基于SiPESC.OPT的船舷简化结构冲击优化设计

邱晓明 陈飙松 朱 凌

(高性能舰船技术教育部重点试验室1) 武汉 430063) (武汉理工大学交通学院2) 武汉 430063)(北京协同创新研究院3) 北京 100194) (大连理工大学工程力学系4) 大连 116023)

基于SiPESC.OPT的船舷简化结构冲击优化设计

邱晓明1,2,3)陈飙松3,4)朱 凌1,2)

(高性能舰船技术教育部重点试验室1)武汉 430063) (武汉理工大学交通学院2)武汉 430063)(北京协同创新研究院3)北京 100194) (大连理工大学工程力学系4)大连 116023)

基于科学计算集成化软件平台SiPESC的结构优化模块，开展了船舷简化结构遭受单次碰撞的冲击优化.船舷简化结构为长宽比为3∶1、考虑单条T型加筋的矩形加筋板.撞击物则简化为刚性球.设计板厚A,B,C分别为板和T型筋的厚度，目标函数OBJ为考虑中心点变形和比吸能的综合目标参数.采用序列二次规划(SQP)算法求解冲击优化问题，得到结构表现出最佳效率时的设计参数大小.使用Javascript脚本在SiPESC.OPT中进行编程，调用其中的优化插件(包括试验设计、代理模型、不同优化算法等插件)并通过对外部程序的调用以及文件的读取、写入等操作以实现计算过程控制.并在板厚B固定的情况下，以板厚A和C为设计变量，开展析因试验设计，得到了目标函数在三维空间上的响应面，并获得了加筋板设计中的有效建议.

冲击优化；船舶结构；SiPESC；试验设计

0 引 言

结构设计中，针对结构静态特性的设计往往可以通过优化的手段快速高效率的实现，张欢等[1]针对起重机桁架式臂架结构设计，运用MATLAB对其结构的目标函数和约束条件进行优化计算，研究了结构的诸多静态特性.在船舶舷侧结构的设计过程中，一般主要考虑波浪载荷下的等效静水压力对整船进行结构设计，各国船级社依据事故调查和相关的科研成果设定了一系列相关的工程规范，可以基于成熟的有限元对结构设计进行反复校核，以实现轻量化.但是当结构物遭受到极端载荷的情况下，冲击载荷下的结构设计在工程领域尚未完全成熟.船舶碰撞、搁浅问题大多是低速、大质量的近似刚性体(船首、冰山、礁石等)与船体结构之间发生的冲击作用，属于船舶运行中的极端危险工况.Zhu等[2-3]提出了船体和海洋平台板受重复碰撞的动力响应计算模型，并用数值解和实验进行了验证.并对船体板重复碰撞下产生的塑性响应及结构变形的力学机理进行了进一步研究，讨论了结构刚度变化、回弹能量等因素的影响.Liu等[4-5]针对船舶底部结构的小尺寸模型，开展了船舶碰撞与搁浅的准静态实验研究并进行数值模拟的对比.在针对冰山撞击的情况，Zhu等[6-7]基于塑性设计方法，提出了一个可用于简单计算的船舶碰撞模型，对船舶遭受刚性冰块重复碰撞问题的机理进行了探索，利用刚塑性理论得到设计曲线和设计公式，并在此基础上，研究了可以估计局部冰块撞击载荷的方法.

可见结构在冲击下的设计规律总结较为复杂，且多采用考虑保守假设的近似设计公式，因此有必要在具体工程实际中引入冲击结构优化的相关计算手段，以实现大规模计算和优化手段的普及并且提高设计的精确度.伊建军[8]使用LS_DYNA软件对不同截面形式、同等质量的薄壁直梁在轴向匀速冲击下的耐撞性能进行了研究，并基于SiPESC.OPT，考虑代理模型技术和试验设计方法，进行了优化计算，找出了比较理想和高效的吸能结构.闫红松[9]则对结构设计中常用的试验设计方法和近似模型进行了讨论，并实现了四种常用试验方法与两种近似模型算法.

工程与科学计算集成化软件平台(software integration platform for engineering and scientific computation，SiPESC)是由大连理工大学工业装备结构分析国家重点试验室研发的面向工程与科学计算的集成软件系统，目的是构建适用于计算力学的科学研究和工程应用的公共服务软件平台.基于该平台上的结构优化模块SiPESC.OPT，展开了船舶工程常见结构模型的相关计算，对长宽比3∶1的矩形板在单一T型加筋情况下的板厚尺寸进行优化.设计参数A,B,C分别为板和T型筋的厚度，目标函数OBJ为考虑中心点变形和比吸能的综合目标函数，使之最大化以获得结构在典型碰撞载荷下的最佳效率.

