的整體受力[8]。

通過Workbench軟件中的響應曲面功能,能夠更加直觀地反映輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)之間的關(guān)系。通過響應曲面功能，得到各輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)之間的響應面，如圖8～圖10所示。

在軟剛臂優(yōu)化設(shè)計過程中確認，軛架直筒壁厚對軟剛臂的受力影響最大，因此在軛架直筒內(nèi)設(shè)置四組環(huán)形加強筋，以改善軟剛臂的受力狀況[9]。軛架直筒內(nèi)環(huán)形加強筋如圖11所示，添加環(huán)形加強筋后軟剛臂等效應力云圖如圖12所示。由圖12可知，軟剛臂最大等效應力為246.74 MPa，相較未添加環(huán)形加強筋前的最大等效應力347.02 MPa，減小100.28 MPa。

9 結(jié)束語

基于ANSYS Workbench軟件中的多目標驅(qū)動優(yōu)化功能，對軟剛臂結(jié)構(gòu)進行了輕量化設(shè)計。優(yōu)化后軟剛臂總質(zhì)量減輕9 390 kg，降幅達4.3%。添加環(huán)形加強筋前軟剛臂最大等效應力為347.02 MPa，添加環(huán)形加強筋后最大等效應力為246.74 MPa，減小28.9%。通過建立參數(shù)化模型，能夠準確觀察不同輸入?yún)?shù)對軟剛臂結(jié)構(gòu)應力和變形的影響情況，與傳統(tǒng)軟剛臂結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，能夠更加有效地利用材料特性，系統(tǒng)性地減少結(jié)構(gòu)冗余，實現(xiàn)軟剛臂結(jié)構(gòu)的輕量化[10-13]。