一种舱盖的优化设计为减轻体载体外文翻译资料

 2022-09-08 13:16:37

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一种舱盖的优化设计为减轻体载体

海洋研究所，现代重工有限公司，蔚山，韩国二海军建筑与海洋工程系国立首尔大学海洋系统工程研究所，汉城

摘要：根据船舶的操作成本和材料成本的增加是由于国家石油价格的变化，对船舶重量减轻的需求体现在各方面，如航运公司、船东、船厂。为了满足这样的需求，许多研究的轻型船舶正在进行中。船体结构的优化设计方法是其中一种，也就是说，一种基于在这项研究中提出的优化技术。为此，我们选择了散货船的舱口盖作为优化目标并且制定为一个优化方案以确定最佳的尺寸的舱口盖用于减轻散装货船的重量。一些尺寸代表的舱口盖的形状被选定为设计变量，一些相关的最大应力，最大挠度和几何形状的设计注意事项被选为约束条件。此外，最小化的重量的舱口盖被选为目标函数。为了解决这个优化问题，我们开发了一个优化程序的基础上的顺序二次规划（SQP）使用C 编程语言来评估所开发的程序的适用性，它适用于一个问题寻找一个自重180000舱口盖的优化主要尺寸吨散货船。结果表明，所开发的程序可以减少约8.5%的孵化盖的重量。因此，这项研究将有助于使节能环保船舶在造船厂。

关键词：盖层；船体结构；轻量化；优化；散货船；环境友好型船舶。

简介

研究背景

最近，根据国际石油的变化，一艘船的经营成本和材料成本的增加价格上涨，对减轻船舶重量的需求是由航运公司、船东和船厂等各方面所作的。例如，我们都知道一艘船的营业总成本中40%的花费是由燃料费用（Joume和Meijers.1980）。为了满足这样的需求，许多轻型船舶的研究正在开展，像其他汽车行业，如汽车自动化产业（Oujebbour et al.2014）。其中的一些包括现有的船体结构的优化设计，建议船体结构具有新的概念，复合材料如纤维增强塑料（玻璃钢）等复合材料在船体结构中的应用等等。其中，以前的研究产生生产实际和有效的结果，是因为大大减少了重量。在此基础上，提出了一种优化设计方法，即在优化技术的基础上提出了一种基于优化技术的船体结构优化设计方法。

首先，一个目标的优化，即船型、船体结构在本研究选取应根据以下船厂要求。尽管波罗的海干散货指数（BDI）值突然在2009美国金融危机后下降，但近期一直呈上升趋势。预计这种上升BDI可导致散货船的需求增加（携带干货的船舶以下简称B / C）和增加订单量从船东。

货舱的舱盖是非常重要的一部分。在散货船中，舱口设备的成本约占造船成本的5~8%（Ha.2011），以及各种类型的舱口盖根据船舶类型被应用。这也是为什么无论国内企业，还是在欧洲和日本的外国公司都一直在市场中竞争。为了在激烈的减轻舱口盖的设计中生存下来，在技术的发展中尝试了很多方法。

优化技术的建立在迭代设计和审查来找到一个最佳设计（称为约束），从而最大限度地减少或最大限度地提高某一标准（称为目标函数）。由于目标函数和约束条件的多样性，优化技术越来越难用手工来完成，它需要大量的时间。因此，自动化的重要性已经增加，各种优化技术已被研究。有了这个问题，一个由设计变量，约束和一个或多个目标函数的优化方案应该是很好的制定从而产生一个最佳选择。

在这项研究中，有结构安全性和重量减少这两个要求，散货船的货舱盖作为优化目标，优化技术被应用到确定最佳的主尺寸的货舱盖。为此，制定一个优化方案来确定最佳的主尺寸的货舱盖的数学公式。一些尺寸的形状的货舱盖被选定为设计变量，一些设计考虑相关的最大应力，最大挠度，临界屈曲应力，和几何形状的货舱盖被选定为约束。此外，目标函数的最小值作为货舱盖的重量。为了解决这个问题，一种基于SQP优化程序从C 编程语言开发。为了评价程序的适用性，它适用于一个问题寻找一个自重180000吨散货船的主尺度优化。

