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基于等強(qiáng)度板格穩(wěn)定的船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

2008-01-29 00:26,,
船海工程 2008年1期
關(guān)鍵詞:屈曲屈服構(gòu)件

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(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,武漢 430063)

IACS《散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》于2006年4月1日開(kāi)始實(shí)施。其中有很多技術(shù)亮點(diǎn),包括采用了新的凈尺度概念等。

所謂“凈尺寸”,即為從船舶新建階段開(kāi)始一直到整個(gè)船舶設(shè)計(jì)壽命中都得以保持的厚度,以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求,它提供了結(jié)構(gòu)承受載荷所需的強(qiáng)度特征,不包括任何船舶運(yùn)營(yíng)期間可能發(fā)生的腐蝕余量和船東自愿增加的厚度。

我國(guó)現(xiàn)行的各種船舶入級(jí)規(guī)范都是基于構(gòu)件的建造厚度以及相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律、統(tǒng)計(jì)結(jié)果和研究手段等建立的,與凈尺寸的要求有一定的距離。

從理論和實(shí)用的角度上說(shuō),將船舶運(yùn)營(yíng)期間可能發(fā)生的腐蝕余量(和磨耗余量等)從船體構(gòu)件的建造厚度中剝離出去,采用凈尺寸的概念對(duì)船體構(gòu)件的最低要求進(jìn)行規(guī)定,對(duì)于確保船舶結(jié)構(gòu)在全生命周期內(nèi)的安全是合理的和必要的。

針對(duì)江海通航船的特點(diǎn)和要求、根據(jù)目前所掌握的計(jì)算分析手段,認(rèn)為所研究的“凈尺寸”應(yīng)該保證的項(xiàng)目應(yīng)有所側(cè)重:疲勞強(qiáng)度暫不考慮,極限強(qiáng)度不予考慮,所得到的“凈尺寸”實(shí)際為對(duì)應(yīng)于“等效設(shè)計(jì)波”的波浪載荷以及船舶正常的裝載狀態(tài),船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足屈服強(qiáng)度和板格穩(wěn)定最低要求的最小厚度。

1 計(jì)算模型

1.1 主尺度及結(jié)構(gòu)形式

總長(zhǎng):112.50 m;水線長(zhǎng):110.00 m;型寬:24.40 m;型深:8.20 m;方形系數(shù):0.862。

雙尾、首部球鼻首。2個(gè)大開(kāi)口貨艙,范圍分別為:No.2從Fr28~Fr90,長(zhǎng)度40.3 m;No.1從Fr92~Fr152,長(zhǎng)度39.0 m。船中處的橫艙壁為雙壁艙壁,內(nèi)部垂直桁、水平桁與底縱桁、平臺(tái)甲板位置對(duì)應(yīng)。計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算模

1.2 應(yīng)力評(píng)估范圍

取0.2L~0.8L范圍內(nèi)的主要(板殼)構(gòu)件的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

直接計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)表明:在常規(guī)的計(jì)算(不考慮艙口蓋的剛度)情況下,對(duì)于常規(guī)設(shè)計(jì)的艙口圍板及其面板、艙口處甲板,其強(qiáng)度一般都難以滿足。故本文中僅提取其應(yīng)力但不修改其板厚,在優(yōu)化完成后建議根據(jù)其應(yīng)力狀況進(jìn)行局部加強(qiáng)。

該范圍內(nèi)主要構(gòu)件的分組見(jiàn)表1。其中各主要構(gòu)件的初始設(shè)計(jì)尺寸以及縱骨和骨材不變。

表1 應(yīng)力評(píng)估范圍內(nèi)主要構(gòu)件分組

續(xù)表1

2 邊界條件及載荷

2.1 慣性釋放

航行的船舶結(jié)構(gòu)處于“全自由”狀態(tài),但是對(duì)它進(jìn)行有限元靜力分析計(jì)算時(shí),不能處理為全自由結(jié)構(gòu)。

慣性釋放[1]是MSC.NASTRAN或ANSYS中的一個(gè)高級(jí)應(yīng)用,允許對(duì)完全無(wú)約束的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。它對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元直接計(jì)算具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。如果結(jié)構(gòu)上作用有一個(gè)自平衡力系或者作用(如溫度載荷或電磁載荷等),即使完全不受約束的全自由結(jié)構(gòu),也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力;但此時(shí)在結(jié)構(gòu)上任意一點(diǎn)進(jìn)行約束,得到的反力應(yīng)該等于0。

