船舶結(jié)構(gòu)典型節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化分析

王偉新 劉明雪 秦超

摘 要：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，安全是需要重點(diǎn)考慮的方面，而其中肘板結(jié)構(gòu)又是船舶節(jié)點(diǎn)主要結(jié)構(gòu)形式，此種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而對(duì)船舶造成破壞。而解決問(wèn)題的方法則是降低肘板節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力。因此設(shè)計(jì)工作需要結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化從而使應(yīng)力能夠相應(yīng)降低，以此確保船舶安全性能夠得到提升。本文就船舶結(jié)構(gòu)典型節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化分析。

關(guān)鍵詞：船舶結(jié)構(gòu)；典型節(jié)點(diǎn)；優(yōu)化分析

船舶作為一種交通運(yùn)輸工具相比于其它的運(yùn)輸工具有其自身優(yōu)點(diǎn)，如果船舶在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中出現(xiàn)了事故，考慮到水上環(huán)境的特殊性，就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此船舶設(shè)計(jì)工作需要將安全性置于首位，從各個(gè)方面分析可能會(huì)對(duì)船舶安全性造成影響的因素，并且通過(guò)相關(guān)措施應(yīng)用予以消除。

一、船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作分析方法與模型建立

對(duì)船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析主要利用了有限元方法，結(jié)合到專(zhuān)業(yè)軟件，通過(guò)建立模型從而達(dá)成工作目標(biāo)。船舶結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要通過(guò)節(jié)點(diǎn)相連接，因此船舶節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能會(huì)對(duì)船舶整體安全性產(chǎn)生影響。船舶在正常使用期間會(huì)受到外部力的作用，從而使船體自身受到的載荷交替變化，船舶就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的疲勞變化。通過(guò)對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，能夠找到應(yīng)力集中區(qū)域，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行控制，從而對(duì)船舶疲勞裂紋產(chǎn)生進(jìn)行控制。

二、有限元模型建立與計(jì)算

選取船舶的某一部分建立有限元模型，考慮補(bǔ)板形式存在的差異性，相應(yīng)的建立的模型也會(huì)存在差異，比如無(wú)補(bǔ)板模型，有凹口與無(wú)凹口補(bǔ)板對(duì)接模型，水密補(bǔ)板模型等。補(bǔ)板厚度與強(qiáng)橫梁腹板保持一致。強(qiáng)橫梁與水密補(bǔ)板采用的是塔接方式，由于采用的是定性分析的方式，載荷并沒(méi)有參考到實(shí)際情況下船體承載到的載荷。

通過(guò)選取某一點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析，從而可以得出結(jié)果，強(qiáng)橫梁腹板開(kāi)口，構(gòu)件有效承載面積能夠減少，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力增大。開(kāi)口會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件區(qū)域應(yīng)力集中，從而對(duì)強(qiáng)度造成一定影響。而節(jié)點(diǎn)形式不同，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力也會(huì)出現(xiàn)在不同的區(qū)域，但是通常情況下，高應(yīng)力區(qū)域會(huì)出現(xiàn)在開(kāi)口附近，具有代表性的如孔邊緣和構(gòu)件的聯(lián)接位置。某區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，其主要的原因就是開(kāi)孔導(dǎo)致了孔邊緣應(yīng)力集中?？v骨如果應(yīng)用了單球頭球扁鋼，最大應(yīng)力，無(wú)補(bǔ)板結(jié)構(gòu)應(yīng)力都會(huì)比較明顯。而采用水密板結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力則會(huì)最小。如果應(yīng)用的是對(duì)接補(bǔ)板或者是搭接補(bǔ)板形式，應(yīng)力大小會(huì)位于二者之間。

與無(wú)補(bǔ)板形式作比較，設(shè)置補(bǔ)板能夠使局部節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，而此時(shí)應(yīng)力則會(huì)相應(yīng)的降低，并且程度不同。最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置分布于強(qiáng)橫梁與補(bǔ)板連接位置，此種布局也與實(shí)際情況要符合。因此采用合理的補(bǔ)板形式以及連接形式能夠有效降低無(wú)補(bǔ)板節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)高應(yīng)力情況，能夠改善局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況，從而使結(jié)構(gòu)承載性能能夠獲得有效提升。對(duì)于水密開(kāi)孔構(gòu)件而言，需要結(jié)合到開(kāi)孔的具體形式而設(shè)計(jì)相應(yīng)的水密補(bǔ)板。確保結(jié)構(gòu)水密性獲得保障的同時(shí)，能夠保障結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)對(duì)接補(bǔ)板與搭接補(bǔ)板形式進(jìn)行比較，對(duì)接補(bǔ)板形式在節(jié)點(diǎn)應(yīng)力降低方面更加具有優(yōu)勢(shì)。

三、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)優(yōu)化指的是通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)體形狀，尺寸，拓?fù)湫问降?，從而使性能能夠滿(mǎn)足強(qiáng)度，穩(wěn)定性，柔韌性等某些性能要求，并且基于此前提實(shí)現(xiàn)成本最低，質(zhì)量最輕等目標(biāo)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型主要用來(lái)描述與實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題相關(guān)的內(nèi)容，包括了設(shè)計(jì)的條件與意圖，以及存在的各種關(guān)系式的數(shù)學(xué)表達(dá)，其實(shí)質(zhì)是各種內(nèi)在關(guān)系的數(shù)學(xué)反應(yīng)，是優(yōu)化工作開(kāi)展的基礎(chǔ)與前提。

