船舶结构优化的基本要求与设计方法_原跃峰.pdf

第 31 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.31 No.3Mar.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言在技术快速发展的背景下，各行业的生产水平得到了提升。其中船舶建造行业作为我国工业的重要组成部分，对相关技术的要求显著提升，对船舶建造的速度及质量地产生了影响。在船舶建造中，需要明确结构优化要求，根据船舶的应用需求及其特点来不断完善，以优化其结构性能。在设计中，需要合理运用有效的技术手段，以实现设计水平的提升。由于船舶结构优化涉及较多的内容，为了加强设计的效果，应对设计方法合理选择，并且对船舶结构设计各部分进行细化，以提升设计的质量。因此，应对船舶结构优化设计进行分析。1 船舶结构优化设计概述船舶结构优化设计，是指根据设计要求，对船舶结构及各部分构造进行优化的设计过程。在当前的船舶建造过程中，需要考虑其使用需求，结合实际影响来明确其性能要求，比如海浪冲击影响，应使船舶结构具有较高的强度，优化其性能。船舶结构设计涉及较为复杂的内容，导致在进行设计的过程中无法直接开展试验，对此需要使用 CAD 和 Ansys 等技术手段来加以辅助，以实现对设计的优化。借助有效的技术可使结构设计得到优化，并且满足仿真试验的需求，更好地发现设计中所存在的问题，使设计发挥出有效的作用。船舶结构的设计优化，需要在原本设计的基础上进行结构改善，提出多个设计方案。设计人员在设计中应船舶结构优化的基本要求与设计方法原跃峰，罗 哲，钱汝娟，乔东旭（扬州中远海运重工有限公司，江苏 扬州 225211）摘 要：船舶建造领域对结构设计的优化提出要求，经过对结构设计的改善，可使船舶的结构性能显著增强。为了达到该目的，应明确设计方法的应用方向，通过对船舶结构优化设计的介绍，明确船舶结构设计中的基本要求以及船舶结构焊接工艺设计要求，分析船舶结构优化设计的主要方法，进而为船舶结构的优化提供技术支持。关键词：船舶结构；船舶建造；甲板骨架中图分类号：U662 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.03.008引用格式 原跃峰,罗哲,钱汝娟,等.船舶结构优化的基本要求与设计方法 J.船舶物资与市场,2023,31(3):22-24.考虑到性能及成本等各项需求，以实现最优设计目标。对船舶结构的优化设计，可加强船舶的使用效果，使局部结构性能显著加强，同时可使船舶结构适用于其对电气化装配提出的要求。对船舶结构设计情况进行分析，由于设计中要求多、变量多、影响条件多，设计人员在开展设计工作的过程中需要开展大量的计算，增加时间成本。同时，传统船舶结构设计的人工计算方式已经无法满足当前的需求，可借助现代化技术手段来进行优化，以提升计算效率，为结构优化设计提供良好的条件。设计人员要在一定时间内实现对设计的优化，制定合理有效的方案，为船舶结构的优化设计提供相应的技术支持，进而提高船舶结构的性能水平。因此，应对船舶结构设计方法进行创新，采取有效的手段来改善设计效果，以提升设计水平。2 船舶船体结构设计的基本要求2.1 船底骨架设计1）对肋腹板的高度及厚度的比例进行有效控制。一般单底船的肋板腹板高度与厚度之间的比不应大于75%，而双底船的比例不应大于 100%。通过对比值的控制，可使肋腹板的性能加强，避免出现不稳定的问题。如果超出标准比值范围，会使肋板腹板的稳定性减弱，容易产生较大的影响。在处理该问题时，应增大腹板厚度或利用垂直加强筋来改善。2）对内龙骨修正系数进行合理计算。根据肋板剖面模数公式分析船体结构、内龙骨根数等数据，且该数据都收稿日期：2022-09-09作者简介：原跃峰（1984-），男，本科，工程师，研究方向为船舶与海洋工程。第 3 期 23 与内龙骨修正系数有着直接联系。