基于响应面法的散货船结构优化设计

论文摘要

在国际航运业中,散货船扮演了非常重要的角色,其运输量超过世界海上货运量的30%。随着散货船朝着快速化、大型化的方向发展,以保证安全性为前提、减轻船体重量为目标的结构优化设计已成为开发新大型散货船的重要研究内容。对于大型散货船,船底纵桁、强力甲板是船体承受总纵弯矩及局部载荷的主要构件。其中,在隔舱装载工况下,船底纵桁承受较大的弯矩和剪力,强力甲板在压载工况下承受较大的拉力,容易出现结构问题。因此,合理设计船体的主要构件对散货船结构安全性和经济性十分重要。本文提出基于响应面法的散货船结构优化方法,并对实船主要结构进行优化设计以验证该方法的有用性。（1）根据中国船级社的规范,针对一艘76000DWT、9段货舱、9道船底纵桁的双底单舷侧散货船,建立两个“1/2+1+1/2”的货舱段三维有限元模型,施加相应的边界条件、船体梁载荷和设计载荷,通过计算结果分析出船体中部重货舱和轻货舱内双层底纵桁及强力甲板各自所处的最危险工况：（2）确立各结构的设计变量,进行敏感性分析,选出对该结构强度影响较大的变量并进行均匀设计试验,构造出反映最大应力与结构尺寸函数关系的响应面模型；（3）对响应面模型进行拟合度评价,对比两种不同形式二次多项式响应面函数的拟合度,确定既可满足本文结构优化问题的工程精度要求又能节省试验时间的函数形式；（4）以结构重量最轻为目标函数,在规范要求的最小厚度及许用应力的约束条件下,对各舱段的船底纵桁、强力甲板的结构厚度进行了优化；（5）利用有限元软件校核优化结果,以验证方法的可行性。其中,轻货舱的船底纵桁和强力甲板分别减重了6.89%和10.78%,重货舱的船底纵桁和强力甲板分别减重了6.77%和10.24%。所得的优化结果说明该优化设计方法在实际工程中具有应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 课题相关文献综述
• 1.2.1 船舶结构优化设计的研究现状
• 1.2.2 响应面法的研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 响应面法基本理论
• 2.1 响应面函数选取及拟合
• 2.2 响应面函数拟合度评价
• 2.3 试验设计
• 2.3.1 正交设计
• 2.3.2 均匀设计
• 2.3.3 均匀设计的优点及构造方法
• 2.4 本章小结
• 3 整数优化设计方法
• 3.1 数学模型
• 3.2 整数规划
• 3.2.1 割平面法
• 3.2.2 分枝定界法
• 3.3 软件选择
• 3.3.1 优化软件简介
• 3.4 本章小结
• 4 船体结构强度有限元分析要点
• 4.1 有限元法及软件简介
• 4.1.1 有限元法概述
• 4.1.2 大型有限元计算分析软件简介
• 4.2 船舶有限元模型建立的一般原则
• 4.3 载荷、工况及边界条件
• 4.3.1 载荷计算
• 4.3.2 工况确定
• 4.3.3 边界条件
• 4.4 76000DWT散货船强度直接计算实例
• 4.4.1 船型参数
• 4.4.2 舱段有限元模型
• 4.4.3 计算结果及分析
• 4.5 本章小结
• 5 船底纵桁结构优化
• 5.1 确立设计变量
• 5.2 敏感性分析
• 5.3 构造响应面函数
• 5.3.1 模型A
• 5.3.2 模型B
• 5.4 优化设计
• 5.4.1 模型A
• 5.4.2 模型B
• 5.5 本章小结
• 6 强力甲板结构优化
• 6.1 确立设计变量
• 6.2 敏感性分析
• 6.3 构造响应面函数
• 6.3.1 模型A
• 6.3.2 模型B
• 6.4 优化设计
• 6.4.1 模型A
• 6.4.2 模型B
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 攻读硕士学位期间参加科研项目情况
• 致谢