考慮彎扭強度和頻率約束的集裝箱船中剖面優(yōu)化設(shè)計.docx

1、SHIPENGINEERINGVol.30No.22008中圖分類號:U662.2文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1005-8354(2008)02-0001-04船舶工程總第30卷,2008年第2期考慮彎扭強度和頻率約束的集裝箱船中剖面優(yōu)化設(shè)計張麗，王德禹（上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海200030）摘要：結(jié)合CCS規(guī)范和薄壁桿件理論，建立了考慮彎扭強度和頻率約束的集裝箱船中剖面優(yōu)化設(shè)計的模型，考慮到中剖面優(yōu)化設(shè)計中的設(shè)計變量為連續(xù)和離散的混合變量，利用isight中集成的自適應(yīng)模擬退火算法，建立了巴拿馬型集裝箱船中剖面優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，并對3100TEU集裝箱船中剖面進行了優(yōu)化設(shè)計，取得了合

2、理的結(jié)果.關(guān)鍵詞：薄壁桿件理論；頻率約束；中剖面優(yōu)化設(shè)計；自適應(yīng)模擬退火算法；混合設(shè)計變量OptimumdesignofmidshipsectionofcontainershipsinviewofcranklestrengthandfrequencyconstraintsZHANGLi,WANGDe-yu(StateKeyLaboratoryofOceanEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030,China)Abstract:Themodelissetupinviewoftheoptimumdesignofmidshipsect

3、ionofcontainershipswithcranklestrengthandfrequencyconstraintsaccordingtoCCSrulesandthin-walledbeamtheory.Consideringthatdesignvariablesarecontinuousanddiscreteones,theoptimumdesignsystemwithadaptivesimulatedannealingwhichcansolvemixedvariablesoptimumproblemsinISIGHTenvironmentissetup.Thesystemisappl

4、iedintheoptimumdesignofthemidshipsectionof3100TEUcontainershipinthispaper,andtheidealresultwasobtained.Keywords:thinwalledbeamtheory；frequencyconstraint；midshipoptimumdesign；adaptivesimulatedannealing；mixeddesignvariables0前言船舶中剖面的結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件尺寸集中反映了整個船體結(jié)構(gòu)的概貌，它包括了中部區(qū)域各類板的厚度、骨架形式、縱向加強材的尺寸等.并且可以參照它確定首尾部區(qū)域相應(yīng)

5、構(gòu)件尺寸,這樣全船縱向構(gòu)件尺寸就基本確定了，其重量約占全船結(jié)構(gòu)重量的80%以上，因此，尋求滿足各種約束條件下的結(jié)構(gòu)重量最輕或成本最省的船舶中剖面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,有重要的實際意義，國內(nèi)外學(xué)者也作了大量的研究,如文獻2利用彈塑性有限元法實現(xiàn)了對船舶中剖面構(gòu)型的優(yōu)化設(shè)計，文獻3則提出了一種針對內(nèi)河船的多目標(biāo)函數(shù)中剖面優(yōu)化設(shè)計方法.集裝箱船與普通貨船相比，具有噸位大、航速快、收稿日期：2007Q601;修回日期：2007-07-16基金項目:教育部“船舶數(shù)字化智能設(shè)計系統(tǒng)”專項課題作者簡介:張麗（1982.），女，碩士，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計.收稿日期：2007Q601;修回日期：2007-07-1

6、6基金項目:教育部“船舶數(shù)字化智能設(shè)計系統(tǒng)”專項課題作者簡介:張麗（1982.），女，碩士，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計.裝卸效率高等特點，因此近年來發(fā)展很快.現(xiàn)代大型集裝箱船為了存放更多的集裝箱，爭取更大存放空間，有甲板大開口和艙口圍板結(jié)構(gòu),并且在船首部、尾部設(shè)計中也盡量爭取更多空間存放集裝箱.同普通貨船相比，有些集裝箱船的貨艙艙口寬度已超過船寬的80%,艙口長度已達到船長的90%,并且大艙口結(jié)構(gòu)破壞了主甲板的連續(xù)性,所以總縱強度和扭轉(zhuǎn)強度不易滿足.集裝箱船的彎扭強度問題也是近年來船舶界的熱門研究課題"句.本文參照CCS規(guī)范以及相關(guān)文獻對于大開口船舶扭轉(zhuǎn)強度的研究結(jié)論，利用薄壁桿件理