1 计算模型

1.1 模型描述

考虑到船舶碰撞问题的复杂性，大多数研究从几何模型与物理模型两个方面对船舶碰撞问题进行简化：船舶的受损区域一般为舷侧结构，可以简化为板架或方形板、矩形板等简单结构，撞击物一般为船舶首部，其刚度较大，在计算中可以将之简化为球形体等.加筋板具体尺寸见图1.设计变量有外板厚度A、筋板厚度B和面板厚度C.撞击球质量100 kg、直径0.16 m，视其为刚体.外板尺寸为1 200 mm×400 mm×Amm，筋板尺寸为1 200 mm×40 mm×Bmm，面板尺寸为1 200 mm×60 mm×Cmm，外板四周固支，筋板和面板的两端固支.撞击球以5 m/s的速度撞向加筋板的外板中点.

图1 模型描述图(单位：mm)

通过APDL命令，对上述几何模型在ANSYS中进行建模、划分网格、定义参数等有限元计算的前处理，并生成用于LS-DYNA调用计算所需的对应k文件.撞击块设定为刚性体，钢板采用考虑塑性强化的线弹性材料模型，具体参数见表1.钢板网格全部采用SOLID164单元,单个网格大小约为10 mm×10 mm×0.5 mm.

表1 钢板材料参数

1.2 优化过程

图2为优化过程示意图.OPT函数负责整体优化设计的流程控制和调用优化算法求解，OBJ函数作为目标函数，主要负责调用外部有限元软件对冲击过程进行分析并计算获得目标函数值，约束函数CON则通过读取有限元计算的结果获得约束函数值.

图2 优化过程示意图

自定义综合评价函数S，S=S1/S2，S1为加筋板经受撞击后的比吸能，S2为变形参数，两者经过平均加权构成评价函数.

优化目标为使得该评价函数取得最大值，即综合考虑中心点的最终挠度和比吸能，使得加筋板受到球形刚体撞击后的变形较小且充分吸收撞击动能，以实现材料的充分利用.该优化问题的数学描述为

(1)

(2)

S2=uxf

(3)

(4)

式中：f(A,B,C) 为综合评价函数，即不同设计变量组合下经过有限元计算所得到的目标响应函数；mp为加筋板的总质量，kg；ms为撞击球的质量，kg；uxf为中心点的最终挠度，mm；v0为撞击球的初始速度，m/s；vf为撞击球完成撞击过程后的回弹速度,m/s.

1.3 析因试验设计

析因试验设计是指在一次试验中,考虑系统的所有因素的所有水平下的组合进行分析的一种试验设计方法.析因试验设计的试验次数随着因素的增加呈现指数形式增加，故在本文优化问题中，为了提高设计精度、避免试验次数过多导致的超额计算量，将非主要设计参数—筋板厚度B设置为3 mm，这样，在使用析因试验设计方法的情况下，设计参数只保留外板厚度A和面板厚度C，两者的水平度均设置为0.5 mm.使用SiPESC.OPT中的试验设计与近似模型拟合插件，在程序中编写调用脚本，直接调用析因试验设计类，自动生成试验设计所需参数，获得了共49种组合.

2 结果分析

2.1 优化结果

使用工作站单节点对该冲击优化模型进行迭代计算.其中，通过调用ANSYS中的LS-DYNA求解器对非线性有限元部分进行计算，计算时采用18核CPU，单次迭代计算时长约为20 min.表2为选定三组不同初值组合，使用SQP算法进行优化计算结果.

由表2可知，组合1经过18次迭代后的目标函数提高较大，但是最终陷入局部最优解；组合2初始值即为较优结果，经过5次迭代后得到的优化结果也有所提升；组合3的三个设计变量初始值取相同，经过10次迭代后优化结果十分明显.

针对于船舶结构上常见的矩形板加筋结构的抗冲击设计，该结果具有较好的参考意义.但由于本文中所使用的目标函数主要针对冲击问题，重点考虑了比吸能和结构变形的大小，对于加筋板结构的抗静载能力考虑较少，故所得到的结果需要与参考实际工程设计规范进行考虑和取舍.

2.2 析因试验设计结果

对析因试验设计结果使用Matlab进行分析，在样本点之间进行插值绘出了图3中的目标函数响应面云图，存在以下规律：

1) 响应面呈斜坡状，有部分起伏，但总体在面板厚度C增大的方向上呈上升趋势，最大值出现在面板厚度C取值最大的边界处.这说明在该冲击问题中，面板厚度C对目标函数的变化起到非常重要的影响，且目标函数OBJ基本上随C的增大而单调递增.

