船舶板架结构动力优化设计方法研究

刘崇杰 杨丽萍 张军 王丹

摘 要：随着我国现代化建设水平的不断提升，当前船舶板架结构作为船舶稳定性的重要结构来源，其优化设计的整体水平也得到了业内人士的广泛关注与重视。本文立足于船舶板架结构动力学，首先分析了船舶与海洋工程结构环境载荷的来源，然后介绍了船舶与海洋工程振动问题的研究现状，最后分别对应船舶与海洋工程的结构动力优化以及夹层结构力学的特性优化进行了阐述，也希望能够为船舶板架结构动力优化活动的顺利开展创设条件。

关键词：船舶板架结构；动力优化设计；策略

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.012

工程结构在不同的工况条件下会受到地震、振动以及风浪等多种外界激励的影响，这些来自外界的载荷条件会严重导致船舶板架结构的疲劳时间，甚至会出现严重的动力破坏与损伤，这不但会导致船舶在正常服役期间出现主机与螺旋桨故障，同时还会影响设备的运行稳定性以及安全性。随着设计水平的不斷提升，为了进一步探究船舶板架结构动力优化的策略，就必须先来认识一下船舶与海洋工程结构环境的载荷来源以及相应的设计基本原理。

1 船舶与海洋工程结构环境载荷来源以及设计原理

船舶结构在服役期间会受到各种外界环境的激励作用，通过设备与海洋平台的相互作用可以产生多种复杂的环境载荷变化，严重时会导致船舶受损。结合研究的现状来看，船舶与海洋工程结构所受到的外界环境载荷在本质上都属于动载荷的范畴。既然属于动载荷，那么其势必成为结构性能设计的重要指标。在船舶与海洋工程平台的结构设计活动中，除了动力优化本身的特点之外，还需要结合静力优化设计的相关要求与内容，通过理论与方法的融合与创新来实现相应的设计目标。一般来说，频率变化较快且动态特性较为稳定的结构可以实现约束目标的效果，动力响应速度、优化约束效果以及目标的结构动力都将成为优化设计工作的主要目标之一。

2 船舶与海洋工程结构振动问题的研究现状

随着船舶工程的不断发展以及船舶与海洋工程结构稳定性研究工作的不断深入，当前许多研究人员与学术人员也将注意力集中在了工程结构的振动方面。其中，张生明等人通过使用流体边界法结合结构有限元的方式对于振动的计算特征进行了分析，同时得到了板架结构的相关参数，包括变长比、边界条件以及阻尼参数等不同的内容。另外，邹春萍等人通过结合流固耦合的技术内容实现了用有限元技术对船舶模态分析与动态数值计算的工作，同样为实现在船舶的设计阶段对船舶结构震动进行预测与评估提供了技术依据。目前，板架结构作为船舶与海洋平台结构应用过程中最为重要的结构形式之一，其在结构动态优化中也逐渐成为了核心实践环节。一些学术研究人员开始考虑静载荷与动载荷之间的作用关系，通过对船体的板架结构进行优化设计解决了结构在动力优化中的问题，同时也实现了结构对于振动的基本要求，这同样为计算实例提供了数据支撑。随着研究的不断深入，目前一些学术人员也在尝试通过优化设计变量以及目标函数与约束条件等方面的内容来实现从静态优化、动态优化、可靠度优化以及全寿命优化等多个环节的海洋平台结构设计与优化，这对于海洋平台优化设计与研发工作的顺利开展提供了新的研究思路，更是提供了新的研究展望。

3 船舶板架结构动力优化设计的具体方法

3.1 船舶与海洋平台结构动力优化设计

船舶与海洋平台的结构动力优化设计活动中最大的限制因素就是结构动态响应与设计变量之间的关系。由于两者的关系属于高度非线性，所以在实际设计优化过程中只能够通过可行域对其连通性进行判断，所以优化的难度相对较大。根据国内一些学者的研究情况来看，通过可行域调整、一维搜索以及自适应运动极限调整等方式能够优化求解算法，让优化设计的结果更加接近实际数据。马红艳等人通过实际环境载荷对海洋导管架的平台结构进行了研究，同时也对导管架的海洋平台结构进行了尺寸以及形状方面的优化，提升了非线性设计的可能性，也为实现船舶与海洋平台结构动力的优化设计提供了新的思路与方向。

3.2 夹层结构力学特性优化与设计

金属夹层结构具有良好的机械性能，其不但重量轻、强度高，而且具有良好的隔音性能与隔热性能，通过特殊的表层处理还可以获得不错的耐腐蚀性，所以在夹层的结构力学优化与设计中应用极为广泛。目前最为常见的夹层结构就是上下面板与中间芯层组成的夹层结构，其按照结构形式可以分为连续型以及离散型两种不同的形式。其中结构形式为连续的力学性能更加稳定，离散型的则具有更高的强度，在一些特殊的夹层结构设计中的应用也相对广泛一些。

4 总结

综上所述，结构动力优化本身属于一个十分复杂的问题，其与常规的理论求解不同，需要结合实际工况条件进行综合判断。在传统的结构动力优化设计活动中，不但需要参考结构动力学理论与灵敏度分析理论，同时还需要考虑有限元建模问题、数学优化算法问题以及实际工程应用等多个方面的问题。本文也试着从船舶与海洋平台结构动力优化设计以及夹层结构力学特性优化设计两个方面对于船舶板架结构动力优化设计的方法进行了分析与阐述，也希望能为行业的顺利发展奠定基础。

参考文献：

[1]何力，程远胜，刘均.基于动力刚度法与离散方案库的船舶板架结构动力优化设计（英文）[J].船舶力学，2012，16（06）：668-683.

[2]何力.船舶板架结构动力优化设计方法研究[D].华中科技大学，2011.

[3]庞福振，姚熊亮，朱理.船舶结构高阶动力分析的模型简化方法研究[J].船舶力学，2010，14（11）：1263-1275.

[4]周艳秋.舰船夹层结构动力响应特性分析[D].大连理工大学，2005.

[5]叶家玮，翁长俭，吴学仁.船尾螺旋桨脉动水压力的动力减振[J].广东造船，1995（01）：28-30+27.

作者简介：刘崇杰（1987-），男，山东莱州人，本科，助理工程师，船舶与海洋工程专业。