小水线面双体船结构优化

二甲板
#K ms（0 .38 #L R + 1 .2 ）$3 .0 3 .60 mm
内甲板
#K ms（0 .18 #L R + 1 .7 ）$2 .0 2 .775 mm
一甲板前
#K ms（0 .42 #L R + 1 .3 ）$3 .0 3 .787 mm
上层建筑侧板 #K ms（0 .3 #L R + 1 .0 ）$2 .0 2 .777 mm
年第 卷第 期
尹 群、朱安庆、朱克强、张家新：小水线面双体船结构优化
MDOD 方法是近年来发展较快的一种离散变量优 化设计方法，它适用于求解各种复杂的、多变量和多
3 570t 小水线面双体船结构优化设计
约束的小、中和大型的工程实际优化问题。本文利 3 .l 570t 外倾式小水线面双体船结构优化结果
表 2 570t 外倾式小水线面双体船结构优化设计结果
设计变量
!l
!2
!3
!4
!5
!6
!7
!8
!9 （> l0
5
!l0 ）（> l0
5
!ll ）（> l0
5
!l2 ）（> l0
5
!l3 ）（> l0
5
!l4 ）（> l0
5
）
!l5
母型船设计 3 5 7 6 6 4 5 5 5
5
5
3
5
4
380
I nitia 优化结果 3 5 6 5 6 3 4 5 5 .76 5 .76 5 .32 2 .97
0引 言
小水线面双体船是上世纪70 年代初出现的一 种新型高性能船舶，它具有优良的耐波性、快速性、 稳定性及操纵性等显著的航行优点，但由于其结构 载荷独特，结构强度要求高，导致其结构复杂、自重 大，结 构 重 量 往 往 比 同 吨 位 的 单 体 船 舶 重 20 ! 30 % 。再考虑到小水线面双体船水线面积小，纵向 倾斜的调整余地小，很容易发生纵倾现象，对船体结 构重量分布有较高的要求。从我国2000 年设计建 造的第一 条 小 水 线 面 双 体 海 关 监 管 艇 的 实 际 情 况 看，也存在着结构重量较大问题。因此很有必要对 小水线面双体船结构进行优化设计。
1 小水线面双体船结构优化的数学模型
本文以一570t 外倾式小水线面双体船为结构 优化对象，以48 "- 60 "舱段结构重量最轻为目标函 数，根据劳氏船级社特种船舶入级规范［3 ］中的有关
要求作为其约束条件，利用 MDOD 法对570t 外倾 式小水线面双体船进行结构优化设计。
1 .1 设计变量 570t 外倾式小水线面双体船为横骨架式，本文
为支柱壳板的厚度（mm）；O6 为箱体舷侧壳板的厚 度（mm）；O7 为舱壁板的厚度（mm）；O8 为平台甲板 的厚度（mm ）；O9 为潜体肋骨的剖面模数（mm3 ）； O10 为支柱肋骨的剖面模数（mm3 ）；O11 为湿甲板横 梁的剖面模数（mm3 ）；O12 为二甲板横梁的剖面模数 （mm3 ）；O13 为主甲板横梁的剖面模数（mm3 ）；O14 为 箱体肋骨的剖面模数（mm3 ）；O15 为肋距（mm）。
d
=
f
MB
MR 1000 Z d
（N／mm2 ）
MB
=
f
MB MR 7Z
>
10 3
（N／mm2 ）
MT
=
f
3x MT
MT7（7
+
1
）
P
Z
> 103
（N／mm2 ）
式中：Z d 为强力甲板处的剖面模数（m3 ）；7 为主要
横向加强构件的个数；Z 为主要横向加强构件的剖
面模数（c m3 ）；x
为两支柱中心的横向距离（m
t 4- x 4 !0 ；G（5 ）：t 5- x 5 !0 ；G（6 ）：3- x 6 !0 ；G（7 ）：
t 6-x 6 !0 ；G（8 ）：t 7- x 7 !0 ；G（9 ）：t 8- x 8 !0 ；
G（10 ）：W9- x 9 !0 ；G（11 ）：W10- x 10 !0 ；G（12 ）： W11- x 11 !0 ；G（13 ）：W12- x 12 !0 ；G（14 ）：W13- x 13
用 MDOD 方法编写Байду номын сангаас求解约束非线性混合离散变
本文 利 用 MDOD 法 编 写 了 结 构 优 化 软 件 对
