HCSR油船結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

7.4節(jié)HCSR油船結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)1.1油船結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

１）石油呈液體狀，運(yùn)送過程中容易揮發(fā)、燃燒或爆炸，因此油船在布置構(gòu)造中對(duì)防火安全要求嚴(yán)格；２）為減小石油在貨油艙內(nèi)自由液面對(duì)船舶穩(wěn)性的影響，貨油艙需由橫、縱艙壁分隔；３）為了增加總縱強(qiáng)度，船體的長(zhǎng)深比較大，多采用縱骨架式；IMO制定了MARPOL修正案，同時(shí)建立了GBS標(biāo)準(zhǔn)（HCSR）單殼油船

雙殼油船１.前言

1.2HCSR規(guī)范相比于CSR規(guī)范的主要特點(diǎn)CSR共性中的差異HCSR主要協(xié)調(diào)內(nèi)容載荷外載荷模型不一致形成了新的載荷模型增加了斜浪工況疲勞載荷的概率水平由10-4改為10-2，Weibull形狀系數(shù)取為1有限元分析有限元評(píng)估范圍不同細(xì)網(wǎng)格網(wǎng)格精度不同船體梁剪切修正方法不同建模方面主要參考了CSR-OT細(xì)網(wǎng)格大小統(tǒng)一為50mm×50mm明確了細(xì)網(wǎng)格法定校核區(qū)域和應(yīng)力篩選區(qū)域以及應(yīng)力篩選衡準(zhǔn)屈曲強(qiáng)度高級(jí)屈曲校核方法不同采用新編寫的閉合屈曲計(jì)算公式疲勞強(qiáng)度疲勞評(píng)估的要求不同考慮不同腐蝕環(huán)境下的疲勞累積損傷統(tǒng)一采用熱點(diǎn)應(yīng)力評(píng)估法S-N曲線統(tǒng)一選用D曲線除法定校核區(qū)域外，提出了疲勞篩選描述性規(guī)定型材的細(xì)長(zhǎng)比要求不同主要支撐構(gòu)件規(guī)定不同主要支撐構(gòu)件的跨距參照CSR-OT最小板厚取CSR-OT和CSR-BC的包絡(luò)值1.３

油船結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的目的和意義１）HCSR與CSR相比，雖然規(guī)范的整體結(jié)構(gòu)改變不大，但由于具體要求、評(píng)估準(zhǔn)則的變化，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的要求將高于CSR，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求提高將以船舶結(jié)構(gòu)尺寸的增加為代價(jià)，從而導(dǎo)致船舶重量的增加。２）在滿足規(guī)范要求的條件下，降低船舶結(jié)構(gòu)重量，提高材料利用率，降低建造成本，提高經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能環(huán)保。３）大型油船結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究需要綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟(jì)性、建造工藝等一系列因素，給出較好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。1.４結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1）優(yōu)化設(shè)計(jì)就是滿足一定條件下，使某一參數(shù)達(dá)到極值（極大值或極小值），例如造價(jià)最低、重量最輕、速度最快等等，制約這些參數(shù)的條件包括型線變化、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等。

2）傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是以數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，優(yōu)化問題的求解方法也局限在數(shù)值優(yōu)化方法。

3）現(xiàn)代智能優(yōu)化算法和理論應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)，借助計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序快速的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

數(shù)學(xué)模型約束條件：限制設(shè)計(jì)變量變化范圍或限制設(shè)計(jì)方案的選取的條件。設(shè)計(jì)變量：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中數(shù)值可變的優(yōu)化對(duì)象。目標(biāo)函數(shù)：度量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的函數(shù)。４）通過建立數(shù)學(xué)模型，可以將結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)問題，由數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)。2

HCSR直接計(jì)算法及對(duì)油船結(jié)構(gòu)重量影響分析2.1有限元模型1)X方向是沿船長(zhǎng)方向，船首方向?yàn)檎?；Y方向沿船寬方向，左舷為正；Z方向沿型深方向，向上為正；2)對(duì)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（tc）的凈厚度；2.2邊界條件位置平移

