船舶结构典型节点的优化分析

船舶结构典型节点的优化分析

作者：王伟新刘明雪秦超

来源：《科学与财富》2017年第36期

摘要：船舶结构设计工作中，安全是需要重点考虑的方面，而其中肘板结构又是船舶节点主要结构形式，此种结构会导致应力集中，从而对船舶造成破坏。而解决问题的方法则是降低肘板节点拉应力。因此设计工作需要结构进行优化从而使应力能够相应降低，以此确保船舶安全性能够得到提升。本文就船舶结构典型节点的优化分析。

关键词：船舶结构；典型节点；优化分析

船舶作为一种交通运输工具相比于其它的运输工具有其自身优点，如果船舶在运输的过程中出现了事故，考虑到水上环境的特殊性，就会导致严重的后果。因此船舶设计工作需要将安全性置于首位，从各个方面分析可能会对船舶安全性造成影响的因素，并且通过相关措施应用予以消除。

一、船舶结构优化工作分析方法与模型建立

对船舶结构优化与分析主要利用了有限元方法，结合到专业软件，通过建立模型从而达成工作目标。船舶结构构件主要通过节点相连接，因此船舶节点力学性能会对船舶整体安全性产生影响。船舶在正常使用期间会受到外部力的作用，从而使船体自身受到的载荷交替变化，船舶就会出现严重的疲劳变化。通过对船体结构进行分析，能够找到应力集中区域，通过对节点结构应力进行控制，从而对船舶疲劳裂纹产生进行控制。

二、有限元模型建立与计算

选取船舶的某一部分建立有限元模型，考虑补板形式存在的差异性，相应的建立的模型也会存在差异，比如无补板模型，有凹口与无凹口补板对接模型，水密补板模型等。补板厚度与强横梁腹板保持一致。强横梁与水密补板采用的是塔接方式，由于采用的是定性分析的方式，载荷并没有参考到实际情况下船体承载到的载荷。

通过选取某一点进行计算分析，从而可以得出结果，强横梁腹板开口，构件有效承载面积能够减少，同时也会导致应力增大。开口会导致构件区域应力集中，从而对强度造成一定影响。而节点形式不同，结构最大应力也会出现在不同的区域，但是通常情况下，高应力区域会出现在开口附近，具有代表性的如孔边缘和构件的联接位置。某区域出现应力集中情况，其主要的原因就是开孔导致了孔边缘应力集中。纵骨如果应用了单球头球扁钢，最大应力，无补板结构应力都会比较明显。而采用水密板结构时，结构应力则会最小。如果应用的是对接补板或者是搭接补板形式，应力大小会位于二者之间。

与无补板形式作比较，设置补板能够使局部节点结构增强，而此时应力则会相应的降低，并且程度不同。最大应力出现的位置分布于强横梁与补板连接位置，此种布局也与实际情况要符合。因此采用合理的补板形式以及连接形式能够有效降低无补板节点出现高应力情况，能够改善局部结构应力情况，从而使结构承载性能能够获得有效提升。对于水密开孔构件而言，需要结合到开孔的具体形式而设计相应的水密补板。确保结构水密性获得保障的同时，能够保障结构强度，通过对对接补板与搭接补板形式进行比较，对接补板形式在节点应力降低方面更加具有优势。

三、节点结构优化设计

节点优化指的是通过改变设计体形状，尺寸，拓扑形式等，从而使性能能够满足强度，稳定性，柔韧性等某些性能要求，并且基于此前提实现成本最低，质量最轻等目标。结构优化数学模型主要用来描述与实际设计问题相关的内容，包括了设计的条件与意图，以及存在的各种关系式的数学表达，其实质是各种内在关系的数学反应，是优化工作开展的基础与前提。

数学模型表达设计工作内容包括了以下部分，约束条件，设计变量，目标函数等。约束条件指的是在优化设计过程需要满足的某些限制性条件，而依据工程性质可以将其分为性能约束与侧面约束，依据数学表达式则可以将其份为等式约束与不等约束。设计变量则是指其中任何一个设计变量。目标函数指的是在可行区域内，求得一个最优点从而使目标函数值达到最小，依据目标的数量可以将其分为单目标与多目标优化两种。

形状优化作为一种更加高级的优化形式，主要是通过对结构的几何形状进行改变从而获得最优目标。相比之下尺寸优化主要是通过对结构截面尺寸与板的厚度改变从而实现优化工作目标。二者的目标指的是降低应力集中或者使应力分布力学性能得到改善，形状优化的方法可以将其分为非参数与参数形状优化两种，对后者继续进行细分又可以分为形状叠加与边界元法。前者实现目标主要是通过计算有限元，并通过建模软件集成，在建模软件中会给定初始变量，需要的响应通过有限元计算获得，并且依据响应从而使模型的外形改变。外形通常是依据参数进行定义的，之后利用有限元计算方法，经过重新建模等，最终获得满足响应。此种方法对参数化要求较高，而实际应用的范围也有限，通常应用于简单形状优化工作。形状叠加方法是对有限元的网格进行了一定程度的改进，在有限元计算，网格会依据设定条件进行相应的变化，从而最终获得最优目标。但是应用此种方法要求计算机性能好，并且优化工作最终的结果依赖于网格变化规范模式，因此应用于实际工作会有一定的局限性

非参数优化设计域一般是有限元模型中某些表面节点，表面节点又可以将其划分为内部节点与外部节点。优化工作操作主要是以内部节点外法向偏移进行控制从而使目标得到优化，非参数优化工作，任何一个节点都可以是优化变量，可以考虑到所有可能的解。但是此种方法应用于实际工作，设计变量十分的庞大，并且无法有效控制单元畸变，因此相比于参数化优化，形状优化发展应用比较的缓慢。

结束语

节点优化工作虽然只是一个小问题，但是节点优化会涉及到多个方面，而从整体层面来分析，船舶设计与建设工作就是将不同的部分组装到一个整体，因此可以将整体分解为无数个小部分。节点优化工作不会耗用大量的资源与时间，同时能够通过对细小环节改善从而使整体船舶的质量得到改善。节点优化工作的意义就在于能够通过对结构改善，从而使结构的力学性能改善，由于部件之间存在密切联系，一旦其中某一个部分发生了变化就会产生一系列的反应，因此通过节点结构进行优化，能够通过细小的切入口最终达成整体性目标。而设计与工作人员则只需要在具体操作的过程中注意某些问题，确保整体优化工作能够顺利完成。

参考文献：

[1]闫晋辉，蔡斯渊，王德禹.船舶结构典型节点的优化分析[J].舰船科学技术，2011（33）.

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[3]朱召江，朱江，卢敏菊.节点优化设计在船体结构的分析[J].中国科技投资，2016（26）.