船舶板架結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化設(shè)計方法研究

劉崇杰 楊麗萍 張軍 王丹

摘 要：隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)水平的不斷提升，當(dāng)前船舶板架結(jié)構(gòu)作為船舶穩(wěn)定性的重要結(jié)構(gòu)來源，其優(yōu)化設(shè)計的整體水平也得到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注與重視。本文立足于船舶板架結(jié)構(gòu)動力學(xué)，首先分析了船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)環(huán)境載荷的來源，然后介紹了船舶與海洋工程振動問題的研究現(xiàn)狀，最后分別對應(yīng)船舶與海洋工程的結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化以及夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)的特性優(yōu)化進(jìn)行了闡述，也希望能夠為船舶板架結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化活動的順利開展創(chuàng)設(shè)條件。

關(guān)鍵詞：船舶板架結(jié)構(gòu)；動力優(yōu)化設(shè)計；策略

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.012

工程結(jié)構(gòu)在不同的工況條件下會受到地震、振動以及風(fēng)浪等多種外界激勵的影響，這些來自外界的載荷條件會嚴(yán)重導(dǎo)致船舶板架結(jié)構(gòu)的疲勞時間，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的動力破壞與損傷，這不但會導(dǎo)致船舶在正常服役期間出現(xiàn)主機(jī)與螺旋槳故障，同時還會影響設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性以及安全性。隨著設(shè)計水平的不斷提升，為了進(jìn)一步探究船舶板架結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化的策略，就必須先來認(rèn)識一下船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)環(huán)境的載荷來源以及相應(yīng)的設(shè)計基本原理。

1 船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)環(huán)境載荷來源以及設(shè)計原理

船舶結(jié)構(gòu)在服役期間會受到各種外界環(huán)境的激勵作用，通過設(shè)備與海洋平臺的相互作用可以產(chǎn)生多種復(fù)雜的環(huán)境載荷變化，嚴(yán)重時會導(dǎo)致船舶受損。結(jié)合研究的現(xiàn)狀來看，船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)所受到的外界環(huán)境載荷在本質(zhì)上都屬于動載荷的范疇。既然屬于動載荷，那么其勢必成為結(jié)構(gòu)性能設(shè)計的重要指標(biāo)。在船舶與海洋工程平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計活動中，除了動力優(yōu)化本身的特點之外，還需要結(jié)合靜力優(yōu)化設(shè)計的相關(guān)要求與內(nèi)容，通過理論與方法的融合與創(chuàng)新來實現(xiàn)相應(yīng)的設(shè)計目標(biāo)。一般來說，頻率變化較快且動態(tài)特性較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)約束目標(biāo)的效果，動力響應(yīng)速度、優(yōu)化約束效果以及目標(biāo)的結(jié)構(gòu)動力都將成為優(yōu)化設(shè)計工作的主要目標(biāo)之一。

2 船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)振動問題的研究現(xiàn)狀

隨著船舶工程的不斷發(fā)展以及船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究工作的不斷深入，當(dāng)前許多研究人員與學(xué)術(shù)人員也將注意力集中在了工程結(jié)構(gòu)的振動方面。其中，張生明等人通過使用流體邊界法結(jié)合結(jié)構(gòu)有限元的方式對于振動的計算特征進(jìn)行了分析，同時得到了板架結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，包括變長比、邊界條件以及阻尼參數(shù)等不同的內(nèi)容。另外，鄒春萍等人通過結(jié)合流固耦合的技術(shù)內(nèi)容實現(xiàn)了用有限元技術(shù)對船舶模態(tài)分析與動態(tài)數(shù)值計算的工作，同樣為實現(xiàn)在船舶的設(shè)計階段對船舶結(jié)構(gòu)震動進(jìn)行預(yù)測與評估提供了技術(shù)依據(jù)。目前，板架結(jié)構(gòu)作為船舶與海洋平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)用過程中最為重要的結(jié)構(gòu)形式之一，其在結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化中也逐漸成為了核心實踐環(huán)節(jié)。一些學(xué)術(shù)研究人員開始考慮靜載荷與動載荷之間的作用關(guān)系，通過對船體的板架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計解決了結(jié)構(gòu)在動力優(yōu)化中的問題，同時也實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)對于振動的基本要求，這同樣為計算實例提供了數(shù)據(jù)支撐。隨著研究的不斷深入，目前一些學(xué)術(shù)人員也在嘗試通過優(yōu)化設(shè)計變量以及目標(biāo)函數(shù)與約束條件等方面的內(nèi)容來實現(xiàn)從靜態(tài)優(yōu)化、動態(tài)優(yōu)化、可靠度優(yōu)化以及全壽命優(yōu)化等多個環(huán)節(jié)的海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化，這對于海洋平臺優(yōu)化設(shè)計與研發(fā)工作的順利開展提供了新的研究思路，更是提供了新的研究展望。

