HCSR油船結構優(yōu)化設計

1、 7.47.4節(jié)節(jié) HCSRHCSR油船結構油船結構優(yōu)化優(yōu)化設計設計1.1 油船油船結構特點結構特點 ）石油呈液體狀，運送過程中容易揮發(fā)、燃燒或爆炸，因此油船石油呈液體狀，運送過程中容易揮發(fā)、燃燒或爆炸，因此油船在布置構造中對防火安全要求嚴格；在布置構造中對防火安全要求嚴格；）為減小石油在貨油艙內自由液面對船舶穩(wěn)性的影響，貨油艙需為減小石油在貨油艙內自由液面對船舶穩(wěn)性的影響，貨油艙需由橫、縱艙壁分隔；由橫、縱艙壁分隔；）為了增加總縱強度，船體的長深比較大，多采用縱骨架式為了增加總縱強度，船體的長深比較大，多采用縱骨架式；IMO制定了制定了MARPOL修正案，同時建立了修正案，同時建立了GBS標

2、準標準（HCSR） 單殼油船單殼油船 雙殼油船雙殼油船. 前言前言1.2 HCSR規(guī)范相比于規(guī)范相比于CSR規(guī)范的主要特點規(guī)范的主要特點CSR共性中的差異共性中的差異HCSR主要協(xié)調內容主要協(xié)調內容載荷載荷外載荷模型不一致外載荷模型不一致形成了新的載荷模型形成了新的載荷模型增加了斜浪工況增加了斜浪工況疲勞載荷的概率水平由疲勞載荷的概率水平由10-4改為改為10-2，Weibull形狀系數(shù)取為形狀系數(shù)取為1有限元分析有限元分析有限元評估范圍不同有限元評估范圍不同細網(wǎng)格網(wǎng)格精度不同細網(wǎng)格網(wǎng)格精度不同船體梁剪切修正方法不船體梁剪切修正方法不同同建模方面主要參考了建模方面主要參考了CSR-OT細網(wǎng)格大

3、小統(tǒng)一為細網(wǎng)格大小統(tǒng)一為50mm50mm明確了細網(wǎng)格法定校核區(qū)域和應力篩明確了細網(wǎng)格法定校核區(qū)域和應力篩選區(qū)域以及應力篩選衡準選區(qū)域以及應力篩選衡準屈曲強度屈曲強度高級屈曲校核方法不同高級屈曲校核方法不同采用新編寫的閉合屈曲計算公式采用新編寫的閉合屈曲計算公式疲勞強度疲勞強度疲勞評估的要求不同疲勞評估的要求不同考慮不同腐蝕環(huán)境下的疲勞累積損傷考慮不同腐蝕環(huán)境下的疲勞累積損傷統(tǒng)一采用熱點應力評估法統(tǒng)一采用熱點應力評估法S-N曲線統(tǒng)一選用曲線統(tǒng)一選用D曲線曲線除法定校核區(qū)域外，提出了疲勞篩選除法定校核區(qū)域外，提出了疲勞篩選型材的細長比要求不同型材的細長比要求不同主要支撐構件規(guī)定不同主要支撐構件規(guī)定

4、不同主要支撐構件的跨距參照主要支撐構件的跨距參照CSR-OT最小板厚取最小板厚取CSR-OT和和CSR-BC的包絡的包絡值值 1. 油船結構優(yōu)化研究的目的和意義油船結構優(yōu)化研究的目的和意義）HCSR與與CSR相比相比，雖然規(guī)范的整體結構改變不大，但由于，雖然規(guī)范的整體結構改變不大，但由于具體要求、評估準則的變化，結構強度方面的要求將高于具體要求、評估準則的變化，結構強度方面的要求將高于CSR，結構強度要求提高將以船舶結構尺寸的增加為代價，結構強度要求提高將以船舶結構尺寸的增加為代價，從而導致船舶重量的增加。從而導致船舶重量的增加。）在滿足規(guī)范要求的條件下，）在滿足規(guī)范要求的條件下，降低船舶結構

5、重量，提高材料降低船舶結構重量，提高材料利用率，降低建造成本利用率，降低建造成本，提高經(jīng)濟性與節(jié)能環(huán)保，提高經(jīng)濟性與節(jié)能環(huán)保。）大型油船結構大型油船結構優(yōu)化優(yōu)化設計研究需要綜合考慮結構安全性、經(jīng)設計研究需要綜合考慮結構安全性、經(jīng)濟性、建造工藝等一系列因素，濟性、建造工藝等一系列因素，給出較好的給出較好的結構設計結構設計方案方案。1. 結構優(yōu)化設計的特點結構優(yōu)化設計的特點 1）優(yōu)化設計就是滿足一定條件下，使某一參數(shù)達到極值優(yōu)化設計就是滿足一定條件下，使某一參數(shù)達到極值（極大值或極小值），例如造價最低、重量最輕、速度最快（極大值或極小值），例如造價最低、重量最輕、速度最快等等，制約這些參數(shù)的條件包

