（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于共同结构规范的油船货舱区结构优化设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 围绕油船共同结构规范( c s r ) 的特点及其给结构设计带来的巨大变化，尤其是使 新造船船体钢料重量增加的问题，论述了怎样通过优化方法在满足强度要求的前提下， 使油船中横剖面结构达到重量最轻的目的。 完成了c s r 中核心内容载荷的计算，形成了基于c s r 的中横剖面结构优化设计程 序系统。系统中，强调了简洁、实用的特点，提高了自动化的程度，并且将程序中的载 荷计算部分和基于局部强度条件确定的构件尺寸分别与英国劳氏船级社( i r ) 的规范计 算软件r u l c s c a l c 2 0 0 6 3 以及中国船级社( c c s ) 的规范计算软件 c c sj b pj t pd s a2 0 0 6 进行了对比，结果基本一致。另一方面，针对上述两大软件 的共同缺陷只是对输入的构件尺寸进行校核，而不能直接计算得至8 满足强度要求的 恰当值，如此容易产生一种过设计( 即过多的强度储备、过大的结构重量、过差的结构 性能) 本文从规范计算的核心内容载荷出发，采用v i s u a lb a s i c 编程语言，从根本上 解决了这个问题，但由于时间和个人能力等原因，目前实现了满足总纵弯曲强度条件， 局部强度条件，刚度和尺度比等约束条件且剖面面积最小的中横剖面尺寸的优化设计功 能。 根据c s r 规定，船长大于1 5 0 米的油船要做有限元强度分析校核，本文采用通用 有限元分析软件m s c p a t r a n 和m s c n a s t r a n 对一艘5 0 0 0 0 d w t 的成品油原油船做了货 舱区三舱段的有限元分析，校核了屈服强度，屈曲强度，疲劳强度，极限强度，局部屈 服网格细化分析，开孔处理等内容，主要进行了屈服强度和疲劳强度的分析，从疲劳裂 纹产生的机理和结构形式、节点形式对疲劳裂纹产生和扩展的影响等方面做了分析，在 疲劳强度不满足规范要求时，通过对结构的改进，或是在内底板和底边舱斜板之间添加 适当大小的肘板，以及所添加肘板的尺寸变化对疲劳强度的影响，在本文中均做了详细 论述。 关键词：双壳油船；共同结构规范：中横剖面；优化设计；有限元分析 田本涛：基于共同结构规范的油船货舱区结构优化设计 s t r u c t u a lo p t i m i z ed e s i g nf o rc a r g ot a n kr e g i o no fo i lt a n k e r sb a s e d o nc o m m o ns t r u c t u r a lr u l e s a b s tr a c t s u r o u n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m m o ns t r u c t u r a lr u l e s ( c s 鼬，a n dt h eh u g ev a r i e t yt h a t b r i n g st ot h eo i ll a u k e t $ s t r u c t u r ed e s i g n , d i s c u s s e sa tt h ep r e c o n d i t i o no fh o wa p p l y o p t i m i z a t i o nm e t h o dt oa t t a i nt h er e q u e s to fs t r e n g t h ，g a i n st h ep u r p o s eo ft h a tm a k et h e m i d s h i ps e c t i o ne o n f i g u r a t i o no f t a n ks h i ph a st h em o s tl i g h tw e i g h t c o m p l e t et h el o a dc a l c u l a t i o no ft h ec s rc o r ec o n t e n t s f o r mt h em i d s h i ps e c t i o n c o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o nd 韶i g np r o g r a m m i n gs y s t e m ，w h i c hb a s eo nc s r e m p h a s i z e da s i m p l ea n dp r a c t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s , r a i s et h ed e g r e eo ft h ea u t o m a t i o n ，u s i n gt h ep a r to fl o a d c a l c u l a t i o na n dt h es c a n t l i