2.2 計(jì)算工況

考慮在壓載出港、滿載出港、半載出港3種載況下,船體在不同的波浪條件作用下的21種工況,見(jiàn)表2。

按照《江海通航船舶檢驗(yàn)指南》2.3.5.2條的規(guī)定,大開(kāi)口船舶計(jì)算工況考慮下列波浪條件:隨(迎)浪工況;斜浪60°工況;橫浪工況。

在計(jì)算模型中,施加了以下幾種載荷:

1) 空船重量。

2) 貨物壓力(包括礦石貨物或者壓載水)。

3) 舷外水壓力(考慮靜水、中拱波浪以及中垂波浪等波浪條件,以“等效設(shè)計(jì)波”的概念、用“理想”波面以靜水壓力的形式處理舷外水壓力)。

表2 不同波浪條件下的21種工況

2.3 調(diào)整外力平衡

要得到一個(gè)精確平衡的外力極其困難。為了盡量減小由于外力的不平衡程度太高而造成的計(jì)算結(jié)果有較大的誤差,本次計(jì)算中對(duì)各工況下計(jì)算得到的舷外水壓力進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,使得外力中的垂向合力(重力與浮力)基本平衡,以此作為外力平衡的基本要求[3]。

3 本船優(yōu)化方法

3.1 優(yōu)化算法

由于本船所涉及到的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量21個(gè)、工況21個(gè),屬于多工況多變量的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[4],變量之間互相影響關(guān)系復(fù)雜,一般的數(shù)學(xué)優(yōu)化算法比較難以實(shí)現(xiàn)。

若余量為正值說(shuō)明強(qiáng)度不夠,需要加大板厚;若余量為負(fù)值說(shuō)明板厚有富余,需要減小。

顯然,希望屈服余量、屈曲余量都在±5%以內(nèi),但是這樣不可能做到。

實(shí)際情況是每組板屈服余量或者屈曲余量之一在±5%范圍之內(nèi)(一些構(gòu)件是以屈服強(qiáng)度控制的,其屈曲有一定的富余;而有些構(gòu)件是以屈曲強(qiáng)度控制的,屈服強(qiáng)度有一定的富余。)另一個(gè)余量小于5%。

在本文編制的FORTRAN程序中不僅給出了余量衡準(zhǔn),即判斷余量是否在±5%以內(nèi),若在為“yes”,反之為“no”;而且給出了應(yīng)力衡準(zhǔn),即最大應(yīng)力是否超出相應(yīng)的許用應(yīng)力和臨界應(yīng)力,若沒(méi)超出為“yes”,反之為“no”。

對(duì)于屈服余量不滿足要求(±5%以外),則取新板厚為t(i+1)=t(i)×(1+Yul(i))

取屈服強(qiáng)度分析和屈曲強(qiáng)度分析的兩個(gè)新板厚中的最大值為修正板厚,這樣保證了程序的收斂,也保證了最后板厚使得某一余量在±5%范圍之內(nèi),另一余量小于5%(基本上有較大的富余)。

3.2 優(yōu)化過(guò)程中各程序

3.2.1 結(jié)果后處理的PCL程序

每次計(jì)算完成后需要提取0.2L~0.8L范圍內(nèi)的主要(板殼)構(gòu)件的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

由于涉及到21個(gè)組在21個(gè)工況作用下的應(yīng)力結(jié)果,所以有必要編寫(xiě)PCL程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)直接讀取結(jié)果。利用res_data_load_dbresult(), res_display_report_create(), res_display_report_write()編寫(xiě)循環(huán)程序,提取21個(gè)組在21個(gè)工況分別作用下的應(yīng)力結(jié)果,將shell、beam單元的應(yīng)力值[2]分別寫(xiě)到shell.txt,beam.txt文件中便于后面再處理。

3.2.2 結(jié)果后處理的FORTRAN程序

利用FORTRAN程序,提取shell.txt,beam.txt文件中所需應(yīng)力,并評(píng)判21個(gè)組分別在21個(gè)工況作用下的最大應(yīng)力值是否超過(guò)許用屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)和屈曲臨界應(yīng)力,并且根據(jù)屈服、屈曲強(qiáng)度的不足或者富余編寫(xiě)算法分別建議新板厚。在屈服和屈曲分析分別建議的新板厚中,再建議修正板厚并寫(xiě)入thickness.txt文件。