6、括型線變化、結構強度等。等等，制約這些參數(shù)的條件包括型線變化、結構強度等。 2）傳統(tǒng)的優(yōu)化設計是以數(shù)學理論為基礎，優(yōu)化問題的求解傳統(tǒng)的優(yōu)化設計是以數(shù)學理論為基礎，優(yōu)化問題的求解方法也局限在數(shù)值優(yōu)化方法方法也局限在數(shù)值優(yōu)化方法。 3）現(xiàn)代智能優(yōu)化算法和理論應運而生，同時，借助計算機現(xiàn)代智能優(yōu)化算法和理論應運而生，同時，借助計算機應用程序快速的進行優(yōu)化設計，為優(yōu)化設計提供了基礎。應用程序快速的進行優(yōu)化設計，為優(yōu)化設計提供了基礎。 數(shù)學模型數(shù)學模型約束條件約束條件：限制設計變量變化范圍或限制設計方限制設計變量變化范圍或限制設計方案的選取的條件。案的選取的條件。設計變量設計變量：結構優(yōu)化設計中數(shù)值可變

7、的優(yōu)化對象。結構優(yōu)化設計中數(shù)值可變的優(yōu)化對象。目標函數(shù)：目標函數(shù)：度量結構設計方案優(yōu)劣的函數(shù)。度量結構設計方案優(yōu)劣的函數(shù)。）通過建立數(shù)學模型，可以將結構優(yōu)化問題轉化成數(shù)學問通過建立數(shù)學模型，可以將結構優(yōu)化問題轉化成數(shù)學問題，由數(shù)學表達式表達題，由數(shù)學表達式表達。2 HCSR直接計算法及對油船結構重量影響分析直接計算法及對油船結構重量影響分析2. 1 有限元模型有限元模型1) X方向是沿船長方向，船首方向為正方向是沿船長方向，船首方向為正；Y方向沿船寬方向，左舷為正方向沿船寬方向，左舷為正； Z方方向沿型深方向，向上為正向沿型深方向，向上為正；2) 對板材和骨材的尺寸使用縮減尺寸，即建造厚度減去

8、對板材和骨材的尺寸使用縮減尺寸，即建造厚度減去0.5倍腐蝕增量（倍腐蝕增量（tc）的凈厚度的凈厚度；2.2 邊界條件邊界條件位置位置平移平移 旋轉旋轉xyzxy z后端面后端面獨立點獨立點-約束約束約束約束MT-end- -橫截面橫截面剛性連剛性連接接剛性連剛性連接接剛性連剛性連接接端面梁，如圖所示端面梁，如圖所示前端面前端面獨立點獨立點-約束約束約束約束約束約束- -中心線和內底板的交中心線和內底板的交點點約束約束- -橫截面橫截面-剛性連剛性連接接剛性連剛性連接接剛性連剛性連接接- -端面梁，如圖所示端面梁，如圖所示其中其中: “-”為無約束為無約束 (自由自由) 將模型前后端部處的獨立點

9、（中心線和中和軸的交點）和所有縱向連續(xù)將模型前后端部處的獨立點（中心線和中和軸的交點）和所有縱向連續(xù)構件的節(jié)點作剛性耦合，在耦合點上施加約束條件構件的節(jié)點作剛性耦合，在耦合點上施加約束條件施加在模型端部的邊界條件施加在模型端部的邊界條件端部約束梁示意圖端部約束梁示意圖2.3 船體梁載荷調整船體梁載荷調整 HCSR中，規(guī)定在三艙段有限元模型中船體梁剪力、彎矩中，規(guī)定在三艙段有限元模型中船體梁剪力、彎矩和扭矩分布需要進行調整，達到相應目標位置的目標值，和扭矩分布需要進行調整，達到相應目標位置的目標值，但調整后的剪力值、彎矩值、扭矩值不得大于船體梁調整但調整后的剪力值、彎矩值、扭矩值不得大于船體梁調

