HCSR油船結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

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

１）石油呈液體狀，運送過程中容易揮發(fā)、燃燒或爆炸，因此油船在布置構(gòu)造中對防火安全要求嚴格；２）為減小石油在貨油艙內(nèi)自由液面對船舶穩(wěn)性的影響，貨油艙需由橫、縱艙壁分隔；３）為了增加總縱強度，船體的長深比較大，多采用縱骨架式；IMO制定了MARPOL修正案，同時建立了GBS標準（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估范圍不同細網(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細網(wǎng)格大小統(tǒng)一為50mm×50mm明確了細網(wǎng)格法定校核區(qū)域和應(yīng)力篩選區(qū)域以及應(yīng)力篩選衡準屈曲強度高級屈曲校核方法不同采用新編寫的閉合屈曲計算公式疲勞強度疲勞評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)一采用熱點應(yīng)力評估法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)定型材的細長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、評估準則的變化，結(jié)構(gòu)強度方面的要求將高于CSR，結(jié)構(gòu)強度要求提高將以船舶結(jié)構(gòu)尺寸的增加為代價，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)濟性與節(jié)能環(huán)保。３）大型油船結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究需要綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟性、建造工藝等一系列因素，給出較好的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。1.４結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的特點

1）優(yōu)化設(shè)計就是滿足一定條件下，使某一參數(shù)達到極值（極大值或極小值），例如造價最低、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)強度等。

2）傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計是以數(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)運而生，同時，借助計算機應(yīng)用程序快速的進行優(yōu)化設(shè)計，為優(yōu)化設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

數(shù)學(xué)模型約束條件：限制設(shè)計變量變化范圍或限制設(shè)計方案的選取的條件。設(shè)計變量：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中數(shù)值可變的優(yōu)化對象。目標函數(shù)：度量結(jié)構(gòu)設(shè)計方案優(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)表達式表達。2

HCSR直接計算法及對油船結(jié)構(gòu)重量影響分析2.1有限元模型1)X方向是沿船長方向，船首方向為正；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后端面獨立點-約束約束MT-end--橫截面剛性連接剛性連接剛性連接端面梁，如圖所示前端面獨立點-約束約束約束--中心線和內(nèi)底板的交點約束--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立點（中心線和中和軸的交點）和所有縱向連續(xù)構(gòu)件的節(jié)點作剛性耦合，在耦合點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行調(diào)整，達到相應(yīng)目標位置的目標值，但調(diào)整后的剪力值、彎矩值、扭矩值不得大于船體梁調(diào)整的目標值。船體梁調(diào)整的目標值和目標位置調(diào)整方法剪力調(diào)整目標值：目標位置：中間艙的橫艙壁處強框架施加節(jié)點力；節(jié)點力按照剪流理論計算；圖2.4貨艙區(qū)剪力調(diào)整到穿過零點示意圖船體梁調(diào)整的目標值和目標位置調(diào)整方法彎矩調(diào)整垂向彎矩目標值：

水平彎矩目標值：

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

目標位置：如果中間艙中點處位于0.531L之后，目標位置為中間艙后艙壁，否則為中間艙前艙壁后端剖面獨立點施加調(diào)整值；調(diào)整值按積分點累計計算；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)計波，以及十四種裝載模式，組合形成了52個載荷工況。2.5目標船基本信息

滿足CSR的載重量為308,000噸的大型油船，該船為布置有5個貨油艙的雙殼油船，并由兩道油密縱艙壁將每個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。總長Loa330m垂線間長Lpp320m規(guī)范船長L316.22m型寬B60.00m型深D29.80m方形系數(shù)Cb0.825設(shè)計吃水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，計算公式如下所示：2.6屈服強度評估

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

結(jié)構(gòu)屈曲強度評估時，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)與對應(yīng)的極限能力或屈曲強度之比：——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；——失效時的應(yīng)力乘數(shù)因子。靜載荷（S）工況下的評估結(jié)果：組合載荷（S+D）工況下的評估結(jié)果：2.8HCSR對油船結(jié)構(gòu)重量影響分析１）根據(jù)以上強度評估結(jié)果，該滿足CSR的雙殼油船，在進行基于HCSR的有限元直接計算時，某些構(gòu)件不滿足HCSR屈服或屈曲強度要求。２）可以初步得出HCSR對船體結(jié)構(gòu)提出了更高的強度要求。３）在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，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)計變量、目標函數(shù)和約束條件，其數(shù)學(xué)表達式如下式：——n個設(shè)計變量——目標函數(shù)，評判設(shè)計方案優(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：

