船舶結構典型節(jié)點的優(yōu)化分析

王偉新 劉明雪 秦超

摘 要：船舶結構設計工作中，安全是需要重點考慮的方面，而其中肘板結構又是船舶節(jié)點主要結構形式，此種結構會導致應力集中，從而對船舶造成破壞。而解決問題的方法則是降低肘板節(jié)點拉應力。因此設計工作需要結構進行優(yōu)化從而使應力能夠相應降低，以此確保船舶安全性能夠得到提升。本文就船舶結構典型節(jié)點的優(yōu)化分析。

關鍵詞：船舶結構；典型節(jié)點；優(yōu)化分析

船舶作為一種交通運輸工具相比于其它的運輸工具有其自身優(yōu)點，如果船舶在運輸?shù)倪^程中出現(xiàn)了事故，考慮到水上環(huán)境的特殊性，就會導致嚴重的后果。因此船舶設計工作需要將安全性置于首位，從各個方面分析可能會對船舶安全性造成影響的因素，并且通過相關措施應用予以消除。

一、船舶結構優(yōu)化工作分析方法與模型建立

對船舶結構優(yōu)化與分析主要利用了有限元方法，結合到專業(yè)軟件，通過建立模型從而達成工作目標。船舶結構構件主要通過節(jié)點相連接，因此船舶節(jié)點力學性能會對船舶整體安全性產(chǎn)生影響。船舶在正常使用期間會受到外部力的作用，從而使船體自身受到的載荷交替變化，船舶就會出現(xiàn)嚴重的疲勞變化。通過對船體結構進行分析，能夠找到應力集中區(qū)域，通過對節(jié)點結構應力進行控制，從而對船舶疲勞裂紋產(chǎn)生進行控制。

二、有限元模型建立與計算

選取船舶的某一部分建立有限元模型，考慮補板形式存在的差異性，相應的建立的模型也會存在差異，比如無補板模型，有凹口與無凹口補板對接模型，水密補板模型等。補板厚度與強橫梁腹板保持一致。強橫梁與水密補板采用的是塔接方式，由于采用的是定性分析的方式，載荷并沒有參考到實際情況下船體承載到的載荷。

通過選取某一點進行計算分析，從而可以得出結果，強橫梁腹板開口，構件有效承載面積能夠減少，同時也會導致應力增大。開口會導致構件區(qū)域應力集中，從而對強度造成一定影響。而節(jié)點形式不同，結構最大應力也會出現(xiàn)在不同的區(qū)域，但是通常情況下，高應力區(qū)域會出現(xiàn)在開口附近，具有代表性的如孔邊緣和構件的聯(lián)接位置。某區(qū)域出現(xiàn)應力集中情況，其主要的原因就是開孔導致了孔邊緣應力集中。縱骨如果應用了單球頭球扁鋼，最大應力，無補板結構應力都會比較明顯。而采用水密板結構時，結構應力則會最小。如果應用的是對接補板或者是搭接補板形式，應力大小會位于二者之間。

與無補板形式作比較，設置補板能夠使局部節(jié)點結構增強，而此時應力則會相應的降低，并且程度不同。最大應力出現(xiàn)的位置分布于強橫梁與補板連接位置，此種布局也與實際情況要符合。因此采用合理的補板形式以及連接形式能夠有效降低無補板節(jié)點出現(xiàn)高應力情況，能夠改善局部結構應力情況，從而使結構承載性能能夠獲得有效提升。對于水密開孔構件而言，需要結合到開孔的具體形式而設計相應的水密補板。確保結構水密性獲得保障的同時，能夠保障結構強度，通過對對接補板與搭接補板形式進行比較，對接補板形式在節(jié)點應力降低方面更加具有優(yōu)勢。

三、節(jié)點結構優(yōu)化設計

節(jié)點優(yōu)化指的是通過改變設計體形狀，尺寸，拓撲形式等，從而使性能能夠滿足強度，穩(wěn)定性，柔韌性等某些性能要求，并且基于此前提實現(xiàn)成本最低，質(zhì)量最輕等目標。結構優(yōu)化數(shù)學模型主要用來描述與實際設計問題相關的內(nèi)容，包括了設計的條件與意圖，以及存在的各種關系式的數(shù)學表達，其實質(zhì)是各種內(nèi)在關系的數(shù)學反應，是優(yōu)化工作開展的基礎與前提。