n gt h a tc o n f i r m sw i t hl o c a ls t r e n g t hc o n d i t i o nt oc o m p a r em u t u a l l y w i t he n g i n e e r e ds o f t w a r eo fr u l e s c a l c2 0 0 6 3a n dc c sj b pj t pd s a _ 2 0 0 6 ，t h er e s u l ti s c o n s i s t e n t a n da i ma tt h ec o m m o nb l e m i s ho fa b o v e - m e n t i o n e dt w o g r e a t e s t s o f t w a r e 刚u s tc a r r yo nac a l i b r a t i o no fi m p o r ts c a n t l i n g , b u tc a n tc o m p u t et og e tt h ee n d c o m p o n e n ts i z ed i r e c t l y t h i st e x t s e to u tf r o mt h en o r mc o m p u t eo fc o r ec o n t e n t s ， a d o p tv i s u a lb a s i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，r e s o l v e dt h i sp r o b l e mb yt h er o o t b u tb e c a u s eo f t i m ea n dp e r s o n a la b i l i t yr e a s o n , a tp r e s e n t c a r r yo u tt os a t i s f yl o n g i t u d i n a lb e n d i n gs t r e n g t h c o n d i t i o n , p a r ts t r e n g t hc o n d i t i o n , r i g i d i t ya n dp r o p o r t i o no fp r i n c i p a ld i m e n s i o n s ，t h e m i n i m u ma r e ao fm i d s h i ps e c t i o ne c td e s i g nf u n c t i o n s t h es t i p u l a t i o nc o n d i t i o n ss u c ha s c r o o ka n df a t i g u ee t c h a v en o te m b o d i m e n ti nt h ep r o g r a m m e a c c o r d i n gt o t h ec s rp r o v i s i o n , e x t e n tm o r et h a n1 5 0m e t e r s o i ls h i p sn e e df i n i t e e l e m e n ti n t e n s i v ea n a l y s i sa n dc a l i b r a t i o n t h i s l i t e r a r ya d o p tc u r r e n c y f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r em s c p a t r a na n dm s c n a s t r a n , m a k i n gt h ec a r g ob a ya r e af i n i t ee l e m e n t a n a l y s i st oa f i n i s h e dp r o d u c to i l c r u d et a u k e r so f5 0 0 0 0d zc h e c ky i e l ds t r e n g t h ，c r o o k e d s t r e n g t h 、t k e ds t r e n g t h 、e x t r e m el i m i ts t r e n g t h 、t h ep a r ty i e l dg r i d d i n gt h i n n i n ga n a l y s i s 、 o p e nt h eb o r np r o c e s s i n gc o n t e n t s 。