艾海峰1 陳志堅1 陳煒然1 王志鵬2

1．海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院 武漢 430033 2．海軍駐葫蘆島431廠軍事代表室 葫蘆島 125000

超小水線面船主機艙段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

艾海峰1 陳志堅1 陳煒然1 王志鵬2

1．海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院 武漢 430033 2．海軍駐葫蘆島431廠軍事代表室 葫蘆島 125000

采用MSC．Nastran的靜態(tài)響應(yīng)有限元分析的優(yōu)化方法，對某超小水線面船的主機艙段構(gòu)件進行優(yōu)化，降低該艙段的結(jié)構(gòu)重量，增大艙內(nèi)空間，為整船結(jié)構(gòu)模型計算中構(gòu)件參數(shù)的確定提供了依據(jù)。

超小水線面船 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 靜態(tài)響應(yīng)分析

超小水線面船是一種綜合性能比較優(yōu)秀的新船型，它兼容了水翼艇和小水線面雙體船的優(yōu)點，又可克服這些船型的一些缺陷。超小水線面船的水線面面積小，因而興波阻力小，能以較小的推進功率達到所需的航速。良好的外形特點使它在風(fēng)浪中受到的擾動力大為減小，運動加速度也變小，而運動周期加大，加上側(cè)翼的作用，可避開經(jīng)常遭遇到的波浪周期而不致發(fā)生諧搖，所以超小水線面船具有很好的機動性、快速性及穩(wěn)定性。雖然具有眾多優(yōu)點，但其發(fā)展卻緩慢，主要問題是它對自身重量十分敏感，以100 t級船為例：負(fù)載差別10 t時，單體船吃水影響0．01 m，雙體船吃水影響0．05 m，而小水線面雙體船吃水影響可能達到0．50 m，有時必須用壓載水來調(diào)整，超小水線面船要求盡量使浮心在重心之上，設(shè)計難度更大；另一方面在骨架結(jié)構(gòu)相同時，構(gòu)件的重量越大，其尺寸也會越大，這將會占用更多可利用空間，超小水線面船自身空間相對較小，內(nèi)部設(shè)備的布置也成為問題。

為減輕結(jié)構(gòu)重量，應(yīng)選擇性能好、重量輕的材料，但由于可加工、力學(xué)性能等原因，材料的選擇總是有限的。在材料確定后，對船體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，往往能取得更好的效果［1-2］。超小水線面船是由潛沒于水中提供大部分浮力的魚雷狀下體，高于水平面的箱形平臺和穿越水面連接下體和平臺的支柱三部分組成，其結(jié)構(gòu)重量主要集中在有主機安放的潛體部分，而且潛體重心位置對于整船的重心位置調(diào)節(jié)又十分重要，因此對潛體中主機所在的艙段結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化是減輕結(jié)構(gòu)重量的重要途徑。文中針對某超小水線面船在初步設(shè)計后，潛體結(jié)構(gòu)的總縱強度還有較大的富余，從減輕結(jié)構(gòu)重量增大船體利用空間的角度出發(fā)，采用有限元方法對主機艙段骨架構(gòu)件的尺寸進行優(yōu)化［2-5］。

1 優(yōu)化理論

優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型為

使W（A）＝W（a1，a2，…，aN）最小，

且滿足pi（A）≤0i＝1，2，…，L

qi（A）＝0j＝1，2，…，M

式中：W（A）——目標(biāo)函數(shù)；

A——設(shè)計變量a1到aN組成的列向量；

pi（A）——不等式約束條件；

q

i（A）——等式約束條件；

L，M——相應(yīng)約束條件的個數(shù)。

2 有限元模型

本次優(yōu)化計算采用MSC．Nastran，前后處理仍采用MSC公司的軟件MSC．Patran進行。

主機艙段由板架結(jié)構(gòu)組成，模型共有1 677個單元和938個節(jié)點，單元包括板單元705個和梁單元972個。坐標(biāo)系及整體模型見圖1。

圖1 主機艙段有限元模型

根據(jù)其自身結(jié)構(gòu)特點，把艙壁處的位移約束條件作為固定端處理。外部的靜水壓力通過MSC．Patran場函數(shù)的功能等效到艙段殼體的節(jié)點上，主機的重量通過單元分布力加載在相應(yīng)的平臺板單元節(jié)點上。