2) 由图3a)中虚线节奏，C<4 mm时，在外板厚度A约为2.5 mm左右，目标函数随C的增大呈现山脊状上升态势，说明在面板厚度C<4 mm的设计空间中，外板厚度A取2.5 mm左右可以取得最佳.

3) 当外板厚度A取最小时，目标函数OBJ随C的变化呈现不稳定状态，可能由于此时的比吸能和最大中心点变形的变化趋势不一导致了这种现象.

图3 目标函数响应面分布图

3 结 论

1) 相对于外板厚度，T型加筋的面板厚度对于加筋板结构的抗冲击性能的影响起到了至关重要的作用，对于一些长期处于碰撞危险工况下的船舶结构而言，普通的单板加筋可能对于结构抗冲击能力没有非常明显的提升，增厚面板的T型加筋往往会有更好的抗冲击增益效果.

2) 在针对碰撞问题的加筋板的设计中，外板厚度虽然对整体的抗冲击性能影响效果不明显，但由于过大存在结构崩溃的可能，过小则导致结构臃肿笨重，存在最佳外板厚度，可使得结构既满足轻量化设计准则，又能满足抗冲击、抗变形的要求.

除了本文中所进行的抗冲击计算，船舶结构设计中还需要考虑多种载荷和多种工况的可能，参考实际工程设计规范进行反复权衡，以期达到最佳设计结果.

[1]张欢,徐长生.基于MATLAB及参数化建模的起重机桁架式臂架结构优化设计[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2011，35(1):201-204.

[2]ZHU L, FAULKNER D. Dynamic inelastic behavior of plates in minor ship collisions[J]. Journal of Impact Engineering,1994,15(2):165-178.

[3]ZHU L. Stress and strain analysis of plates subjected to transverse wedge impact[J]. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design,1996,31(1):1-7.

[4]LIU B, GUEDES S C. Plastic response and failure of rectangular cross-section tubes subjected to transverse quasi-static and low-velocity impact loads[J]. International Journal of Mechanical Sciences,2015,90(4)：213-227.

[5]LIU B, GUEDES S C. Simplified analytical method for evaluating web girder crushing during ship collision and grounding[J].Marine Structures,2015,42：71-94.

[6]ZHU L, SHI S Y, YU T X. A new ice load-response model for structure design of ice classed ships[C]. Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference,2015.

[7]ZHU L, QIU X M, CHEN M S, et al. Simplified ship-ice collision numerical simulations[C]. Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference,2016.

[8]伊建军.金属薄壁直梁的耐撞性能研究与优化设计[D].大连：大连理工大学,2013.

[9]闫红松.试验设计与近似模型计算软件的设计与研发[D].大连：大连理工大学,2010.

Optimization Design of the Simplified Structure of Ship Side Based on the Using of SiPESC.OPT

QIU Xiaoming1,2,3)CHEN Biaosong3,4)ZHU Ling1,2)

(KeyLaboratoryofHighPerformanceShipTechnologyofMinistryofEducation,Wuhan430063,China)1)(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)2)(BeijingInstituteofCollaborativeInnovation,Beijing100194,China)3)(DepartmentsofEngineeringMechanics,DalianUniversityofTechnology,Dalian116023,China)4)

Base on the Optimization module of the Software Integration Platform for Engineering and Scientific Computation (SiPESC), designing optimization of simplified side structure under the single impact is implemented. The length to width ratio of the simplified structure of ship side is 3∶1, attached with a T shaped stiffener.A,BandC, representing the design parameters, are the thickness of the plate and the T steel, respectively. The indenter is simplified as a rigid sphere. The objective functionOBJis a comprehensive target parameter, considering the center deflection of the plate and the specific energy absorption. Sequential quadratic programming (SQP) is used to solve the impact optimization and the most efficient combination of the design parameters is found. Using the JavaScript in SiPESC.OPT for programming, the optimization plugin (including the experimental design, the surrogate model, different optimization algorithms) and the external programs are called to realize the computing management. The external programs are used to read and write the external file. With the setting of fixed value of thickness B, the factorial experiment design is implemented and the response surface of the objective function in the three-dimensional spaces is obtained, with thick plateAandCas the design variables. Besides, the factorial experiment design is conducted, and the objective function in the two-dimensional space of the response surface is obtained. Finally, effective suggestions are proposed to the stiffened plate design.

optimization of impact design; ship structure; SiPESC; experimental design

2017-06-16

U663.2

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.023

邱晓明(1992—)：男，硕士生,主要研究领域为船舶结构碰撞响应与优化设计