7、論,建立了考慮彎扭強度約束和頻率約束的集裝箱船中剖面優(yōu)化設(shè)計模型，并對3100TEU集裝箱船中剖面進行了優(yōu)化設(shè)計.1優(yōu)化模型船舶中剖面優(yōu)化設(shè)計是典型的約束非線性問題，是以船中剖面面積最小為目標(biāo)來確定鋼板和型鋼的截面特征尺寸，達到更合理的材料分配和降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平的目的.其一般式可寫成：min/(X),XeRns.t.gj(X)WOJ=1,2,m(1)%：W丸W式中/為設(shè)計變量總數(shù);血為約束條件總數(shù);/(X)為目標(biāo)函數(shù);g(X)為約束函數(shù)以和#分別為設(shè)計變量尤j的上下限；X3,如叫)為設(shè)計變量組成的列向量.1.1設(shè)計變本文所做的優(yōu)化是針對船長在90m300m之間的巴拿馬型集裝箱船，如圖1所示因此

8、，船體外形已定，構(gòu)件之間的連接關(guān)系明確，主要以鋼板厚度和型鋼截面面積作為設(shè)計變量.xlOX15、r卜x7圖1船中剖面示意圖圖中，xlX19為型材截面面積,其值從鋼材市場供應(yīng)的規(guī)格中選取(可查閱常用型材規(guī)格)，為離散設(shè)計變量;x20x28、x30x32為鋼板厚度，一般取為整型連續(xù)設(shè)計變量;x29為雙層底高度，為連續(xù)設(shè)計變量.1.2約束函數(shù)為了滿足設(shè)計的要求，甲板處總縱彎曲應(yīng)力和船底總縱彎曲應(yīng)力與板架彎曲應(yīng)力的合應(yīng)力以及中和軸處舷側(cè)板的剪應(yīng)力分別小于或等于規(guī)范規(guī)定的許用應(yīng)力，對于集裝箱這類大開口船舶，必須考慮扭轉(zhuǎn)的影響，在設(shè)計中還應(yīng)該考慮振動對結(jié)構(gòu)的影響1.2.1正應(yīng)力約束船長方向正應(yīng)力有靜水彎曲

9、應(yīng)力、波浪彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)翹曲應(yīng)力，依據(jù)規(guī)范，合成應(yīng)力是靜水彎曲應(yīng)力、波浪彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)翹曲應(yīng)力的線性疊加.根據(jù)文獻7,集裝箱船中剖面處垂向波浪彎矩協(xié)應(yīng)按下式計算：Mv=9.3KFlB(Cb+0.7)x10“(2)式中,為垂向波浪彎矩，kNm；K、F為與船長相關(guān)的系數(shù);q為方形系數(shù)4為船長;8為船寬.船舶處于迎浪時的垂向彎曲合成應(yīng)力為(3)(3)M,+M八=wv10式中，/為垂向彎曲合成應(yīng)力，N/mm2;為靜水彎矩；K為剖面模數(shù).由文獻8,集裝箱船作為大開口薄壁梁結(jié)構(gòu),中剖面處翹曲應(yīng)力小，彎曲應(yīng)力大，在設(shè)計過程中應(yīng)偏重于降低彎曲應(yīng)力，因此正應(yīng)力約束可以為：甲板處正應(yīng)力約束天或船底處正應(yīng)力約束片唄

10、與次,還要求船中剖面對水平中和軸的慣性矩7。/。,對于翹曲正應(yīng)力的約束，勞氏規(guī)范中規(guī)定中剖面抗扭箱的截面積&(cm?)大于等于排水量()的0.15倍，本文的在優(yōu)化設(shè)計中也要求中。0.151.2.2剪應(yīng)力約束船體梁波浪切力Fw應(yīng)按下式計算：Fw=21CLB(C.,+0.7)x10“(4)式中,F,為波浪切力,kN；C為與船長相關(guān)系數(shù).舷側(cè)外板上由靜水切力和波浪切力引起的剪應(yīng)力Tl(N/mm2)按下式計算：if+f.isT,=云X10(5)式中,S為靜矩;F,為靜水切力；/為慣性矩;&為與剖面形式相關(guān)的系數(shù).由于大開口船舶扭轉(zhuǎn)時在船體中部波浪扭矩有最大值，而翹曲應(yīng)力較小，因此認(rèn)為船