m a i n l yc a r r i e do nt h ea n a l y t i c a la n d c a l i b r a t i o no ft h et i r e d s t r e n g t h a n a l y s i s f r o mf a t i g u ec r a c km e c h a n i s mo ft h e g e n e r a t i o na n d s t r u c t u r a l c o n f i g u r a t i o n ，n o d ef o r mt h a ti n f l u e n c et i r e dc r a c kc r e a t ea n de x p a n d w h e nt i r e ds t r e n g t h t h ed i s s a t i s f i e dc o d e r e q u i r e m e n t , t h r o u g ht h ei m p r o v e m e n to f t h es t r u c t u r e ，o ra ti n s i d eo ft h e s c a l eb o a r da n dt h eb a s ec a b i ni n c l i n e dp l a n ke l b o wp l a n kt h a ti n c r e a s ea p p r o p r i a t es l z c ，t h e e l b o wk n o t h o l ed i m e n s i o n a lc h a n g ei n f l u e n c eo ft h et i r e ds t r e n g t h a l lo ft h e mh a v ea d e t a i l e dd i s c u s si nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：d o u b l eh u l lo i lt a n k e r ；c o m m o ns t r u c t u r a lr u l e s ：m i d s h i ps e c t i o n ： o p t i m i z ed e s l g n lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s - i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大 学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名；：盈生2 杰日期：纽星：垒。五f 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部允内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：望生速 导师签名互塑 曼2 五年赵月五上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 油船共同结构规范建立的背景 自二十世纪九十年代以来，随着1 9 9 9 年的“e r i k a ”号油污事件和2 0 0 2 年的“p r e s t i g c ” 号油船海损事件等多起严重海损污染事故的发生，世界航运业和国际海事组织正承受着前 所未有的压力。油船的安全问题越来越受到各国政府、航运界、造船界及各业界相关组织 的重视【2 l 。 i m o 为了加速淘汰单壳油船，在制定相应m a r p o l 修正案的同时，也致力于建立“基 于目标的船舶建造标准”的研究工作( 即“g b s ”) 。目前的研究内容主要集中在船体结 构建造标准的研究方面，包括：安全目标、功能要求、实际应用验证及相关的技术流程、 指南、船级社规范和工业标准，以及船舶建造、营运、维护、训练和控制的实用规则、安 全控制和质量控制系统等自上而下的层次。卫讧o 进行该研究工作的主要目的就是在i m o 层 面制定以船舶安全为首要目标且统一的船舶建造标准，确保船舶在设计、建造、营运和维 护过程中船体结构的安全i z j 。 在这样的背景下，各船级社也意识到统一规范和标准的重要性。自2 0 0 0 年以来，l r 、 a b s 和d n v 船级社( 简称“l a n ”) 达成共识，为提高船舶安全性开始进行关于油船共同 结构规范研究，主要内容是建立一套适用于1 5 0 米及以上双壳油船的共同结构规范。在2 0 0 3 年6 月，l a n 三家船级社发起的建立油船共同结构规范的建议计划被国际船级社协会 ( i a c s ) 所采纳，决定由眦s 统一开发油船共同结构规范，即“册”( “j o i n tt a n k c rp r o j e d ”) 项目，同时进行的还有针对散货船共同结构规范的。j b p ”( “j o 缸tb u l kc a n i e rp r o j e c t ”) 项目嘲。 对于各船级社来说，采用油船共同结构规范的根本目的在于： 1 保证了船舶结构安全评估能够在真正维护船舶安全的标准下进行，减小各船级社之 间由于市场竞争需要而引起降低油船规范标准的潜在危险。 2 可以综合利用各船级社的经验，从而对所有船级社来说所用的船舶入级规范标准是 统一的，并且可以接受；同时，可以确保各船级社在同一时问、同一条件、同一要求和同 一范围内执行国际最新的规则和标准。 