超小水线面船主机舱段结构优化设计

艾海峰1 陈志坚1 陈炜然1 王志鹏2

1．海军工程大学船舶与动力学院 武汉 430033 2．海军驻葫芦岛431厂军事代表室 葫芦岛 125000

超小水线面船主机舱段结构优化设计

艾海峰1 陈志坚1 陈炜然1 王志鹏2

1．海军工程大学船舶与动力学院 武汉 430033 2．海军驻葫芦岛431厂军事代表室 葫芦岛 125000

采用MSC．Nastran的静态响应有限元分析的优化方法，对某超小水线面船的主机舱段构件进行优化，降低该舱段的结构重量，增大舱内空间，为整船结构模型计算中构件参数的确定提供了依据。

超小水线面船 结构优化 静态响应分析

超小水线面船是一种综合性能比较优秀的新船型，它兼容了水翼艇和小水线面双体船的优点，又可克服这些船型的一些缺陷。超小水线面船的水线面面积小，因而兴波阻力小，能以较小的推进功率达到所需的航速。良好的外形特点使它在风浪中受到的扰动力大为减小，运动加速度也变小，而运动周期加大，加上侧翼的作用，可避开经常遭遇到的波浪周期而不致发生谐摇，所以超小水线面船具有很好的机动性、快速性及稳定性。虽然具有众多优点，但其发展却缓慢，主要问题是它对自身重量十分敏感，以100 t级船为例：负载差别10 t时，单体船吃水影响0．01 m，双体船吃水影响0．05 m，而小水线面双体船吃水影响可能达到0．50 m，有时必须用压载水来调整，超小水线面船要求尽量使浮心在重心之上，设计难度更大；另一方面在骨架结构相同时，构件的重量越大，其尺寸也会越大，这将会占用更多可利用空间，超小水线面船自身空间相对较小，内部设备的布置也成为问题。

为减轻结构重量，应选择性能好、重量轻的材料，但由于可加工、力学性能等原因，材料的选择总是有限的。在材料确定后，对船体结构进行优化，往往能取得更好的效果［1-2］。超小水线面船是由潜没于水中提供大部分浮力的鱼雷状下体，高于水平面的箱形平台和穿越水面连接下体和平台的支柱三部分组成，其结构重量主要集中在有主机安放的潜体部分，而且潜体重心位置对于整船的重心位置调节又十分重要，因此对潜体中主机所在的舱段结构进行优化是减轻结构重量的重要途径。文中针对某超小水线面船在初步设计后，潜体结构的总纵强度还有较大的富余，从减轻结构重量增大船体利用空间的角度出发，采用有限元方法对主机舱段骨架构件的尺寸进行优化［2-5］。

1 优化理论

优化问题的数学模型为

使W（A）＝W（a1，a2，…，aN）最小，

且满足pi（A）≤0i＝1，2，…，L

qi（A）＝0j＝1，2，…，M

式中：W（A）——目标函数；

A——设计变量a1到aN组成的列向量；

pi（A）——不等式约束条件；

q

i（A）——等式约束条件；

L，M——相应约束条件的个数。

2 有限元模型

本次优化计算采用MSC．Nastran，前后处理仍采用MSC公司的软件MSC．Patran进行。

主机舱段由板架结构组成，模型共有1 677个单元和938个节点，单元包括板单元705个和梁单元972个。坐标系及整体模型见图1。

图1 主机舱段有限元模型

根据其自身结构特点，把舱壁处的位移约束条件作为固定端处理。外部的静水压力通过MSC．Patran场函数的功能等效到舱段壳体的节点上，主机的重量通过单元分布力加载在相应的平台板单元节点上。

