摘要：文章應(yīng)用HyperWorks軟件評(píng)估了液壓折臂吊下甲板支撐構(gòu)件的強(qiáng)度，并進(jìn)一步應(yīng)用OptiStruct模塊對(duì)液壓折臂吊下的船舶甲板支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化過(guò)程中將甲板支撐構(gòu)件尺寸參數(shù)作為變量，將中國(guó)船級(jí)社規(guī)范中規(guī)定的許用應(yīng)力指標(biāo)作為約束，將支撐結(jié)構(gòu)總質(zhì)量最小作為優(yōu)化目標(biāo)，最終得到了滿足規(guī)范要求的甲板支撐構(gòu)件最優(yōu)尺寸。 

關(guān)鍵詞：船舶結(jié)構(gòu)，尺寸優(yōu)化，HyperWorks 

1 引言 

      近年來(lái)，民船大型化，功能多樣化已成為一種趨勢(shì)。在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中，船體局部結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度計(jì)算任務(wù)較以往有所增加。設(shè)計(jì)部門(mén)需對(duì)船級(jí)社規(guī)范指定的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行有限元強(qiáng)度計(jì)算，確保該結(jié)構(gòu)應(yīng)力符合規(guī)范要求，并編制好計(jì)算報(bào)告書(shū)送船級(jí)社審核。 

      在規(guī)范指定進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核的構(gòu)件中，甲板設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)占了很大比重。其中，典型的甲板設(shè)備主要有錨機(jī)、起重機(jī)、吊桿、起重柱、系纜樁、導(dǎo)纜器和應(yīng)急拖帶裝置等。按規(guī)范要求液壓折臂吊屬起重機(jī)吊桿一類(lèi)，需進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。本文以液壓折臂吊為例，說(shuō)明HyperWorks在船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算中的具體應(yīng)用。 

      通常，在進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算前，甲板支撐結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸已初步確定。構(gòu)件尺寸的初始值是根據(jù)整條船的結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算書(shū)得來(lái)的，這些尺寸主要是基于船舶種類(lèi)、主尺度、骨架形式等全船性的參數(shù)根據(jù)規(guī)范計(jì)算出來(lái)的，沒(méi)有考慮其上布置甲板設(shè)備帶來(lái)的載荷。在以往的計(jì)算中，通常先校核構(gòu)件初始尺寸的強(qiáng)度，如不滿足規(guī)范滿求，則逐步增大構(gòu)件尺寸，直至滿足規(guī)范要求。本文使用HyperWorks軟件的優(yōu)化功能，完成船舶甲板結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。該方法相對(duì)以往方法更加方便，在很大程度上提高了工作效率，通過(guò)將質(zhì)量最小作為優(yōu)化目標(biāo)，得到的構(gòu)件尺寸也更加合理。 

2有限元計(jì)算模型 

      在三維笛卡爾坐標(biāo)系中建立液壓折臂吊支撐結(jié)構(gòu)艙段三維有限元計(jì)算模型。船長(zhǎng)方向?yàn)閄軸，正方向由船尾指向船首；船寬方向?yàn)閅軸，正方向由右舷指向左舷；型深方向?yàn)閆軸，正方向由基線指向甲板。規(guī)范要求計(jì)算模型采用局部立體結(jié)構(gòu)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(kuò)展至少一倍的該矩形相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)、寬距離，垂向應(yīng)從液壓折臂吊基座面擴(kuò)展至甲板之下的第一個(gè)平臺(tái)甲板或至少D/4處（D為型深）。且應(yīng)保證有限元計(jì)算模型范圍延伸至結(jié)構(gòu)主要支撐構(gòu)件上。計(jì)算中將甲板縱桁、強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨等強(qiáng)構(gòu)件的腹板、主甲板板、舷側(cè)板用殼單元離散；將甲板縱桁、強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨等強(qiáng)構(gòu)件的面板用梁?jiǎn)卧x散；將甲板縱骨、舷側(cè)縱骨及艙壁扶強(qiáng)材用梁?jiǎn)卧x散。模型中位移單位為mm，應(yīng)力單位為MPa。 

