船体结构极限强度优化设计.pdf

第 卷第期 年月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)J o u r n a l o fWu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y(T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&E n g i n e e r i n g)V o l N o A u g 船体结构极限强度优化设计丁健亮)康煜晗)张亮)裴志勇)(招商局金陵船舶(江苏)有限公司)扬州 )(武汉理工大学绿色智能江海直达船舶与邮轮游艇研究中心)武汉 )摘要:文中针对船体结构极限强度优化设计,确定设计变量及其变化范围,采用基于半解析方法得到单元应力应变关系的S m i t h方法计算船体梁极限强度,对各设计方案结果进行比较分析,从极限承载能力角度出发确定结构设计方案说明了设计变量选取原则及变化范围的设定,极限强度优化分析的过程以及可能提高的极限承载能力程度和可能减轻结构重量的程度关键词:结构优化设计;极限强度;S m i t h法;逐次崩溃分析中图法分类号:U d o i:/j i s s n 收稿日期:第一作者:丁健亮(),男,高级工程师,主要研究领域为船舶工程通信作者:裴志勇(),男,博士,教授,主要研究领域为船体结构安全可靠性引言为有效实现船舶能效提升,减重增载为船舶界共同努力的目标在船体结构安全可靠前提下探寻轻量化结构设计方案逐渐成为研究热点,受到国内外学者广泛关注研究 船 体 结 构 极 限 强 度 的 方 法 有S m i t h法、非线性有限元法和理想结构单元法S m i t h方法因简单易行得以广泛应用,已经作为标准方法纳入了散货船、油船的共同结构规范体系,指导上述两种船型的极限强度校核 由于该方法的计算精度取决于单元应力应变关系的准确性,随后很多学者各自提出了不同的方法来计算单元的应力应变关系,并将其应用于船体梁的逐次崩溃分析中利用船体梁崩溃分析结果寻求更合理更理性的结构配置,可提高船体结构性能,对于确保船舶在遭遇极限海况下的安全性,具有重要的意义然而结构崩溃分析涉及材料非线性和几何非线性,是一个相对复杂、耗时的求解过程,这使得从极限强度角度出发进行结构优化设计的工作进展缓慢鉴于此,文中基于弹性大变形分析和刚塑性力学分析相结合获得单元的平均应力平均应变关系,采用S m i t h法进行结构崩溃分析,对目标散货船设置优化变量,形成系列结构方案,进行多方案结构极限承载能力分析,得到相同重量下的最大极限强度方案或相同承载力下的最轻结构方案极限强度优化分析系统 分析系统整个分析系统包括前处理、求解器和后处理三个部分根据各方案极限承载能力和结构重量的关系,可得出在保持结构重量不变的前提下,通过合理配置各构件可提高极限承载能力的程度,在保持结构承载能力相同的情况下,可减轻结构重量的程度分析流程见图图极限强度优化系统计算流程 S m i t h法S m i t h法在分析过程中,作了如下假设:平断面假定,即船体梁横剖面在弯曲后仍保持平面,应变沿垂向呈线性分布;计算模型取为相邻横框架间距,不考虑横框架对纵向构件的转动约束;剖面被离散成一系列单元,认为单元间无相互作用;材料为理想弹塑性材料S m i t h法在进行逐次崩溃分析时,先将剖面离散成各个单元,在端面施加转角,计算各单元的应变量,由单元应力应变关系可求得相应的应力,再次积分即可得到相应的弯矩;继续增加转角,就会得到一系列弯矩和转角的关系将转角除以横框架间距即得到相应的曲率,从而得到船体梁的弯矩曲率关系曲线求解步骤参见文献 单元平均应力平均应变关系单元的平均应力平均应变关系对S m i t h法求解船体梁极限强度起重要作用文中采用弹性大变形分析和刚塑性力学分析相结合的半解析方法,将弹性大变形分析和刚塑性力学分析结合起来推导加强筋间的板格在纵向压缩作用下的平均应力平均应变关系,根据作用在加筋板单元上的力和弯矩的平衡条件推导出加筋板的平均应力平均应变关系曲线对于长度为a宽度为b的板格而言,其塑性力学模型见图由刚塑性力学分析可得其平均应力平均应变关系为m(/)m/(/)A()()m(/)m/(/)A()()式中:/Y;AA/t;m;mm/m;m m/m 图板格的塑性力学模型对于一个abt mm mm