3 由于目前同型的船舶可能入级不同的船级社，因此油船共同结构规范可以减小因各 船级社要求不同而重新进行船舶结构评估和处理的费用。 4 便于在i m o 要求的高度上，确保船东、船厂以及各国工业标准在使用上的一致性。 田本涛；基于共同结构规范的油船货舱区结构优化设计 1 2c s r 的主要特点嗍 i a c s 共同结构规范内容是由i 且、a b s 和d n v 三家船级社共同努力合作完成的。它是 能够相对独立使用的规范，内容涉及国内、国际的规则和标准、材料和工艺、结构布置、 结构计算、设备、营运等方面的内容。该规范是在i a c s 共同结构规范基本要求的框架内， 融合了l r 结构规范中对油船建造工艺和结构细节处理的经验和要求，采纳了a b s 和d n v 油船结构规范中的载荷计算和规范计算的表达形式，并吸收了三家船级社中直接计算方面 ( 包括有限元分析、屈曲和疲劳计算、极限强度计算等) 的最新研究成果编写而成。在规 范体系框架，技术要求和标准、规范执行等方面，i a c s 共同结构规范有以下特点： ( 1 ) 先进性 共同结构规范的先进性主要表现在以下五个方面； 第一，规范制定的目标已经从为船级社服务为主，转移到为船舶设计服务、以船舶设 计建造为核心的方面来，顺应现代船舶发展的需要。 第二。它纳入了i m o 和i a c s 的最新规则内容和要求，并时刻关注i m o 和i a c s 等最 新的研究成果，及时地把相关内容纳入到油船共同结构规范之中。 第三，该规范的制定基于系统评审，特别关注规范本身及其应用的风险、危险和后果， 并对此作了系统的评估，给出了合适的风险控制措施。 第四。规范除了对船级社提出具体要求外，还特别强调了船东、船厂和设计单位的责 任和要求。 第五，规范具体内容的更新，如：腐蚀余量模型、载荷计算和标准，以及直接计算分 析方法等，都采用了目前造船界所能接受的最新且成熟的计算方法和手段 ( 2 ) 完整性 共同结构规范是相对独立的、能够全面表达油船结构设计和建造要求的规范，具有系 统完整性。主要包括： 第一，适用体系的完整性。即共同结构规范建立在理论型规范和经验型规范的基础上， 因此该规范内容能够完整表达船级社的理论分析和实践经验结果 第二，规则要求的完整性。即列出了所有与油船结构规范设计相关的 m o 和i a c s 的 规则和要求、船舶工业标准，对船东和船厂的要求( 包括规范结构计算必须提供的图纸资 料要求) 等内容。 第三，应用范围的完整性。首先，规范指出了它的适用范围，并对不适用部分作了说 明，其次，规范的要求范围不仅涵盖货舱区域，并对油船首尾、机舱等区域的结构也作了 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 相应规定。最后，规范不仅对油船的整体结构有要求，而且对局部结构细节处理和计算标 准都有具体规定。 第四，内容要求豹完整性。共同结构规范对油船的具体要求包括：材料特性和标准、 焊接工艺及施工要求、腐蚀余量计算及控制、节点的连接和设计细节、各种型材定义及特 性计算、各种形式载荷的具体计算和组合应用模式、各结构构件的布置方法和设计计算要 求、各种开口，通道和设备布置和要求、各个强度直接计算要求的方法和标准等。 ( 3 ) 理论性强 理论性强是共同结构规范不同于以往经验型规范最显著的技术特点之一双壳油船共 同结构规范从系统框架建立到局部规范内容完善、从最基本的规范公式到规范要求标准、 从简单结构计算到复杂结构系统的分析评估过程都遵循系统分析规律和船舶结构力学的基 本模型。特别是基于力学分析模型基础上且结合经验系数的各公式表达方式使得油船共同 结构规范易于理解和使用。共同结构规范理论性强的特点具体表现在： 第一，整个共同结构规范体系的建立，是通过系统分析、风险评估分析、数据统计分 析等方法建立的。如，对于共同结构规范内的船舶设计，已经对其风险、危险和后果作了 系统评估和风险控制分析；如，对于结构的腐蚀余量控制是基于大量实船数据统计分析的 结果。 第二，对于船舶所受的各种载荷进行分析归类，给出了不同特性和特征载荷( 如总体 载荷与局部载荷、动载荷与静载荷、舱内载荷和外载荷等) 的计算公式和计算方法：在载 荷的应用上，油船共同结构规范完全从船舶结构力学基本原理出发，根据不同结构、不同 结构部位、不同计算要求和工况进行不同形式的载荷配置和载荷组合。 第三，构件规范基本公式的建立基于简单受压板格和梁的屈服失效等基本力学模型， 所以每个规范公式的作用力、构件几何特性以及强度标准等力学特征非常明显，在此基础 上进行经验系数修正以保证规范结果的准确、可靠。 第四。对每个节点的结构细节，不仅给出了结构设计的具体细节要求，而且给出了各 节点处的许用应力标准和应力计算分析方法。 第五，直接计算强度评估考虑了船舶结构失效的多种模式。在结构强度分析方面，从 理论分析的角度提出了屈服强度、屈曲强度和极限强度的校核办法和标准；同时，疲劳强 度的评估在评估范围和对象、评估标准和手段等方面也体现出了油船共同结构规范是基于 理论分析的，如名义应力方法、热点应力方法等。 ( 4 ) 透明度高 高度透明化是共同结构规范建立的耳的之一。