船舶結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計及建造技術(shù)研究

李 義

(北海船舶檢驗中心，廣西 北海 536006)

0 引言

當(dāng)前經(jīng)濟發(fā)展方向逐漸轉(zhuǎn)向海洋領(lǐng)域，各國均將如何實現(xiàn)海洋開發(fā)作為未來可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。海洋經(jīng)濟是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要構(gòu)成，而船舶是實現(xiàn)海洋資源開發(fā)和探索深海的重要載體。隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，人們對于海洋資源的開發(fā)也逐漸從淺海轉(zhuǎn)向深海。人們對海洋資源的渴望程度的不斷提高，進一步推動了整個船舶行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展，運用傳統(tǒng)技術(shù)建造的重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作難度高的船舶已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前人們對船舶運用的需要[1]?，F(xiàn)有大部分船舶在空船狀態(tài)下的重量會占到船舶整個排水量的30%以上，部分客船或漁船能夠達(dá)到70%～90%。因此，可以看出，船舶的重量會直接影響到船舶的各項應(yīng)用性能，其結(jié)構(gòu)的輕量化成為評價整個船舶綜合性能的關(guān)鍵指標(biāo)[2]。船舶在設(shè)計和建造的過程中，實現(xiàn)重量輕、剛度高、強度大的結(jié)構(gòu)布局，能在最大程度上減少船舶整體重量，提高應(yīng)用性能，這也是當(dāng)前綠色制造背景下相關(guān)領(lǐng)域研究人員重點關(guān)注的問題?；诖?，本文開展船舶結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計及建造技術(shù)研究。

1 船舶結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

1.1 構(gòu)建船舶結(jié)構(gòu)輕量化拓?fù)鋬?yōu)化模型

(1)

式中：V′——船舶結(jié)構(gòu)當(dāng)中某一單元i的初始體積大??；

ρij——船舶結(jié)構(gòu)材料的密度，取值在0～1，當(dāng)ρij=1時被保留，當(dāng)ρij=0時被去除；

V——船舶結(jié)構(gòu)輕量化拓?fù)鋬?yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)。

將船舶結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)體積函數(shù)的最優(yōu)求解，以此簡化設(shè)計過程，提高效率。在計算過程中，由于船舶結(jié)構(gòu)的剛度具有一定的奇異性，在模型當(dāng)中會造成計算后模型輸出的結(jié)果不具備收斂性而得出的結(jié)果不是最優(yōu)解的問題。針對這一問題，為了消除結(jié)構(gòu)剛度的奇異性，在模型當(dāng)中引入一個自變量ρmin作為限制條件。通常情況下，ρmin的取值為0.001，由于在模型當(dāng)中，船舶結(jié)構(gòu)單元的密度是介于0～1的數(shù)值，因此進一步分析得出ρmin的約束條件應(yīng)為：

0<ρmin≤ρi≤1

(2)

綜合上述分析得出，船舶結(jié)構(gòu)輕量化拓?fù)鋬?yōu)化模型的表達(dá)式應(yīng)為：

(3)

式中：F——船舶結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；

這個孩子還說，他起初想在這座城市好好混，有了一定的基礎(chǔ)，再把奶奶和弟弟接過來?，F(xiàn)在，他覺得陪伴對弟弟來說，才是最好的成長，也是對弟弟最好的幫助。在他這句話面前，我竟然無話可說，只能繼續(xù)感動。

K——船舶結(jié)構(gòu)的彈性矩陣；

U——船舶結(jié)構(gòu)的應(yīng)變矩陣。

在對船舶結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計的過程中，若變量數(shù)據(jù)過多則需要通過求導(dǎo)的方式進一步確定、優(yōu)化搜索路徑，并通過對模型進行不斷迭代訓(xùn)練實現(xiàn)對模型的優(yōu)化。

1.2 基于OC法的船舶結(jié)構(gòu)材料密度推導(dǎo)

根據(jù)上述的船舶結(jié)構(gòu)輕量化拓?fù)鋬?yōu)化模型，在對模型進行第n次迭代訓(xùn)練后，全部設(shè)計變量均為最佳參數(shù)變量時，結(jié)合OC法，對船舶結(jié)構(gòu)的材料密度進行推導(dǎo)。在推導(dǎo)的過程中，首先利用OC法對模型在迭代過程中的特點進行比較和分析，并根據(jù)以往工程經(jīng)驗，對模型進行求解。在求解時，確定船舶結(jié)構(gòu)單元材料密度ρmin的優(yōu)化準(zhǔn)則，并基于船舶結(jié)構(gòu)材料的密度構(gòu)建拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)。在對材料密度確定時，還需要結(jié)合船舶不同結(jié)構(gòu)的特點，分區(qū)對ρmin進行求解，其計算公式為：

