船舶結構輕量化設計及建造技術研究

李 義

(北海船舶檢驗中心，廣西 北海 536006)

0 引言

當前經濟發展方向逐漸轉向海洋領域，各國均將如何實現海洋開發作為未來可持續發展的重要內容。海洋經濟是國民經濟發展的重要構成，而船舶是實現海洋資源開發和探索深海的重要載體。隨著現代科技的快速發展，人們對于海洋資源的開發也逐漸從淺海轉向深海。人們對海洋資源的渴望程度的不斷提高，進一步推動了整個船舶行業的創新和發展，運用傳統技術建造的重量大、結構復雜、操作難度高的船舶已經無法適應當前人們對船舶運用的需要[1]。現有大部分船舶在空船狀態下的重量會占到船舶整個排水量的30%以上，部分客船或漁船能夠達到70%～90%。因此，可以看出，船舶的重量會直接影響到船舶的各項應用性能，其結構的輕量化成為評價整個船舶綜合性能的關鍵指標[2]。船舶在設計和建造的過程中，實現重量輕、剛度高、強度大的結構布局，能在最大程度上減少船舶整體重量，提高應用性能，這也是當前綠色制造背景下相關領域研究人員重點關注的問題。基于此，本文開展船舶結構輕量化設計及建造技術研究。

1 船舶結構輕量化設計

1.1 構建船舶結構輕量化拓撲優化模型

(1)

式中：V′——船舶結構當中某一單元i的初始體積大小；

ρij——船舶結構材料的密度，取值在0～1，當ρij=1時被保留，當ρij=0時被去除；

V——船舶結構輕量化拓撲優化模型的目標函數。

將船舶結構的輕量化設計，轉變為結構體積函數的最優求解，以此簡化設計過程，提高效率。在計算過程中，由于船舶結構的剛度具有一定的奇異性，在模型當中會造成計算后模型輸出的結果不具備收斂性而得出的結果不是最優解的問題。針對這一問題，為了消除結構剛度的奇異性，在模型當中引入一個自變量ρmin作為限制條件。通常情況下，ρmin的取值為0.001，由于在模型當中，船舶結構單元的密度是介于0～1的數值，因此進一步分析得出ρmin的約束條件應為：

0<ρmin≤ρi≤1

(2)

綜合上述分析得出，船舶結構輕量化拓撲優化模型的表達式應為：

(3)

式中：F——船舶結構的剛度矩陣；

這個孩子還說，他起初想在這座城市好好混，有了一定的基礎，再把奶奶和弟弟接過來。現在，他覺得陪伴對弟弟來說，才是最好的成長，也是對弟弟最好的幫助。在他這句話面前，我竟然無話可說，只能繼續感動。

K——船舶結構的彈性矩陣；

U——船舶結構的應變矩陣。

在對船舶結構進行輕量化設計的過程中，若變量數據過多則需要通過求導的方式進一步確定、優化搜索路徑，并通過對模型進行不斷迭代訓練實現對模型的優化。

1.2 基于OC法的船舶結構材料密度推導

根據上述的船舶結構輕量化拓撲優化模型，在對模型進行第n次迭代訓練后，全部設計變量均為最佳參數變量時，結合OC法，對船舶結構的材料密度進行推導。在推導的過程中，首先利用OC法對模型在迭代過程中的特點進行比較和分析，并根據以往工程經驗，對模型進行求解。在求解時，確定船舶結構單元材料密度ρmin的優化準則，并基于船舶結構材料的密度構建拓撲優化結構。在對材料密度確定時，還需要結合船舶不同結構的特點，分區對ρmin進行求解，其計算公式為：

(4)

式中：ρi(1+j)——船舶結構單元i的下一個結構單元密度；

λ——朗格朗日乘子。

根據式(4)，對船舶結構中所有部位的材料密度進行最優求解，確定其最優密度以及結構體積，實現對船舶結構的輕量化設計。

2 建造技術設計

2.1 船舶各結構分段處理及搭建組裝

在上述船舶輕量化設計得出的材料密度及各參數基礎上，對船舶進行建造。根據船舶建造的整體工程流水作業過程，將建造劃分為材料處理、船體放樣標記和配件加工等多個環節。由于船舶在建造過程中會受到船廠生產場地、設備等眾多客觀因素的影響，因此船舶建造的種類不同，采用的建造技術也相差較大[4]。在對各個結構進行分段建造時，根據船舶結構輕量化材料的需要，對建造材料進行選擇，并對材料進行表面處理。將各類建造材料運輸到加工工廠后，需要根據材料的具體規格、種類以及用途等將其分送到各個車間，并對其進行編碼和切割。在完成切割后，再次對材料進行挑選并經過彎折加工、局部裝配等過程后，將各個分段結構運輸到船塢。完成上述所有準備后，對船舶各結構進行分段處理，可將其大致劃分為雙層底分段、船舷側雙殼分段、底邊分段和橫艙壁分段[5]。如表1所示為按照普通規格船舶得出各個分段的編號及相應建造區域范圍。