为了改变以前各船级社规范可能存在的 规范编制和实施过程中存在的“黑箱”操作现象，共同结构规范在规范建立过程、具体应 一3 一 田本涛；基于共同结构规范的油船货舱区结构优化设计 用细节和条文修改，以及各背景材料方面都是透明的，这保证了规范使用者和规范制定者 在共同结构规范前是技术平等的，避免因为各背景情况、地位不同而在内容理解上发生歧 义，这也有益于共同结构规范的维护和进一步发展，保证共同结构规范在业晃能够严格、 统一、即时地实施。共同结构规范的高度透明化特点具体表现在： 第一，规范系统建立的透明化。由于共同结构规范的建立是在i a c s 及船舶工业界内进 行，该规范内容的推出经过各船级社、船东、船厂及设计单位的讨论和认同，规范使用者 对该规范体系的建立和工作流程比较清楚，而且j t p 工作组也提供了制定该油船共同结构 规范的背景材料。 第二，由于共同结构规范的基本计算公式是基于载荷、结构特性和标准等的受力分析 模型，而经验修正系数是相对独立的参数，所以规范公式形式是相对透明的，这有别于经 验型的规范计算公式把所有的计算参数和修正因子综合一起、无法区别的情况。 第三，共同结构规范使用方面的透明化，该规范在船体结构及设备布置、各种应用载 荷的计算和组合、节点构建及结构连接的细节、各区域结构的规范计算、结构有限元分析、 疲劳强度评估等都给出了很详细而明了的计算方法和说明。 ( 5 ) 实用性强 各船级社的原结构规范也有较好的实用性，并在相应的规范计算程序帮助下，使得计 算效率大大提高而共同结构规范与原各船级社规范相比具有更好的实用性。 第一，共同结构规范的制定就是为了适应现代船舶设计应用的需要来制定和发展的， 现代船舶设计的一个发展趋势是计算机化和系统化，所以该规范的框架体系和表达形式容 易进行编制系统化程度高、使用方便且高效、面向设计对象的规范软件。 第二，由于规范内容的表达非常具体，容易让用户按规范的要求进行计算和分析，如： 规范对有限元细化网格的处理，不仅指出需要进行结构细化分析的对象，而且对每个对象 给出了细化模型和细化要求。 第三，在规范内容中包括了油船结构设计、建造和检验的多个方面，充分考虑了油船 结构设计过程、建造工艺标准和要求，以及油船入级审图时的条件等。 1 3c s r 给新造船舶带来的影晌嘲 i a c s 共同结构规范的建立将给新造船带来以下几方面的影响： 1 为各标准的特殊要求在结构规范中的迸一步应用和发展提供一个共同的平台； 2 保证各规范标准的一致性，并提高规范研究的方法和范围的透明度，减少各船级社 规范的“黑箱”操作； 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 3 共同结构规范可以在内容的一致性和逻辑性上更加完善，有助于简化规范的升级和 维护，特别是可以在规范格式和应用标准方面与目前最新的设计过程保持一致； 4 为各船级社间严格而紧密的技术合作打下基础； 5 由于避免了规范标准方面的恶性竞争，从而保证新规范能最大限度的应用最新技术 和统一标准。 经过几年的研究，l a n 三家船级社在2 0 0 4 年6 月正式公布了油船共同结构规范第一版 草稿。自第一版i a c s 共同结构规范发布以来，船东、船厂、设计研究所和i a c s 各成员都 对此规范内容进行了理解，研究和应用在短短半年以内，各方就该草稿在规范内容要求 的合理性、使用方法、背景材料以及对油船结构实际设计与建造的影响等方面提出两千多 条具体意见和建议。针对这些意见和建议，l a n 三家船级社在实船计算的基础上，结合考 虑应用i a c s 共同结构规范后对主要船东可能产生的利益影响，对第一版草稿内容进行修 改2 0 0 5 年4 月，l a n 三家船级社在第一版的基础上，公布了油船共同结构规范第二版草 稿。油船共同结构规范第二版的内容与第一版相比较为完整和合理，不仅在规范内容上对 原来的打印、前后不连贯等错误迸行了修订，而且通过对系尉实船计算结果的分析，把要 求载荷、实际计算工况、结构重量分布等调整到较为合理的范围。这对i a c s 共同结构规范 的实际应用是有利的。 在2 0 0 5 年6 月，各船级社在i a c s 安理会内部就共同结构规范的开发费用、版权、技 术维护与协调、规范执行等问题达成一致意见，并且在完成第二版油船共同结构规范草稿 的局部完善，以及j t i 和j b p 相关技术问题短期目标的协调后，将于2 0 q 5 年1 2 月由i a c s 公布油船共同结构规范正式版，该规范已于2 0 0 6 年4 月1 日在业界生效。目前，各国船舶 工业界、船东及各船级社正在对第二版油船共同结构规范草稿内容进行研究，主要工作就 是在第一版内容的基础上进行规范内容理解、工作流程建立、计算软件的制作以及实船的 计算评估和开发，为油船共同结构规范的正式实施作好技术和政策方面的准备。 1 4 船舶结构优化设计方法发展 优化设计的目的在于：以最少的消耗和最切实可行的办法，为船东提供船舶在其使用 寿命期内，具有良好的营运性和可维护性，使船东获得最大的收益。船体结构的优化正是 在这种思想指导下进行的。结构优化实际上是一个决策过程，在考虑各种因素条件下，用 数学规划方法，从可行方案中选择一个最佳方案。船体通常是由空间板梁组成的庞大薄壁 结构。由于结构形式的多样化、内部装载的多变性及外部载荷的随机性，致使构件受载极 其复杂。