船舶舱室横向结构优化研究

张志刚　丁兆冈　王清　虞乾浩　沈毅斌

摘 要：随着陆地资源的逐渐枯竭，向深海发展、进行资源开发已成为大趋势。本研究以一海底电缆施工船为研究对象，构建船舶舱室横向结构优化设计平台，利用PCL建立参数化有限元模型，计算船体结构横向强度，采用模拟退火算法，在ISIGHT优化平台上进行结构优化设计，获得同等结构强度的轻量化结构设计方案。

关键词：海底电缆施工船;横向结构优化;模拟退火;轻量化结构设计

中图分类号：U663             文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）10-0073-02

1 研究背景

人们对能源的需求会随着人口的增长和经济的发展而日益增加，成为人们生活中密不可分的保障之一。石油是全球最主要的能源来源，占全球消耗能源的30%以上，且呈现不断增长的趋势。

陆地油气资源由于不断开采，储量日渐减少，已远远满足不了世界经济迅速发展的需要。海上油气储量丰富，必将成为未来油气资源开采的重心。各海上油气开采平台诸多设备运转以及人员生活，需要大量电力供给，对海底电缆施工船的需求不断增长。

本研究以一海底电缆施工船为研究对象，利用Patran Command Language（以下简称PCL）语言建立舱段参数化有限元模型，设计变量包括板厚等连续型变量和构件尺寸、型材等离散型变量;采用具有较强适应性的模拟退火算法作为优化算法。结合有限元计算软件、优化求解器，在ISIGHT平台上构建深海底电缆施工船横向结构优化设计平台，进行结构优化设计。优化方案中横剖面结构重量较原方案减轻了5.8%，且最大应力降低了3.6%。

2 研究方法

从船舶结构优化设计与海底电缆施工船横向结构强度直接计算分析入手，在优化平台上建立舱段参数化有限元模型，将有限元分析软件、求解器和优化软件相结合，建立海底电缆施工船结构优化设计平台，完成横向结构优化。具体研究方法如下：

（1）结构优化。在结构优化理论、结构优化设计方法的基础上，确定本研究采用基于有限元方法計算船体横向强度，采用模拟退火算法作为优化算法，以ISIGHT优化平台驱动仿真流程的优化方法。

（2）横向结构强度。分析海底电缆施工船结构的复杂性以及其横向结构的受力状况后，确定了中横剖面基础设计方案，根据相应规范完成了横向结构强度校核。

（3）横向强度优化。在分析设计变量、目标函数以及约束条件三要素的基础上，完成横向结构优化模型，并在ISIGHT上集成建立横向结构优化平台，对船中横剖面基础设计方案进行优化分析。

3 横向结构优化平台

3.1横向强度计算分析模型

建立舱段半宽有限元计算模型，双层底、纵桁、肋板、主甲板、中间甲板、横舱壁、纵舱壁等用板单元模拟，甲板纵骨、甲板横梁、甲板强横梁、舷侧肋骨、纵舱壁垂直桁材等用考虑偏心的梁单元模拟;横向和垂向的网格按纵骨间距划分，纵向的网格按肋骨间距划分，船底纵桁和肋板在腹板高度方向上划分为4个网格;施加规范规定的横向强度校核的典型载荷工况及边界条件，即可进行横向强度计算分析。

3.2设计变量

考虑到海底电缆施工船的结构特点，对其进行横向结构优化的设计变量属于骨材尺寸的离散型设计变量，整合一些性质相似的变量后，共选取9个设计变量，各设计变量、变化范围及间隔如表1所示。

3.3目标函数

本研究针对海底电缆施工船进行横向强度优化，在满足规范规定的前提下，船体结构重量最轻是优化目标，属于单目标优化问题。其数学模型为：

式中：X为设计变量，设计变量总数为9，Mi为单个连续型设计变量的质量，M0为其他不变构件的质量，M（X）为整个模型的质量，F（x）是目标函数，优化的目的是使F（x）最小。

3.4约束条件

各方案都必须要满足相关规范要求，将规范要求作为约束条件处理。优化平台生成的各构件的剖面模数不得小于规范规定的值，且横向强度计算所得的应力值不得大于许用应力，否则为不满足强度要求方案，必须舍去。

3.5 优化平台集成

ISIGHT优化软件与PATRAN、NASTRAN交互的原理是ISIGHT能识别它们在建模、计算、分析过程中产生的各种文件类型。因此在ISIGHT集成之前，需要设置好各种文件，以便ISIGHT能进行识别。集成流程如图1所示。

4 优化结果及分析

在对形成的892个方案进行横向强度优化分析后，得到最优化可行方案，各构件尺寸满足规范条文要求，最大正应力值为214MPa，小于许用应力，满足规范对横向强度的要求。各变量的优化结果如表1最右栏所示。在各优化变量中，甲板强横梁的优化效果较好，其中主甲板强横梁1、主甲板横梁2最为明显，达到了取值范围的最低值。各甲板强横梁的优化情况如图2所示。

优化后电缆储存舱的舱容从50.28m?增加到54.14m?，增加了7.68%;压载水舱的舱容从44.59m?增加到46m?，增加了3.16%，有利于整体布置。舱段的横向强框架结构重量从136.4t降低到128.5t，减轻了5.8%。

5 结论

本文以海底电缆施工船为研究对象，以结构重量最轻为优化指标，构建船舶舱室横向结构优化平台，进行横向强度舱室结构优化研究，主要的研究工作及成果总结如下：

（1）进行了舱段模型参数化建模，采用模拟退火算法作为优化算法，在数学优化平台ISIGHT上构建横向强度优化分析系统;

（2）进行了海底电缆施工船横向结构优化，各甲板强横梁和纵舱壁垂直桁材的优化效果较好，设计尺寸可适当减小，用以减轻重量和增大舱室空间;

（3）优化后舱段的横向强框架结构重量从136.4t降低到128.5t，减轻了5.8%。同时电缆储存舱和压载水舱的舱容分别增加了7.68%和3.16%。