表1 船舶各結構分段編號及建造區域范圍對照表

按照表1的內容完成對船舶各結構分段的劃分，并對其分別進行編號。在完成船舶各結構分段處理后，需要完成對各結構的搭建和組裝。針對船舶各結構分段當中的小型分段和中型分段，在組裝前，需要對結構材料的連接及各個分段之間進行預先裝配，并根據大小或階段進行裝配。針對船舶各結構分段中的大型分段，在處理過程中為了避免后續工程的混亂，應當提前設置舾裝件并進行預舾裝。考慮到搭建過程中使用的吊桿具有一定的彈性，應針對各個結構材料的重力進行運動分析，并將搭建材料作為一個自由度的質點，利用浮動窗口和彈性坐標確定材料搭建位置。在搭建過程中需要對鋼纜的張力進行實時監測，以此確保船舶的搭建效果。

2.2 船舶總段建造精度控制

在完成船舶各結構的搭建組裝后，應同步對其進行精度控制，以提高建造技術的整體水平。可將精度控制的過程看作船舶搭載后變形控制的過程，為了滿足此種需求，將精度控制過程劃分為主動控制與適應接近控制兩個階段[6]。

在船舶建造過程中，主動控制階段是指在材料切割、處理和拼接的過程中，進行小組件與生產工序的控制，控制過程中應提取影響船舶變形的多種外界影響因素，并基于焊接角度，進行形變的最小誤差控制。為了滿足此種控制需求，可通過數值控制方法，對焊接可允許的最大誤差進行計算，得到以組裝結構為支撐的最大形變量。在此基礎上，將構造組合物以高精度銜接的方式，進行數值預測，并參照預制施工方式，進行生產的合理化處理。同時，在完成對最大誤差的預測后，需要對船舶建造進行最佳設計，設計時按照等離子加工方法，進行三維立體模型模擬分析。盡管此種控制方式在一定程度上實現了對船舶設計階段與構造階段的精度控制，但在實際應用中仍存在一定局限性，甚至會受到某種單一塑性材料性能的影響，因此，僅在主動控制階段進行船舶建造精度控制是遠遠不夠的。

針對一些復雜結構的船舶，其設計中應用的材料不同，而不同的材料在使用中的性能也不相同，既要確保控制的精度可以滿足船舶建造技術需求，還需要在完成此步驟后，在適當接近控制階段時對其進行精度控制。在此階段中，可將控制的過程按照“事中與事后”的方式實施，在事中階段的精度控制措施如表2所示。

表2 船舶建造事中階段精度控制措施分析表

按照表2，完成對船舶建造過程中的事中階段精度控制，在此基礎上，可在完成船舶建造后，使用東明機械設備開發有限公司生產的PDA基板進行搭建預測模擬，根據模擬結果掌握設計成果的承載度，并將此結果以文本文件的方式進行前端輸出，根據輸出結果判斷構造的船舶是否需要進行事后精度控制，倘若結果顯示船舶承載力達標，則無須進行后續控制。反之，可通過事中控制方式，進行基板程序的重整，以此實現對船舶建造技術的研究。

3 船舶結構輕量化設計應用試驗

本文選擇將船舶結構當中典型L型板結構作為本文船舶結構輕量化設計的應用對象。L型板結構的幾何尺寸如圖1所示。

圖1 L型板結構幾何尺寸示意圖

圖1中所示的船舶L型板結構的厚度約為9.5 mm，其上端為固定結構，右端部受到一個集中荷載為950 N的作用力。將上述幾何結構代入ANSYS軟件當中，并通過船舶結構輕量化拓撲優化模型對其進行輕量化設計。通過設定的目標函數，經過拓撲優化后，得出拓撲結果，并針對模型輸出的結果進行光順平滑處理，得到最終的優化拓撲結構如圖2所示。

(a)本文設計模型輸出

(b)傳統設計方法輸出

圖2(a)中為通過本文船舶結構輕量化設計方法得出的船舶L型板結構優化拓撲結構；圖2(b)為通過以往設計方法得出的船舶L型板結構優化拓撲結構。通過對比圖2中兩種拓撲結構優化結果可以看出，兩種結果得出的船舶結構材料的布局大致相同，因此證明本文設計方法可行。同時，針對結果的準確性問題進行分析可知，通過本文設計方法得出的船舶結構輕量化結果輪廓更加清晰，并且結構周圍沒有多余的附連小部件結構，整體布局十分均勻。因此，通過試驗證明本文提出的船舶結構輕量化設計方法可行性和可靠性更高。同時，在船舶結構輕量化的基礎上，基于本文所述船舶建造技術能夠進一步提高船舶的質量，并得到更高的應用性能。

4 結語

為實現船舶結構的輕量化，本文開展船舶結構輕量化設計及建造技術研究，并通過應用試驗證明了本文提出的船舶結構輕量化設計方法的可行性。同時，本文針對船舶在建造過程中存在的問題進行分析，給出最佳的建造方案和技術，通過實踐實現了對船舶結構的輕量化優化設計。將本文所述設計思路應用到實際船舶生產和制造當中，能夠在保證船舶整體結構強度的基礎上，降低結構材料的重量，并不斷提高船舶的建造水平。