數(shù)學模型表達設計工作內(nèi)容包括了以下部分，約束條件，設計變量，目標函數(shù)等。約束條件指的是在優(yōu)化設計過程需要滿足的某些限制性條件，而依據(jù)工程性質(zhì)可以將其分為性能約束與側面約束，依據(jù)數(shù)學表達式則可以將其份為等式約束與不等約束。設計變量則是指其中任何一個設計變量。目標函數(shù)指的是在可行區(qū)域內(nèi)，求得一個最優(yōu)點從而使目標函數(shù)值達到最小，依據(jù)目標的數(shù)量可以將其分為單目標與多目標優(yōu)化兩種。

形狀優(yōu)化作為一種更加高級的優(yōu)化形式，主要是通過對結構的幾何形狀進行改變從而獲得最優(yōu)目標。相比之下尺寸優(yōu)化主要是通過對結構截面尺寸與板的厚度改變從而實現(xiàn)優(yōu)化工作目標。二者的目標指的是降低應力集中或者使應力分布力學性能得到改善，形狀優(yōu)化的方法可以將其分為非參數(shù)與參數(shù)形狀優(yōu)化兩種，對后者繼續(xù)進行細分又可以分為形狀疊加與邊界元法。前者實現(xiàn)目標主要是通過計算有限元，并通過建模軟件集成，在建模軟件中會給定初始變量，需要的響應通過有限元計算獲得，并且依據(jù)響應從而使模型的外形改變。外形通常是依據(jù)參數(shù)進行定義的，之后利用有限元計算方法，經(jīng)過重新建模等，最終獲得滿足響應。此種方法對參數(shù)化要求較高，而實際應用的范圍也有限，通常應用于簡單形狀優(yōu)化工作。形狀疊加方法是對有限元的網(wǎng)格進行了一定程度的改進，在有限元計算，網(wǎng)格會依據(jù)設定條件進行相應的變化，從而最終獲得最優(yōu)目標。但是應用此種方法要求計算機性能好，并且優(yōu)化工作最終的結果依賴于網(wǎng)格變化規(guī)范模式，因此應用于實際工作會有一定的局限性

非參數(shù)優(yōu)化設計域一般是有限元模型中某些表面節(jié)點，表面節(jié)點又可以將其劃分為內(nèi)部節(jié)點與外部節(jié)點。優(yōu)化工作操作主要是以內(nèi)部節(jié)點外法向偏移進行控制從而使目標得到優(yōu)化，非參數(shù)優(yōu)化工作，任何一個節(jié)點都可以是優(yōu)化變量，可以考慮到所有可能的解。但是此種方法應用于實際工作，設計變量十分的龐大，并且無法有效控制單元畸變，因此相比于參數(shù)化優(yōu)化，形狀優(yōu)化發(fā)展應用比較的緩慢。

結束語

節(jié)點優(yōu)化工作雖然只是一個小問題，但是節(jié)點優(yōu)化會涉及到多個方面，而從整體層面來分析，船舶設計與建設工作就是將不同的部分組裝到一個整體，因此可以將整體分解為無數(shù)個小部分。節(jié)點優(yōu)化工作不會耗用大量的資源與時間，同時能夠通過對細小環(huán)節(jié)改善從而使整體船舶的質(zhì)量得到改善。節(jié)點優(yōu)化工作的意義就在于能夠通過對結構改善，從而使結構的力學性能改善，由于部件之間存在密切聯(lián)系，一旦其中某一個部分發(fā)生了變化就會產(chǎn)生一系列的反應，因此通過節(jié)點結構進行優(yōu)化，能夠通過細小的切入口最終達成整體性目標。而設計與工作人員則只需要在具體操作的過程中注意某些問題，確保整體優(yōu)化工作能夠順利完成。

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