旋轉(zhuǎn)δxδyδzθxθyθz后端面獨(dú)立點(diǎn)-約束約束MT-end--橫截面剛性連接剛性連接剛性連接端面梁，如圖所示前端面獨(dú)立點(diǎn)-約束約束約束--中心線和內(nèi)底板的交點(diǎn)約束--橫截面-剛性連接剛性連接剛性連接--端面梁，如圖所示其中:“-”為無約束

(自由)

將模型前后端部處的獨(dú)立點(diǎn)（中心線和中和軸的交點(diǎn)）和所有縱向連續(xù)構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)作剛性耦合，在耦合點(diǎn)上施加約束條件施加在模型端部的邊界條件端部約束梁示意圖2.3船體梁載荷調(diào)整HCSR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(jìn)行調(diào)整，達(dá)到相應(yīng)目標(biāo)位置的目標(biāo)值，但調(diào)整后的剪力值、彎矩值、扭矩值不得大于船體梁調(diào)整的目標(biāo)值。船體梁調(diào)整的目標(biāo)值和目標(biāo)位置調(diào)整方法剪力調(diào)整目標(biāo)值：目標(biāo)位置：中間艙的橫艙壁處強(qiáng)框架施加節(jié)點(diǎn)力；節(jié)點(diǎn)力按照剪流理論計(jì)算；圖2.4貨艙區(qū)剪力調(diào)整到穿過零點(diǎn)示意圖船體梁調(diào)整的目標(biāo)值和目標(biāo)位置調(diào)整方法彎矩調(diào)整垂向彎矩目標(biāo)值：

水平彎矩目標(biāo)值：

目標(biāo)位置：中間艙中點(diǎn)處或中間艙最大/最小彎矩的縱向位置端部剖面施加節(jié)點(diǎn)力；節(jié)點(diǎn)力按照簡(jiǎn)單梁理論計(jì)算；圖2.5貨艙區(qū)彎矩調(diào)整示意圖船體梁調(diào)整的目標(biāo)值和目標(biāo)位置調(diào)整方法扭矩調(diào)整目標(biāo)值：

目標(biāo)位置：如果中間艙中點(diǎn)處位于0.531L之后，目標(biāo)位置為中間艙后艙壁，否則為中間艙前艙壁后端剖面獨(dú)立點(diǎn)施加調(diào)整值；調(diào)整值按積分點(diǎn)累計(jì)計(jì)算；圖2.6貨艙區(qū)扭矩調(diào)整的示意圖2.4載荷工況根據(jù)規(guī)范中規(guī)定的HSM、HSA、FSM、BSR、BSP、OST、OSA七種等效設(shè)計(jì)波，以及十四種裝載模式，組合形成了52個(gè)載荷工況。2.5目標(biāo)船基本信息

滿足CSR的載重量為308,000噸的大型油船，該船為布置有5個(gè)貨油艙的雙殼油船，并由兩道油密縱艙壁將每個(gè)貨油艙分為左中右三部分，船中區(qū)域肋骨間距為5.66m，其主尺度如下表所示?？傞L(zhǎng)Loa330m垂線間長(zhǎng)Lpp320m規(guī)范船長(zhǎng)L316.22m型寬B60.00m型深D29.80m方形系數(shù)Cb0.825設(shè)計(jì)吃水TD20.50m結(jié)構(gòu)吃水TSC21.80m梁拱1.20m服務(wù)航速V15.7kn三艙段模型其中：屈服利用因子，計(jì)算公式如下所示：2.6屈服強(qiáng)度評(píng)估

屈服強(qiáng)度的校核根據(jù)屈服利用因子進(jìn)行校核，結(jié)構(gòu)每一部分單元計(jì)算得出的屈服利用因子都不應(yīng)該超過其許用值。評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)：靜載荷（S）工況下的評(píng)估結(jié)果：組合載荷（S+D）工況下的評(píng)估結(jié)果：2.7屈曲強(qiáng)度評(píng)估

