摘要：文章應用HyperWorks軟件評估了液壓折臂吊下甲板支撐構件的強度，并進一步應用OptiStruct模塊對液壓折臂吊下的船舶甲板支撐結構進行了尺寸優化設計。優化過程中將甲板支撐構件尺寸參數作為變量，將中國船級社規范中規定的許用應力指標作為約束，將支撐結構總質量最小作為優化目標，最終得到了滿足規范要求的甲板支撐構件最優尺寸。 

關鍵詞：船舶結構，尺寸優化，HyperWorks 

1 引言 

      近年來，民船大型化，功能多樣化已成為一種趨勢。在船舶設計過程中，船體局部結構有限元強度計算任務較以往有所增加。設計部門需對船級社規范指定的結構，進行有限元強度計算，確保該結構應力符合規范要求，并編制好計算報告書送船級社審核。 

      在規范指定進行有限元強度校核的構件中，甲板設備支撐結構占了很大比重。其中，典型的甲板設備主要有錨機、起重機、吊桿、起重柱、系纜樁、導纜器和應急拖帶裝置等。按規范要求液壓折臂吊屬起重機吊桿一類，需進行支撐結構強度校核。本文以液壓折臂吊為例，說明HyperWorks在船舶結構強度計算中的具體應用。 

      通常，在進行強度校核計算前，甲板支撐結構的構件尺寸已初步確定。構件尺寸的初始值是根據整條船的結構規范計算書得來的，這些尺寸主要是基于船舶種類、主尺度、骨架形式等全船性的參數根據規范計算出來的，沒有考慮其上布置甲板設備帶來的載荷。在以往的計算中，通常先校核構件初始尺寸的強度，如不滿足規范滿求，則逐步增大構件尺寸，直至滿足規范要求。本文使用HyperWorks軟件的優化功能，完成船舶甲板結構支撐構件的尺寸優化設計。該方法相對以往方法更加方便，在很大程度上提高了工作效率，通過將質量最小作為優化目標，得到的構件尺寸也更加合理。 

2有限元計算模型 

      在三維笛卡爾坐標系中建立液壓折臂吊支撐結構艙段三維有限元計算模型。船長方向為X軸，正方向由船尾指向船首；船寬方向為Y軸，正方向由右舷指向左舷；型深方向為Z軸，正方向由基線指向甲板。規范要求計算模型采用局部立體結構模型，以液壓折臂吊有效作用平面矩形的形心為中心，向四周分別擴展至少一倍的該矩形相對應的長、寬距離，垂向應從液壓折臂吊基座面擴展至甲板之下的第一個平臺甲板或至少D/4處（D為型深）。且應保證有限元計算模型范圍延伸至結構主要支撐構件上。計算中將甲板縱桁、強橫梁、強肋骨等強構件的腹板、主甲板板、舷側板用殼單元離散；將甲板縱桁、強橫梁、強肋骨等強構件的面板用梁單元離散；將甲板縱骨、舷側縱骨及艙壁扶強材用梁單元離散。模型中位移單位為mm，應力單位為MPa。 

      船體材料主要采用屈服極限235MPa的B級船用結構鋼，彈性模量E=2.06×105 N/mm2，泊松比μ=0.3。基于HyperMesh建立的液壓折臂吊支撐結構艙段三維有限元計算模型見圖1。

           

3 初始尺寸強度校核 

      首先，針對液壓折臂吊下甲板支撐結構初始尺寸進行強度校核。設計中將吊機布置在甲板強橫梁和縱桁的交匯出，根據船體規范計算書算得的甲板強構件初始尺寸為：T型材腹板9mm，T型材面板為12x120的扁鋼。 

3.1 載荷條件 

      根據規范要求，計算中主要考慮吊機的最大傾覆力矩、安全工作載荷和吊機自重三個方面的載荷。 

      1）吊機最大傾覆力矩： 

      “規范”中給出，傾覆力矩系指起重設備在安全載荷下作業，起重設備與船體結構連接處所計算得出的最大彎矩，本計算中折臂吊最大動彎矩為308.2kN.m。 

      2）安全工作載荷： 

      安全工作載荷系指在任何規定的變幅長度范圍內，起重機可起升的最大載荷。本吊機由設備商提供的安全工作載荷為4t。根據“規范”，對于近海作業的起重設備，附加于起重設備自重的150%安全工作載荷應進行校核，所以計算中安全工作載荷取6t。 

      3）液壓折臂吊自重： 

      本船液壓折臂吊自重為2.38t。 

3.2 邊界條件 

      模型兩端剖面各節點施加簡支邊界條件，約束x、y、z方向線位移；模型下邊界（包括主甲板以下1.8m處舷側外板、肋骨以及支柱）施加簡支邊界條件，約束x、y、z方向線位移；中縱剖面主甲板施加簡支邊界條件，約束x、y、z方向線位移。 

3.3 分析結果 

      應用HyperWorks軟件RADIOSS求解器進行計算，圖2給出了支撐結構初始尺寸下的應力云圖。

             

      根據規范，構件的許用應力見表1。通過應力云圖可見，吊機下甲板強橫梁的腹板剪應力最大值為95MPa，面板的正應力最大值為224MPa，均不滿足規范規定的許用應力值，需對吊機支撐結構進行加強。

            

4 優化分析 

      通過計算發現吊機載荷作用下，高應力區域集中出現在吊機下甲板交叉的強橫梁和縱桁上，因此僅將T型材腹板厚度、T型材面板寬度和面板厚度三個尺寸作為變量對支撐結構進行優化。考慮到工程實際，將各變量定義為離散型，如表2。

         

      在定義變量之后，指定響應作為優化約束條件和目標函數。針對本次研究，目標函數設置為甲板支撐結構質量最小；約束條件為各應力分量不超過規范規定的許用值，表3給出了優化分析中約束的具體定義。

            

      通過OptiStruct求解，最終優化結果為T型材腹板厚度12mm，T型材面板厚度為17mm,T型材面板寬度為140mm。此時，液壓折臂吊下甲板支撐結構應力云圖如圖3。可見，優化尺寸后支撐結構的最大剪應力為72.7MPa，最大正應力為156.5Mpa均滿足了規范規定的許用值。此時，結構正應力值已經十分接近許用應力值，說明通過優化分析，我們得到了滿足規范要求的最合理結構尺寸，使材料得到充分的利用，節約了成本。

           

5 結論 

      本文以液壓折臂吊下甲板支撐結構為優化對象，采用HyperWorks軟件進行強度評估并完成了優化分析，獲得了滿足船舶規范要求的結構最優尺寸。相對以往方法，該方法更加科學方便，獲得的結構尺寸也更加合理。除了船體結構強度方面，在船體振動、沖擊響應等方向，還可以將該方法進行進一步推廣應用，這也是本文作者下一步的研究內容。（轉）