船舶板架结构动力优化设计方法分析

船舶板架结构动力优化设计方法分析
摘要：本文针对船舶板架结构动力优化设计方法进行了分析，提出了结构布局转化方法，通过实例分析，表明该方法能够快速、有效的对船舶板架结构进行动力优化，以供参考。

关键词：船舶板架；结构动力优化；设计
前言
板架结构在船舶和海洋平台结构上具有非常广泛的应用，对船舶板架结构进行动力优化设计具有非常重要的现实意义。

结构动力优化在工程实践中的应用相对广泛，并且众多研究人员获得了大量的研究成果，结构动力优化设计在船舶板架设计中的应用，主要针对质量分布、刚度、阻尼、振型以及固有频率等进行优化设计，通过优化设计，能够有效的提高板架结构承受外界刺激的能力，有效的提高船舶的服役性能和延长其使用寿命。

因此，文章针对船舶板架结构动力优化设计方法的研究具有非常重要的现实意义。

1船舶板架结构动力优化设计分析
1.1船舶板架结构动力优化设计的概述
结构动力优化设计的内容主要有质量分布、阻尼、振型以及固有频率等，最早的研究课题主要集中在以结构固有频率为约束或者目标的优化设计，并且经过多年的研究获得了众多的研究成果。

结构固有频率是反映结构力学性能的主要指标之一。

由于船舶板架在服役阶段，机电设备会对其产生一定的动力激励作用，因此在进行船舶板架设计时应该对结构的各项设计参数进行合理的调整，避免出现船舶板架结构的固有频率和激励频率相近的现象，以此提高船舶板架结构的安全性，保证其能够正常、稳定的工作。

现阶段，在进行船舶板架结构动力优化设计时，会从结构布局优化设计入手，通过对板架结构的布局进行优化设计，能够在不增加板架结构重量的基础上，有效的改变船舶板架结构的动力特性。

因此，笔者基于以往的研究结果，提出了结构布局下分析固有频率灵敏的一种新方法，该种新方法基于船舶板架布局优化的特点，有效的计算板架结构固有频率的灵敏度。

1.2结构布局转化方法分析
文章以梁上设备结构的布置来分析结构布局转化，图1为结构布局转化原理图，图1（a）中，梁的长度为固定值，通过最优化布置两个设备，以此实现结构动力特性的最优化。

如果按照传统的布局优化方式，设备布局优化设计需要设置两个位置参数，即Xa、Xb，由于不能够有效的进行灵敏性的分析，需要采用数据规划的方式进行布局优化设计，但是，随着计算变量数目的增加，其计算量也呈几何级数增加，其难度和繁琐程度相对较高。

因此，文章将两个位置参数转化成长度参数，如图1（b）所示，将结构划分成三个部分，设备的布置位置由结构长度参数表示，通过控制La、Lb的长度参数，能够有效的控制设备的布置位置。

同时，计算结构长度灵敏度的方法较多，通过该种转化能够对结构布局优化的灵敏度进行快速、准确的计算，然后通过优化搜索算法，能够快速、准确的获得结构布局优化的最优解。

图1 布局转化示意图
对于结构更为复杂的船舶板架结构的布置问题，采用上述方法能够快速、准确的获得结构布局优化的最优解，图2为规则板架结构布置示意图，采用传统的
方法需要考虑A-H坐标，灵敏度分析的难度相对较高，采用本文的布局转化方法，选择I、J、K、L为分界点，将板架结构划分成若干子结构，结构布局特征用子结
构的长度表示，基于此分析结构布局优化的灵敏度，这样能够显著的降低处理板
架结构布置问题的难题。

图3为不规则板架结构布置示意图，不规则板架结构布
局优化的难度更大，在进行板架结构布置时依然采用本文所述方法。

在图3（a）中，选择H、I、G为分界点，将板架结构分成若干子结构，通过确定每个子结构
的长度，能够确定各结构的布置位置，同时，结构的布局特征也可以用子结构的
长度来表示；在图3（b）中，选择I、J、K、L为分界点，将板架结构分成若干子结构，虽然了解四条边的状况，但是依然不能够确定结构的形状，在实际应用的
过程中需要添加角度约束量，以此确定结构布置的唯一性，例如，∠JLK固定，
当确定了每个子结构的长度后，能够确定结构的整体布置，在处理不规则板架结
构布置时，应该按照上述两种状况进行分析。