量优化设计问题的通用程序，经过大量的课题考核 570t 外倾 式 小 水 线 双 体 船 进 行 了 结 构 优 化 设 计。
和实际应用，证明此程序的可靠性和效率都较好。
设计的初始值及优化后的结果见表2 。
计变量的初始值。在规范设计中，由于根据母型船
的数据进行设计（如肋距采用381 毫米），而在优化 设计中肋距的上下限确定下来分别为350 、500 毫 米，通过计算可以把母型船设计变量数据的0 .75 倍 作为优化设计变量的下限，其两倍作为上限，通过检
验证明是可行的。
1 .3 优化目标的选取 考虑到小水线面双体船主要结构载荷为横向载
摘 要 本文对小水线面双体船结构优化设计方法进行了研究。以一570t 外倾式小水线面 双体船为结构优化对象，根据劳氏船级社特种船舶入级规范中的有关要求作为其约束条件，利用混
合离散变量优化方法（MDOD 法）对该船进行了结构优化设计。 关键词 船舶 小水线面双体船 结构优化设计 混合离散变量优化方法
中图分类号 U674 .951 .03
l 00
l0
I nitia 优化结果 3 5 6 5 6 3 4 5 5 .76 5 .76 5 .32 2 .97
5
5
380
=0
DSP 值 l l l l l l l l 200
200
200
200
200
200
l0
I nitia 优化结果 3 5 6 5 6 3 4 5 5 .76 5 .76 5 .32 2 .97
t = 22 .4s
#P fs
> 10 -3 mm
式中：s 为肋距（mm）； 为系数； 为板的长宽比系
数，= AR（1 - 0 .25 AR ）；AR 为板的长宽比；f 为
屈服应力，取355 N／mm2 ；P 为设计压力值，具体计
算方法见文献［3 ］。
表1 小水线面双体船最小板厚要求
船底板
#K ms（0 .4 #L R + 2 .0 ）$3 .5 4 .375 mm
壳板的厚度（mm）；O4 为潜体壳板的厚度（mm ）；O5
图 1 570t外倾式小水线面双体船优化设计变量示意图
1 .2 约束条件 以劳氏船级社特种船舶入级规范中关于“小水
线面双体船（SW H ）下体结构计算方法”中的有 关要求作为约束条件。设数组 G 作为“规范”的要 求值，其中从 G（1 ）到 G（9 ）为板厚的约束条件，I1 到I8 为“规范”要求的板厚最小值，例如I1 为对应 于O1 设计变量的“规范”要求 的板厚最小值；从 G （10 ）到 G（15 ）为剖面模数的约束条件，W9 到 W14 为“规范”要求的骨材剖面模数最小值，例如 W9 为 O9 设 计 变 量 的“规 范”要 求 剖 面 模 数 最 小 值；从 G（16 ）到 G（18 ）为下体强度的约束条件，其中!1 、 !2 、!3 分别为下体跨中壳板中周向中面应力、壳板 内表面纵向应力、肋骨应力；!S1 、!S2 、!S3 为相应的“规
Z=
P
s
l
2 e
Zf s
c m3
式中：Z 为剖面模数系数，查有关表格；l e 为有效跨
距；s 为肋距；P 为设计压力值，具体计算方法见文
献［3 ］。
1 .4 .4 小水线面双体船的总强度要求
小水线面双体船在航行时将遭受到总纵弯矩、
横弯矩、总扭矩的作用，570t 外倾式小水线面双体
船总纵弯矩 MR 、横弯矩 MB 、总扭矩 MT 的具体计 算方法见文献［3 ］，其在总纵弯矩 MR 、横弯矩 MB 、 总扭矩 MT 作用下的应力为：
5
5
380
=0
DSP 值 l l l l l l l l l00
l00
l 00
l 00
l 00
l 00
l0
I nitia 优化结果 3 5 6 5 6 3 4 5 5 .76 5 .76 5 .32 2 .97
5
5
380
=l
DSP 值 l l l l l l l l l00
l00
l 00
l 00
l 00
!0 ；G（15 ）：W14- x 14 !0 ；G（16 ）： 1- s 1 !0 ； G（17 ）：2- s 2 !0 ；G（18 ）：3- s 3 !0 ；G（19 ）：Z- s 4 !0 ；G（20 ）：h- s 5 !0 ；G（21 ）：t- s 6 !0 。
确定好设计变量和约束条件之后，然后确定设