數(shù)學(xué)模型表達(dá)設(shè)計(jì)工作內(nèi)容包括了以下部分，約束條件，設(shè)計(jì)變量，目標(biāo)函數(shù)等。約束條件指的是在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程需要滿(mǎn)足的某些限制性條件，而依據(jù)工程性質(zhì)可以將其分為性能約束與側(cè)面約束，依據(jù)數(shù)學(xué)表達(dá)式則可以將其份為等式約束與不等約束。設(shè)計(jì)變量則是指其中任何一個(gè)設(shè)計(jì)變量。目標(biāo)函數(shù)指的是在可行區(qū)域內(nèi)，求得一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)從而使目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最小，依據(jù)目標(biāo)的數(shù)量可以將其分為單目標(biāo)與多目標(biāo)優(yōu)化兩種。

形狀優(yōu)化作為一種更加高級(jí)的優(yōu)化形式，主要是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的幾何形狀進(jìn)行改變從而獲得最優(yōu)目標(biāo)。相比之下尺寸優(yōu)化主要是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)截面尺寸與板的厚度改變從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化工作目標(biāo)。二者的目標(biāo)指的是降低應(yīng)力集中或者使應(yīng)力分布力學(xué)性能得到改善，形狀優(yōu)化的方法可以將其分為非參數(shù)與參數(shù)形狀優(yōu)化兩種，對(duì)后者繼續(xù)進(jìn)行細(xì)分又可以分為形狀疊加與邊界元法。前者實(shí)現(xiàn)目標(biāo)主要是通過(guò)計(jì)算有限元，并通過(guò)建模軟件集成，在建模軟件中會(huì)給定初始變量，需要的響應(yīng)通過(guò)有限元計(jì)算獲得，并且依據(jù)響應(yīng)從而使模型的外形改變。外形通常是依據(jù)參數(shù)進(jìn)行定義的，之后利用有限元計(jì)算方法，經(jīng)過(guò)重新建模等，最終獲得滿(mǎn)足響應(yīng)。此種方法對(duì)參數(shù)化要求較高，而實(shí)際應(yīng)用的范圍也有限，通常應(yīng)用于簡(jiǎn)單形狀優(yōu)化工作。形狀疊加方法是對(duì)有限元的網(wǎng)格進(jìn)行了一定程度的改進(jìn)，在有限元計(jì)算，網(wǎng)格會(huì)依據(jù)設(shè)定條件進(jìn)行相應(yīng)的變化，從而最終獲得最優(yōu)目標(biāo)。但是應(yīng)用此種方法要求計(jì)算機(jī)性能好，并且優(yōu)化工作最終的結(jié)果依賴(lài)于網(wǎng)格變化規(guī)范模式，因此應(yīng)用于實(shí)際工作會(huì)有一定的局限性

非參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)域一般是有限元模型中某些表面節(jié)點(diǎn)，表面節(jié)點(diǎn)又可以將其劃分為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)與外部節(jié)點(diǎn)。優(yōu)化工作操作主要是以?xún)?nèi)部節(jié)點(diǎn)外法向偏移進(jìn)行控制從而使目標(biāo)得到優(yōu)化，非參數(shù)優(yōu)化工作，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以是優(yōu)化變量，可以考慮到所有可能的解。但是此種方法應(yīng)用于實(shí)際工作，設(shè)計(jì)變量十分的龐大，并且無(wú)法有效控制單元畸變，因此相比于參數(shù)化優(yōu)化，形狀優(yōu)化發(fā)展應(yīng)用比較的緩慢。

結(jié)束語(yǔ)

節(jié)點(diǎn)優(yōu)化工作雖然只是一個(gè)小問(wèn)題，但是節(jié)點(diǎn)優(yōu)化會(huì)涉及到多個(gè)方面，而從整體層面來(lái)分析，船舶設(shè)計(jì)與建設(shè)工作就是將不同的部分組裝到一個(gè)整體，因此可以將整體分解為無(wú)數(shù)個(gè)小部分。節(jié)點(diǎn)優(yōu)化工作不會(huì)耗用大量的資源與時(shí)間，同時(shí)能夠通過(guò)對(duì)細(xì)小環(huán)節(jié)改善從而使整體船舶的質(zhì)量得到改善。節(jié)點(diǎn)優(yōu)化工作的意義就在于能夠通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)改善，從而使結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能改善，由于部件之間存在密切聯(lián)系，一旦其中某一個(gè)部分發(fā)生了變化就會(huì)產(chǎn)生一系列的反應(yīng)，因此通過(guò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，能夠通過(guò)細(xì)小的切入口最終達(dá)成整體性目標(biāo)。而設(shè)計(jì)與工作人員則只需要在具體操作的過(guò)程中注意某些問(wèn)題，確保整體優(yōu)化工作能夠順利完成。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆晉輝，蔡斯淵，王德禹.船舶結(jié)構(gòu)典型節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2011（33）.

[2]魏小梅，郭巍.探究?jī)?yōu)化船舶結(jié)構(gòu)典型節(jié)點(diǎn)的具體方法[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015（36）.

[3]朱召江，朱江，盧敏菊.節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)在船體結(jié)構(gòu)的分析[J].中國(guó)科技投資，2016（26）.