，，

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063)

IACS《散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》于2006年4月1日開始實(shí)施。其中有很多技術(shù)亮點(diǎn)，包括采用了新的凈尺度概念等。

所謂“凈尺寸”，即為從船舶新建階段開始一直到整個(gè)船舶設(shè)計(jì)壽命中都得以保持的厚度，以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，它提供了結(jié)構(gòu)承受載荷所需的強(qiáng)度特征，不包括任何船舶運(yùn)營期間可能發(fā)生的腐蝕余量和船東自愿增加的厚度。

我國現(xiàn)行的各種船舶入級(jí)規(guī)范都是基于構(gòu)件的建造厚度以及相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律、統(tǒng)計(jì)結(jié)果和研究手段等建立的，與凈尺寸的要求有一定的距離。

從理論和實(shí)用的角度上說，將船舶運(yùn)營期間可能發(fā)生的腐蝕余量(和磨耗余量等)從船體構(gòu)件的建造厚度中剝離出去，采用凈尺寸的概念對(duì)船體構(gòu)件的最低要求進(jìn)行規(guī)定，對(duì)于確保船舶結(jié)構(gòu)在全生命周期內(nèi)的安全是合理的和必要的。

針對(duì)江海通航船的特點(diǎn)和要求、根據(jù)目前所掌握的計(jì)算分析手段，認(rèn)為所研究的“凈尺寸”應(yīng)該保證的項(xiàng)目應(yīng)有所側(cè)重：疲勞強(qiáng)度暫不考慮，極限強(qiáng)度不予考慮，所得到的“凈尺寸”實(shí)際為對(duì)應(yīng)于“等效設(shè)計(jì)波”的波浪載荷以及船舶正常的裝載狀態(tài)，船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足屈服強(qiáng)度和板格穩(wěn)定最低要求的最小厚度。

1 計(jì)算模型

1.1 主尺度及結(jié)構(gòu)形式

總長：112.50 m；水線長：110.00 m；型寬：24.40 m；型深：8.20 m；方形系數(shù)：0.862。

雙尾、首部球鼻首。2個(gè)大開口貨艙，范圍分別為：No.2從Fr28～Fr90，長度40.3 m；No.1從Fr92～Fr152，長度39.0 m。船中處的橫艙壁為雙壁艙壁，內(nèi)部垂直桁、水平桁與底縱桁、平臺(tái)甲板位置對(duì)應(yīng)。計(jì)算模型見圖1。

圖1 計(jì)算模

1.2 應(yīng)力評(píng)估范圍

取0.2L～0.8L范圍內(nèi)的主要(板殼)構(gòu)件的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

直接計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)表明：在常規(guī)的計(jì)算(不考慮艙口蓋的剛度)情況下，對(duì)于常規(guī)設(shè)計(jì)的艙口圍板及其面板、艙口處甲板，其強(qiáng)度一般都難以滿足。故本文中僅提取其應(yīng)力但不修改其板厚，在優(yōu)化完成后建議根據(jù)其應(yīng)力狀況進(jìn)行局部加強(qiáng)。

該范圍內(nèi)主要構(gòu)件的分組見表1。其中各主要構(gòu)件的初始設(shè)計(jì)尺寸以及縱骨和骨材不變。

表1 應(yīng)力評(píng)估范圍內(nèi)主要構(gòu)件分組

續(xù)表1

2 邊界條件及載荷

2.1 慣性釋放

航行的船舶結(jié)構(gòu)處于“全自由”狀態(tài),但是對(duì)它進(jìn)行有限元靜力分析計(jì)算時(shí),不能處理為全自由結(jié)構(gòu)。

慣性釋放[1]是MSC.NASTRAN或ANSYS中的一個(gè)高級(jí)應(yīng)用,允許對(duì)完全無約束的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。它對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元直接計(jì)算具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。如果結(jié)構(gòu)上作用有一個(gè)自平衡力系或者作用(如溫度載荷或電磁載荷等),即使完全不受約束的全自由結(jié)構(gòu),也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力;但此時(shí)在結(jié)構(gòu)上任意一點(diǎn)進(jìn)行約束,得到的反力應(yīng)該等于0。

