HCSR油船结构优化设计

7.4节HCSR油船结构优化设计1.1油船结构特点

１）石油呈液体状，运送过程中容易挥发、燃烧或爆炸，因此油船在布置构造中对防火安全要求严格；２）为减小石油在货油舱内自由液面对船舶稳性的影响，货油舱需由横、纵舱壁分隔；３）为了增加总纵强度，船体的长深比较大，多采用纵骨架式；IMO制定了MARPOL修正案，同时建立了GBS标准（HCSR）单壳油船

双壳油船１.前言

1.2HCSR规范相比于CSR规范的主要特点CSR共性中的差异HCSR主要协调内容载荷外载荷模型不一致形成了新的载荷模型增加了斜浪工况疲劳载荷的概率水平由10-4改为10-2，Weibull形状系数取为1有限元分析有限元评估范围不同细网格网格精度不同船体梁剪切修正方法不同建模方面主要参考了CSR-OT细网格大小统一为50mm×50mm明确了细网格法定校核区域和应力筛选区域以及应力筛选衡准屈曲强度高级屈曲校核方法不同采用新编写的闭合屈曲计算公式疲劳强度疲劳评估的要求不同考虑不同腐蚀环境下的疲劳累积损伤统一采用热点应力评估法S-N曲线统一选用D曲线除法定校核区域外，提出了疲劳筛选描述性规定型材的细长比要求不同主要支撑构件规定不同主要支撑构件的跨距参照CSR-OT最小板厚取CSR-OT和CSR-BC的包络值1.３

油船结构优化研究的目的和意义１）HCSR与CSR相比，虽然规范的整体结构改变不大，但由于具体要求、评估准则的变化，结构强度方面的要求将高于CSR，结构强度要求提高将以船舶结构尺寸的增加为代价，从而导致船舶重量的增加。２）在满足规范要求的条件下，降低船舶结构重量，提高材料利用率，降低建造成本，提高经济性与节能环保。３）大型油船结构优化设计研究需要综合考虑结构安全性、经济性、建造工艺等一系列因素，给出较好的结构设计方案。1.４结构优化设计的特点

1）优化设计就是满足一定条件下，使某一参数达到极值（极大值或极小值），例如造价最低、重量最轻、速度最快等等，制约这些参数的条件包括型线变化、结构强度等。

2）传统的优化设计是以数学理论为基础，优化问题的求解方法也局限在数值优化方法。

3）现代智能优化算法和理论应运而生，同时，借助计算机应用程序快速的进行优化设计，为优化设计提供了基础。

数学模型约束条件：限制设计变量变化范围或限制设计方案的选取的条件。设计变量：结构优化设计中数值可变的优化对象。目标函数：度量结构设计方案优劣的函数。４）通过建立数学模型，可以将结构优化问题转化成数学问题，由数学表达式表达。2

HCSR直接计算法及对油船结构重量影响分析2.1有限元模型1)X方向是沿船长方向，船首方向为正；Y方向沿船宽方向，左舷为正；Z方向沿型深方向，向上为正；2)对板材和骨材的尺寸使用缩减尺寸，即建造厚度减去0.5倍腐蚀增量（tc）的净厚度；2.2边界条件位置平移

旋转δxδyδzθxθyθz后端面独立点-约束约束MT-end--横截面刚性连接刚性连接刚性连接端面梁，如图所示前端面独立点-约束约束约束--中心线和内底板的交点约束--横截面-刚性连接刚性连接刚性连接--端面梁，如图所示其中:“-”为无约束

(自由)

将模型前后端部处的独立点（中心线和中和轴的交点）和所有纵向连续构件的节点作刚性耦合，在耦合点上施加约束条件施加在模型端部的边界条件端部约束梁示意图2.3船体梁载荷调整HCSR中，规定在三舱段有限元模型中船体梁剪力、弯矩和扭矩分布需要进行调整，达到相应目标位置的目标值，但调整后的剪力值、弯矩值、扭矩值不得大于船体梁调整的目标值。船体梁调整的目标值和目标位置调整方法剪力调整目标值：目标位置：中间舱的横舱壁处强框架施加节点力；节点力按照剪流理论计算；图2.4货舱区剪力调整到穿过零点示意图船体梁调整的目标值和目标位置调整方法弯矩调整垂向弯矩目标值：