为了获得恰当的系数，需要明确各项因素，准确获取相关的数据，为内龙骨修正系数的计算及确定带来保障，使系数的准确性符合要求1。3）对实肋板跨距进行明确。根据船舶结构特点，单壳舱口船使用船宽，可根据型线图的内容使用实肋板在舱室内肋板高度的水线宽度，以保证合理性。在缺少准确数据的情况下，跨距无法确定。而在甲板船中应明确纵舱壁与舷侧之间距离中的最大值，同时考虑到纵桁架的数量，当数量为 3 道时，跨距不应小于 1/3 船宽的数值；在数量超过 4 道时，跨距不应小于 1/4 船宽的数值。4）明确机舱中船底骨架的形式。考虑到船舶结构设计的要求，使用“T”型组合制作的船底骨架时，材料面板不可使用折边的形式。同时，对货舱的肋板腹板厚度进行分析，应使机舱的肋板腹板厚度适当增加，面板剖面积也应有所扩大。应在机舱中以实肋板为基础将内龙骨的腹板尺寸扩大，以使其符合设计要求。对于横骨架形式的单底机舱，各肋位应设置实肋板，而纵骨架式肋板的间距应在 1.25 m 以下。为保证骨架计算的准确性，可利用公式来得到货舱外实肋板的剖面模数，根据得到的结果来对腹板厚度进行扩大，并且加大面板的剖面积，明确实肋板及内龙骨的剖面的尺寸。5）对双壳式的双层底实肋板尺寸进行明确。在高度达不到要求的情况下需要利用塞焊工艺在上边缘位置设置面板，借助“T”型材来进行优化，面板不应使用折边的方式，面板厚度需维持在 1.25 倍以上，宽度不应小于 80 mm。在此过程中应将实肋板的厚度控制好，使其大于船底的厚度，进而满足设计的需求。2.2 甲板骨架设计在横梁跨距设计中应明确舷侧与甲板纵桁距离，或者确定甲板纵桁的间距，取更大的数值，并应控制在 2 m以上。对于甲板纵桁，一般跨度应根据相邻横向舱壁间的距离来明确，当甲板跨度中有支柱传递集中载荷，应在计算后获得甲板纵桁截面尺寸，不应根据支柱间或者舱壁到支柱的距离来明确跨距。支承区域的平均宽度需要合理取值，一般应取甲板纵桁间距、舷侧与甲板纵桁距离的 1/2加甲板纵桁间距的 1/2 中的最大值，以保证甲板骨架设计的合理性。2.3 舱壁设计1）在平面水密舱壁板设计中包括干货舱壁、深舱舱壁、防撞舱壁等多种形式，应对不同的舱壁特点进行分析，根据实际情况开展设计，明确其中的系数，保证设计的有效性。深舱是将双层底去除之后的压载舱、燃油舱和水舱，可将舱室的两端作为深舱壁，还需通过对舱壁的计算来确定厚度，双壳船及单舷长开船的货舱前后横向舱壁的厚度需增加 0.5 mm，舱壁板的高度可取梁拱加甲板边线高2。当在深舱条件下，需要以原本的数值为基础增加 0.5 m，可在梁拱加甲板边线高上加上 0.5 m。在设计中注意舱壁厚度应不小于 2 m，避免影响设计效果。通过对舱壁情况的分析，合理地选择系数，同时对舱壁中各扶强材的间距进行明确，取最大值作为扶强材间距的数值。2）应考虑布置要求，对于扶强材一般需要竖向进行布置，在深舱及防撞舱设计中的最大间距为 650 mm，干货舱为 750 mm。当具体数值大于规定数值，应以计算获得剖面模数，不应使用规范公式来获得。由于一些船舶建造中没有扶强材，仅有垂直桁，间距大于规定的数值，需要将扶强材的数量增加。可将扶强材间距的最大值确定，并且将水柱高度确定，可在计算防撞舱壁和干货舱壁的过程中将舱壁板高度的一半作为取值。深舱的舱壁可取一半的舱壁板高度再加上 0.5 m。应注意在计算中对高度数值进行合理选择，不应小于 2 m。对于跨距，应将舱壁高度值作为参考，可将扶强材端部到桁材或者桁材之间的距离作为取值。在确定系数时，应扶强材的固定情况确定，根据舱壁的特点来选择，保证系数的合理性。3 船舶结构焊接工艺设计要求在焊接过程中应对起始点进行分析，避免对焊接产生较大的刚性约束影响，焊接时应保证其一端可自由地收缩。在整体建造过程中需要恰当处理平面及立体分段，从结构中央位置开始焊接，再向着左右方向进行对称焊接，可使结构的内应力有效减小。在中心线两侧对称的构件可使用对称焊接的方法，由双数焊工同时焊接，保证焊接的效果。在此过程中应注意优先进行对接焊缝焊接处理，分段退焊过程中焊缝的长度应得到严格控制。