10、整的目標值的目標值。船體梁調整的目標值和目標位置船體梁調整的目標值和目標位置調整方法調整方法剪剪力力調調整整目標值：目標值：目標位置：中間艙的橫艙壁處目標位置：中間艙的橫艙壁處強框架施加節(jié)強框架施加節(jié)點力；點力；節(jié)點力按照剪節(jié)點力按照剪流理論計算；流理論計算；圖圖2.4 2.4 貨艙區(qū)剪力調整到穿過零點示意圖貨艙區(qū)剪力調整到穿過零點示意圖argargfwdafttaftSF LCsw negswaQWwv negtfwdSF LCsw posswfQWwv posQQQCQQf CQQCQQf CQ：argargfwdafttaftSF LCsw posswaQWwv postfwdSF LC

11、sw negswfQWwv negQQQCQQf CQQCQQf CQ：船體梁調整的目標值和目標位置船體梁調整的目標值和目標位置調整方法調整方法彎彎矩矩調調整整垂向彎矩目標值：垂向彎矩目標值： 水平彎矩目標值：水平彎矩目標值： 目標位置：中間艙中點處或中間艙最大目標位置：中間艙中點處或中間艙最大/ /最最小彎矩的縱向位置小彎矩的縱向位置端部剖面施加端部剖面施加節(jié)點力；節(jié)點力；節(jié)點力按照簡節(jié)點力按照簡單梁理論計算；單梁理論計算；圖圖2.5 2.5 貨艙區(qū)彎矩調整示意圖貨艙區(qū)彎矩調整示意圖argv tBM LCswwv LCMCMMLCwhthMMarg船體梁調整的目標值和目標位置船體梁調整的目標

12、值和目標位置調整方法調整方法扭扭矩矩調調整整目標值：目標值： 目標位置：如果中間艙中點處位于目標位置：如果中間艙中點處位于0.531L0.531L之后，目標位置為中間艙后艙壁，否則為之后，目標位置為中間艙后艙壁，否則為中間艙前艙壁中間艙前艙壁后 端 剖 面 獨后 端 剖 面 獨立 點 施 加 調立 點 施 加 調整值；整值；調 整 值 按 積調 整 值 按 積分 點 累 計 計分 點 累 計 計算；算；圖圖2.6 2.6 貨艙區(qū)扭矩調整的示意圖貨艙區(qū)扭矩調整的示意圖argarg()wt twt LCtMMXT endM2.4 載荷工況載荷工況 根據(jù)規(guī)范中規(guī)定的根據(jù)規(guī)范中規(guī)定的HSM、HSA、F

13、SM、BSR、BSP、OST、OSA七種等效設計波七種等效設計波，以及十四種裝載模式，組合，以及十四種裝載模式，組合形成了形成了52個載荷工況。個載荷工況。2.5 目標船基本信息目標船基本信息 滿足滿足CSR的的載重量為載重量為308,000噸的大型油船，該船為布置有噸的大型油船，該船為布置有5個貨油艙個貨油艙的雙殼油船，并由兩道油密縱艙壁將每個貨油艙分為左中右三部分，船的雙殼油船，并由兩道油密縱艙壁將每個貨油艙分為左中右三部分，船中區(qū)域肋骨間距為中區(qū)域肋骨間距為5.66m，其主尺度如，其主尺度如下下表所示。表所示。總長總長Loa330m垂線間長垂線間長Lpp320m規(guī)范船長規(guī)范船長L316.

14、22m型寬型寬B60.00m型深型深D29.80m方形系數(shù)方形系數(shù)Cb0.825設計吃水設計吃水TD20.50m結構吃水結構吃水TSC21.80m梁拱梁拱1.20m服務航速服務航速V15.7kn三艙段模型三艙段模型 其中：其中： 屈服利用因子，計算公式如下所示：屈服利用因子，計算公式如下所示：y2.6 屈服強度評估屈服強度評估 屈服強度的校核根據(jù)屈服利用因子進行校核，結構每一屈服強度的校核根據(jù)屈服利用因子進行校核，結構每一部分單元計算得出的屈服利用因子都不應該超過其許用值。部分單元計算得出的屈服利用因子都不應該超過其許用值。yyperm評估標準：評估標準：235235vmvmyyaxialax

15、ialykRkR對于板單元對于桿單元靜載荷（靜載荷（S）工況下的評估結果：）工況下的評估結果：組合載荷（組合載荷（S+D）工況下的評估結果：）工況下的評估結果：2.7 屈曲強度評估屈曲強度評估 結構屈曲強度評估時，需滿足屈曲利用因子結構屈曲強度評估時，需滿足屈曲利用因子act不大于許用屈曲利用不大于許用屈曲利用因子因子all。actall屈曲利用因子屈曲利用因子act為載荷為載荷效應效應與對應的極限能力或屈曲強度之比與對應的極限能力或屈曲強度之比：1actactucWW由組合膜應力引起的等效應力，由組合膜應力引起的等效應力， N/mm2 ；等效屈曲能力，等效屈曲能力， N/mm2 ；失效時的應