相关工作

许多关于船体结构优化设计的研究比如纵向和横向强度从20世纪60年代已经开始。Moe和Lund（1968）提出了一种优化设计油轮纵向强度的方法油轮具有最小的成本和重量根据规范，并且Moe（1969）研究了一种基于超静定结构非线性规划的优化设计方法。Na et al.（1985）提出了一种基于有限元分析的最小重量的横向强度构件的优化设计方法。Jang和Na（1996a；1996b；2000）开发的双壳油船结构优化设计系统。他们的研究包括了一种根据DNV船级规则具有最小的重量油轮纵向强度构件优化设计方法，对横向强度构件具有最小的重量基于广义位移法的优化设计方法，并结合坦克安排具有最小的重量整个船体结构优化设计方法。Yum（1990）提出了一个槽形舱壁的散货船具有最小的重量基于广义位移法的优化设计方法。Lee et al.（2002）对一个大型油船中剖面结构和槽型舱壁的散货船基于混合优化算法的结构优化设计的一种优化技术。Jung（2008）研究于对散货船基于有限元分析的横向强度构件最小重量设计研究（ANSYS）。Lim（2009）考虑到结构的安全性和生产力提出了一种具有最小的重量基于遗传算法和有限元分析的双壳油轮的面板集团优化设计方法（Nastran）。

一些有关货舱盖设计的研究也开展了。Han et al.（2002）基于有限元分析研究减轻一个的大型集装箱船的舱口盖（Patran和Nastran）。他们提出了一种改进设计的舱口盖加强筋应力消除不屈曲的舱口盖顶板厚度的变化，但是他们没有使用任何优化技术来做。Lee et al.（2010）研究了在生产的集装箱船的生同时由焊接而引起的弯曲挠度的现象。在这个时候，他们用热分析来确定舱口盖的弯曲分析。Ha（2011）研究了干散货船的舱盖设计以减轻其重量。他认为设计最苛刻的位置是通过有限元分析方法分析开口梁结构的开口盖设计。

许多关于船体结构优化设计方法的研究已经做了，但他们中的大部分集中在纵向和横向强度的优化。此外，他们中的一些有关在基于有限元分析的舱口盖或基于热弹性分析整体弯曲行为与优化技术无任何集成设计的改进设计。

因此，一种基于优化技术的船体重量减轻方法被提出。特别是，本研究主要集中在一个作为散货船重要部分的舱口盖，因此散货船的舱口盖被作为一个优化目标选择。为了确定最佳的主尺寸的舱口盖的优化问题被制定，然后开发优化程序。

本文的提醒如下：第2节给出了一个优化问题来寻找最佳主尺寸的舱口盖的数学公式。第3节给出了详细的说明开发计划的最佳设计的舱口盖，在第2节根据优化问题的数学公式。第4节给出了优化算法在这项研究中的优化算法的对比试验，以验证算法的效率、准确性和适用性。第5节提供了一个应用程序开发的最佳设计的舱口盖一个载重180000吨散货船和讨论的结果。最后，第6节提供了结论和未来的工作方向。

舱口盖的优化设计

优化目标

散装货物运输船（简称散货船）是一种运输谷物、矿石、煤炭等货物运输的货物，以及其他没有包装的货物。在散货船中，货物的装载和关闭的开口称为一个货舱，在货舱的一个掩护板上被称为一个货舱盖。舱口盖有加筋板由板和加强筋结构。总的来说，舱口设备的成本约占船舶总成本的5~8%。尽管舱口盖在散货船中的很重要，单它几乎没有被优化。因此，在这项研究中，舱口盖被选为优化的船舶重量减轻的目标。也就是说，在这项研究中是对加筋板的厚度和形状进行了优化。图1显示的是散货船的舱盖，这是本研究的优化目标。

图1散货船的舱盖

如前所述，舱口盖有一个结构的加筋板由板和加强筋和看起来像一个波纹板，如图1所示。因此，在这项研究中舱口盖可以被理想化为有效的理想化的模型用来作为优化目标。图2显示了一个真实的，三维的计算机辅助设计和理想化的模型的舱口盖的分别。

图2真实的，三维的计算机辅助设计和理想化的模型

最优化问题的数学公式

本研究的目的是找到影响散货船的总重量的最佳的主要尺寸的加筋板的舱口盖的厚度和形状降低舱口盖的。为了完成这个目的，一个优化方案包括设计变量、约束条件和目标函数应该是数学公式。在这项研究中，板的厚度，加强筋的厚度和加强筋的尺寸，它代表的舱口盖的主要尺寸为设计变量的优化问题。在设计舱口盖时，结构安全应根据规范（CSR；共同结构规范）（IACS，2012；德国劳埃德船级社，2014）。因此，允许的最大应力和挠度，对板的最小厚度，最小截面模量和剪切面积为加强筋的优化问题的约束条件，包括关于最优设计的相关的一些几何限制。此外，最佳的舱口盖意味着最小的重量。因此，舱口盖的重量被选定为目标函数的优化问题。现在，这个优化方案为了寻找最佳的主要尺寸的舱口盖可以制定如下。