若按常规数学优化方法，直接对其进行优化设计，必将导致大量的设计变量和众 一5 一 田本涛：基于共同结构规范的油船货舱区结构优化设计 多的约束条件。这些约束又涉及总纵强度、局部强度、应力计算、整体和局部稳定性及使 用要求等方面的关系。在这些关系中，有些约束条件往往是设计变量的非线性函数，无法 用显式来表达，船体结构的优化往往会陷入局部最优点的搜索。船舶结构设计是一个十分 复杂的过程。通常，人们总是可以在满足规范要求的前提下，针对船体结构各构件的特点， 进行构件的布置和尺寸的确定。前者依赖于专家的设计经验，后者依赖于基本理论，两者 具有一定的互补性，其理由是： ( 1 ) 由专家经验给出的结果未必最优，但对外载荷等因素进行综合考虑，其结果可以付 诸实用。 ( 2 ) 优化可给出较优的解，而往往不能综合考虑外载荷等因素，其结果不能付诸实用。 1 5 本课题背景、来源及主要研究内容 1 5 1 本课题的背景、来源 本论文依托的背景是“辽河油田5 0 0 0 0 d 计i 成品油原油船的技术设计”，主要是其中的 结构设计部分。由于本船是按照共同结构规范( c s r ) 来进行结构设计的，而且本船是国内 入c c s 级的第一艘按照c s r 来进行结构设计的双壳油船，没有可参考的母型船，更没有相 关的设计经验，给本船的结构设计带来了很大困难。 i 。5 2 选题的意义 ( 1 ) 理论意义 c s r 的出台和生效给油船的结构设计带来了很大交化，该规范于2 0 0 6 年4 月1 日起开 始执行，对大多数设计人员来讲都是新鲜事物，尤其是其中体现的理论性强的特点，使c s r 更加透明化，给研究油船结构设计过程及特点带来了良好的契机。 ( 2 ) 实际意义 由于c s r 的产生的根本目的是为了保证船舶结构安全评估能够在真正维护船舶安全标 准的前提下进行，这个且的产生的直接效应是船体结构重量增加，这样就增加了船舶建造 成本。但要提高船体结构强度，不是只有增加船体结构重量一条途径，还可以通过改变结 构形式，节点形式等条件提高强度，或是以尽可能少的重量增加换取尽可能的强度提高。 因此，本文的研究是有很强的实际意义的。 大连理工大学硕士学位论文 1 5 3 主要研究内容 i a c s 共同结构规范与以往的各油船规范相比，要求有所提高，具体表现在结构重量的 增加，这说明传统的油船系列典型船型需要针对共同结构规范进行重新开发，以获得最优 的结果。因此，在i a c s 共同结构规范刚刚出台之际，本文以理论研究为主，结合实船结构 设计过程，采用该规范要求进行双壳油船中横剖面结构设计，并在其中加入优化设计思想， 目的在于使按照新规范设计出的船舶，既满足新规范的各项要求，又达到重量最轻的目的。 本文主要研究的内容包括以下几方面： ( 1 ) 纵向构件优化设计模型建立及求解； ( 2 ) c s r 中载荷计算： ( 3 ) c s r 油船结构优化设计程序编制； ( 4 ) 有限元强度分析。 一 一 田本涛：基于共同结构规范的油船货舱区结构优化设计 2 纵向构件的优化设计模型建立及求解 2 1 前言 在众多的船体结构构件中，描述船体中横剖面的构件是非常丰富而且非常重要的，它 是整个船体结构设计的象征。中横剖面设计不仅仅涉及船体结构本身的问题，而且与船舶 的总体布局密切相关。构成大型油船中横剖面的纵向构件重量约占整个船体结构的5 0 ，这 些构件的合理性、正确性无疑直接影响着船体的总纵强度所以，纵向构件优化对减轻结 构重量将起主导作用。 本章基于结构共同结构规范对5 0 0 0 0 d w t 吨油船的纵向构件进行优化设计。在不影响船 舶的静水力性能、航行性能以及船舶货舱舱容及布置的前提下，将影响中横剖面剖面模数 的主要板厚度、骨材的型号或剖面模数以及骨材间距等作为设计变量，以中横剖面纵向构 件的单位长度重量最轻为目标函数，将由c s r 规范给出的总强度、局部强度及稳定性等要 求作为优化的约束条件，在此基础上选取合适的优化方法对中剖面的纵向构件进行优化设 计。 2 2 已知条件 2 2 1 已知量 油船结构设计通常是在船舶总体设计完成之后进行，此时船舶的主要尺度、船体型线 及总体布置( 船舶建筑形式，甲板层数，甲板与内底位置及舱室的划分等) 已经确定。因 此，结构设计的基本任务是，选择合适的结构材料和结构形式，决定全部构件的尺寸和连 接方式，在保证具有足够强度和安全性等前提下，使结构具有最佳的技术经济性能。 ( 1 ) 由构件布置确定的已知量 构件布置包括骨材间距、双层底高度、舷侧边舱宽度、舷侧平台高度与数量等。双层 底高度、舷侧边舱宽度在货油舱布局时，按满足载货量及m a p o l 要求，已经确定。因此根据 构件布置确定的己知量包括船舶的主尺度、横剖面的参数( 包括纵舱壁的位置和数量、双 层底高度和双舷侧之间的距离、甲板纵桁、船底纵桁、舷侧平台甲板的位置和数量等) 以 及肋骨间距、舱段的长度等。 ( 2 ) 由规范确定最小尺寸的构件 由规范确定而不参与优化的构件尺寸包括：舷侧水平桁厚度，中桁材及旁桁材厚度，纵 舱壁板厚度，槽型纵舱壁的顶凳、底凳边板及项板厚度等。对于这些构件的尺寸，本文根 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 据规范中给出的强度、稳定性以及其它一些辅助性的约束公式，计算出其满足这些约束条 件的最小尺寸来作为最终尺寸，而没有将它们作为设计变量。