船舶艙室橫向結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

張志剛　丁兆岡　王清　虞乾浩　沈毅斌

摘 要：隨著陸地資源的逐漸枯竭，向深海發(fā)展、進(jìn)行資源開發(fā)已成為大趨勢。本研究以一海底電纜施工船為研究對象，構(gòu)建船舶艙室橫向結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺，利用PCL建立參數(shù)化有限元模型，計(jì)算船體結(jié)構(gòu)橫向強(qiáng)度，采用模擬退火算法，在ISIGHT優(yōu)化平臺上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得同等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：海底電纜施工船;橫向結(jié)構(gòu)優(yōu)化;模擬退火;輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號：U663? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）10-0073-02

1 研究背景

人們對能源的需求會隨著人口的增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而日益增加，成為人們生活中密不可分的保障之一。石油是全球最主要的能源來源，占全球消耗能源的30%以上，且呈現(xiàn)不斷增長的趨勢。

陸地油氣資源由于不斷開采，儲量日漸減少，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了世界經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的需要。海上油氣儲量豐富，必將成為未來油氣資源開采的重心。各海上油氣開采平臺諸多設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)以及人員生活，需要大量電力供給，對海底電纜施工船的需求不斷增長。

本研究以一海底電纜施工船為研究對象，利用Patran Command Language（以下簡稱PCL）語言建立艙段參數(shù)化有限元模型，設(shè)計(jì)變量包括板厚等連續(xù)型變量和構(gòu)件尺寸、型材等離散型變量;采用具有較強(qiáng)適應(yīng)性的模擬退火算法作為優(yōu)化算法。結(jié)合有限元計(jì)算軟件、優(yōu)化求解器，在ISIGHT平臺上構(gòu)建深海底電纜施工船橫向結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化方案中橫剖面結(jié)構(gòu)重量較原方案減輕了5.8%，且最大應(yīng)力降低了3.6%。

2 研究方法

從船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與海底電纜施工船橫向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析入手，在優(yōu)化平臺上建立艙段參數(shù)化有限元模型，將有限元分析軟件、求解器和優(yōu)化軟件相結(jié)合，建立海底電纜施工船結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺，完成橫向結(jié)構(gòu)優(yōu)化。具體研究方法如下：

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，確定本研究采用基于有限元方法計(jì)算船體橫向強(qiáng)度，采用模擬退火算法作為優(yōu)化算法，以ISIGHT優(yōu)化平臺驅(qū)動仿真流程的優(yōu)化方法。

（2）橫向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。分析海底電纜施工船結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及其橫向結(jié)構(gòu)的受力狀況后，確定了中橫剖面基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，根據(jù)相應(yīng)規(guī)范完成了橫向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。

（3）橫向強(qiáng)度優(yōu)化。在分析設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)以及約束條件三要素的基礎(chǔ)上，完成橫向結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，并在ISIGHT上集成建立橫向結(jié)構(gòu)優(yōu)化平臺，對船中橫剖面基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化分析。

3 橫向結(jié)構(gòu)優(yōu)化平臺

3.1橫向強(qiáng)度計(jì)算分析模型

建立艙段半寬有限元計(jì)算模型，雙層底、縱桁、肋板、主甲板、中間甲板、橫艙壁、縱艙壁等用板單元模擬，甲板縱骨、甲板橫梁、甲板強(qiáng)橫梁、舷側(cè)肋骨、縱艙壁垂直桁材等用考慮偏心的梁單元模擬;橫向和垂向的網(wǎng)格按縱骨間距劃分，縱向的網(wǎng)格按肋骨間距劃分，船底縱桁和肋板在腹板高度方向上劃分為4個網(wǎng)格;施加規(guī)范規(guī)定的橫向強(qiáng)度校核的典型載荷工況及邊界條件，即可進(jìn)行橫向強(qiáng)度計(jì)算分析。