11、體中部處于純扭轉(zhuǎn)狀態(tài)由于船體是一個由鋼板焊接而成的薄壁結(jié)構(gòu)，其長度遠(yuǎn)大于寬度和深度，所以可以把整個船體理想化為一根薄壁梁.根據(jù)薄壁桿件扭轉(zhuǎn)理論將其中的縱桁等略去而近似的當(dāng)作一多閉室來處理，計算出由扭矩引起的剪應(yīng)力r2.船中剖面處的波浪扭矩MTw(kN-m)按下式計算：臨=丸W賽(L75+1.5券)(6)式中，。為型深；G為與船舶主尺度相關(guān)的系數(shù);&為從船基線以下的剪切中心至船基線的距離.船中剖面處的貨物扭矩Mrc（kNm）按下式計算：Mr=15.（7）式中,、山分別為在船中部貨艙內(nèi)沿船寬方向的集裝箱行數(shù)和集裝箱層數(shù).中剖面處總扭矩Mt=蜘+Mr.,再由薄壁桿件理論求出由扭矩引起的剪應(yīng)力

12、L,優(yōu)化設(shè)計中對于剪應(yīng)力的約束為丁2+了1W丁1.2.3穩(wěn)定性約束對于如雙層底高度、船底板板厚、內(nèi)底板板厚、舷側(cè)板厚等規(guī)范有規(guī)定的變量，依照規(guī)范來取上下限,對于規(guī)范沒有明確規(guī)定的變量,為了避免產(chǎn)生過大或過小的不切實際的結(jié)果,各變量的變化范圍只能在可行域內(nèi)選取.而對于離散的型材截面面積，則按照市場上已有的規(guī)格選取.1.3目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化目標(biāo)為船中剖面面積最小，即型鋼數(shù)鋼板數(shù)f（x）=£七+Xsixi:»1其中，勺為編號為J的鋼板寬度.受壓板格的理想彈性屈曲應(yīng)力皿應(yīng)按下式計算:(8)式中,s為板格短邊長度;。為系數(shù)位為板凈厚度;E為材料彈性模量.板的臨界屈曲應(yīng)力隊?wèi)?yīng)按下式計算:(r

13、c=aESW孚板的工作壓應(yīng)力b應(yīng)滿足crW*bc（對板和加強材腹板洛=1）（1。）1.2.4頻率約束在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)考慮振動對結(jié)構(gòu)的影響.通常,在設(shè)計的初步階段，首先要避開船體的低諧調(diào)共振區(qū)域，設(shè)法使干擾頻率和船體固有頻率錯開一定值，避免發(fā)生共振，本文考慮一、二、三階的船體固有頻率,使其與主機轉(zhuǎn)速保持一定差距,建立三個頻率禁區(qū),控制范圍系數(shù)分別取6%,8%和10%本文采用希列克的公式皿估算船舶首階固有頻率:Nn=（11）其中,C為統(tǒng)計系數(shù)，按照文獻13提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對于巴拿馬型集裝箱，可取為2.8x106；Av為計入附連水質(zhì)量后船體垂向彎曲振動的總質(zhì)量，可取為A,=A（1.2+f）.三節(jié)點、四

14、節(jié)點固有頻率根據(jù)文獻12,分別由。3=1.8&,匕=2.53心得到.若幾為主機轉(zhuǎn)速，建立頻率約束MW0.97N或1.03此2幾（0.96心或1.04叫3WrtWO.95/或1.05/V1.2.5上下限約束優(yōu)化的實現(xiàn)Isight是美國Engineious公司開發(fā)的過程集成、優(yōu)化設(shè)計和穩(wěn)健性設(shè)計的通用性軟件,它提供了一個優(yōu)化工具包,集成了20多種常用的優(yōu)化算法，并且可以很方便的增加自己的算法.文獻13已經(jīng)證明，模擬退火算法對于解決船舶中剖面優(yōu)化設(shè)計這類非線性約束混合變量優(yōu)化問題是可行且高效的，本文則借助isight工具包中的自適應(yīng)模擬退火算法實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計.利用VC編譯可執(zhí)行文件，建