3 船舶板架結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化設(shè)計的具體方法

3.1 船舶與海洋平臺結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化設(shè)計

船舶與海洋平臺的結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化設(shè)計活動中最大的限制因素就是結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)與設(shè)計變量之間的關(guān)系。由于兩者的關(guān)系屬于高度非線性，所以在實際設(shè)計優(yōu)化過程中只能夠通過可行域?qū)ζ溥B通性進(jìn)行判斷，所以優(yōu)化的難度相對較大。根據(jù)國內(nèi)一些學(xué)者的研究情況來看，通過可行域調(diào)整、一維搜索以及自適應(yīng)運(yùn)動極限調(diào)整等方式能夠優(yōu)化求解算法，讓優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果更加接近實際數(shù)據(jù)。馬紅艷等人通過實際環(huán)境載荷對海洋導(dǎo)管架的平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，同時也對導(dǎo)管架的海洋平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行了尺寸以及形狀方面的優(yōu)化，提升了非線性設(shè)計的可能性，也為實現(xiàn)船舶與海洋平臺結(jié)構(gòu)動力的優(yōu)化設(shè)計提供了新的思路與方向。

3.2 夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)特性優(yōu)化與設(shè)計

金屬夾層結(jié)構(gòu)具有良好的機(jī)械性能，其不但重量輕、強(qiáng)度高，而且具有良好的隔音性能與隔熱性能，通過特殊的表層處理還可以獲得不錯的耐腐蝕性，所以在夾層的結(jié)構(gòu)力學(xué)優(yōu)化與設(shè)計中應(yīng)用極為廣泛。目前最為常見的夾層結(jié)構(gòu)就是上下面板與中間芯層組成的夾層結(jié)構(gòu)，其按照結(jié)構(gòu)形式可以分為連續(xù)型以及離散型兩種不同的形式。其中結(jié)構(gòu)形式為連續(xù)的力學(xué)性能更加穩(wěn)定，離散型的則具有更高的強(qiáng)度，在一些特殊的夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用也相對廣泛一些。

4 總結(jié)

綜上所述，結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化本身屬于一個十分復(fù)雜的問題，其與常規(guī)的理論求解不同，需要結(jié)合實際工況條件進(jìn)行綜合判斷。在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化設(shè)計活動中，不但需要參考結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論與靈敏度分析理論，同時還需要考慮有限元建模問題、數(shù)學(xué)優(yōu)化算法問題以及實際工程應(yīng)用等多個方面的問題。本文也試著從船舶與海洋平臺結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化設(shè)計以及夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)特性優(yōu)化設(shè)計兩個方面對于船舶板架結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化設(shè)計的方法進(jìn)行了分析與闡述，也希望能為行業(yè)的順利發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]何力，程遠(yuǎn)勝，劉均.基于動力剛度法與離散方案庫的船舶板架結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化設(shè)計（英文）[J].船舶力學(xué)，2012，16（06）：668-683.

[2]何力.船舶板架結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化設(shè)計方法研究[D].華中科技大學(xué)，2011.

[3]龐福振，姚熊亮，朱理.船舶結(jié)構(gòu)高階動力分析的模型簡化方法研究[J].船舶力學(xué)，2010，14（11）：1263-1275.

[4]周艷秋.艦船夾層結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特性分析[D].大連理工大學(xué)，2005.

[5]葉家瑋，翁長儉，吳學(xué)仁.船尾螺旋槳脈動水壓力的動力減振[J].廣東造船，1995（01）：28-30+27.

作者簡介：劉崇杰（1987-），男，山東萊州人，本科，助理工程師，船舶與海洋工程專業(yè)。