mm的矩形板格,其平均应力与面外变形关系曲线见图如果将弹性大变形分析和刚塑性分析结合起来,则图中所示a点即为其极限强度,这比非线性有限元结果小很多,而且后极限强度也比非线性有限元低很多鉴于此,将刚塑性分析计算式()()修订为m(/)m/(/)A()()m(/)m/(/)A()()按式()式()进行的刚塑性分析结果见图,在后极限强度区域与非线性有限元结果吻合很好图各种方法得到的平均应力面外变形关系曲线因此,板格的平均应力和面外变形的关系可表示为:弹性阶段(初始屈服A点之前)按弹性大变形分析来求解;弹塑性阶段(A点和C点之间)按虚线所示过渡方程来求解;塑性阶段(C点以后)按修正后的刚塑性力学分析来求解极限强度优化分析 计算模型以一艘 t单壳散货船为例,该船为双底、单壳结构,设置顶边舱,其横剖面计算模型见图该船主要尺度见表图计算散货船横剖面模型表单壳散货船主尺度项目数值项目数值垂线间长Lp p/m 吃水(满载)d/m 船宽B/m 货舱数型深D/m 计算时构件尺寸均采用净尺寸,即总尺寸(图面尺寸)减去腐蚀余量的一半原始设计方案的甲武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷板厚度、纵骨间距及纵骨尺寸等见表以横框架为基准,向首尾方向各取半个横框架间距(横框架间距 mm)的各纵向构件构成“双跨”剖面模型,材 料 全 部 采 用 高 强 度 钢,屈 服 应 力 为 MP a 相对而言,双层底结构一般较甲板结构要强,中拱极限弯矩比中垂极限弯矩要大,因此在本文的研究中,仅考虑中垂状态,通过合理配置甲板各纵向构件尺寸从极限强度角度探讨结构优化设计表原始设计方案甲板各主要构件尺寸单位:mm构件名称数值甲板厚度 甲板纵骨间距 纵骨腹板高度 纵骨腹板厚度 纵骨翼板宽度 纵骨翼板厚度 中垂状态下原始设计方案的逐次崩溃行为用基于半解析方法得到单元应力应变关系的S m i t h法对原始设计方案的“双跨”剖面模型进行中垂状态下的逐次崩溃分析,得到弯矩曲率关系曲线以及不同载荷水平的应力分布,分别见图图中的实心椭圆为该构件已经发生了屈曲在初始阶段,结构呈弹性状态,应力沿高度方向线性分布(见图 a),相应的弯矩水平见图中A点;随着弯矩的增加,相应的应力也增加,但构件尚未屈曲,应力沿高度方向仍呈线性分布(见图 b),弯矩水平达到图中B点;随着载荷的进一步增加,甲板结构离中和轴最远,率先发生屈曲,随后整体结构丧失承载能力,达到极限强度状态,应力分布见图 c);甲板结构屈曲以后,应力会重新分配,顶边舱底板和舷侧板顶部也相继发生屈曲,变形增大的同时,断面弯矩急剧降低,应力分布见图 d)图弯矩曲率曲线另外,对该“双跨”剖面模型还用非线性有限元软件包(MA R C)进行了逐次崩溃分析,分析过图逐次崩溃过程中的应力分布程中采用同S m i t h法相同的思路,即通过在端部施加转角来得到弯矩和相应曲率的关系曲线非线性有限元分析结果同S m i t h法的结果比较于图,极限强度以后非线性有限元呈现稍低的强度,极限强度值则比S m i t h法结果稍大,但相差在 以内,说明两种方法计算的极限强度能较好吻合 各变量参数的设定由 的计算结果可知,中垂状态下由于甲板结构的屈曲使得船体剖面到达极限状态丧失承载能力,因此甲板结构各主要参数,如甲板厚度、甲板纵骨间距、纵骨腹板高度、纵骨腹板厚度、纵骨翼板宽度、纵骨翼板厚度等,对中垂状态下船体梁极限强度起决定性作用由于极限承载能力分析涉及材料非线性和几何非线性,计算量大,耗费较长,因此要严格控制总方案数量,否则可能由于计算时间过长而无法实施考虑到实际状况以及相关规范条文的规定,甲板厚度变化范围从 mm,每方案厚度变化量设为 mm,共五种甲板厚度;甲板纵骨间距从 mm,每方案变化量设为 mm,共考虑五种不同的间距;纵骨腹板高度从 间隔 mm变化到 mm,共五种不同高度;纵骨腹板厚度从 mm,共五种厚度;纵骨翼板宽度一般按照标准选取,为减少最终的组合方案数,对纵骨翼板宽度取设计方案的 mm;纵骨翼板厚度间隔 mm,从 mm共五种不同厚度各参数的变化量及相应的变化个数的设定总结见表组合上述各参数,生成极限强度优化设计各方案,总共有 种方案,相应各参数的数值分别见表 计算结果及分析对于上述 种方案,分别用S m i t h法计算各方案的极限强度,同时计算各方案相对于原始设计方案的重量变化量,并将各方案的极限强度值与重量变化量表示于图中图中粗实线表第期丁健亮,等:船体结构极限强度优化设计表各参数变化量及个数参数变化量及个数甲板厚度/mm 甲板厚度变化个数甲板纵骨间距/mm 纵骨间距变化个数纵骨腹板高度/mm 腹板高度变化个数纵骨腹板厚度/mm 腹板厚度变化个数纵骨翼板厚度/mm 翼板厚度变化个数表各参数的取值单位:mm参数取值甲板厚度 ,甲板纵骨间距 ,纵骨腹板高度 ,纵骨腹板厚度 ,纵骨翼板宽度 纵骨翼板厚度 ,示原始设计方案(相应甲板各构件尺寸见表)的极限强度值,粗实线以上区域的极限强度值均不小于原始设计方案,认为粗实线以上区域的各方案为可实行方案从图中可以看出,在极限承载能力不小于原始设计方案的情况下,结构重量最大可减轻;在不增加结构重量的前提下,极限承载能力最大可提高,同时结构重量还稍有减轻,该方案各甲板构件尺寸以及与设计方案的比较列于表表优化后甲板构件尺寸及相对原始设计方案的变化量单位:mm甲板厚度甲板纵骨间距纵骨腹板高度纵骨腹板厚度纵骨翼板宽度纵骨翼板厚度最大承载能力 原始设计方案 相对变化量 图各方案极限强度重量变化量关系相对于原始设计方案,不增加结构重量前提下的最大承载能力方案的甲板纵骨间距及纵骨腹板高度有所减小,同时甲板板厚及纵骨腹板厚度稍有增加纵骨间距的减小和甲板厚度的增加意味着板格抗屈曲和屈服能力的增强;同样道理,纵骨腹板高度的减小和腹板厚度的增加使得加强筋抗屈曲和屈服能力的提高,同时离中和轴的最远距离也有效减小,这些都对提高极限承载能力有利需要注意的是,甲板板、甲板纵骨腹板以及纵骨翼板是相互作用着的,合理配置相关尺寸,才能使得加筋板结构具有更强的承载能力,从而提高船体梁的极限强度另外,对中和轴以上各主要构件,如甲板厚度、顶边舱底板厚度、舷侧外板厚度、甲板纵骨尺寸、顶边舱底板的纵骨尺寸、舷侧外板的纵骨尺寸等,还进行了极限强度敏感度分析,得到各参数重量变化量和极限强度变化量的关系,见图由图可知:各主要构件极限强度变化量随重量变化量大致呈线性变化;甲板板对于极限强度最为敏感,依次分别为甲板纵骨、舷侧外板、顶边舱底板和舷侧外板纵骨,顶边舱底板纵骨最不敏感也就是说甲板板可以较小的重量变化量获得较大的极限强度变化,而顶边舱底板纵骨需重量增加较多才能得到一点极限强度的增加因此对于设计中极限强度不能满足要求的情况,可首先考虑增加甲板厚度,而不是加大顶边舱底板的纵骨尺寸等对极限强度不敏感的构件尺寸图各参数重量变化对极限强度的影响关系图结 束 语文中将弹性大变形分析和刚塑性力学分析相结合分析板格在纵向压缩作用下的平均应力平均应变关系,根据作用在加筋板单元上的力和弯矩的平衡条件推导出加筋板的平均应力平均应变关系根 据 这 些 单 元 的 应 力 应 变 关 系 运 用S m i t h法对船体剖面进行了逐次崩溃分析,得到船体梁的极限强度以一单壳散货船为研究对象,武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷开展了中垂状态下的极限强度分析,S m i t h法得到的结果跟非线性有限元结果能较好吻合基于甲板结构各主要参数的变化范围,对各方案采用S m i t h法计算相应的极限强度,得到各方案的极限承载能力和相应的重量变化的关系通过多方案计算结果比较分析可得出在极限承载能力不小于初始设计方案的情况下,结构重量最大可减轻;在不增加结构重量的前提下,极限承载能力最大可提高 另外,本文还对甲板板、顶边舱底板、舷侧外板、甲板纵骨、顶边舱底板纵骨以及舷侧外板纵骨等进行了极限强度敏感度分析,结果表明:对极限强度敏感性依次为甲板板、甲板纵骨、舷侧外板、顶边舱底板、舷侧外板纵骨和顶边舱底板纵骨,说明甲板板重量的增加对于提高极限强度最为有效,而顶边舱底板纵骨的效果最微参 考 文 献S M I THCS I n f l u e n c eo fl o c a lc o m p r e s s i v ef a i l u r eo n u l t i m a t el o n g i t u d i n a ls t r e n g t ho fas h i p sh u l lC P R A D S,T o k y o,AML A S H IH,MOAN TU l t i m a t es t r e n g t ha n a l y s i so fab u l kc a r r i e rh u l lg i r d e ru n d e ra l t e r n a t eh o l dl o a d i n g ac a s es t u d y,p a r t:n o n l i n e a r f i n i t ee l e m e n tm o d e l l i n ga n du l t i m a t eh u l l g i r d e rc a p a c i t yJM a r i n eS t r u c t u r e s,():P E IZ,I I J I MA K,F U J I KU B