）；
P
为横向加强构件间距（m）；f MB 、f MR 、f MT 为有关系数。
小水线面双体船总强度标准：
P = MB + MT + d !f gO · s 式中f gO 为系数，取0 .82 。
2 混合离散变量优化方法（MDOD法）
目前在工程优化设计中，所采用的方法多数还 是借用数学规划中的连续变量的约束非线性最优化 方法，因而只是提供连续变量的最优解。然而在本 文的研究问题中，遇到的却是设计变量只能取限定 数值的混 合 设 计 变 量 问 题，属 离 散 设 计 变 量 问 题。
优化结果表明：对本文的570t 外倾式小水线面 双体 船 结 构 优 化 问 题 而 言，指 定 设 计 变 量 初 始 值
纵向构件截面积（m2 ）、Li 为第i 根纵向构件的长度 （m ）。 1 .4 劳氏船级社特种船舶入级规范中关于小水线
面双体船结构尺寸的规定
1 .4 .1 小水线面双体船最小板厚要求 劳氏船级社特种船舶入级规范对小水线面双体
船提出了最小板厚要求，其具体的最小板厚要求见
表1 。 1 .4 .2 小水线面双体船外板厚度规范要求
荷，横向强度为其主要强度，因此选择570t 外倾式 小水线面双体船48 !- 60 !舱段结构重量最轻为目标 函数。设目标函数为：
N
" F（x ）= A0L 0 + Ai Li i =1
式中 F（x ）为目标函数、A0 为给定尺寸构件截面积 （m2 ）、L 0 为给定尺寸构件的长度（m ）、Ai 为第i 根
小水线面双体船结构优化
尹群 朱安庆 朱克强 张家新
工学硕士／副教授 华东船舶工业学院船舶与海洋工程学院［212003 ］
讲师
华东船舶工业学院船舶与海洋工程学院［212003 ］
教授／硕士生导师 华东船舶工业学院船舶与海洋工程学院［212003 ］
副教授
华东船舶工业学院船舶与海洋工程学院［212003 ］
支柱板
#K ms（0 .38 #L R + 1 .2 ）$3 .0 3 .60 mm
湿甲板板
#K ms（0 .38 #L R + 1 .2 ）$3 .0 3 .60 mm
水密横舱壁板 #K ms（0 .33 #L R + 1 .0 ）$2 .5 3 .00 mm
深舱横舱壁板 #K ms（0 .38 #L R + 1 .2 ）$3 .0 3 .60 mm
将影响小水线面双体船总强度和局部强度的主要构
件尺寸 以 及 一 些 构 件 的 布 置 选 为 设 计 变 量（见 图
1 ），而其横向强构件（如二甲板强横梁、湿甲板强横 梁等）和纵向强构件（如纵桁等）视为已知的尺寸进
行处理，则其设计变量为：O1 为主甲板壳板的厚度 （mm）；O2 为二甲板壳板的厚度（mm）；O3 为湿甲板
5
5
380
=l
DSP 值 l l l l l l l l 200
200
200
200
200
200
l0
注：表中剖面模数为 mm3 ，厚度为 mm
"（!） 3 .472 3 .l425
3 .l425
3 .l426
3 .l426
通过优化，该外倾式小水线面双体船48 !- 60 ! 舱段结构重量是24 .5l 吨，比母型船的相应舱段的 结构重量27 .08 吨要减少9 .49 % 。 3 .2 优化结果分析
Vol .25 No .4 2003 SHI P ENGI NEERI NG 31
尹 群、朱安庆、朱克强、张家新：小水线面双体船结构优化
范”要求；从 G（19 ）到 G（21 ）为总强度的约束条件， 其中 Z 、h 、t 分别为在总纵弯矩、横弯矩、总扭矩 作用下 的 应 力，s 4 、s 5 、s 6 为“规 范”要 求。G（1 ）： t 1- x 1 !0 ；G（2 ）：t 2- x 2 !0 ；G（3 ）：t 3- x 3 !0 ；G（4 ）：
表中： 为船舶类型系数，取 = 1 .2 ；材料系数 K ms = 635／ （ s + ）= 0 . 706 ，s 为 材 料 的 屈 服 强 度， 为 材 料 的 极 限 强 度；L R 为计算船长，L R = 34 .2 m。
1 .4 .3 小水线面双体船骨架规范要求 小水线面双体船骨架的剖面模数要求为