水平弯矩目标值：

目标位置：中间舱中点处或中间舱最大/最小弯矩的纵向位置端部剖面施加节点力；节点力按照简单梁理论计算；图2.5货舱区弯矩调整示意图船体梁调整的目标值和目标位置调整方法扭矩调整目标值：

目标位置：如果中间舱中点处位于0.531L之后，目标位置为中间舱后舱壁，否则为中间舱前舱壁后端剖面独立点施加调整值；调整值按积分点累计计算；图2.6货舱区扭矩调整的示意图2.4载荷工况根据规范中规定的HSM、HSA、FSM、BSR、BSP、OST、OSA七种等效设计波，以及十四种装载模式，组合形成了52个载荷工况。2.5目标船基本信息

满足CSR的载重量为308,000吨的大型油船，该船为布置有5个货油舱的双壳油船，并由两道油密纵舱壁将每个货油舱分为左中右三部分，船中区域肋骨间距为5.66m，其主尺度如下表所示。总长Loa330m垂线间长Lpp320m规范船长L316.22m型宽B60.00m型深D29.80m方形系数Cb0.825设计吃水TD20.50m结构吃水TSC21.80m梁拱1.20m服务航速V15.7kn三舱段模型其中：屈服利用因子，计算公式如下所示：2.6屈服强度评估

屈服强度的校核根据屈服利用因子进行校核，结构每一部分单元计算得出的屈服利用因子都不应该超过其许用值。评估标准：静载荷（S）工况下的评估结果：组合载荷（S+D）工况下的评估结果：2.7屈曲强度评估

结构屈曲强度评估时，需满足屈曲利用因子ηact不大于许用屈曲利用因子ηall。屈曲利用因子ηact为载荷效应与对应的极限能力或屈曲强度之比：——由组合膜应力引起的等效应力，N/mm2；——等效屈曲能力，N/mm2；——失效时的应力乘数因子。静载荷（S）工况下的评估结果：组合载荷（S+D）工况下的评估结果：2.8HCSR对油船结构重量影响分析１）根据以上强度评估结果，该满足CSR的双壳油船，在进行基于HCSR的有限元直接计算时，某些构件不满足HCSR屈服或屈曲强度要求。２）可以初步得出HCSR对船体结构提出了更高的强度要求。３）在结构设计过程中，需通过改变构件尺寸使其满足HCSR要求，如增加板材厚度、增大加强筋尺寸等，这一过程将明显增加结构重量。3基于HCSR规范计算的舯剖面结构优化3.1优化问题的数学模型优化问题的数学模型包括，设计变量、目标函数和约束条件，其数学表达式如下式：——n个设计变量——目标函数，评判设计方案优劣的函数——

约束条件。3.2优化算法ClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoaddTextClicktoaddText这里采用三种全局优化算法：１）多岛遗传算法（MIGA）；２）模拟退火算法（SA）；３）粒子群算法（PSO）。全局优化算法较传统的优化算法的优点：