O M,e ta lS i m u l a t i o no np r o g r e s s i v ec o l l a p s eb e h a v i o u ro fw h o l e s h i pm o d e lu n d e r e x t r e m ew a v e su s i n g i d e a l i z e ds t r u c t u r a l u n i tm e t h o dJM a r i n eS t r u c t u r e s,():伍友军,万琪,周博船体极限强度非线性有限元计算方法J船舶与海洋工程,():,裴志勇,郑培培,朱波理想结构桁单元的开发及其应用J武汉理工大学学报(交通科学与工程版),():裴志勇,田中智行,藤久保昌彦,等散货船隔舱重载下极限强度简易计算方法研究J船舶力学,():彭霞锋舰船甲板结构的极限强度研究与结构优化J舰船科学技术,():YA OT,N I K O L OVP P r o g r e s s i v e c o l l a p s ea n a l y s i so f s h i p sh u l lg i r d e ru n d e r l o n g i t u d i n a lb e n d i n gJJ S o c N a v a lA r c h i t e c t so fJ a p a n,():杨桂通弹塑性力学引论M北京:清华大学出版社,O p t i m a lD e s i g no fU l t i m a t eS t r e n g t ho fH u l lS t r u c t u r eD I N GJ i a n l i a n g)K A N GY u h a n)Z H A N GL i a n g)P E IZ h i y o n g)(C h i n aM e r c h a n t sJ i n l i n gS h i p y a r d(N a n j i n g)C oL t d,Y a n g z h o u ,C h i n a)(G r e e n&S m a r tR i v e r s e a g o i n gS h i p,C r u i s e a n dY a c h tR e s e a r c hC e n t r e,W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h eo p t i m a l d e s i g no fu l t i m a t es t r e n g t ho fh u l l s t r u c t u r e,t h ed e s i g nv a r i a b l e sa n dt h e i rv a r i a t i o nr a n g e sw e r ed e t e r m i n e d,a n dt h eu l t i m a t es t r e n g t ho fh u l lb e a m w a sc a l c u l a t e db yS m i t hm e t h o db a s e do ns e m i a n a l y t i c a lm e t h o d B yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n g t h e r e s u l t so f v a r i o u sd e s i g ns c h e m e s,t h es t r u c t u r a ld e s i g ns c h e m ew a sd e t e r m i n e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y T h es e l e c t i o np r i n c i p l eo fd e s i g nv a r i a b l e sa n dt h es e t t i n go fv a r i a t i o nr a n g e,t h ep r o c e s so fu l t i m a t es t r e n g t ho p t i m i z a t i o na n a l y s i s,t h ed e g r e eo fu l t 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