1.3固有频率灵敏度分析
船舶板架结构固有频率灵敏度分析主要包括两个方面：
（1）灵敏度分析方法分析。

结构固有频率灵敏度分析是进行结构动力优化
设计的重要环节，灵敏度能够准确的反映设计参数或者变量改变时，对约束函数
或者目标函数造成的影响。

通过确定结构固有频率的灵敏度，能够为结构优化设
计最优解的搜索提供明确的方向，创建用于构造优化迭代计算公式或者近似方程式，灵敏度信息的有效性，直接影响结构优化效率。

基于结构动力学理论，结构
某一阶段固有频率振动的公式表示为：
在计算结构固有频率灵敏度时，求出质量矩阵M、刚度矩阵K对相应设计变
量的导数，然后将其代入公式1，就能够获得结构的固有频率灵敏度。

采用本文
的结构布局转化方法时，应该先求出质量矩阵M与刚度矩阵K对相应子结构长度参数的倒数，然后将其代入带公式1中，能够获得相应结构的固有频率灵敏度。

（2）结构重分析算法分析。

结构重分析算法的有点表现为：提供不断进化
的全局近似精度与精确的局部近似精度，可以利用上一次迭代的计算结果，有效
的降低结构结算量，计算精度的调整通过算法阶次的改变实现，有效的提高了灵
敏度分析的效率。

船舶板架结构初始状态的固有频率公式表示为：
在进行结构布局优化分析时，只需要考虑两个搜索方向，即减少与增加，仅
需要计算参数灵敏度的近似值即可，并不需要计算参数灵敏度的精确值，该种简
化算法能够有效的降低船舶结构固有频率灵敏度计算分析的计算量，加快优化速度。

1.4优化搜索算法
优化搜索算法的流程表现为：开始→创建结构参数离散方案库→初选设计变
量→分析结构参数的灵敏度→确定最优搜索方向（采用共轭梯度算法）→获得距
离最近的参数组合→达到优化迭代限定次数→输出优化结果→结束。

采用共轭梯
度算法对目标函数进行一阶求导，获得共轭方向序列，然后对优化迭代进行求解，能够有效的降低计算机存储量和减小辅助计算量。

2实例分析
文章以某船舶机舱板架结构为例，该机舱板架结构示意图如图4所示，该板
架结构上放置设备的总重量为3.2t，静水压力主要作用在主向梁上，该板架结构
第一阶结构固有频率和激励频率相近，结构优化约束量包括结构总重量、最大剪
应力以及最大正应力，在对第一阶结构固有频率进行优化设计时，还应该考虑附
连水质量因素，将其均匀的分摊在板架结构上。

在进行结构布局优化设计时，在
改变局部参数时，设备、肋板以及龙骨的位置也会发生一定的变化，结构布局优
化参数表现为：L1、L2、L3、L4、L5初始值分别为：800mm、1000mm、1600mm、1500mm、1450mm；仅尺寸优化结果分别为：800mm、1000mm、1600mm、1500mm、1450；协同优化结果分别为：500mm、700mm、1200mm、1400mm、1800mm，结构固有频率初始值、仅尺寸优化值、协同优化值分别为18.9HZ、
19.8HZ、20.3HZ。

由此可见，通过结构结构布局和尺寸优化的协同优化，能够有
效的提高船舶板架结构的动力特性。

图4 某船舶机舱板架结构示意图
3结语
综上所述，本文所提的结构局部转化方法，能够快速、准确的计算结构布局
固有频率的灵敏度，降低结构分析的计算量，并且经过实例分析，表明该方法能
够快速、有效的对船舶板架结构进行动力优化，希望能够为船舶板架结构动力优
化设计的研究人员提供一定参考。

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