1)目标函数存在多峰性、非线性、非连续、不可微函数；

2)设计变量和约束函数可能是线性、非线性、连续或离散变量集；

3)对于没有任何导数、梯度信息的函数，依然可找到最优解；

4)避免出现局部最优解，并有效地搜索到全局最优解；１）多岛遗传算法：优化问题解空间中的解，可模拟为生物种群中的个体，通过对其进行编码，将其转化为数学问题，解空间中的解再模拟种群个体选择、交叉、变异的过程，通过不断的繁衍进行种群中择优过程，最终找到最优解。遗传算法适用于复杂非线性的优化问题，是一种随机的寻优搜索的方法，属于全局优化算法。２）模拟退火算法：模拟退火算法是以固体退火过程的物理现象为基础，通过迭代进行求解的一种概率性寻优方法。在解决优化问题时，首先确定某一初始温度，物质退火中温度不断下降，不同的温度值对应着解空间内的解，通过温度的下降过程计算解空间内的解直至找到最优解。３）粒子群算法：通过模拟鸟群觅食的过程，而形成的基于群体智能理论的优化算法。在粒子群算法中，种群中的每个个体即每个粒子代表解空间内的一个解。种群中的每个个体都有一个速度，且都具有记忆功能，能够记下达到过的位置，粒子在解空间中根据自身速度进行运动，比较到达的位置，选出最优位置。根据个体先后到达的位置，通过改变个体的位置和速度，最终不断的趋近全局最优解。3.3优化设计应用软件Isight软件是由美国Engineious公司出品的通用优化软件，它具有极强的设计探索功能，通过运用各种优化算法、选择和集成所需的工具，能有效地解决复杂系统的优化设计问题，对多个设计可选方案进行评估，所集成的设计流程可在图形界面中显示出来，使整个方案的设计与评价过程可视化、自动化。3.４.1设计变量：１）常量：双层底高度为2.98m，双舷侧间距为3.4m，纵舱壁在距船舯11.05m的位置，双层底纵桁分别在距船舯0m、11.05m和22.1m处，双舷侧平台甲板分别在距底8.78m、14.73m，20.68m和26.63m处。3.４船舯剖面结构优化２）可变量，包括三类：

纵骨间距；

板厚；

纵骨型号。设计变量编号图：1）板厚区间选为8mm-30mm，隔为0.5mm；2）选取T型材的离散集型材库，腹板高度的离散间隔为10mm，面板宽度的离散间隔为5mm，腹板和面板厚度的离散间隔为0.5mm；3）根据油船纵骨布置的设计经验，纵骨间距的离散集可取700mm至900mm，其离散间隔为10mm，为了减少设计变量的数量，设甲板、内外底的纵骨间距一致，纵舱壁、内外舷侧纵骨间距一致。设计变量原则

：3.４.2目标函数：以剖面的截面积最小为优化目标，目标函数如下式所示：式中：n——设计变量的数量；m——常量的数量；Ai(X)——设计变量的横截面面积（m2）；Aj(X)——常量的横截面面积（m2）；3.４.3约束条件——船体梁强度船体梁强度甲板处的船体梁剖面模数ZD-n50和船底处的船体梁剖面模数ZB-n50应不小于ZR：船体梁横剖面对其水平中和轴的惯性矩不小于IyR：船体梁横剖面任一点的正应力L(N/mm2)不小于船体梁弯曲许用应力perm(N/mm2)L≤perm船体梁垂向净剪切强度QR(kN)，取为对船体梁剪切能力有贡献的所有板单元中的最小值：约束条件——船体局部尺度强度条件1）最小板厚2）板的屈服强度要求对于板材，其净厚度不小于所有使用设计载荷组合计算所得结果的最大值：3）加强筋的屈服强度要求对于骨材，其腹板净厚度不小于所有使用设计载荷组合计算所得结果的最大值：其剖面模数不小于所有使用设计载荷组合计算所得结果的最大值：约束条件——细长比要求1）板格

板的净厚度必须满足：2）加强筋

加强筋腹板和面板的净厚度必须满足：对于角钢和T型材面板宽度必须满足：

加强筋关于水平中和轴的惯性矩必须满足：3.４.4

计算结果根据舯剖面结构优化的数学模型，编写用于计算舯剖面特性的表格，其中，各纵向构件板厚为设计变量，剖面截面积为目标函数，同时将各约束条件通过数值的形式编写在该表格中。利用Isight软件集成该表格，分别采用多岛遗传算法（MIGA）、模拟退火算法（SA）、粒子群算法（PSO）对船舯剖面的纵向结构进行优化设计。分别采用多岛遗传算法（MIGA）、模拟退火算法（SA）、粒子群算法（PSO）对船舯剖面的纵向结构进行优化设计。4基于HCSR直接计算法的舱段结构优化