16、力乘數(shù)因子。失效時的應力乘數(shù)因子。actWuWc靜載荷（靜載荷（S）工況下的評估結果：）工況下的評估結果：組合載荷（組合載荷（S+D）工況下的評估結果：）工況下的評估結果：2.8 HCSR對油船結構重量影響分析對油船結構重量影響分析）根據(jù)以上強度評估結果，該）根據(jù)以上強度評估結果，該滿足滿足CSR的雙殼油船，的雙殼油船，在在進行基進行基于于HCSR的有限元直接計算的有限元直接計算時時，某些構件不滿足某些構件不滿足HCSR屈服或屈服或屈曲強度要求。屈曲強度要求。）可以初步得出可以初步得出HCSR對船體結構提出了更高的強度要求對船體結構提出了更高的強度要求。）在在結構結構設計過程中，需通過改變構件

17、尺寸使其滿足設計過程中，需通過改變構件尺寸使其滿足HCSR要要求，如增加板材厚度、增大加強筋尺寸等，這一過程將明顯增求，如增加板材厚度、增大加強筋尺寸等，這一過程將明顯增加結構重量。加結構重量。3 基于基于HCSR規(guī)范計算的舯剖面結構優(yōu)化規(guī)范計算的舯剖面結構優(yōu)化3.1 優(yōu)化問題的數(shù)學模型優(yōu)化問題的數(shù)學模型優(yōu)化問題的數(shù)學模型包括，設計變量、目標函數(shù)和約束條件，其數(shù)優(yōu)化問題的數(shù)學模型包括，設計變量、目標函數(shù)和約束條件，其數(shù)學表達式如下式學表達式如下式：12,max(min) ()()0,1,2,0TnmXx xxf XgXmMX或12,TnXx xxn個設計變量個設計變量12()(,)nf Xf

18、x xx目標函數(shù)目標函數(shù)，評判設計方案優(yōu)劣的函數(shù)，評判設計方案優(yōu)劣的函數(shù)()0,(1,2,)mgXmM 約束約束條件。條件。3.2 優(yōu)化算法優(yōu)化算法Click to add TextClick to add TextClick to add TextClick to add TextClick to add TextClick to add Text這里采用三種全局優(yōu)化算法：這里采用三種全局優(yōu)化算法：）多島遺傳算法（）多島遺傳算法（MIGA）；）；）模擬退火算法（）模擬退火算法（SA）；）；）粒子群算法（）粒子群算法（PSO）。）。全局優(yōu)化算法較傳統(tǒng)的優(yōu)化算法的優(yōu)點：全局優(yōu)化算法較傳統(tǒng)的優(yōu)化算

19、法的優(yōu)點： 1) 目標函數(shù)存在多峰性、非線性、非連續(xù)、不可微函數(shù)；目標函數(shù)存在多峰性、非線性、非連續(xù)、不可微函數(shù)； 2) 設計變量和約束函數(shù)可能是線性、非線性、連續(xù)或離散變量集；設計變量和約束函數(shù)可能是線性、非線性、連續(xù)或離散變量集； 3) 對于沒有任何導數(shù)、梯度信息的函數(shù)，依然可找到對于沒有任何導數(shù)、梯度信息的函數(shù)，依然可找到最優(yōu)最優(yōu)解；解； 4) 避免出現(xiàn)局部最優(yōu)解，并有效地搜索到全局最優(yōu)解避免出現(xiàn)局部最優(yōu)解，并有效地搜索到全局最優(yōu)解；）多島遺傳算法）多島遺傳算法： 優(yōu)化問題解空間中的解，可模擬為生物種群中的個體，通過對其進行編碼，將其優(yōu)化問題解空間中的解，可模擬為生物種群中的個體，通過對