3.2設(shè)計(jì)變量

考慮到海底電纜施工船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對其進(jìn)行橫向結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量屬于骨材尺寸的離散型設(shè)計(jì)變量，整合一些性質(zhì)相似的變量后，共選取9個設(shè)計(jì)變量，各設(shè)計(jì)變量、變化范圍及間隔如表1所示。

3.3目標(biāo)函數(shù)

本研究針對海底電纜施工船進(jìn)行橫向強(qiáng)度優(yōu)化，在滿足規(guī)范規(guī)定的前提下，船體結(jié)構(gòu)重量最輕是優(yōu)化目標(biāo)，屬于單目標(biāo)優(yōu)化問題。其數(shù)學(xué)模型為：

式中：X為設(shè)計(jì)變量，設(shè)計(jì)變量總數(shù)為9，Mi為單個連續(xù)型設(shè)計(jì)變量的質(zhì)量，M0為其他不變構(gòu)件的質(zhì)量，M（X）為整個模型的質(zhì)量，F(xiàn)（x）是目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化的目的是使F（x）最小。

3.4約束條件

各方案都必須要滿足相關(guān)規(guī)范要求，將規(guī)范要求作為約束條件處理。優(yōu)化平臺生成的各構(gòu)件的剖面模數(shù)不得小于規(guī)范規(guī)定的值，且橫向強(qiáng)度計(jì)算所得的應(yīng)力值不得大于許用應(yīng)力，否則為不滿足強(qiáng)度要求方案，必須舍去。

3.5 優(yōu)化平臺集成

ISIGHT優(yōu)化軟件與PATRAN、NASTRAN交互的原理是ISIGHT能識別它們在建模、計(jì)算、分析過程中產(chǎn)生的各種文件類型。因此在ISIGHT集成之前，需要設(shè)置好各種文件，以便ISIGHT能進(jìn)行識別。集成流程如圖1所示。

4 優(yōu)化結(jié)果及分析

在對形成的892個方案進(jìn)行橫向強(qiáng)度優(yōu)化分析后，得到最優(yōu)化可行方案，各構(gòu)件尺寸滿足規(guī)范條文要求，最大正應(yīng)力值為214MPa，小于許用應(yīng)力，滿足規(guī)范對橫向強(qiáng)度的要求。各變量的優(yōu)化結(jié)果如表1最右欄所示。在各優(yōu)化變量中，甲板強(qiáng)橫梁的優(yōu)化效果較好，其中主甲板強(qiáng)橫梁1、主甲板橫梁2最為明顯，達(dá)到了取值范圍的最低值。各甲板強(qiáng)橫梁的優(yōu)化情況如圖2所示。

優(yōu)化后電纜儲存艙的艙容從50.28m?增加到54.14m?，增加了7.68%;壓載水艙的艙容從44.59m?增加到46m?，增加了3.16%，有利于整體布置。艙段的橫向強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)重量從136.4t降低到128.5t，減輕了5.8%。

5 結(jié)論

本文以海底電纜施工船為研究對象，以結(jié)構(gòu)重量最輕為優(yōu)化指標(biāo)，構(gòu)建船舶艙室橫向結(jié)構(gòu)優(yōu)化平臺，進(jìn)行橫向強(qiáng)度艙室結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，主要的研究工作及成果總結(jié)如下：

（1）進(jìn)行了艙段模型參數(shù)化建模，采用模擬退火算法作為優(yōu)化算法，在數(shù)學(xué)優(yōu)化平臺ISIGHT上構(gòu)建橫向強(qiáng)度優(yōu)化分析系統(tǒng);

（2）進(jìn)行了海底電纜施工船橫向結(jié)構(gòu)優(yōu)化，各甲板強(qiáng)橫梁和縱艙壁垂直桁材的優(yōu)化效果較好，設(shè)計(jì)尺寸可適當(dāng)減小，用以減輕重量和增大艙室空間;

（3）優(yōu)化后艙段的橫向強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)重量從136.4t降低到128.5t，減輕了5.8%。同時電纜儲存艙和壓載水艙的艙容分別增加了7.68%和3.16%。