基于SiPESC.OPT的船舷簡化結(jié)構(gòu)沖擊優(yōu)化設(shè)計

邱曉明 陳飆松 朱 凌

(高性能艦船技術(shù)教育部重點試驗室1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2) 武漢 430063)(北京協(xié)同創(chuàng)新研究院3) 北京 100194) (大連理工大學(xué)工程力學(xué)系4) 大連 116023)

基于SiPESC.OPT的船舷簡化結(jié)構(gòu)沖擊優(yōu)化設(shè)計

邱曉明1,2,3)陳飆松3,4)朱 凌1,2)

(高性能艦船技術(shù)教育部重點試驗室1)武漢 430063) (武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2)武漢 430063)(北京協(xié)同創(chuàng)新研究院3)北京 100194) (大連理工大學(xué)工程力學(xué)系4)大連 116023)

基于科學(xué)計算集成化軟件平臺SiPESC的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊，開展了船舷簡化結(jié)構(gòu)遭受單次碰撞的沖擊優(yōu)化.船舷簡化結(jié)構(gòu)為長寬比為3∶1、考慮單條T型加筋的矩形加筋板.撞擊物則簡化為剛性球.設(shè)計板厚A,B,C分別為板和T型筋的厚度，目標(biāo)函數(shù)OBJ為考慮中心點變形和比吸能的綜合目標(biāo)參數(shù).采用序列二次規(guī)劃(SQP)算法求解沖擊優(yōu)化問題，得到結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出最佳效率時的設(shè)計參數(shù)大小.使用Javascript腳本在SiPESC.OPT中進行編程，調(diào)用其中的優(yōu)化插件(包括試驗設(shè)計、代理模型、不同優(yōu)化算法等插件)并通過對外部程序的調(diào)用以及文件的讀取、寫入等操作以實現(xiàn)計算過程控制.并在板厚B固定的情況下，以板厚A和C為設(shè)計變量，開展析因試驗設(shè)計，得到了目標(biāo)函數(shù)在三維空間上的響應(yīng)面，并獲得了加筋板設(shè)計中的有效建議.

沖擊優(yōu)化；船舶結(jié)構(gòu)；SiPESC；試驗設(shè)計

0 引 言

結(jié)構(gòu)設(shè)計中，針對結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性的設(shè)計往往可以通過優(yōu)化的手段快速高效率的實現(xiàn)，張歡等[1]針對起重機桁架式臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計，運用MATLAB對其結(jié)構(gòu)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件進行優(yōu)化計算，研究了結(jié)構(gòu)的諸多靜態(tài)特性.在船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，一般主要考慮波浪載荷下的等效靜水壓力對整船進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，各國船級社依據(jù)事故調(diào)查和相關(guān)的科研成果設(shè)定了一系列相關(guān)的工程規(guī)范，可以基于成熟的有限元對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行反復(fù)校核，以實現(xiàn)輕量化.但是當(dāng)結(jié)構(gòu)物遭受到極端載荷的情況下，沖擊載荷下的結(jié)構(gòu)設(shè)計在工程領(lǐng)域尚未完全成熟.船舶碰撞、擱淺問題大多是低速、大質(zhì)量的近似剛性體(船首、冰山、礁石等)與船體結(jié)構(gòu)之間發(fā)生的沖擊作用，屬于船舶運行中的極端危險工況.Zhu等[2-3]提出了船體和海洋平臺板受重復(fù)碰撞的動力響應(yīng)計算模型，并用數(shù)值解和實驗進行了驗證.并對船體板重復(fù)碰撞下產(chǎn)生的塑性響應(yīng)及結(jié)構(gòu)變形的力學(xué)機理進行了進一步研究，討論了結(jié)構(gòu)剛度變化、回彈能量等因素的影響.Liu等[4-5]針對船舶底部結(jié)構(gòu)的小尺寸模型，開展了船舶碰撞與擱淺的準(zhǔn)靜態(tài)實驗研究并進行數(shù)值模擬的對比.在針對冰山撞擊的情況，Zhu等[6-7]基于塑性設(shè)計方法，提出了一個可用于簡單計算的船舶碰撞模型，對船舶遭受剛性冰塊重復(fù)碰撞問題的機理進行了探索，利用剛塑性理論得到設(shè)計曲線和設(shè)計公式，并在此基礎(chǔ)上，研究了可以估計局部冰塊撞擊載荷的方法.