20、其進行編碼，將其轉化為數(shù)學問題，解空間中的解再模擬種群個體選擇、交叉、變異的過程，通過不轉化為數(shù)學問題，解空間中的解再模擬種群個體選擇、交叉、變異的過程，通過不斷的繁衍進行種群中擇優(yōu)過程，最終找到最優(yōu)解。斷的繁衍進行種群中擇優(yōu)過程，最終找到最優(yōu)解。 遺傳算法適用于復雜非線性的優(yōu)遺傳算法適用于復雜非線性的優(yōu)化問題，是一種隨機的尋優(yōu)搜索的方法，屬于全局優(yōu)化算法。化問題，是一種隨機的尋優(yōu)搜索的方法，屬于全局優(yōu)化算法。 ）模擬退火算法）模擬退火算法：模擬退火算法是以固體退模擬退火算法是以固體退火過程的物理現(xiàn)象為基礎，火過程的物理現(xiàn)象為基礎，通過通過 迭代進迭代進行求解的一種概率性尋優(yōu)行求解的一種概率性

21、尋優(yōu)方法。在解決優(yōu)化問題時，方法。在解決優(yōu)化問題時，首先確定某一初始溫度，首先確定某一初始溫度，物質退火中溫度不斷下降，物質退火中溫度不斷下降，不同的溫度值對應著解空不同的溫度值對應著解空間內的解，通過溫度的下間內的解，通過溫度的下降過程計算解空間內的解降過程計算解空間內的解直至找到最優(yōu)解。直至找到最優(yōu)解。 Monte Carlo）粒子群算法：）粒子群算法： 通過模擬鳥群覓食的過程，通過模擬鳥群覓食的過程，而形成的基于群體智能理論的而形成的基于群體智能理論的優(yōu)化算法。優(yōu)化算法。 在粒子群算法中，種群中的在粒子群算法中，種群中的每個個體即每個粒子代表解空每個個體即每個粒子代表解空間內的一個解。種

22、群中的每個間內的一個解。種群中的每個個體都有一個速度，且都具有個體都有一個速度，且都具有記憶功能，能夠記下達到過的記憶功能，能夠記下達到過的位置，粒子在解空間中根據(jù)自位置，粒子在解空間中根據(jù)自身速度進行運動，比較到達的身速度進行運動，比較到達的位置，選出最優(yōu)位置。根據(jù)個位置，選出最優(yōu)位置。根據(jù)個體先后到達的位置，通過改變體先后到達的位置，通過改變個體的位置和速度，最終不斷個體的位置和速度，最終不斷的趨近全局最優(yōu)解。的趨近全局最優(yōu)解。3.3 優(yōu)化設計應用軟件優(yōu)化設計應用軟件 Isight軟件是由美國軟件是由美國Engineious公司出品的公司出品的通用優(yōu)化軟件通用優(yōu)化軟件，它具有極強的設計探索

23、功能，通過運用各種優(yōu)化算法、選它具有極強的設計探索功能，通過運用各種優(yōu)化算法、選擇和集成所需的工具，能有效地解決復雜系統(tǒng)的優(yōu)化設計擇和集成所需的工具，能有效地解決復雜系統(tǒng)的優(yōu)化設計問題，對多個設計可選方案進行評估，所集成的設計流程問題，對多個設計可選方案進行評估，所集成的設計流程可在圖形界面中顯示出來，使整個方案的設計與評價過程可在圖形界面中顯示出來，使整個方案的設計與評價過程可視化、自動化?？梢暬⒆詣踊?。 3.1 設計變量設計變量：）常量：）常量：雙層底高度為雙層底高度為2.98m2.98m，雙舷側間距為，雙舷側間距為3.4m3.4m，縱艙，縱艙壁在距船舯壁在距船舯11.05m11.05m

24、的位置，雙層底縱桁分別在距船舯的位置，雙層底縱桁分別在距船舯0m0m、11.05m11.05m和和22.1m22.1m處，雙舷側平臺甲板分別在距底處，雙舷側平臺甲板分別在距底8.78m8.78m、14.73m14.73m，20.68m20.68m和和26.63m26.63m處處。3.3. 船舯剖面結構優(yōu)化船舯剖面結構優(yōu)化）可）可變量變量，包括三類：包括三類：縱骨間距縱骨間距；板厚板厚；縱骨型號縱骨型號。設計變量編號圖：設計變量編號圖：1）板厚區(qū)間選為）板厚區(qū)間選為8mm-30mm，隔為，隔為0.5mm；2）選取）選取T型材的離散集型材庫，腹板高度的離散間隔為型材的離散集型材庫，腹板高度的離散間

