基于等强度板格稳定的船体结构优化设计研究

论文摘要

IACS“散货船共同结构规范”当中有很多技术亮点，包括采用了新的净尺度概念、先进的波浪载荷模型、使船舶强度更加透明的极限强度概念、统一的疲劳评估技术，以保证25年的船舶使用寿命。净尺寸分析方法中的“净尺寸”为从船舶新建阶段开始一直到整个船舶设计寿命中都得以保持的厚度，以满足结构强度的要求，它提供了结构承受载荷所需的强度特征，不包括任何船舶运营期间可能发生的腐蚀余量和船东自愿增加的厚度。从理论和实用的角度上说，将船舶运营期间可能发生的腐蚀余量(和磨耗余量等)从船体构件的建造厚度中剥离出去，采用净尺寸的概念对船体构件的最低要求进行规定，对于确保船舶结构在全生命周期内的安全是合理和必要的。我国现行的各种船舶入级规范都是基于构件的建造厚度以及相应的统计规律、统计结果和研究手段等建立的，与净尺寸的要求有一定的距离。这是本文研究的背景和目的。本文以一艘110m江海直达散货船为研究对象，通过全船有限元直接计算，对货舱区各主要构件的板厚进行优化，使船中0.6L(即0.2L～0.8L)范围内构件的屈服强度、屈曲强度都在许用标准之内(或不超过许用标准5％)，并且没有较大富余(至少有一种强度余量在±5％以内)。从结构安全的角度上说，保证结构构件的屈服强度、屈曲强度、疲劳强度和极限强度等都是必需的，所以用这4个安全指标作为确定结构构件净尺寸的依据是自然的。针对江海通航船的特点和要求、根据目前所掌握的计算分析手段，认为所研究的“净尺寸”需保证的项目应有所侧重，本文只考虑屈服强度和屈曲强度。本文在参考其他优化算法的基础上，推出了适合本文模型的算法，通过计算证明该算法是可行的，收敛速度也比较快。另外在本文中也编写了一些前后处理的程序，使优化计算的过程能够更加快速和便捷。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 净尺寸
• 1.1.2 大型复杂结构的优化设计计算
• 1.1.3 CAE方法与优化设计
• 1.2 课题研究的目的、意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 研究内容、方法、技术路线
• 第2章 船体结构型式及计算模型概况
• 2.1 结构型式
• 2.2 主尺度及主要参数
• 2.3 尺度比
• 2.4 模型范围内主要横向构件描述
• 2.5 计算模型
• 2.6 计算工况
• 2.7 应力评估范围及其主要构件的分组
• 2.8 材料参数
• 2.9 屈服强度许用应力
• 2.10 屈曲强度标准
• 2.10.1 假定
• 2.10.2 计算公式
• 第3章 计算模型
• 3.1 坐标系
• 3.2 单元
• 3.3 模型分组
• 3.3.1 模型分组列表
• 3.3.2 模型分组显示
• 第4章 载荷及边界条件
• 4.1 惯性释放
• 4.2 计算工况
• 4.3 空船重量
• 4.4 货物压力
• 4.4.1 压载水压力
• 4.4.2 货物压力
• 4.5 舷外水压力
• 4.5.1 压载
• 4.5.2 满载
• 4.5.3 半载轻货
• 4.6 调整外力平衡
• 第5章 单元属性
• 5.1 板单元属性
• 5.2 梁单元属性
• 第6章 优化计算
• 6.1 大型复杂结构的优化设计
• 6.1.1 优化设计概念
• 6.1.2 大型复杂结构优化设计的特点
• 6.1.3 结构优化设计计算
• 6.2 满应力设计的数学模型
• 6.3 本船优化方法
• 6.3.1 优化内容
• 6.3.2 优化算法
• 6.4 优化过程中各程序
• 6.4.1 结果后处理的PCL程序
• 6.4.2 结果后处理的FORTRAN程序
• 6.4.3 PCL参数化修改板厚程序
• 6.5 优化过程
• 6.5.1 初始结果
• 6.5.2 第一次优化结果
• 6.5.3 第二次优化结果
• 6.5.4 第三次优化结果
• 6.5.5 第四次优化结果
• 6.5.6 第五次优化结果
• 6.6 结果分析
• 第7章 结论
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间论文发表情况