2.2 計(jì)算工況

考慮在壓載出港、滿載出港、半載出港3種載況下，船體在不同的波浪條件作用下的21種工況，見表2。

按照《江海通航船舶檢驗(yàn)指南》2.3.5.2條的規(guī)定，大開口船舶計(jì)算工況考慮下列波浪條件：隨(迎)浪工況；斜浪60°工況；橫浪工況。

在計(jì)算模型中，施加了以下幾種載荷：

1) 空船重量。

2) 貨物壓力(包括礦石貨物或者壓載水)。

3) 舷外水壓力(考慮靜水、中拱波浪以及中垂波浪等波浪條件，以“等效設(shè)計(jì)波”的概念、用“理想”波面以靜水壓力的形式處理舷外水壓力)。

表2 不同波浪條件下的21種工況

2.3 調(diào)整外力平衡

要得到一個(gè)精確平衡的外力極其困難。為了盡量減小由于外力的不平衡程度太高而造成的計(jì)算結(jié)果有較大的誤差，本次計(jì)算中對(duì)各工況下計(jì)算得到的舷外水壓力進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使得外力中的垂向合力(重力與浮力)基本平衡，以此作為外力平衡的基本要求[3]。

3 本船優(yōu)化方法

3.1 優(yōu)化算法

由于本船所涉及到的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量21個(gè)、工況21個(gè)，屬于多工況多變量的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[4]，變量之間互相影響關(guān)系復(fù)雜，一般的數(shù)學(xué)優(yōu)化算法比較難以實(shí)現(xiàn)。

若余量為正值說明強(qiáng)度不夠，需要加大板厚；若余量為負(fù)值說明板厚有富余，需要減小。

顯然，希望屈服余量、屈曲余量都在±5%以內(nèi)，但是這樣不可能做到。

實(shí)際情況是每組板屈服余量或者屈曲余量之一在±5%范圍之內(nèi)(一些構(gòu)件是以屈服強(qiáng)度控制的，其屈曲有一定的富余；而有些構(gòu)件是以屈曲強(qiáng)度控制的，屈服強(qiáng)度有一定的富余。)另一個(gè)余量小于5%。

在本文編制的FORTRAN程序中不僅給出了余量衡準(zhǔn)，即判斷余量是否在±5%以內(nèi)，若在為“yes”,反之為“no”；而且給出了應(yīng)力衡準(zhǔn)，即最大應(yīng)力是否超出相應(yīng)的許用應(yīng)力和臨界應(yīng)力，若沒超出為“yes”,反之為“no”。

對(duì)于屈服余量不滿足要求(±5%以外)，則取新板厚為t(i+1)=t(i)×(1+Yul(i))

取屈服強(qiáng)度分析和屈曲強(qiáng)度分析的兩個(gè)新板厚中的最大值為修正板厚，這樣保證了程序的收斂，也保證了最后板厚使得某一余量在±5%范圍之內(nèi)，另一余量小于5%(基本上有較大的富余)。

3.2 優(yōu)化過程中各程序

3.2.1 結(jié)果后處理的PCL程序

每次計(jì)算完成后需要提取0.2L～0.8L范圍內(nèi)的主要(板殼)構(gòu)件的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

由于涉及到21個(gè)組在21個(gè)工況作用下的應(yīng)力結(jié)果，所以有必要編寫PCL程序?qū)?shù)據(jù)庫直接讀取結(jié)果。利用res_data_load_dbresult()， res_display_report_create()， res_display_report_write()編寫循環(huán)程序，提取21個(gè)組在21個(gè)工況分別作用下的應(yīng)力結(jié)果，將shell、beam單元的應(yīng)力值[2]分別寫到shell.txt,beam.txt文件中便于后面再處理。

3.2.2 結(jié)果后處理的FORTRAN程序

利用FORTRAN程序，提取shell.txt,beam.txt文件中所需應(yīng)力，并評(píng)判21個(gè)組分別在21個(gè)工況作用下的最大應(yīng)力值是否超過許用屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)和屈曲臨界應(yīng)力，并且根據(jù)屈服、屈曲強(qiáng)度的不足或者富余編寫算法分別建議新板厚。在屈服和屈曲分析分別建議的新板厚中，再建議修正板厚并寫入thickness.txt文件。