3 分析过程

3．1 原设计结构的静态响应分析

原设计方案中主机舱段结构总重量为

材料的弹性模量为

泊松比为

密度为

它们的尺寸及相应重量见表1。

表1 主要型材、板的尺寸及相应重量

材料的抗拉强度为σb≥310 MPa；

屈服点为σ0．2≥250 MPa；

延伸率δ≥10%。

由相关舰艇的设计经验，其许用应力取为

［σ］＝0．65σ0．2＝162．5 MPa

对模型进行静态响应分析，弯曲应力和位移分布分别见图2、3。

图2 静载荷作用下的弯曲应力分布

图3 静载荷作用下的位移分布

从图2、3中可以看出梁的最大弯曲应力为123．0 MPa小于其许用应力。最大位移发生在壳的顶部为4．34 mm，与挠度要求相比还较小。因此，原结构设计方案中构件的材料性能还可进一步开发，需要进行优化处理。

3．2 优化分析

将结构总重量最小作为目标函数，设计变量为表1中所示的T型材的腹板宽度a1、面板宽度a2、角材的长边宽度a3、短边宽度a4、板厚a5，约束条件［1］包括构件尺寸、应力、位移约束，见表2。

表2 约束条件

尺寸约束按相关设备安装要求确定，应力约束按材料强度要求决定，位移约束按抗失稳及结构刚度要求选取。但由于工程实际，在以上尺寸约束下，角材只有4种选择：L9．0／5．6／0．6、L8．0／5．0／0．6、L7．5／5．0／0．6，板的厚度一般可取0．4、0．6、0．8 cm，于是问题变为3种角材与3种板的9种选择组合下寻求最优的T型材腹板宽度a1及面板宽度a2，这样就减少了计算量。

结构优化后，原主要型材、板的尺寸及相应重量结果见表3，其弯曲应力和位移分布分别见图4、5。

表3 优化后主要型材、板的尺寸及相应重量

图4 结构优化后静载荷作用下的弯曲应力分布

图5 结构优化后静载荷作用下的位移分布

采用表3所示的骨材及板之后，结构重量变为W′（A）＝4 578 kg，与原结构相比重量减少了5．78%。从图4中可以看出结构优化后的梁的最大弯曲应力为145．0 MPa仍小于其许用应力162．5 MPa。由图5可知最大位移为4．49 mm，仍满足刚度要求。

4 结论

结合工程实际，将主机舱段的主要重量构件通过MSC．Nastran优化处理后，结构条件得到较好的改善，与原结构相比重量减少5．78%，潜体内部空间直径增大20 mm。虽然在建模过程中边界条件及局部结构作了近似处理，但为整船设计提供了更为合理的构件尺寸。

［1］俞铭华，谢祚水．船舶中剖面结构优化设计研究进展［J］．1998，12（3）：36-41．

［2］叶 勇，朱若艳．基于有限元分析的结构优化设计方法［J］．机械，2004，31（11）：18-20．

［3］印 铁，苏世明．有限单元法在结构优化设计中应用［J］．光电技术应用，2003（3）：44-47．

［4］谢永和，黄 俊．基于三维造型的船体舱段结构优化设计［J］．研究与开发，2001（8）：47-48．

［5］毛筱菲，谭廷寿．小水线面双体船（SWATH）优化设计及数值方法［J］．船海工程，2005（特刊）：113-119．

Structural optimal design of the main frame of the microminiature waterplane area yacht

AI Hai-feng1CHEN Zhi-jian1CHEN Wei-ran1WANG Zhi-peng2
1．School of Naval Architecture and Power Naval University of Engineering Wuhan 430033 2．Naval Dept．of Representative of 431 Factory Huludao 125000

The members of main frame of the micro-miniature waterplane area yacht are optimized by direct strength analysis in MSC．Nastran．The structural weight of the cabin was reduced while its capacity was enlarged．The optimal scantlings of members can provide references for the design of the whole hull．

micro-miniature waterplane area yacht structural optimization static response analysis

U661．4

A

1671-7953（2007）02-0025-03

2006-09-08

修回日期2006-10-12

艾海峰（1983—），男，硕士生。