(4)

式中：ρi(1+j)——船舶結(jié)構(gòu)單元i的下一個結(jié)構(gòu)單元密度；

λ——朗格朗日乘子。

根據(jù)式(4)，對船舶結(jié)構(gòu)中所有部位的材料密度進行最優(yōu)求解，確定其最優(yōu)密度以及結(jié)構(gòu)體積，實現(xiàn)對船舶結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。

2 建造技術(shù)設(shè)計

2.1 船舶各結(jié)構(gòu)分段處理及搭建組裝

在上述船舶輕量化設(shè)計得出的材料密度及各參數(shù)基礎(chǔ)上，對船舶進行建造。根據(jù)船舶建造的整體工程流水作業(yè)過程，將建造劃分為材料處理、船體放樣標(biāo)記和配件加工等多個環(huán)節(jié)。由于船舶在建造過程中會受到船廠生產(chǎn)場地、設(shè)備等眾多客觀因素的影響，因此船舶建造的種類不同，采用的建造技術(shù)也相差較大[4]。在對各個結(jié)構(gòu)進行分段建造時，根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)輕量化材料的需要，對建造材料進行選擇，并對材料進行表面處理。將各類建造材料運輸?shù)郊庸すS后，需要根據(jù)材料的具體規(guī)格、種類以及用途等將其分送到各個車間，并對其進行編碼和切割。在完成切割后，再次對材料進行挑選并經(jīng)過彎折加工、局部裝配等過程后，將各個分段結(jié)構(gòu)運輸?shù)酱瑝]。完成上述所有準(zhǔn)備后，對船舶各結(jié)構(gòu)進行分段處理，可將其大致劃分為雙層底分段、船舷側(cè)雙殼分段、底邊分段和橫艙壁分段[5]。如表1所示為按照普通規(guī)格船舶得出各個分段的編號及相應(yīng)建造區(qū)域范圍。

表1 船舶各結(jié)構(gòu)分段編號及建造區(qū)域范圍對照表

按照表1的內(nèi)容完成對船舶各結(jié)構(gòu)分段的劃分，并對其分別進行編號。在完成船舶各結(jié)構(gòu)分段處理后，需要完成對各結(jié)構(gòu)的搭建和組裝。針對船舶各結(jié)構(gòu)分段當(dāng)中的小型分段和中型分段，在組裝前，需要對結(jié)構(gòu)材料的連接及各個分段之間進行預(yù)先裝配，并根據(jù)大小或階段進行裝配。針對船舶各結(jié)構(gòu)分段中的大型分段，在處理過程中為了避免后續(xù)工程的混亂，應(yīng)當(dāng)提前設(shè)置舾裝件并進行預(yù)舾裝?？紤]到搭建過程中使用的吊桿具有一定的彈性，應(yīng)針對各個結(jié)構(gòu)材料的重力進行運動分析，并將搭建材料作為一個自由度的質(zhì)點，利用浮動窗口和彈性坐標(biāo)確定材料搭建位置。在搭建過程中需要對鋼纜的張力進行實時監(jiān)測，以此確保船舶的搭建效果。

2.2 船舶總段建造精度控制

在完成船舶各結(jié)構(gòu)的搭建組裝后，應(yīng)同步對其進行精度控制，以提高建造技術(shù)的整體水平。可將精度控制的過程看作船舶搭載后變形控制的過程，為了滿足此種需求，將精度控制過程劃分為主動控制與適應(yīng)接近控制兩個階段[6]。

在船舶建造過程中，主動控制階段是指在材料切割、處理和拼接的過程中，進行小組件與生產(chǎn)工序的控制，控制過程中應(yīng)提取影響船舶變形的多種外界影響因素，并基于焊接角度，進行形變的最小誤差控制。為了滿足此種控制需求，可通過數(shù)值控制方法，對焊接可允許的最大誤差進行計算，得到以組裝結(jié)構(gòu)為支撐的最大形變量。在此基礎(chǔ)上，將構(gòu)造組合物以高精度銜接的方式，進行數(shù)值預(yù)測，并參照預(yù)制施工方式，進行生產(chǎn)的合理化處理。同時，在完成對最大誤差的預(yù)測后，需要對船舶建造進行最佳設(shè)計，設(shè)計時按照等離子加工方法，進行三維立體模型模擬分析。盡管此種控制方式在一定程度上實現(xiàn)了對船舶設(shè)計階段與構(gòu)造階段的精度控制，但在實際應(yīng)用中仍存在一定局限性，甚至?xí)艿侥撤N單一塑性材料性能的影響，因此，僅在主動控制階段進行船舶建造精度控制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