1)目標函數(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體，通過對其進行編碼，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，解空間中的解再模擬種群個體選擇、交叉、變異的過程，通過不斷的繁衍進行種群中擇優(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)，通過迭代進行求解的一種概率性尋優(yōu)方法。在解決優(yōu)化問題時，首先確定某一初始溫度，物質(zhì)退火中溫度不斷下降，不同的溫度值對應(yīng)著解空間內(nèi)的解，通過溫度的下降過程計算解空間內(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，種群中的每個個體即每個粒子代表解空間內(nèi)的一個解。種群中的每個個體都有一個速度，且都具有記憶功能，能夠記下達到過的位置，粒子在解空間中根據(jù)自身速度進行運動，比較到達的位置，選出最優(yōu)位置。根據(jù)個體先后到達的位置，通過改變個體的位置和速度，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，它具有極強的設(shè)計探索功能，通過運用各種優(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)計問題，對多個設(shè)計可選方案進行評估，所集成的設(shè)計流程可在圖形界面中顯示出來，使整個方案的設(shè)計與評價過程可視化、自動化。3.４.1設(shè)計變量：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。設(shè)計變量編號圖：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)計經(jīng)驗，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)計變量原則

：3.４.2目標函數(shù)：以剖面的截面積最小為優(yōu)化目標，目標函數(shù)如下式所示：式中：n——設(shè)計變量的數(shù)量；m——常量的數(shù)量；Ai(X)——設(shè)計變量的橫截面面積（m2）；Aj(X)——常量的橫截面面積（m2）；3.４.3約束條件——船體梁強度船體梁強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：船體梁橫剖面對其水平中和軸的慣性矩不小于IyR：船體梁橫剖面任一點的正應(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度QR(kN)，取為對船體梁剪切能力有貢獻的所有板單元中的最小值：約束條件——船體局部尺度強度條件1）最小板厚2）板的屈服強度要求對于板材，其凈厚度不小于所有使用設(shè)計載荷組合計算所得結(jié)果的最大值：3）加強筋的屈服強度要求對于骨材，其腹板凈厚度不小于所有使用設(shè)計載荷組合計算所得結(jié)果的最大值：其剖面模數(shù)不小于所有使用設(shè)計載荷組合計算所得結(jié)果的最大值：約束條件——細長比要求1）板格

板的凈厚度必須滿足：2）加強筋

加強筋腹板和面板的凈厚度必須滿足：對于角鋼和T型材面板寬度必須滿足：

加強筋關(guān)于水平中和軸的慣性矩必須滿足：3.４.4

計算結(jié)果根據(jù)舯剖面結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，編寫用于計算舯剖面特性的表格，其中，各縱向構(gòu)件板厚為設(shè)計變量，剖面截面積為目標函數(shù)，同時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）對船舯剖面的縱向結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。分別采用多島遺傳算法（MIGA）、模擬退火算法（SA）、粒子群算法（PSO）對船舯剖面的縱向結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。4基于HCSR直接計算法的艙段結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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

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

Isight軟件具有較強的集成能力，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。本文運用優(yōu)化軟件

集成有限元分析軟件MSC.Nastran、MSC.Patran，對大型油船三艙段進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，其中優(yōu)化算法選用中剖面優(yōu)化設(shè)計中優(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，編寫一個批處理文件，使Isight驅(qū)動MSC.Patran軟件運行，生成艙段重量文件*.rpt文件，以及有限元直接計算用于校核屈服強度和屈曲能力的應(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，編寫一個批處理文件，使Isight驅(qū)動Fortran自編程序進行計算，該程序用于計算數(shù)學(xué)模型中約束條件中數(shù)據(jù)需要進行一定的數(shù)學(xué)計算，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Excel表格進行計算，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算。對于復(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)計變量：為了簡化優(yōu)化問題，主要對三艙段結(jié)構(gòu)中間艙的甲板、舷側(cè)和外底板進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。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，縱向方向大概三個強框架便設(shè)置一個板縫，本船中每個強框架5.66m，三個強框架16.98m。構(gòu)件類型為板材和縱骨，縱骨選用T型材。２）目標函數(shù)：在進行艙段整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，以中間艙凈重量最輕為優(yōu)化目標。３）約束條件：屈服強度根據(jù)屈服強度校核衡準，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屈曲強度根據(jù)屈曲強度校核衡準，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，反之越安全?？捎嬎愕贸龈鞴r下甲板、舷側(cè)和外底板的系數(shù)r大小。

HCSR規(guī)定的計算工況有52個，對于艙段整體優(yōu)化，考慮計算機容量與耗時等問題，很難將全部工況同時集成在Isight中進行優(yōu)化設(shè)計，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％。對于約束條件，其優(yōu)化方案滿足屈服和屈曲強度要求。４.5規(guī)范計算法的船舯剖面結(jié)構(gòu)校核對基于直接計算法的艙段結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果，需要根據(jù)規(guī)范計算法驗證中剖面結(jié)構(gòu)是否滿足結(jié)構(gòu)要求，包括船體梁強度、船體局部強度和細長比要求等。艙段結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果在船長方向等分為三個區(qū)域，因此需要校核三個剖面的結(jié)構(gòu)特性。５.結(jié)構(gòu)