可見結(jié)構(gòu)在沖擊下的設(shè)計規(guī)律總結(jié)較為復(fù)雜，且多采用考慮保守假設(shè)的近似設(shè)計公式，因此有必要在具體工程實際中引入沖擊結(jié)構(gòu)優(yōu)化的相關(guān)計算手段，以實現(xiàn)大規(guī)模計算和優(yōu)化手段的普及并且提高設(shè)計的精確度.伊建軍[8]使用LS_DYNA軟件對不同截面形式、同等質(zhì)量的薄壁直梁在軸向勻速沖擊下的耐撞性能進行了研究，并基于SiPESC.OPT，考慮代理模型技術(shù)和試驗設(shè)計方法，進行了優(yōu)化計算，找出了比較理想和高效的吸能結(jié)構(gòu).閆紅松[9]則對結(jié)構(gòu)設(shè)計中常用的試驗設(shè)計方法和近似模型進行了討論，并實現(xiàn)了四種常用試驗方法與兩種近似模型算法.

工程與科學(xué)計算集成化軟件平臺(software integration platform for engineering and scientific computation，SiPESC)是由大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點試驗室研發(fā)的面向工程與科學(xué)計算的集成軟件系統(tǒng)，目的是構(gòu)建適用于計算力學(xué)的科學(xué)研究和工程應(yīng)用的公共服務(wù)軟件平臺.基于該平臺上的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊SiPESC.OPT，展開了船舶工程常見結(jié)構(gòu)模型的相關(guān)計算，對長寬比3∶1的矩形板在單一T型加筋情況下的板厚尺寸進行優(yōu)化.設(shè)計參數(shù)A,B,C分別為板和T型筋的厚度，目標(biāo)函數(shù)OBJ為考慮中心點變形和比吸能的綜合目標(biāo)函數(shù)，使之最大化以獲得結(jié)構(gòu)在典型碰撞載荷下的最佳效率.

1 計算模型

1.1 模型描述

考慮到船舶碰撞問題的復(fù)雜性，大多數(shù)研究從幾何模型與物理模型兩個方面對船舶碰撞問題進行簡化：船舶的受損區(qū)域一般為舷側(cè)結(jié)構(gòu)，可以簡化為板架或方形板、矩形板等簡單結(jié)構(gòu)，撞擊物一般為船舶首部，其剛度較大，在計算中可以將之簡化為球形體等.加筋板具體尺寸見圖1.設(shè)計變量有外板厚度A、筋板厚度B和面板厚度C.撞擊球質(zhì)量100 kg、直徑0.16 m，視其為剛體.外板尺寸為1 200 mm×400 mm×Amm，筋板尺寸為1 200 mm×40 mm×Bmm，面板尺寸為1 200 mm×60 mm×Cmm，外板四周固支，筋板和面板的兩端固支.撞擊球以5 m/s的速度撞向加筋板的外板中點.

圖1 模型描述圖(單位：mm)

通過APDL命令，對上述幾何模型在ANSYS中進行建模、劃分網(wǎng)格、定義參數(shù)等有限元計算的前處理，并生成用于LS-DYNA調(diào)用計算所需的對應(yīng)k文件.撞擊塊設(shè)定為剛性體，鋼板采用考慮塑性強化的線彈性材料模型，具體參數(shù)見表1.鋼板網(wǎng)格全部采用SOLID164單元,單個網(wǎng)格大小約為10 mm×10 mm×0.5 mm.

表1 鋼板材料參數(shù)

1.2 優(yōu)化過程

圖2為優(yōu)化過程示意圖.OPT函數(shù)負(fù)責(zé)整體優(yōu)化設(shè)計的流程控制和調(diào)用優(yōu)化算法求解，OBJ函數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，主要負(fù)責(zé)調(diào)用外部有限元軟件對沖擊過程進行分析并計算獲得目標(biāo)函數(shù)值，約束函數(shù)CON則通過讀取有限元計算的結(jié)果獲得約束函數(shù)值.

圖2 優(yōu)化過程示意圖

自定義綜合評價函數(shù)S，S=S1/S2，S1為加筋板經(jīng)受撞擊后的比吸能，S2為變形參數(shù)，兩者經(jīng)過平均加權(quán)構(gòu)成評價函數(shù).