結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度評(píng)估時(shí)，需滿足屈曲利用因子ηact不大于許用屈曲利用因子ηall。屈曲利用因子ηact為載荷效應(yīng)與對(duì)應(yīng)的極限能力或屈曲強(qiáng)度之比：——由組合膜應(yīng)力引起的等效應(yīng)力，N/mm2；——等效屈曲能力，N/mm2；——失效時(shí)的應(yīng)力乘數(shù)因子。靜載荷（S）工況下的評(píng)估結(jié)果：組合載荷（S+D）工況下的評(píng)估結(jié)果：2.8HCSR對(duì)油船結(jié)構(gòu)重量影響分析１）根據(jù)以上強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果，該滿足CSR的雙殼油船，在進(jìn)行基于HCSR的有限元直接計(jì)算時(shí)，某些構(gòu)件不滿足HCSR屈服或屈曲強(qiáng)度要求。２）可以初步得出HCSR對(duì)船體結(jié)構(gòu)提出了更高的強(qiáng)度要求。３）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需通過改變構(gòu)件尺寸使其滿足HCSR要求，如增加板材厚度、增大加強(qiáng)筋尺寸等，這一過程將明顯增加結(jié)構(gòu)重量。3基于HCSR規(guī)范計(jì)算的舯剖面結(jié)構(gòu)優(yōu)化3.1優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型包括，設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下式：——n個(gè)設(shè)計(jì)變量——目標(biāo)函數(shù)，評(píng)判設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的函數(shù)——

約束條件。3.2優(yōu)化算法ClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoaddText這里采用三種全局優(yōu)化算法：１）多島遺傳算法（MIGA）；２）模擬退火算法（SA）；３）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(diǎn)：

1)目標(biāo)函數(shù)存在多峰性、非線性、非連續(xù)、不可微函數(shù)；

2)設(shè)計(jì)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(duì)于沒有任何導(dǎo)數(shù)、梯度信息的函數(shù)，依然可找到最優(yōu)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；１）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(gè)體，通過對(duì)其進(jìn)行編碼，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，解空間中的解再模擬種群個(gè)體選擇、交叉、變異的過程，通過不斷的繁衍進(jìn)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(fù)雜非線性的優(yōu)化問題，是一種隨機(jī)的尋優(yōu)搜索的方法，屬于全局優(yōu)化算法。２）模擬退火算法：模擬退火算法是以固體退火過程的物理現(xiàn)象為基礎(chǔ)，通過迭代進(jìn)行求解的一種概率性尋優(yōu)方法。在解決優(yōu)化問題時(shí)，首先確定某一初始溫度，物質(zhì)退火中溫度不斷下降，不同的溫度值對(duì)應(yīng)著解空間內(nèi)的解，通過溫度的下降過程計(jì)算解空間內(nèi)的解直至找到最優(yōu)解。３）粒子群算法：通過模擬鳥群覓食的過程，而形成的基于群體智能理論的優(yōu)化算法。在粒子群算法中，種群中的每個(gè)個(gè)體即每個(gè)粒子代表解空間內(nèi)的一個(gè)解。種群中的每個(gè)個(gè)體都有一個(gè)速度，且都具有記憶功能，能夠記下達(dá)到過的位置，粒子在解空間中根據(jù)自身速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，比較到達(dá)的位置，選出最優(yōu)位置。根據(jù)個(gè)體先后到達(dá)的位置，通過改變個(gè)體的位置和速度，最終不斷的趨近全局最優(yōu)解。3.3優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件Isight軟件是由美國Engineious公司出品的通用優(yōu)化軟件，它具有極強(qiáng)的設(shè)計(jì)探索功能，通過運(yùn)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(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)可選方案進(jìn)行評(píng)估，所集成的設(shè)計(jì)流程可在圖形界面中顯示出來，使整個(gè)方案的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)過程可視化、自動(dòng)化。3.４.1設(shè)計(jì)變量：１）常量：雙層底高度為2.98m，雙舷側(cè)間距為3.4m，縱艙壁在距船舯11.05m的位置，雙層底縱桁分別在距船舯0m、11.05m和22.1m處，雙舷側(cè)平臺(tái)甲板分別在距底8.78m、14.73m，20.68m和26.63m處。3.４船舯剖面結(jié)構(gòu)優(yōu)化２）可變量，包括三類：

縱骨間距；

板厚；

縱骨型號(hào)。設(shè)計(jì)變量編號(hào)圖：1）板厚區(qū)間選為8mm-30mm，隔為0.5mm；2）選取T型材的離散集型材庫，腹板高度的離散間隔為10mm，面板寬度的離散間隔為5mm，腹板和面板厚度的離散間隔為0.5mm；3）根據(jù)油船縱骨布置的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，縱骨間距的離散集可取700mm至900mm，其離散間隔為10mm，為了減少設(shè)計(jì)變量的數(shù)量，設(shè)甲板、內(nèi)外底的縱骨間距一致，縱艙壁、內(nèi)外舷側(cè)縱骨間距一致。設(shè)計(jì)變量原則