3 分析過程

3．1 原設(shè)計結(jié)構(gòu)的靜態(tài)響應(yīng)分析

原設(shè)計方案中主機艙段結(jié)構(gòu)總重量為

材料的彈性模量為

泊松比為

密度為

它們的尺寸及相應(yīng)重量見表1。

表1 主要型材、板的尺寸及相應(yīng)重量

材料的抗拉強度為σb≥310 MPa；

屈服點為σ0．2≥250 MPa；

延伸率δ≥10%。

由相關(guān)艦艇的設(shè)計經(jīng)驗，其許用應(yīng)力取為

［σ］＝0．65σ0．2＝162．5 MPa

對模型進行靜態(tài)響應(yīng)分析，彎曲應(yīng)力和位移分布分別見圖2、3。

圖2 靜載荷作用下的彎曲應(yīng)力分布

圖3 靜載荷作用下的位移分布

從圖2、3中可以看出梁的最大彎曲應(yīng)力為123．0 MPa小于其許用應(yīng)力。最大位移發(fā)生在殼的頂部為4．34 mm，與撓度要求相比還較小。因此，原結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中構(gòu)件的材料性能還可進一步開發(fā)，需要進行優(yōu)化處理。

3．2 優(yōu)化分析

將結(jié)構(gòu)總重量最小作為目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計變量為表1中所示的T型材的腹板寬度a1、面板寬度a2、角材的長邊寬度a3、短邊寬度a4、板厚a5，約束條件［1］包括構(gòu)件尺寸、應(yīng)力、位移約束，見表2。

表2 約束條件

尺寸約束按相關(guān)設(shè)備安裝要求確定，應(yīng)力約束按材料強度要求決定，位移約束按抗失穩(wěn)及結(jié)構(gòu)剛度要求選取。但由于工程實際，在以上尺寸約束下，角材只有4種選擇：L9．0／5．6／0．6、L8．0／5．0／0．6、L7．5／5．0／0．6，板的厚度一般可取0．4、0．6、0．8 cm，于是問題變?yōu)?種角材與3種板的9種選擇組合下尋求最優(yōu)的T型材腹板寬度a1及面板寬度a2，這樣就減少了計算量。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，原主要型材、板的尺寸及相應(yīng)重量結(jié)果見表3，其彎曲應(yīng)力和位移分布分別見圖4、5。

表3 優(yōu)化后主要型材、板的尺寸及相應(yīng)重量

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后靜載荷作用下的彎曲應(yīng)力分布

圖5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后靜載荷作用下的位移分布

采用表3所示的骨材及板之后，結(jié)構(gòu)重量變?yōu)閃′（A）＝4 578 kg，與原結(jié)構(gòu)相比重量減少了5．78%。從圖4中可以看出結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的梁的最大彎曲應(yīng)力為145．0 MPa仍小于其許用應(yīng)力162．5 MPa。由圖5可知最大位移為4．49 mm，仍滿足剛度要求。

4 結(jié)論

結(jié)合工程實際，將主機艙段的主要重量構(gòu)件通過MSC．Nastran優(yōu)化處理后，結(jié)構(gòu)條件得到較好的改善，與原結(jié)構(gòu)相比重量減少5．78%，潛體內(nèi)部空間直徑增大20 mm。雖然在建模過程中邊界條件及局部結(jié)構(gòu)作了近似處理，但為整船設(shè)計提供了更為合理的構(gòu)件尺寸。

［1］俞銘華，謝祚水．船舶中剖面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究進展［J］．1998，12（3）：36-41．

［2］葉 勇，朱若艷．基于有限元分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法［J］．機械，2004，31（11）：18-20．

［3］印 鐵，蘇世明．有限單元法在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)用［J］．光電技術(shù)應(yīng)用，2003（3）：44-47．

［4］謝永和，黃 ?。谌S造型的船體艙段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］．研究與開發(fā)，2001（8）：47-48．

［5］毛筱菲，譚廷壽．小水線面雙體船（SWATH）優(yōu)化設(shè)計及數(shù)值方法［J］．船海工程，2005（特刊）：113-119．

Structural optimal design of the main frame of the microminiature waterplane area yacht

AI Hai-feng1CHEN Zhi-jian1CHEN Wei-ran1WANG Zhi-peng2
1．School of Naval Architecture and Power Naval University of Engineering Wuhan 430033 2．Naval Dept．of Representative of 431 Factory Huludao 125000

The members of main frame of the micro-miniature waterplane area yacht are optimized by direct strength analysis in MSC．Nastran．The structural weight of the cabin was reduced while its capacity was enlarged．The optimal scantlings of members can provide references for the design of the whole hull．

micro-miniature waterplane area yacht structural optimization static response analysis

U661．4

A

1671-7953（2007）02-0025-03

2006-09-08

修回日期2006-10-12

艾海峰（1983—），男，碩士生。