这样做的目的一方面是为了 减少设计变量的数量，简化优化计算过程：另一方面，这些构件在整个中剖面中所占有的 重量成分太小，即使作为优化设计变量，对整个优化效果的贡献也不大 2 2 2 设计变量 中横剖面骨材间距的类型很多，包括：甲板、底部、舷侧、纵舱壁，每一类构件的骨材 间距变化均会影响纵向构件的重量。也就是说，纵向构件重量是骨材间距的复杂函数。最 优可行的骨材间距难以通过数值化加以解决，而需要加入设计经验。所以本文采用有限的 骨材间距进行分析。 为了减少结构分析和优化的规模，常把中横剖面中对总纵强度贡献较少的构件作为确 定量，使其满足规范要求：而将对总纵强度贡献较大的各板列的板厚、纵骨面积和纵骨间 距、甲板纵桁的腹板厚度及高度、面板厚度及宽度作为设计变量。 通过结构分析，本文选取了约1 0 0 个设计变量，如下： x o ( i ) 甲板板厚，以板缝为分界线划分； x 1 ( i ) 内底板板厚，以板缝为分界线划分； 凇( i )外底板板厚，以板缝为分界线划分； ) ( 3 ( i )甲板、内底板和外底板的纵骨间距( 衄) ，以桁材为界划分： x 4 ( i ) 甲板纵骨型号，以桁材为界划分； ) ( 5 ( i ) 内底纵骨型号，以桁材为界划分； x 6 ( i ) 外底纵骨型号，以桁材为界划分； x 7 舷侧板板厚，以板缝为分界线划分； x s ( i ) 内壳板板厚，以板缝为分界线划分i x 9 ( i ) 舷侧板、内壳板和纵舱壁板的纵骨间距( r a m ) ，以桁材为界划分； x l o ( i ) 舷侧纵骨型号，以桁材为界划分； x l l ( i ) 内壳纵骨型号，以桁材为界划分； x 1 2 0 ) 舭部列板扳厚，以板缝为分界线划分； 构件尺寸主要是指板材的厚度和骨材形式及尺寸。为了追求船体重量最轻的目标，对 于每一组纵骨间距来说，板材厚度和骨材尺寸只要满足规范对局部强度和屈曲强度要求的 最小值即可。从总强度的角度出发，船体梁可以近似看作工字梁结构，甲板与船底板作为 工字粱的翼板，舷侧与纵舱壁作为工字梁的腹板，为了实现船体重量最轻，应尽可能增加 一9 一 田本涛：基于共同结构规范的油船货舱区结构优化设计 甲板与外底板的构件尺寸在纵骨间距确定的情况下，纵骨布置在整个剖面的各个位置。 纵骨将采用何种型材形式：球扁钢、不等边不等厚角钢、组合型材，对减轻船体重量是举 足轻重的设计变量。本文采用球扁钢作为主要纵骨的型式。根据经验，这种型材优于不等 边不等厚的角钢，但它与不等边不等厚角钢一样，都是定尺轧制的，为满足油船的的腐蚀 要求的最小厚度。势必要选用高一档格的型材，这对保证强度前提下尽量减轻重量是不利 的，为此，可以进一步采用组合型材作为纵骨，以期降低纵向构件重量。 船舶的结构优化设计，按设计变量的类型属于离散变量优化设计，在优化前必须确定 设计变量的离散集。本文的设计变量有三种；纵骨间距，板厚和纵骨型号。 ( 1 ) 对纵骨间距变量，根据双壳油船实船分析得，将纵骨间距离散集的上下限分别设 为7 0 0 m m ( 对超大油船，下限取为8 0 0 m m ) 和1 0 0 0 m m ，离散间隔为5m m ，且甲板纵骨 间距与内、外底纵骨间距一致，纵舱壁纵骨间距和内、外舷侧纵骨间距一致； ( 2 ) 对板厚变量，取离散间隔为0 5 衄； ( 3 ) 对纵骨型号变量，建立一个型材库作为其离散集，库中的型材为角钢、扁钢、球 扁钢和t 型材。由于除了球扁钢和角钢外都不是轧制型钢，本文对特定剖面模数的扁钢、t 型材进行了优化。 此外，本文还建立了一个材料属性库，对中剖面的一些主要构件设置了材料属性，其 以材料屈服应力o r ，( n u n ：) 来体现。 2 3 建立目标函数 选取船体中横剖面面积最小为优化设计目标，公式如下： f c x ) - 乏白+ 荟以 式中：m 给定尺寸的构件的数量； n 可变尺寸构件的数量； 如第j 根给定尺寸构件的截面积( 掰2 ) ； 以第i 根可变尺寸构件的截面积( 聊2 ) 一1 0 一 ( 2 - i ) 大连理工大学硕士学位论文 2 4 约束条件 2 4 1 总纵强度约束条件 ( 1 ) 中横剖面在甲板和龙骨处的船体梁垂向净剖面模数应不小于互曲： 乙皿l 口- 0 9 k c , , , , l 2 b ( c b + 0 7 ) 1 0 。 m 式中： k 高强度钢因子； g ，被浪系数，见表2 1 ； 规范船长，m ： 口型宽，m ； 乞方形系数，应不小于0 7 。 ( 2 ) 中横剖面关于横向中和轴的惯性矩不小于。： l 。m 一2 7 q 上3 占( g + 0 7 ) 1 0 一 所4 式中：c - ，波浪系数，见表2 1 ； 二规范船长，m l 丑型宽，m ； g 方形系数，应不小于0 7 。 表2 1 波浪系数 t a b 2 1w a v ec o e f f i c i e n tc 。 