：3.４.2目標(biāo)函數(shù)：以剖面的截面積最小為優(yōu)化目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)如下式所示：式中：n——設(shè)計(jì)變量的數(shù)量；m——常量的數(shù)量；Ai(X)——設(shè)計(jì)變量的橫截面面積（m2）；Aj(X)——常量的橫截面面積（m2）；3.４.3約束條件——船體梁強(qiáng)度船體梁強(qiáng)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數(shù)ZB-n50應(yīng)不小于ZR：船體梁橫剖面對(duì)其水平中和軸的慣性矩不小于IyR：船體梁橫剖面任一點(diǎn)的正應(yīng)力L(N/mm2)不小于船體梁彎曲許用應(yīng)力perm(N/mm2)L≤perm船體梁垂向凈剪切強(qiáng)度QR(kN)，取為對(duì)船體梁剪切能力有貢獻(xiàn)的所有板單元中的最小值：約束條件——船體局部尺度強(qiáng)度條件1）最小板厚2）板的屈服強(qiáng)度要求對(duì)于板材，其凈厚度不小于所有使用設(shè)計(jì)載荷組合計(jì)算所得結(jié)果的最大值：3）加強(qiáng)筋的屈服強(qiáng)度要求對(duì)于骨材，其腹板凈厚度不小于所有使用設(shè)計(jì)載荷組合計(jì)算所得結(jié)果的最大值：其剖面模數(shù)不小于所有使用設(shè)計(jì)載荷組合計(jì)算所得結(jié)果的最大值：約束條件——細(xì)長(zhǎng)比要求1）板格

板的凈厚度必須滿足：2）加強(qiáng)筋

加強(qiáng)筋腹板和面板的凈厚度必須滿足：對(duì)于角鋼和T型材面板寬度必須滿足：

加強(qiáng)筋關(guān)于水平中和軸的慣性矩必須滿足：3.４.4

計(jì)算結(jié)果根據(jù)舯剖面結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，編寫用于計(jì)算舯剖面特性的表格，其中，各縱向構(gòu)件板厚為設(shè)計(jì)變量，剖面截面積為目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)將各約束條件通過數(shù)值的形式編寫在該表格中。利用Isight軟件集成該表格，分別采用多島遺傳算法（MIGA）、模擬退火算法（SA）、粒子群算法（PSO）對(duì)船舯剖面的縱向結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。分別采用多島遺傳算法（MIGA）、模擬退火算法（SA）、粒子群算法（PSO）對(duì)船舯剖面的縱向結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。4基于HCSR直接計(jì)算法的艙段結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)集成過程1）集成MSC.Nastran

將*.bdf文件作為輸入文件，編寫一個(gè)批處理文件，使Isight驅(qū)動(dòng)MSC.Nastran軟件將需要優(yōu)化的變量，運(yùn)用參數(shù)賦值，生成有限元直接計(jì)算后處理文件*.op2文件。

Isight軟件具有較強(qiáng)的集成能力，可以集成很多大型通用軟件和自編程序[54]，如Abaqus、MSC.Patran、MSC.Nastran、Fluent、Ansys、Matlab、C、Fortran、Java等。本文運(yùn)用優(yōu)化軟件

集成有限元分析軟件MSC.Nastran、MSC.Patran，對(duì)大型油船三艙段進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中優(yōu)化算法選用中剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)中優(yōu)化效果較好的多島遺傳算法，*.bdf文件中板厚的定義,不能改變*.bdf文件原有的格式。批處理GoNastran.bat文件代碼