图3用于寻找最佳主尺寸的设计变量

设计变量

舱口盖的形状，换句话说主要尺寸可以表示为六个参数，如图3所示；板的厚度（tp）、加劲肋厚度（t）、加强筋的尺寸（b，a，d），和一些加强筋（N）。因此，这些参数的优化问题的设计变量。

约束

在这项研究中，设计关系到结构安全舱口盖根据规范（IACS，2012；德国劳埃德船级社，2014）和几何限制的舱口盖的形状作为优化问题的约束条件。有关他们的更多细节如下；

对屈服应力的要求

舱口盖的最大允许应力可以给出：Von米塞斯等效应力[ N / mm2 ]在舱口盖壳单元的中心。有限元计算，等效应力sigma;V可采取如下（德国劳埃德船级社，2014）

：在x方向的正应力

：在Y方向的正应力

：在X-Y平面剪应力

：屈服强度，给出：235times;106 N /平方米] [低碳钢，315times;106 [ N /平方米]为AH32，355times;106 N /平方米] [对AH36。

刚度要求

舱口盖的最大允许挠度可以给出

：舱盖的偏转

：在舱内的梁的最大跨度

厚度要求

舱口盖顶板的最小厚度可以给出

：腐蚀裕量（一般在2毫米的舱口盖（见表17.1企业社会责任（德国劳埃德，2014））

：净厚度[毫米]，定义为

：系数，定义为：

：[ M ]加劲肋间距

：设计荷载【kN /平方米]

：负荷[千牛/米]在干舷甲板舱盖船舶干舷少比B型根据icll（见表17.2企业社会责任（德国劳埃德，2014）），定义为：

：从尾部的长度L或者为适用的评估的中间点的距离

：从顶部的龙骨85%的最小模深度测量处总长度的水线96%，或从船首至舵杆中心的水线长度，如果是大的话

：船的长度为L，但lc340不应大于340米

最小截面模量和剪切面积的舱口盖加强筋的可以给出

净截面模量[ m ]，这是一个加强筋厚度的函数（T）和加强筋的尺寸（B，A，D）最小截面模数，定义为：

纯剪切面积[ M ]，这是一个加强筋厚度的函数（T）和加强筋的尺寸（B，A，D）

minimum shear area, defined as:

不支持跨加劲肋[M].

临界屈曲应力的要求

在舱口盖板的压应力，通过主要支撑构件的弯曲引起的，平行和垂直于普通加劲肋的方向是符合以下公式：

抗压应力[ N / M2]的舱盖

安全系数，为1.1，完全暴露在局部荷载如舱盖结构（IACS，2012）

临界屈曲应力[ N / M2]定义为

上盖的基本顶板短边的长度

临界屈曲应力[ N / M2]定义为

盖上盖板的短边的长度

length [m] of the longer side of the top plate of the hatch cover

系数，定义为：

系数，给出1.3当板是由U型普通加劲肋（IACS，2012）。

最小最大压应力比

几何限制条件

最后，几何限制相关的孵化盖的形状可以给出

舱盖的宽度

货舱盖的深度

板和加强筋之间的角度

因此，这个优化问题有9个不等式约束。

目标函数

如前所述，最佳的孵化盖意味着最小重量的孵化器盖。因此，被选定为目标函数的优化问题的孵化盖的重量。在舱口盖的重量（上板和加强筋只）可以计算出最小

比重[公斤/米]分别板和加强筋

舱盖的长度

加劲肋厚度[M]

现在，这个优化问题，找到最佳的主尺寸的舱口盖，可以减少其重量可以概括如下。

发现板的厚度（T）、加劲肋厚度（T）、加强筋的尺寸（B，A，D），和一些加强筋（N）的最小

最大容许应力

最大容许挠度

顶板最小厚度

加强筋的最小截面模量

加强筋的最小剪切面积

临界屈曲应力

几何限制

几何限制

几何限制

因此，我们可以看到，这个问题是一个单一的目标优化问题，有6个设计变量（未知数）和9个不等式约束。这个问题可以解决任何优化算法，如全局或局部优化方法。

优化程序

为解决上述问题，建立了以下优化程序。首先，假设设计变量的初始值。在这个时候，可以随机生成的值或使用手动设计或现有的设计值。现在，这些值被转移到一个优化算法，计算目标函数和约束的值。在这个时候，有限元建模和分析的设计变量的当前值，应自动执行，以计算一些结构的响应，如设计变量的值的值的盖的应力和偏转。用于进行有限元建模和分析，可以使用任何结构分析程序。然后，我们检查的设计变量的电流值是否是一个最佳的或不。如果是，优化过程完成，结果将是可视化的，如果没有，上述步骤将被重复，直到找到最佳的。图4显示了

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