波浪系数c 0 规范船长 1 5 0 s 工3 0 0 3 0 0 二主3 5 0 3 5 0 l 5 0 0 c 0 1 0 7 5 一 ( 3 0 0 一工) ，l o o r 胆 1 0 - 5 1 0 7 5 一心一3 5 0 ) 1 5 0 1 3 胆 ( 2 - 2 ：) ( 2 - 3 ) 田本涛；基于共同结构规范的油船货舱区结构优化设计 ( 3 ) 关于水平中和轴的船体梁净剖面模数乙。应不小于规范要求的基于许用静水弯矩和 设计波浪弯矩的船体梁剖面模数乙埘，其定义为： 五一丝剁1 0 。m ， ( 2 4 ) 盯m 式中： m ，一，。船体梁许用中拱或中垂静水弯矩，怂锄，在表2 2 中给出； m 。中拱或中垂的垂向波浪弯矩，k n m ，在表2 2 中给出； d ，。船体梁许用弯曲应力，n m m 2 ，在表2 2 中给出。 表2 2 船体粱弯曲评估中的载荷和相应的验收衡准 婴：丝坚堕型垡壁翌塑坐垒! ! 1 2 塑! ! 墅鲤! 丝坚些型竺里! 堂坐苎竺坚坐 静水弯矩 波浪弯矩船体梁许用弯曲应力 设计载荷组合 m + m 矗f t e ，- v 。 一“_ 一p _ 式中： 肘。 m 港内，遮蔽水域工况下中拱和中垂状态时的船体粱许用静水弯矩，斟m ； 肘o ，一 航行工况下中拱和中垂状态时的船体梁许用静水弯矩，l n m ； m 。 中拱和中垂状态下的垂向波浪弯矩，妤h ； 冉f 。鲫：用于中拱垂向波浪弯矩评估； 膨。w t 用于中垂垂向波浪弯矩评估； k高强度钢系数。 一1 2 大连理工大学硕士学位论文 2 4 2 局部强度约束条件 ( 1 ) 对于板材，其净厚度不小于o ； 式中： t _ - 0 0 1 5 8 a s m m p 载荷计算点所考虑设计载荷组合下的设计压力。七肌2 ； 口，板格形状率的修正因子： 1 2 一历：匆，不大于1 0 s 计算点处的骨材间距，l l l l n ； f ，板格长度，除设置短梁外，取为主要支撑构件间距s ，m ； “材料的规定最小屈服应力，n m m 2 ： e 所考虑设计载荷组合下许用弯曲应力系数： c - 尼一笔争，不大于e 。，如表2 3 所示； 表2 3 许用弯曲应力系数 t a b 2 3p e r m i s s i b l eb e n d i n gs t r e s sc o e f f i c i e n t d k 计算点在所考虑设计载荷组合下的船体梁弯曲应力： ( 2 - 5 ) 田本涛：基于共周结构规范的浊船货舱区结构优化设计 - ( 虹琶竽一警h m t s o 沁 协e ， 、1 p 甘如 m ，所考虑设计载荷组合下纵向位置处设计垂向弯矩，k n m ； m 。所考虑设计载荷组合下纵向位置处设计水平弯矩，k n m ； l 一。所考虑纵向位置处垂向船体梁净惯性矩，m 4 ； 厶榭蛐所考虑纵向位置处水平船体梁净惯性矩，肼4 ； y 所考虑载荷计算点的横向座标，m ： z 所考虑载荷计算点的垂向座标，m ； z 。，从基线到水平中和轴的距离，r r i 。 ( 2 ) 对于骨材( 纵骨) ，其剖面模数( 包括带板) 不小于z 。： k - 砾i p i s i “, , 硎3 ( 2 7 ) 式中： p 载荷计算点所考虑设计载荷组合下的设计压力，l a v m 2 ； 弯矩因子： 对连续扶强材t 当端部连接处的设置与理想化的扶强材有相同的固定端： ，k - 1 2 ，对水平扶强材 五l 电- 1 0 ，对垂向扶强材： k 有效弯曲跨距，m ； s 计算点处的骨材间距，m i l l ； a 0 材料的规定最小屈服应力，n m m 2 ； e 所考虑设计载荷组合下许用弯曲应力系数，取值参见表2 4 和表2 5 ： 大连理工大学硕士学位论文 表2 4 许用弯曲应力系数 t a b 2 4p e r m i s s i b l eb e n d i n gs t r e s sc o e f f i c i e n t 表2 5 验收衡准 ! 塑：型丝塑竺! ! ! 堡堡查! 墼 验收衡准结构构件 凡q e 一 2 4 3 局部稳定性约束条件 ( 1 ) 局部支撑构件 板和局部支撑构件比例必须满足： ( a ) 板 ( b ) 扶强材腹板 ( c ) 扶强材面板 、! l o k 2 石、j 茜 。老厝 等压 式中：s 板厚度，m m ，去加强筋间距； o 板的净厚度，m m | 矗。加强筋的腹板厚度，m i l l ； m m m m m m ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 田本涛：基于共同结构规范的油船货舱区结构优化设计 0 。腹板净厚度，i n m ； 以。翼板外伸厚度，衄； f ，。翼板净厚度，m m ； c 、g 、c ，长细比系数，见表2 6 ； 材料最小屈服应力，n m m 2 表2 , 6 长细比系数 t a b 2 6s l e n d e m e s ac o e f f i c i e n t s 项韪泵数 雕蠢舛投和绶铤边羿 l o o 故 ，c 其他绱 1 2 5 角馋和t 艇行7 5 加强筋疆驻，a ，球扁错 3 7 靡钢2 2 弼救，衙叛，q 角馏自 t 掇糖 1 2 毖 1 角镪霹i t 蓐材的镌个霹 髭宽缓一幼廊不小予，岛r 置啦s 如 戴q i ： ，耀投i l 勺净埠墟，n m 露 缓嫒盔发，删 。 裁扳净厚痤，棚 缸。翼板井仲铤艘，岫 争。冀叛净厚控+ 衄 甄溉 i i ，