2）集成MSC.Patran將*.ses文件作為輸入文件，編寫一個(gè)批處理文件，使Isight驅(qū)動(dòng)MSC.Patran軟件運(yùn)行，生成艙段重量文件*.rpt文件，以及有限元直接計(jì)算用于校核屈服強(qiáng)度和屈曲能力的應(yīng)力文件*.rpt文件。*.rpt文件的定義批處理GoPatran.bat文件代碼3）集成Fortran自編程序通過Isight中OSCommand通用命令行組件集成Fortran自編程序，將*.rpt文件作為輸入文件，編寫一個(gè)批處理文件，使Isight驅(qū)動(dòng)Fortran自編程序進(jìn)行計(jì)算，該程序用于計(jì)算數(shù)學(xué)模型中約束條件中數(shù)據(jù)需要進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)計(jì)算，生成所需要的數(shù)據(jù)文件*.rptx文件。4）集成Excel表格通過Isight中Excel組件，使其驅(qū)動(dòng)Excel表格進(jìn)行計(jì)算，該步驟用于數(shù)學(xué)模型的約束條件中，校核板格的屈曲能力的計(jì)算。對(duì)于復(fù)雜約束下的貨油艙結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，最后將重量文件、應(yīng)力文件、屈曲能力校核表格作為輸出文件。4.2艙段結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型１）設(shè)計(jì)變量：為了簡(jiǎn)化優(yōu)化問題，主要對(duì)三艙段結(jié)構(gòu)中間艙的甲板、舷側(cè)和外底板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。以舷側(cè)外板為例，垂向的板縫位置通常在舷側(cè)縱桁附近，縱向方向大概三個(gè)強(qiáng)框架便設(shè)置一個(gè)板縫，本船中每個(gè)強(qiáng)框架5.66m，三個(gè)強(qiáng)框架16.98m。構(gòu)件類型為板材和縱骨，縱骨選用T型材。２）目標(biāo)函數(shù)：在進(jìn)行艙段整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，以中間艙凈重量最輕為優(yōu)化目標(biāo)。３）約束條件：屈服強(qiáng)度根據(jù)屈服強(qiáng)度校核衡準(zhǔn)，構(gòu)件的屈服利用因子λy應(yīng)不大于許用屈服利用因子λyperm：

λy≤λyperm屈曲強(qiáng)度根據(jù)屈曲強(qiáng)度校核衡準(zhǔn)，構(gòu)件的屈曲利用因子ηact不大于許用屈曲利用因子ηall：ηact≤

ηall

4.3計(jì)算工況此處定義系數(shù)r，如下式所示，表示各工況下單元應(yīng)力與許用應(yīng)力的偏離程度，系數(shù)r越小表示該工況下越接近許用應(yīng)力，應(yīng)力值越大，工況越危險(xiǎn)，反之越安全?？捎?jì)算得出各工況下甲板、舷側(cè)和外底板的系數(shù)r大小。

HCSR規(guī)定的計(jì)算工況有52個(gè)，對(duì)于艙段整體優(yōu)化，考慮計(jì)算機(jī)容量與耗時(shí)等問題，很難將全部工況同時(shí)集成在Isight中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要先確定能決定板材厚度、T型材尺寸的決定工況。根據(jù)甲板、舷側(cè)和外底板的系數(shù)r大小選取計(jì)算工況。選取的決定工況A1_HSM2_HA8_HSM1_SA14_SW_H4.4優(yōu)化結(jié)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(shè)定為10，子群個(gè)數(shù)為10，交叉概率1.0，變異概率0.01，移植概率0.01，島間遷移率為0.5，遷移的間隔代數(shù)區(qū)為5。目標(biāo)船三艙段結(jié)構(gòu)中間艙段的初始重量為6333.6噸，經(jīng)過優(yōu)化后的重量為6217.1噸，優(yōu)化前后重量減輕1.839％。對(duì)于約束條件，其優(yōu)化方案滿足屈服和屈曲強(qiáng)度要求。４.5規(guī)范計(jì)算法的船舯剖面結(jié)構(gòu)校核對(duì)基于直接計(jì)算法的艙段結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果，需要根據(jù)規(guī)范計(jì)算法驗(yàn)證中剖面結(jié)構(gòu)是否滿足結(jié)構(gòu)要求，包括船體梁強(qiáng)度、船體局部強(qiáng)度和細(xì)長(zhǎng)比要求等。艙段結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果在船長(zhǎng)方向等分為三個(gè)區(qū)域，因此需要校核三個(gè)剖面的結(jié)構(gòu)特性。５.結(jié)構(gòu)