进行多层焊处理时，各层的接头应错开 30 mm 以上，开展下道焊接作业前应将前道的焊渣清除。可根据实际情况来选择焊缝，在 300 mm 以下的焊缝需要使用连续焊。对于焊接肋板及构件，需要应用双面连续焊的方式，确定焊脚标准，保证焊接的效果。通过对焊接环节的优化控制，可使船舶结构的性能得到保障。4 船舶结构优化设计主要方法4.1 多学科优化设计方法可结合多学科船舶结构优化设计来开展设计工作，在该过程中需要将直接计算作为基础，建立有限元优化模型，通过板材屈服计算来进行集成优化。在优化平台中可借助分析软件来辅助设计。对板材的屈曲、屈服或者疲劳原跃峰，等：船舶结构优化的基本要求与设计方法船舶物资与市场第 31 卷 第 3 期 24 强度进行明确，作为约束条件进行尺寸的优化，设计效果增强。利用该方法可获得以多学科为基础的船舶结构优化模块，根据其他的学科实施准确地计算，可使船舶结构的设计优化效果得到实现。4.2 准则优化设计方法准则优化设计是将力学专业理论等内容作为基础并进行整合后得到的方法，可将其应用在船舶结构优化设计领域内容，以保证设计效果。该方法在实际应用中比较简单，同时物理层的作用比较强大，发挥了显著优势，能够使分析工作顺利进行。在计算中结构分析频率比较少，保证了计算效率，可使设计得到有效优化3。其中包括了满应力准则法、能量准则法和位移准则法。满应力准则法是利用船舶自身强度或者等应变能密度状态减少设计质量，可在结构确定的条件下使结构达到满应力状态。能量准则法是在设计中使材料的结构分布及应变能呈正比例关系，能量准则是借助结构单位体积的应变能来达到材料许用值，同时使结构重量降低。位移准则法是利用位移准则建立优化设计迭代的一种方式，对一个约束、一组荷载使用拉格朗日乘子法来推算正确的迭代式，当船舶外载较大时，可使用包络法来处理。4.3 多目标模糊优化设计方法多目标模糊优化设计方法的可编程性比较强，可通过实数编码来代替复杂的编码及编译流程，操作比较简单。同时，其单目标函数可实现并行操作，提高了设计效率。在船舶结构优化中，主要参数为载荷及结构参数。由于多目标模糊优化设计对结构的刚度及强度等有着直接影响，在具体工况中容易受风力及海浪等多种因素影响，使船舶载荷及结构参数产生误差及不确定的因素。可将船舶结构优化分为 3 种类型：1）限定结构参数及载荷的优化；2）不限定结构参数及载荷的优化；3）限定结构参数及不限定结构件载荷优化。在设计中应对不稳定因素进行分析，深入明确不稳定因素可能产生的影响，并在多目标模糊优化设计下减少因素带来的影响，以实现对结构设计的优化目标，提升结构的性能水平。4.4 启发式优化设计方法遗传算法是以生物遗传机理为基础来建立的设计方法，可在船舶结构优化设计中进行应用。其优化步骤为：首先对参数编码进行设计，将初始群体设置完成，经过对适合度函数的设计，进行个体适合度评估，再进行参数调整及遗传操作，在变异及交叉等后形成“GA”的关键操作算子。这种设计方法具有强鲁棒性及便于操作等。同时对梯度的信息依赖比较低，不需要导出相关资料，可利用目标函数的惩罚函数形式将缺陷进行变更，模拟了生物进化中的重要遗传部分。在编码集完成了相关工作之后，可使用二进制将变量关系呈现出来，使设计中出现的连续性及离散性问题得到解决。同时按照生物进化的方式进行交叉算子、再生算子及异化算子。经过实践发现，该优化方式可用于复杂的设计环境。蚁群算法是在组合优化问题基础上而得到的启发式随机搜索方法，可将模拟蚂蚁寻径方法作为前提，采用仿生方法进行设计，在图中找到最优的路径，以该原理来发挥作用。蚁群算法可为最优解的获取带来帮助，在实际应用中有着较大的优势。应用对节点树在 5100 范围内对组合优化问题进行求解，选择适合的参数，蚁群算法的结果与模拟退火算法、进化算法、遗传算法等相比有着更好的应用效果。其主要内容包括路径构建量、信息素更新 2 个部分，路径的信息素越多，该路径被选择的可能性越大。在应用中需要先进行信息素矩阵及算法参数的初始化处理，并且对全部路径的目标函数进行质量评估，