優(yōu)化目標(biāo)為使得該評價函數(shù)取得最大值，即綜合考慮中心點的最終撓度和比吸能，使得加筋板受到球形剛體撞擊后的變形較小且充分吸收撞擊動能，以實現(xiàn)材料的充分利用.該優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)描述為

(1)

(2)

S2=uxf

(3)

(4)

式中：f(A,B,C) 為綜合評價函數(shù)，即不同設(shè)計變量組合下經(jīng)過有限元計算所得到的目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)；mp為加筋板的總質(zhì)量，kg；ms為撞擊球的質(zhì)量，kg；uxf為中心點的最終撓度，mm；v0為撞擊球的初始速度，m/s；vf為撞擊球完成撞擊過程后的回彈速度,m/s.

1.3 析因試驗設(shè)計

析因試驗設(shè)計是指在一次試驗中,考慮系統(tǒng)的所有因素的所有水平下的組合進行分析的一種試驗設(shè)計方法.析因試驗設(shè)計的試驗次數(shù)隨著因素的增加呈現(xiàn)指數(shù)形式增加，故在本文優(yōu)化問題中，為了提高設(shè)計精度、避免試驗次數(shù)過多導(dǎo)致的超額計算量，將非主要設(shè)計參數(shù)—筋板厚度B設(shè)置為3 mm，這樣，在使用析因試驗設(shè)計方法的情況下，設(shè)計參數(shù)只保留外板厚度A和面板厚度C，兩者的水平度均設(shè)置為0.5 mm.使用SiPESC.OPT中的試驗設(shè)計與近似模型擬合插件，在程序中編寫調(diào)用腳本，直接調(diào)用析因試驗設(shè)計類，自動生成試驗設(shè)計所需參數(shù)，獲得了共49種組合.

2 結(jié)果分析

2.1 優(yōu)化結(jié)果

使用工作站單節(jié)點對該沖擊優(yōu)化模型進行迭代計算.其中，通過調(diào)用ANSYS中的LS-DYNA求解器對非線性有限元部分進行計算，計算時采用18核CPU，單次迭代計算時長約為20 min.表2為選定三組不同初值組合，使用SQP算法進行優(yōu)化計算結(jié)果.

由表2可知，組合1經(jīng)過18次迭代后的目標(biāo)函數(shù)提高較大，但是最終陷入局部最優(yōu)解；組合2初始值即為較優(yōu)結(jié)果，經(jīng)過5次迭代后得到的優(yōu)化結(jié)果也有所提升；組合3的三個設(shè)計變量初始值取相同，經(jīng)過10次迭代后優(yōu)化結(jié)果十分明顯.

針對于船舶結(jié)構(gòu)上常見的矩形板加筋結(jié)構(gòu)的抗沖擊設(shè)計，該結(jié)果具有較好的參考意義.但由于本文中所使用的目標(biāo)函數(shù)主要針對沖擊問題，重點考慮了比吸能和結(jié)構(gòu)變形的大小，對于加筋板結(jié)構(gòu)的抗靜載能力考慮較少，故所得到的結(jié)果需要與參考實際工程設(shè)計規(guī)范進行考慮和取舍.

2.2 析因試驗設(shè)計結(jié)果

對析因試驗設(shè)計結(jié)果使用Matlab進行分析，在樣本點之間進行插值繪出了圖3中的目標(biāo)函數(shù)響應(yīng)面云圖，存在以下規(guī)律：

1) 響應(yīng)面呈斜坡狀，有部分起伏，但總體在面板厚度C增大的方向上呈上升趨勢，最大值出現(xiàn)在面板厚度C取值最大的邊界處.這說明在該沖擊問題中，面板厚度C對目標(biāo)函數(shù)的變化起到非常重要的影響，且目標(biāo)函數(shù)OBJ基本上隨C的增大而單調(diào)遞增.

2) 由圖3a)中虛線節(jié)奏，C<4 mm時，在外板厚度A約為2.5 mm左右，目標(biāo)函數(shù)隨C的增大呈現(xiàn)山脊?fàn)钌仙龖B(tài)勢，說明在面板厚度C<4 mm的設(shè)計空間中，外板厚度A取2.5 mm左右可以取得最佳.

3) 當(dāng)外板厚度A取最小時，目標(biāo)函數(shù)OBJ隨C的變化呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，可能由于此時的比吸能和最大中心點變形的變化趨勢不一導(dǎo)致了這種現(xiàn)象.