25、隔為10mm，面板寬度的離散間隔為，面板寬度的離散間隔為5mm，腹板和面板厚度的離散間，腹板和面板厚度的離散間隔為隔為0.5mm；3）根據(jù)油船縱骨布置的設計經(jīng)驗，縱骨間距的離散集可取）根據(jù)油船縱骨布置的設計經(jīng)驗，縱骨間距的離散集可取700mm至至900mm，其離散間隔為，其離散間隔為10mm，為了減少設計變量的數(shù)，為了減少設計變量的數(shù)量，設甲板、內外底的縱骨間距一致，縱艙壁、內外舷側縱骨間量，設甲板、內外底的縱骨間距一致，縱艙壁、內外舷側縱骨間距一致距一致。設計變量原則設計變量原則 ：3.2 目標函數(shù)：目標函數(shù)：以剖面的截面積最小為優(yōu)化目標，目標函數(shù)如下式所示：以剖面的截面積最小為優(yōu)化目標，目

26、標函數(shù)如下式所示：()()()nmijijF XA XA X式中式中：n設計變量的數(shù)量；設計變量的數(shù)量；m常量的數(shù)量；常量的數(shù)量；Ai(X)設計變量的橫截面面積設計變量的橫截面面積（m2）；）；Aj(X)常量的橫截面面積（常量的橫截面面積（m2）；）；3.3 約束條件約束條件船體梁強度船體梁強度船體梁強度甲板處的船體梁剖面模數(shù)船體梁強度甲板處的船體梁剖面模數(shù)ZD-n50和船底處的船體梁剖面模和船底處的船體梁剖面模數(shù)數(shù)ZB-n50應不小于應不小于ZR：260.9(0.7)10RwBZkC L B C船體梁橫剖面對其水平中和軸的慣性矩不小于船體梁橫剖面對其水平中和軸的慣性矩不小于IyR：382.7

27、(0.7)10yRwBIC L B C船體梁橫剖面任一點的正應力船體梁橫剖面任一點的正應力 L(N/mm2)不小于船體梁彎曲許用應力不小于船體梁彎曲許用應力 perm(N/mm2) L perm船體梁垂向凈剪切強度船體梁垂向凈剪切強度QR(kN)，取為對船體梁剪切能力有貢獻的所有，取為對船體梁剪切能力有貢獻的所有板單元中的最小值：板單元中的最小值：503min(10 )ipermi nRiviQq約束條件約束條件船體局部尺度船體局部尺度強度條件強度條件1）最小板厚）最小板厚2）板的屈服強度要求板的屈服強度要求對于板材，其凈厚度不小于所有使用設計載荷組合計算所得對于板材，其凈厚度不小于所有使用設

28、計載荷組合計算所得結果的最大值：結果的最大值：0.0158paeHPtbC R3）加強筋的屈服強度要求加強筋的屈服強度要求對于骨材，其腹板凈厚度不小于所有使用設計載荷組合計算對于骨材，其腹板凈厚度不小于所有使用設計載荷組合計算所得結果的最大值：所得結果的最大值：shrshrwshrteHfP stdC其剖面模數(shù)不小于所有使用設計載荷組合計算所得結果的最大值：其剖面模數(shù)不小于所有使用設計載荷組合計算所得結果的最大值：2bdgbdgseHP sZfC R約束條件約束條件細長比要求細長比要求1）板格板格 板的凈厚度必須滿足：板的凈厚度必須滿足：235eHpRbtC2）加強筋加強筋 加強筋腹板和面板的

29、凈厚度必須滿足：加強筋腹板和面板的凈厚度必須滿足：235weHwwhRtC235fouteHffbRtC對于角鋼和對于角鋼和T型材面板寬度必須滿足：型材面板寬度必須滿足： 0.25fwbh加強筋關于水平中和軸的慣性矩必須滿足：加強筋關于水平中和軸的慣性矩必須滿足： 2235eHsteffRICA3.3.4.4 計算結果計算結果根據(jù)根據(jù)舯舯剖面結構優(yōu)化的數(shù)學模型，編寫用于計算舯剖面特性的表剖面結構優(yōu)化的數(shù)學模型，編寫用于計算舯剖面特性的表格格，其中，其中，各縱向構件板厚為設計變量，剖面截面積為目標函數(shù)，各縱向構件板厚為設計變量，剖面截面積為目標函數(shù)，同時將各約束條件通過數(shù)值的形式編寫在該表格中。

30、利用同時將各約束條件通過數(shù)值的形式編寫在該表格中。利用Isight軟軟件集成該表格，分別采用多島遺傳算法（件集成該表格，分別采用多島遺傳算法（MIGA）、模擬退火算法）、模擬退火算法（SA）、粒子群算法（）、粒子群算法（PSO）對船舯剖面的縱向結構進行優(yōu)化設計。）對船舯剖面的縱向結構進行優(yōu)化設計。分別采用多島遺傳算法（分別采用多島遺傳算法（MIGA）、模擬退火算法（）、模擬退火算法（SA）、粒子群）、粒子群算法（算法（PSO）對船舯剖面的縱向結構進行優(yōu)化設計。）對船舯剖面的縱向結構進行優(yōu)化設計。4 基于基于HCSR直接計算法的艙段結構優(yōu)化直接計算法的艙段結構優(yōu)化 4.1 結構優(yōu)化設計集成過程結