4.1结构优化设计集成过程1）集成MSC.Nastran

将*.bdf文件作为输入文件，编写一个批处理文件，使Isight驱动MSC.Nastran软件将需要优化的变量，运用参数赋值，生成有限元直接计算后处理文件*.op2文件。

Isight软件具有较强的集成能力，可以集成很多大型通用软件和自编程序[54]，如Abaqus、MSC.Patran、MSC.Nastran、Fluent、Ansys、Matlab、C、Fortran、Java等。本文运用优化软件

集成有限元分析软件MSC.Nastran、MSC.Patran，对大型油船三舱段进行结构优化设计，其中优化算法选用中剖面优化设计中优化效果较好的多岛遗传算法，*.bdf文件中板厚的定义,不能改变*.bdf文件原有的格式。批处理GoNastran.bat文件代码

2）集成MSC.Patran将*.ses文件作为输入文件，编写一个批处理文件，使Isight驱动MSC.Patran软件运行，生成舱段重量文件*.rpt文件，以及有限元直接计算用于校核屈服强度和屈曲能力的应力文件*.rpt文件。*.rpt文件的定义批处理GoPatran.bat文件代码3）集成Fortran自编程序通过Isight中OSCommand通用命令行组件集成Fortran自编程序，将*.rpt文件作为输入文件，编写一个批处理文件，使Isight驱动Fortran自编程序进行计算，该程序用于计算数学模型中约束条件中数据需要进行一定的数学计算，生成所需要的数据文件*.rptx文件。4）集成Excel表格通过Isight中Excel组件，使其驱动Excel表格进行计算，该步骤用于数学模型的约束条件中，校核板格的屈曲能力的计算。对于复杂约束下的货油舱结构优化问题，最后将重量文件、应力文件、屈曲能力校核表格作为输出文件。4.2舱段结构优化数学模型１）设计变量：为了简化优化问题，主要对三舱段结构中间舱的甲板、舷侧和外底板进行结构优化设计。以舷侧外板为例，垂向的板缝位置通常在舷侧纵桁附近，纵向方向大概三个强框架便设置一个板缝，本船中每个强框架5.66m，三个强框架16.98m。构件类型为板材和纵骨，纵骨选用T型材。２）目标函数：在进行舱段整体结构优化过程中，以中间舱净重量最轻为优化目标。３）约束条件：屈服强度根据屈服强度校核衡准，构件的屈服利用因子λy应不大于许用屈服利用因子λyperm：

λy≤λyperm屈曲强度根据屈曲强度校核衡准，构件的屈曲利用因子ηact不大于许用屈曲利用因子ηall：ηact≤

ηall

4.3计算工况此处定义系数r，如下式所示，表示各工况下单元应力与许用应力的偏离程度，系数r越小表示该工况下越接近许用应力，应力值越大，工况越危险，反之越安全。可计算得出各工况下甲板、舷侧和外底板的系数r大小。

HCSR规定的计算工况有52个，对于舱段整体优化，考虑计算机容量与耗时等问题，很难将全部工况同时集成在Isight中进行优化设计，需要先确定能决定板材厚度、T型材尺寸的决定工况。根据甲板、舷侧和外底板的系数r大小选取计算工况。选取的决定工况A1_HSM2_HA8_HSM1_SA14_SW_H4.4优化结果分析根据上述集成流程，选取多岛遗传算法，子群规模设定为10，子群个数为10，交叉概率1.0，变异概率0.01，移植概率0.01，岛间迁移率为0.5，迁移的间隔代数区为5。目标船三舱段结构中间舱段的初始重量为6333.6吨，经过优化后的重量为6217.1吨，优化前后重量减轻1.839％。对于约束条件，其优化方案满足屈服和屈曲强度要求。４.5规范计算法的船舯剖面结构校核对基于直接计算法的舱段结构优化的结果，需要根据规范计算法验证中剖面结构是否满足结构要求，包括船体梁强度、船体局部强度和细长比要求等。舱段结构优化的结果在船长方向等分为三个区域，因此需要校核三个剖面的结构特性。５.结构