3.2.3 PCL參數(shù)化修改板厚程序

利用FORTRAN程序讀取修正板厚文件thickness.txt中各組板厚數(shù)值，并寫入PCL程序elementprops_modify()中，修正21個(gè)組的板厚(其中艙口處甲板、艙口圍板及其面板厚度不修改)。

3.3 結(jié)果分析

經(jīng)過5次優(yōu)化計(jì)算后，結(jié)果收斂，所有各組構(gòu)件(不包括未修正的3組)，都能滿足屈服、屈曲強(qiáng)度要求(低于許用標(biāo)準(zhǔn)或不超過許用標(biāo)準(zhǔn)的5%)，見表3。

主甲板、殼下縱桁屈服屈曲余量都能控制在5%以內(nèi)，中縱桁、旁縱桁、實(shí)肋板、橫框架由屈服強(qiáng)度控制，其余各組構(gòu)件都由屈曲強(qiáng)度控制。

未修正的3組，其中角隅甲板屈服屈曲強(qiáng)度都能滿足；艙口圍板、艙圍面板在船中部分屈服屈曲強(qiáng)度均不足，需要局部加強(qiáng)，見表4。

表3 修正后的構(gòu)件屈服強(qiáng)度分析

表4 未經(jīng)修正的構(gòu)件計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

1) 同時(shí)考慮屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度的“凈尺寸”研究是可行的。

2) 文中的優(yōu)化算法是可行的，計(jì)算5次即收斂。

3) 有相當(dāng)大一部分構(gòu)件是由屈曲強(qiáng)度控制的，所以進(jìn)行屈曲分析是必要的。

4) 在優(yōu)化的過程中，沒有考慮角隅甲板、艙口圍板、艙圍面板的強(qiáng)度。直接計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)表明：在常規(guī)的計(jì)算(不考慮艙口蓋的剛度)情況下，對(duì)于常規(guī)設(shè)計(jì)的艙口圍板及其面板，其強(qiáng)度一般都難以滿足。而且其整體應(yīng)力水平并不十分大，只是在船中貨艙區(qū)橫艙壁處較大，沒有必要為了滿足局部的應(yīng)力集中，而加大整個(gè)構(gòu)件的尺寸，而且這樣也容易導(dǎo)致其他尺寸的不可信。

雖說達(dá)到了預(yù)期的研究目標(biāo)，但這其中也存在一些不足，對(duì)于這種復(fù)雜情況下的優(yōu)化還需要進(jìn)一步不斷的努力，具體為：

1) 得到的“凈尺寸”優(yōu)化解不一定是全局最優(yōu)解，對(duì)于每次計(jì)算后修正板厚的算法，還需要進(jìn)一步的研究，以期能找到全局的最優(yōu)解。

2) 由于優(yōu)選的過程中，沒有改變結(jié)構(gòu)形式以及骨材的截面和分布，所以所得到的優(yōu)選結(jié)果是：在給定的結(jié)構(gòu)形式和骨架尺寸，在“等效設(shè)計(jì)波”載荷條件下，同時(shí)滿足屈服強(qiáng)度以及屈曲最低要求的“凈板厚”。能否進(jìn)一步同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)形式以及骨材的截面和分布。

3) “等效設(shè)計(jì)波面”的方法施加的波浪狀態(tài)下的載荷，與規(guī)范要求的載荷(波浪彎矩)之間的相互關(guān)系，需要進(jìn)行深入細(xì)致的研究。

[1] 張少雄，楊永謙.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算中慣性釋放的應(yīng)用[J].中國艦船研究.2006(2)：40-43.

[2] 張少雄，李雪良.船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算中板單元應(yīng)力的取法[J].船舶工程，2004(3):36-39.

[3] 張延輝.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算中載荷平衡方法研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

[4] 錢令希.工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京:水利電力出版社，1983.

[5] 隋允康.建模·變換·優(yōu)化—結(jié)構(gòu)綜合方法新進(jìn)展[M].大連:大連理工大學(xué)出版社.1996.