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(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日開始實施。其中有很多技術(shù)亮點，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船舶設(shè)計壽命中都得以保持的厚度，以滿足結(jié)構(gòu)強度的要求，它提供了結(jié)構(gòu)承受載荷所需的強度特征，不包括任何船舶運營期間可能發(fā)生的腐蝕余量和船東自愿增加的厚度。

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

從理論和實用的角度上說，將船舶運營期間可能發(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船體構(gòu)件的最低要求進行規(guī)定，對于確保船舶結(jié)構(gòu)在全生命周期內(nèi)的安全是合理的和必要的。

針對江海通航船的特點和要求、根據(jù)目前所掌握的計算分析手段，認為所研究的“凈尺寸”應(yīng)該保證的項目應(yīng)有所側(cè)重：疲勞強度暫不考慮，極限強度不予考慮，所得到的“凈尺寸”實際為對應(yīng)于“等效設(shè)計波”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)件滿足屈服強度和板格穩(wěn)定最低要求的最小厚度。

1 計算模型

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、平臺甲板位置對應(yīng)。計算模型見圖1。

圖1 計算模

1.2 應(yīng)力評估范圍

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

直接計算的經(jīng)驗表明：在常規(guī)的計算(不考慮艙口蓋的剛度)情況下，對于常規(guī)設(shè)計的艙口圍板及其面板、艙口處甲板，其強度一般都難以滿足。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)力狀況進行局部加強。

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)計尺寸以及縱骨和骨材不變。

表1 應(yīng)力評估范圍內(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),但是對它進行有限元靜力分析計算時,不能處理為全自由結(jié)構(gòu)。

慣性釋放[1]是MSC.NASTRAN或ANSYS中的一個高級應(yīng)用,允許對完全無約束的結(jié)構(gòu)進行靜力分析。它對于船舶結(jié)構(gòu)強度的有限元直接計算具有很強的實際意義。如果結(jié)構(gòu)上作用有一個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),也會產(chǎn)生應(yīng)力;但此時在結(jié)構(gòu)上任意一點進行約束,得到的反力應(yīng)該等于0。

2.2 計算工況

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《江海通航船舶檢驗指南》2.3.5.2條的規(guī)定，大開口船舶計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算結(jié)果有較大的誤差，本次計算中對各工況下計算得到的舷外水壓力進行適當調(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)計變量21個、工況21個，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)化算法比較難以實現(xiàn)。

若余量為正值說明強度不夠，需要加大板厚；若余量為負值說明板厚有富余，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)件是以屈服強度控制的，其屈曲有一定的富余；而有些構(gòu)件是以屈曲強度控制的，屈服強度有一定的富余。)另一個余量小于5%。

在本文編制的FORTRAN程序中不僅給出了余量衡準，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，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))

取屈服強度分析和屈曲強度分析的兩個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)果進行評估。

由于涉及到21個組在21個工況作用下的應(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個組在21個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，并評判21個組分別在21個工況作用下的最大應(yīng)力值是否超過許用屈服強度標準和屈曲臨界應(yīng)力，并且根據(jù)屈服、屈曲強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、屈曲強度要求(低于許用標準或不超過許用標準的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、實肋板、橫框架由屈服強度控制，其余各組構(gòu)件都由屈曲強度控制。

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

表3 修正后的構(gòu)件屈服強度分析

表4 未經(jīng)修正的構(gòu)件計算結(jié)果

4 結(jié)論

1) 同時考慮屈服強度和屈曲強度的“凈尺寸”研究是可行的。

2) 文中的優(yōu)化算法是可行的，計算5次即收斂。

3) 有相當大一部分構(gòu)件是由屈曲強度控制的，所以進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、艙圍面板的強度。直接計算的經(jīng)驗表明：在常規(guī)的計算(不考慮艙口蓋的剛度)情況下，對于常規(guī)設(shè)計的艙口圍板及其面板，其強度一般都難以滿足。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。

雖說達到了預(yù)期的研究目標，但這其中也存在一些不足，對于這種復(fù)雜情況下的優(yōu)化還需要進一步不斷的努力，具體為：

1) 得到的“凈尺寸”優(yōu)化解不一定是全局最優(yōu)解，對于每次計算后修正板厚的算法，還需要進一步的研究，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)計波”載荷條件下，同時滿足屈服強度以及屈曲最低要求的“凈板厚”。能否進一步同時考慮結(jié)構(gòu)形式以及骨材的截面和分布。

3) “等效設(shè)計波面”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，需要進行深入細致的研究。

[1] 張少雄，楊永謙.船體結(jié)構(gòu)強度直接計算中慣性釋放的應(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)強度直接計算中板單元應(yīng)力的取法[J].船舶工程，2004(3):36-39.

[3] 張延輝.船體結(jié)構(gòu)強度直接計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[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)綜合方法新進展[M].大連:大連理工大學(xué)出版社.1996.