針對一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的船舶，其設(shè)計中應(yīng)用的材料不同，而不同的材料在使用中的性能也不相同，既要確?？刂频木瓤梢詽M足船舶建造技術(shù)需求，還需要在完成此步驟后，在適當(dāng)接近控制階段時對其進行精度控制。在此階段中，可將控制的過程按照“事中與事后”的方式實施，在事中階段的精度控制措施如表2所示。

表2 船舶建造事中階段精度控制措施分析表

按照表2，完成對船舶建造過程中的事中階段精度控制，在此基礎(chǔ)上，可在完成船舶建造后，使用東明機械設(shè)備開發(fā)有限公司生產(chǎn)的PDA基板進行搭建預(yù)測模擬，根據(jù)模擬結(jié)果掌握設(shè)計成果的承載度，并將此結(jié)果以文本文件的方式進行前端輸出，根據(jù)輸出結(jié)果判斷構(gòu)造的船舶是否需要進行事后精度控制，倘若結(jié)果顯示船舶承載力達(dá)標(biāo)，則無須進行后續(xù)控制。反之，可通過事中控制方式，進行基板程序的重整，以此實現(xiàn)對船舶建造技術(shù)的研究。

3 船舶結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計應(yīng)用試驗

本文選擇將船舶結(jié)構(gòu)當(dāng)中典型L型板結(jié)構(gòu)作為本文船舶結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的應(yīng)用對象。L型板結(jié)構(gòu)的幾何尺寸如圖1所示。

圖1 L型板結(jié)構(gòu)幾何尺寸示意圖

圖1中所示的船舶L型板結(jié)構(gòu)的厚度約為9.5 mm，其上端為固定結(jié)構(gòu)，右端部受到一個集中荷載為950 N的作用力。將上述幾何結(jié)構(gòu)代入ANSYS軟件當(dāng)中，并通過船舶結(jié)構(gòu)輕量化拓?fù)鋬?yōu)化模型對其進行輕量化設(shè)計。通過設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)，經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化后，得出拓?fù)浣Y(jié)果，并針對模型輸出的結(jié)果進行光順平滑處理，得到最終的優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

(a)本文設(shè)計模型輸出

(b)傳統(tǒng)設(shè)計方法輸出

圖2(a)中為通過本文船舶結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計方法得出的船舶L型板結(jié)構(gòu)優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；圖2(b)為通過以往設(shè)計方法得出的船舶L型板結(jié)構(gòu)優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過對比圖2中兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果可以看出，兩種結(jié)果得出的船舶結(jié)構(gòu)材料的布局大致相同，因此證明本文設(shè)計方法可行。同時，針對結(jié)果的準(zhǔn)確性問題進行分析可知，通過本文設(shè)計方法得出的船舶結(jié)構(gòu)輕量化結(jié)果輪廓更加清晰，并且結(jié)構(gòu)周圍沒有多余的附連小部件結(jié)構(gòu)，整體布局十分均勻。因此，通過試驗證明本文提出的船舶結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計方法可行性和可靠性更高。同時，在船舶結(jié)構(gòu)輕量化的基礎(chǔ)上，基于本文所述船舶建造技術(shù)能夠進一步提高船舶的質(zhì)量，并得到更高的應(yīng)用性能。

4 結(jié)語

為實現(xiàn)船舶結(jié)構(gòu)的輕量化，本文開展船舶結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計及建造技術(shù)研究，并通過應(yīng)用試驗證明了本文提出的船舶結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計方法的可行性。同時，本文針對船舶在建造過程中存在的問題進行分析，給出最佳的建造方案和技術(shù)，通過實踐實現(xiàn)了對船舶結(jié)構(gòu)的輕量化優(yōu)化設(shè)計。將本文所述設(shè)計思路應(yīng)用到實際船舶生產(chǎn)和制造當(dāng)中，能夠在保證船舶整體結(jié)構(gòu)強度的基礎(chǔ)上，降低結(jié)構(gòu)材料的重量，并不斷提高船舶的建造水平。