圖3 目標(biāo)函數(shù)響應(yīng)面分布圖

3 結(jié) 論

1) 相對于外板厚度，T型加筋的面板厚度對于加筋板結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能的影響起到了至關(guān)重要的作用，對于一些長期處于碰撞危險工況下的船舶結(jié)構(gòu)而言，普通的單板加筋可能對于結(jié)構(gòu)抗沖擊能力沒有非常明顯的提升，增厚面板的T型加筋往往會有更好的抗沖擊增益效果.

2) 在針對碰撞問題的加筋板的設(shè)計中，外板厚度雖然對整體的抗沖擊性能影響效果不明顯，但由于過大存在結(jié)構(gòu)崩潰的可能，過小則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)臃腫笨重，存在最佳外板厚度，可使得結(jié)構(gòu)既滿足輕量化設(shè)計準(zhǔn)則，又能滿足抗沖擊、抗變形的要求.

除了本文中所進行的抗沖擊計算，船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中還需要考慮多種載荷和多種工況的可能，參考實際工程設(shè)計規(guī)范進行反復(fù)權(quán)衡，以期達到最佳設(shè)計結(jié)果.

[1]張歡,徐長生.基于MATLAB及參數(shù)化建模的起重機桁架式臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版),2011，35(1):201-204.

[2]ZHU L, FAULKNER D. Dynamic inelastic behavior of plates in minor ship collisions[J]. Journal of Impact Engineering,1994,15(2):165-178.

[3]ZHU L. Stress and strain analysis of plates subjected to transverse wedge impact[J]. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design,1996,31(1):1-7.

[4]LIU B, GUEDES S C. Plastic response and failure of rectangular cross-section tubes subjected to transverse quasi-static and low-velocity impact loads[J]. International Journal of Mechanical Sciences,2015,90(4)：213-227.

[5]LIU B, GUEDES S C. Simplified analytical method for evaluating web girder crushing during ship collision and grounding[J].Marine Structures,2015,42：71-94.

[6]ZHU L, SHI S Y, YU T X. A new ice load-response model for structure design of ice classed ships[C]. Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference,2015.

[7]ZHU L, QIU X M, CHEN M S, et al. Simplified ship-ice collision numerical simulations[C]. Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference,2016.

[8]伊建軍.金屬薄壁直梁的耐撞性能研究與優(yōu)化設(shè)計[D].大連：大連理工大學(xué),2013.

[9]閆紅松.試驗設(shè)計與近似模型計算軟件的設(shè)計與研發(fā)[D].大連：大連理工大學(xué),2010.

Optimization Design of the Simplified Structure of Ship Side Based on the Using of SiPESC.OPT

QIU Xiaoming1,2,3)CHEN Biaosong3,4)ZHU Ling1,2)

(KeyLaboratoryofHighPerformanceShipTechnologyofMinistryofEducation,Wuhan430063,China)1)(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)2)(BeijingInstituteofCollaborativeInnovation,Beijing100194,China)3)(DepartmentsofEngineeringMechanics,DalianUniversityofTechnology,Dalian116023,China)4)

Base on the Optimization module of the Software Integration Platform for Engineering and Scientific Computation (SiPESC), designing optimization of simplified side structure under the single impact is implemented. The length to width ratio of the simplified structure of ship side is 3∶1, attached with a T shaped stiffener.A,BandC, representing the design parameters, are the thickness of the plate and the T steel, respectively. The indenter is simplified as a rigid sphere. The objective functionOBJis a comprehensive target parameter, considering the center deflection of the plate and the specific energy absorption. Sequential quadratic programming (SQP) is used to solve the impact optimization and the most efficient combination of the design parameters is found. Using the JavaScript in SiPESC.OPT for programming, the optimization plugin (including the experimental design, the surrogate model, different optimization algorithms) and the external programs are called to realize the computing management. The external programs are used to read and write the external file. With the setting of fixed value of thickness B, the factorial experiment design is implemented and the response surface of the objective function in the three-dimensional spaces is obtained, with thick plateAandCas the design variables. Besides, the factorial experiment design is conducted, and the objective function in the two-dimensional space of the response surface is obtained. Finally, effective suggestions are proposed to the stiffened plate design.

optimization of impact design; ship structure; SiPESC; experimental design

2017-06-16

U663.2

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.023

邱曉明(1992—)：男，碩士生,主要研究領(lǐng)域為船舶結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)與優(yōu)化設(shè)計