31、構優(yōu)化設計集成過程1）集成）集成MSC.Nastran將將*.bdf文件作為輸入文件，編寫一個批處理文件，使文件作為輸入文件，編寫一個批處理文件，使Isight驅動驅動MSC.Nastran軟件將需要優(yōu)化的變量，運用參數(shù)賦軟件將需要優(yōu)化的變量，運用參數(shù)賦值，生成有限元直接計算后處理文件值，生成有限元直接計算后處理文件*.op2文件文件。IsightIsight軟件軟件具有較強的集成能力，可以集成很多大型通用軟件具有較強的集成能力，可以集成很多大型通用軟件和自編程序和自編程序5454，如，如AbaqusAbaqus、MSC.PatranMSC.Patran、MSC.NastranMSC.Nast

32、ran、FluentFluent、AnsysAnsys、MatlabMatlab、C C、FortranFortran、JavaJava等。本文運用優(yōu)化軟件等。本文運用優(yōu)化軟件 集成有集成有限元分析軟件限元分析軟件MSC.NastranMSC.Nastran、MSC.PatranMSC.Patran，對大型油船三艙段進行，對大型油船三艙段進行結構優(yōu)化設計，其中優(yōu)化算法選用中剖面優(yōu)化設計中優(yōu)化效果較好結構優(yōu)化設計，其中優(yōu)化算法選用中剖面優(yōu)化設計中優(yōu)化效果較好的多島遺傳算法，的多島遺傳算法，*.bdf文件中板厚的定義文件中板厚的定義, 不能改變不能改變*.bdf文件原有的格式文件原有的格式。批處理

33、批處理GoNastran.bat文件代碼文件代碼 2）集成）集成MSC. Patran將將*.ses文件作為輸入文件，編寫一個批處理文件，使文件作為輸入文件，編寫一個批處理文件，使Isight驅驅動動MSC.Patran軟件軟件運行運行，生成艙段重量文件，生成艙段重量文件*.rpt文件，以及文件，以及有限元直接計算用于校核屈服強度和屈曲能力的應力文件有限元直接計算用于校核屈服強度和屈曲能力的應力文件*.rpt文件文件。*.rpt文件的定義文件的定義批處理批處理GoPatran.bat文件代碼文件代碼3）集成）集成Fortran自編程序自編程序通過通過Isight中中OS Command通用命令

34、行組件集成通用命令行組件集成Fortran自編程自編程序，將序，將*.rpt文件作為輸入文件，編寫一個批處理文件，使文件作為輸入文件，編寫一個批處理文件，使Isight驅動驅動Fortran自編程序自編程序進行計算進行計算，該程序用于計算數(shù)學模，該程序用于計算數(shù)學模型中約束條件中數(shù)據(jù)需要進行一定的數(shù)學計算，生成所需要的型中約束條件中數(shù)據(jù)需要進行一定的數(shù)學計算，生成所需要的數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)文件*.rptx文件。文件。4）集成）集成Excel表格表格通過通過Isight中中Excel組件，使其驅動組件，使其驅動Excel表格表格進行計算進行計算，該步，該步驟用于數(shù)學模型的約束條件中，校核板格的屈曲能力

35、的計算。驟用于數(shù)學模型的約束條件中，校核板格的屈曲能力的計算。對于對于復雜約束下的貨油艙結構優(yōu)化問題，最后將重量文件、應力復雜約束下的貨油艙結構優(yōu)化問題，最后將重量文件、應力文件、屈曲能力校核表格作為輸出文件。文件、屈曲能力校核表格作為輸出文件。4.2 艙段結構優(yōu)化數(shù)學模型艙段結構優(yōu)化數(shù)學模型）設計變量：）設計變量： 為了為了簡化優(yōu)化問題，主要對三艙段結構中間艙的甲板、舷簡化優(yōu)化問題，主要對三艙段結構中間艙的甲板、舷側和外底板進行結構優(yōu)化設計。以舷側外板為例，垂向的板側和外底板進行結構優(yōu)化設計。以舷側外板為例，垂向的板縫位置通常在舷側縱桁附近縫位置通常在舷側縱桁附近，縱向方向大概三個強框架便設