15、立優(yōu)化設(shè)計變量、約束函數(shù)和目標(biāo)函數(shù)，控制輸入文件和輸出文件，通過isight實現(xiàn)對可執(zhí)行文件的調(diào)用，利用isight工具包中的自適應(yīng)模擬退火算法，建立巴拿馬型集裝箱船中剖面優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，只要輸入船長七、型寬8、型深。、方型系數(shù)G、設(shè)計吃水心主機轉(zhuǎn)速幾、船中部貨艙內(nèi)集裝箱沿船寬方向行數(shù)如和層數(shù)幾,、設(shè)計靜水彎矩和設(shè)計靜水切力F,等船舶初步設(shè)計基本參數(shù)，便可對其進行中剖面的優(yōu)化設(shè)計.3算例本算例研究的母型船-3100TEU集裝箱船的主要輸入?yún)?shù):船長L為214.20m；型寬B為32.20m；型深Q為18.80m；方型系數(shù)Cb為0.67；設(shè)計吃水d為12.00m；主機轉(zhuǎn)速n為100r/min；集裝箱

16、行數(shù)nB為10;集裝箱層數(shù)勺為10;設(shè)計靜水彎矩：中垂為10x104KNm,中拱為22.5x105KN-m.母型船的型鋼主要采用了扁鋼和角鋼，所以程序中輸入了市場上角鋼和扁鋼的基本規(guī)格，按照本文所述優(yōu)化設(shè)計模型,對其進行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化結(jié)果與初始計算的結(jié)果比較如表1所示.優(yōu)化前中橫剖面的面積為14871.39cm2,優(yōu)化后中橫剖面的面積為13432.94cn?,中剖面面積減少了9.67%.既保證強度滿足規(guī)范的要求，又減輕了重量.序號構(gòu)件名稱設(shè)計變量初始設(shè)計優(yōu)化結(jié)果序號構(gòu)件名稱設(shè)計變量初始設(shè)計優(yōu)化結(jié)果1縱骨1xl23.0020.9417縱骨14xl733.4029.662縱骨2x245.3041

17、.7018縱骨15xl845.3037.473中內(nèi)龍骨2x323.0016.5019L縱骨16xl916.5012.004縱骨3x442.4838.5020船底板x2020.0020.005縱骨4x515.0015.0021內(nèi)底板x2114.0015.006甲板扶強材1x6154.00140.0022內(nèi)側(cè)板1x2213.0010.007甲板扶強材2x723.0013.6223內(nèi)側(cè)板2x2312.0010.008縱骨5x833.4019.0024舷側(cè)板1x2415.0017.009縱骨6x9132.00140.0025舷側(cè)板2x2513.0010.0010縱骨7xlO23.0016.5026內(nèi)側(cè)

18、板3x2611.0010.0011縱骨8xll28.8019.0027甲板x2711.0010.0012縱骨9xl233.4027.3628主甲板x2844.0036.0013縱骨10xl346.5046.5029雙層底高度x291780.001627.0014縱骨11x!4132.00120.0030內(nèi)側(cè)板4x3010.0015.0015縱骨12xl523.0016.50.31內(nèi)側(cè)板5x3111.0011.0016縱骨13xl628.8029.6632舷側(cè)板3x3222.0012.00表1優(yōu)化結(jié)果其中，縱骨截面面積單位為cm'板材厚度單位為mm;雙層底高度單位為mm.4總結(jié)本文依據(jù)C

19、CS規(guī)范以及相關(guān)文獻對于大開口船舶扭轉(zhuǎn)強度的研究結(jié)論，利用薄壁桿件理論，建立了考慮彎扭強度約束和頻率約束的集裝箱船中剖面優(yōu)化設(shè)計模型.通過VC程序編譯了可執(zhí)行文件，考慮了船舶中剖面優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量的混合性，利用isight中的自適應(yīng)模擬退火算法，建立了巴拿馬型集裝箱船中剖面優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，只要輸入船舶初步設(shè)計中的基本數(shù)據(jù)，便可進行優(yōu)化設(shè)計，并以3100TEU集裝箱船為母型，對其進行了優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果證明，優(yōu)化效果很好.參考文獻：1 曾廣武.船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計M.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2004.2 MermirisGeorge,DasP.K.,MoatsosJoannis,Winkle,I.E.TowardsamethodfortheoptimizationofmidshipsectionintermsofproductioncostinpreliminaryshipdesignfJ.AmericanSocietyofMechanicalEngineers,2005,(30)：981-990.3 M.K.Rahman.Automatedoptimizationoftransverseframelayoutsforshipsbyelastic-pla