3.2.3 PCL參數(shù)化修改板厚程序

利用FORTRAN程序讀取修正板厚文件thickness.txt中各組板厚數(shù)值,并寫(xiě)入PCL程序elementprops_modify()中,修正21個(gè)組的板厚(其中艙口處甲板、艙口圍板及其面板厚度不修改)。

3.3 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)5次優(yōu)化計(jì)算后,結(jié)果收斂,所有各組構(gòu)件(不包括未修正的3組),都能滿足屈服、屈曲強(qiáng)度要求(低于許用標(biāo)準(zhǔn)或不超過(guò)許用標(biāo)準(zhǔn)的5%),見(jiàn)表3。

主甲板、殼下縱桁屈服屈曲余量都能控制在5%以內(nèi),中縱桁、旁縱桁、實(shí)肋板、橫框架由屈服強(qiáng)度控制,其余各組構(gòu)件都由屈曲強(qiáng)度控制。

未修正的3組,其中角隅甲板屈服屈曲強(qiáng)度都能滿足;艙口圍板、艙圍面板在船中部分屈服屈曲強(qiáng)度均不足,需要局部加強(qiáng),見(jiàn)表4。

表3 修正后的構(gòu)件屈服強(qiáng)度分析

表4 未經(jīng)修正的構(gòu)件計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

1) 同時(shí)考慮屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度的“凈尺寸”研究是可行的。

2) 文中的優(yōu)化算法是可行的,計(jì)算5次即收斂。

3) 有相當(dāng)大一部分構(gòu)件是由屈曲強(qiáng)度控制的,所以進(jìn)行屈曲分析是必要的。

4) 在優(yōu)化的過(guò)程中,沒(méi)有考慮角隅甲板、艙口圍板、艙圍面板的強(qiáng)度。直接計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)表明:在常規(guī)的計(jì)算(不考慮艙口蓋的剛度)情況下,對(duì)于常規(guī)設(shè)計(jì)的艙口圍板及其面板,其強(qiáng)度一般都難以滿足。而且其整體應(yīng)力水平并不十分大,只是在船中貨艙區(qū)橫艙壁處較大,沒(méi)有必要為了滿足局部的應(yīng)力集中,而加大整個(gè)構(gòu)件的尺寸,而且這樣也容易導(dǎo)致其他尺寸的不可信。

雖說(shuō)達(dá)到了預(yù)期的研究目標(biāo),但這其中也存在一些不足,對(duì)于這種復(fù)雜情況下的優(yōu)化還需要進(jìn)一步不斷的努力,具體為:

1) 得到的“凈尺寸”優(yōu)化解不一定是全局最優(yōu)解,對(duì)于每次計(jì)算后修正板厚的算法,還需要進(jìn)一步的研究,以期能找到全局的最優(yōu)解。

2) 由于優(yōu)選的過(guò)程中,沒(méi)有改變結(jié)構(gòu)形式以及骨材的截面和分布,所以所得到的優(yōu)選結(jié)果是:在給定的結(jié)構(gòu)形式和骨架尺寸,在“等效設(shè)計(jì)波”載荷條件下,同時(shí)滿足屈服強(qiáng)度以及屈曲最低要求的“凈板厚”。能否進(jìn)一步同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)形式以及骨材的截面和分布。

3) “等效設(shè)計(jì)波面”的方法施加的波浪狀態(tài)下的載荷,與規(guī)范要求的載荷(波浪彎矩)之間的相互關(guān)系,需要進(jìn)行深入細(xì)致的研究。

[1] 張少雄,楊永謙.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算中慣性釋放的應(yīng)用[J].中國(guó)艦船研究.2006(2):40-43.

[2] 張少雄,李雪良.船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算中板單元應(yīng)力的取法[J].船舶工程,2004(3):36-39.

[3] 張延輝.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算中載荷平衡方法研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2006.

[4] 錢(qián)令希.工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京:水利電力出版社,1983.

[5] 隋允康.建?!ぷ儞Q·優(yōu)化—結(jié)構(gòu)綜合方法新進(jìn)展[M].大連:大連理工大學(xué)出版社.1996.

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