36、縱向方向大概三個強框架便設置一個板縫，本船中每個強框架置一個板縫，本船中每個強框架5.66m，三個強框架，三個強框架16.98m。 構件類型為板材和縱骨，縱骨選用構件類型為板材和縱骨，縱骨選用T型材。型材。）目標函數(shù)：）目標函數(shù)：在進行艙段整體結構優(yōu)化過程中在進行艙段整體結構優(yōu)化過程中，以中間艙凈重量最輕為優(yōu)以中間艙凈重量最輕為優(yōu)化目標化目標。）約束條件：）約束條件：屈服強度屈服強度根據(jù)屈服強度校核衡準，構件的屈服利用因子根據(jù)屈服強度校核衡準，構件的屈服利用因子y應不大于應不大于許用屈服利用因子許用屈服利用因子yperm：y yperm235235vmvmyyaxialaxialykRkR對于

37、板單元對于桿單元屈曲強度屈曲強度根據(jù)根據(jù)屈曲屈曲強度校核衡準，構件的屈曲利用因子強度校核衡準，構件的屈曲利用因子act不大于不大于許用屈曲利用因子許用屈曲利用因子all ： act all 4.3 計算工況計算工況此處定義系數(shù)此處定義系數(shù)r，如下式所示，表示各工況下單元應力與許用，如下式所示，表示各工況下單元應力與許用應力的偏離程度，系數(shù)應力的偏離程度，系數(shù)r越小表示該工況下越接近許用應力，應越小表示該工況下越接近許用應力，應力值越大，工況越危險，反之越安全。力值越大，工況越危險，反之越安全。11 niinr可計算得出各工況下甲板、舷側和外底板的系數(shù)可計算得出各工況下甲板、舷側和外底板的系數(shù)r

38、大小大小。HCSR規(guī)定的計算工規(guī)定的計算工況有況有52個，對于艙段整體優(yōu)化，考慮個，對于艙段整體優(yōu)化，考慮計算機容量與計算機容量與耗耗時等問題，很難將時等問題，很難將全部全部工況同時集成在工況同時集成在Isight中進行優(yōu)化設計，需中進行優(yōu)化設計，需要先確定能決定要先確定能決定板材厚度、板材厚度、T型型材尺寸的決定工況。材尺寸的決定工況。根據(jù)根據(jù)甲板、舷側和外底板的系數(shù)甲板、舷側和外底板的系數(shù)r大小大小選取計算工況。選取計算工況。選取的決定工況選取的決定工況A1_HSM2_HA8_HSM1_SA14_SW_H4.4 優(yōu)化結果分析優(yōu)化結果分析根據(jù)上述集成流程，選取多島遺傳算法，子群規(guī)模設定根據(jù)上

39、述集成流程，選取多島遺傳算法，子群規(guī)模設定為為10，子群個數(shù)為，子群個數(shù)為10，交叉概率，交叉概率1.0，變異概率，變異概率0.01，移植概，移植概率率0.01，島間遷移率為，島間遷移率為0.5，遷移的間隔代數(shù)區(qū)為，遷移的間隔代數(shù)區(qū)為5。目標目標船三艙段結構中間艙段的初始重量為船三艙段結構中間艙段的初始重量為6333.6噸，經(jīng)噸，經(jīng)過優(yōu)化后的重量為過優(yōu)化后的重量為6217.1噸，優(yōu)化前后重量減輕噸，優(yōu)化前后重量減輕1.839。對于對于約束條件約束條件，其優(yōu)化方案滿足屈服和屈曲強度要求。其優(yōu)化方案滿足屈服和屈曲強度要求。.5 規(guī)范計算法的船舯剖面結構校核規(guī)范計算法的船舯剖面結構校核對基于對基于直接計算法的艙段結構優(yōu)化的結果，直接計算法的艙段結構優(yōu)化的結果，需要需要根據(jù)規(guī)根據(jù)規(guī)范計算法驗證中剖面結構是否滿足結構要求，包括船體梁強范計算法驗證中剖面結構是否滿足結構要求，包括船體梁強度、船體局部強度和細長比要求等。度、船體局部強度和細長比要求等。艙段結構優(yōu)化的結果在船長方向等分為三個區(qū)域，因此艙段結構優(yōu)化的結果在船長方向等分為三個區(qū)域，因此需要校核三個剖面的結構特性需要校核三個剖面的結構特性。. 結構優(yōu)化設計發(fā)展概況結構優(yōu)化設計發(fā)展概況結構的優(yōu)化設計可分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化結構的優(yōu)化設計可分為尺寸優(yōu)