      船體材料主要采用屈服極限235MPa的B級(jí)船用結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)艙段三維有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

           

3 初始尺寸強(qiáng)度校核 

      首先，針對(duì)液壓折臂吊下甲板支撐結(jié)構(gòu)初始尺寸進(jìn)行強(qiáng)度校核。設(shè)計(jì)中將吊機(jī)布置在甲板強(qiáng)橫梁和縱桁的交匯出，根據(jù)船體規(guī)范計(jì)算書(shū)算得的甲板強(qiáng)構(gòu)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(jù)規(guī)范要求，計(jì)算中主要考慮吊機(jī)的最大傾覆力矩、安全工作載荷和吊機(jī)自重三個(gè)方面的載荷。 

      1）吊機(jī)最大傾覆力矩： 

      “規(guī)范”中給出，傾覆力矩系指起重設(shè)備在安全載荷下作業(yè)，起重設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)連接處所計(jì)算得出的最大彎矩，本計(jì)算中折臂吊最大動(dòng)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(guī)定的變幅長(zhǎng)度范圍內(nèi)，起重機(jī)可起升的最大載荷。本吊機(jī)由設(shè)備商提供的安全工作載荷為4t。根據(jù)“規(guī)范”，對(duì)于近海作業(yè)的起重設(shè)備，附加于起重設(shè)備自重的150%安全工作載荷應(yīng)進(jìn)行校核，所以計(jì)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(jié)點(diǎn)施加簡(jiǎn)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(cè)外板、肋骨以及支柱）施加簡(jiǎn)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(jiǎn)支邊界條件，約束x、y、z方向線位移。 

3.3 分析結(jié)果 

      應(yīng)用HyperWorks軟件RADIOSS求解器進(jìn)行計(jì)算，圖2給出了支撐結(jié)構(gòu)初始尺寸下的應(yīng)力云圖。

             

      根據(jù)規(guī)范，構(gòu)件的許用應(yīng)力見(jiàn)表1。通過(guò)應(yīng)力云圖可見(jiàn)，吊機(jī)下甲板強(qiáng)橫梁的腹板剪應(yīng)力最大值為95MPa，面板的正應(yīng)力最大值為224MPa，均不滿足規(guī)范規(guī)定的許用應(yīng)力值，需對(duì)吊機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

            

4 優(yōu)化分析 

      通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)吊機(jī)載荷作用下，高應(yīng)力區(qū)域集中出現(xiàn)在吊機(jī)下甲板交叉的強(qiáng)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(gè)尺寸作為變量對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。考慮到工程實(shí)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(yīng)作為優(yōu)化約束條件和目標(biāo)函數(shù)。針對(duì)本次研究，目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為甲板支撐結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小；約束條件為各應(yīng)力分量不超過(guò)規(guī)范規(guī)定的許用值，表3給出了優(yōu)化分析中約束的具體定義。

            

      通過(guò)OptiStruct求解，最終優(yōu)化結(jié)果為T(mén)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(shí)，液壓折臂吊下甲板支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖3。可見(jiàn)，優(yōu)化尺寸后支撐結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力為72.7MPa，最大正應(yīng)力為156.5Mpa均滿足了規(guī)范規(guī)定的許用值。此時(shí)，結(jié)構(gòu)正應(yīng)力值已經(jīng)十分接近許用應(yīng)力值，說(shuō)明通過(guò)優(yōu)化分析，我們得到了滿足規(guī)范要求的最合理結(jié)構(gòu)尺寸，使材料得到充分的利用，節(jié)約了成本。

           

5 結(jié)論 

      本文以液壓折臂吊下甲板支撐結(jié)構(gòu)為優(yōu)化對(duì)象，采用HyperWorks軟件進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估并完成了優(yōu)化分析，獲得了滿足船舶規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)最優(yōu)尺寸。相對(duì)以往方法，該方法更加科學(xué)方便，獲得的結(jié)構(gòu)尺寸也更加合理。除了船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面，在船體振動(dòng)、沖擊響應(yīng)等方向，還可以將該方法進(jìn)行進(jìn)一步推廣應(yīng)用，這也是本文作者下一步的研究?jī)?nèi)容。（轉(zhuǎn)）