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第1篇：船舶優(yōu)化設計范文

關鍵詞：船舶管理系統(tǒng)；彈性支撐；位置優(yōu)化設計

在戰(zhàn)爭中，船舶經常會受沖擊作用造成內部部件損壞，進而產生嚴重的故障問題。隨著科學技術的發(fā)展，加強了船舶管路系統(tǒng)的研究力度，主要利用隨機輸入對彈性支撐參數(shù)及位置等進行了分析，但沒有對沖擊荷載及位置優(yōu)化等進行分析。本次主要采用直梁模擬船舶管路系統(tǒng)，并利用模型計算、控制等一系列操作，對不同位置的彈性支撐進行了驗算，可以得到各種動態(tài)響應參數(shù)，確定了彈性支撐位置。

一、構建數(shù)學模型

本次主要對船舶彈性支撐管路系統(tǒng)進行研究，結合彈性支撐情況，將管路系統(tǒng)中的一部分作為了直梁模型。通?？梢詫⒐苈废到y(tǒng)劃分為兩個階段進行分析：第一階段，受沖擊荷載影響，系統(tǒng)可得到初始速度。但是此階段沖擊荷載作用的實踐較短，產生的沖擊較大，所以可忽略不計。第二階段是沖擊后階段，該階段中獲得的沖擊初始速度，在周期與隨機作用下會發(fā)生強迫運動，產生的振動強度較大。

本次分析中將其運動分為三步，第一，運動方程：

其中ρ表示航渡，E表示拉壓彈性模量，I表示斷

面關心矩，x表示激振位移，y（x，t） v表示梁撓度， 為激振位移，Cm為粘性系數(shù)，lci表示彈性支撐位置。

第二，沖擊運動方程。船舶受到較大沖擊力之后，可以將運動時間曲線表示成：

其中參量V表示衡量攻擊強

度的速度；T1表示沖擊運動非振蕩與風量衰減時間，一般隨著船舶運動、類型等情況變化；時間T2為主震蕩衰減時間；時間T3為主震運動分量周期，隨著船位置變化變化，t表示沖擊所耗費的時間。

第三，沖擊完成后進行的運動方程：

，其中， 是標準白噪聲。

對系統(tǒng)沖擊后實施控制時，必須從四種情況進行分析：第一種，進行自由振動，d2=d3=0；第二隨機振動，d2=1，d3=0；第三，周期振動，d2=0，d3=1；第四一般情況，d2≠0，d3≠0。

二、探索最優(yōu)控制問題

（一）制定最優(yōu)控制方程

一般采用模態(tài)分析可以將運動方程表示為狀態(tài)方程，此時梁應力就可以表示為：

，其中 。

（二）了解目標函數(shù)

為了了解系統(tǒng)在沖擊后的振動控制，本次研究中主要將其分為四種不同狀態(tài)下，分被是自由振動、純隨機輸入、純周期輸入與一般情況四種情況。

（三）控制方程的解

將運動過程進行模態(tài)分析后，將其表示為 ，其中 為振向量矩陣，q=[q1，q2，q3…qN]T。

第一，如果不計沖擊狀態(tài)影響，可得到沖擊階段運動解為

，位移與速度為qi0=qi0（t）、qi0=qi0（t）。位移與速度均為初始位移速度。第二沖擊后階段。沖擊后主要分為兩部分求解，一種為連續(xù)梁所讀初始速度是自由振動在隨機輸入與周期輸入下所進行的強迫運動，一般從自動振動、純隨機輸入與純周期輸入等三方面進行計算。

三、實例分析

本次將系統(tǒng)參數(shù)設置為E=2×1011Pa，Cin=2×108NS/m2，l=10m，Z Zb=5×10-6m3，I=5.1×10-7m4，ρ=8.34kg/m。進行管路系統(tǒng)彈性支撐布置時，必須要對各種運輸情況進行分析，在不同輸入下設置1、2、3個彈性支承，采用對稱方法設置。上述均為梁沖擊后在不同情況下所產生的彈性支承位置減振變化，圖中橫坐標是lc/l0，縱坐標是σ/σ0。l0表示梁長；c為彈性支撐位置；當設置1到2個彈性支撐時，σ0是系統(tǒng)不加載彈性支撐時承受荷載下的平均彎曲應力，當布置知三個彈性支撐時，σ0只表示加一個彈性支撐所受荷載的平均彎曲應力；σ表示加載彈性支撐系統(tǒng)后，在荷載作用下所產生的平均彎曲應力。

第一，分析自動振動情況。如上圖1所示，當布置一個彈性支撐時，形成的最佳位置恰好在管路終端；布置兩個彈性支撐時，恰好在0.33l0和0.67l0位置；布置三個彈性支撐時，最優(yōu)位置在0.25l0、0.50l和0.75l0三個位置。

第二，隨機振動情況。耐2可知，對于彈性支撐的最優(yōu)位置，一般布置一個彈性支撐時，恰好在管路中點；布置兩個時恰好在0.35l0、0.65l0；布置三個彈性支撐時，最佳位置是0.27l0、0.50l0和0.73l0。

第三，了解周期運行情況。從圖3可知，一個彈性支撐時，最佳位置恰好在管路中點；布置兩個彈性支撐時恰好位于0.37l0、0.63l0；布置三個是最佳位置是0.00l0、0.50l0和1.00l0。

第四，分析隨機與周期聯(lián)合運行狀況。圖4展示了周期輸入及書記輸入情況下彈性支撐位置變化的減振圖，在此種操作中充分考慮了兩種不同參數(shù)的位置變化。布置一個彈性支撐時，恰好為管路中點；布置兩個時，最佳位置是0.37l0，0.63l0與0.39l0，0.61l0；布置三個彈性支撐時，最佳位置是0.00l0，0.50l0，1.00l0與0.33l0，0.50l0與0.67l0。

四、結果分析

結合上述分型與計算結果等分析可知，第一，彈性支撐位置影響著減振效果，圖中所表示的最小值為彈性支撐最佳位置；第二，但彈性支撐參數(shù)相同時，彈性支撐位置的合理布置不僅影響系統(tǒng)振動及隨機振動，而且減振效果較好，但對系統(tǒng)周期減振效果影響較大；第三，使用不同參數(shù)彈性支撐，所得的最優(yōu)位置也會發(fā)生很大變化。第四，同一個系統(tǒng)中，一旦談彈性參數(shù)給定，就必須對彈性支撐個數(shù)進行選擇。從圖例可知，隨著彈性支撐數(shù)量的增加，不一定可得到較好的彈性支撐減振效果。以上結論在管路系統(tǒng)設計彈性支撐時，具有較大作用，可以及時進行考慮分析。

結束語

隨著科學技術的發(fā)展，爆炸量與沖擊持續(xù)時間不斷延長，危害性也不斷增加，造成了嚴重的設備損害問題。經過分析可知，設備沖擊隔離與抗沖擊能力影響著船舶的使用壽命。因此本次利用構建模型方式系統(tǒng)全面的分析了彈性支撐沖擊下位置優(yōu)化設計問題，得到的實際應用效果較理想。在今后分析中，還要從數(shù)據(jù)計算精確性、計算方法等進行探究，選擇一種高效、便利的方式保證船舶安全，減少不良損害。

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第2篇：船舶優(yōu)化設計范文

關鍵詞：優(yōu)化設計；六維力/力矩傳感器；非線性解耦；神經網絡

中圖分類號：TP212.12 文獻標識碼：A

Optimal Design of a Thin Six-dimensional F/T Sensor and its Nonlinear Decoupling

LIANG Qiaokang1,WANGYaonan1，GE Yunjian2, GE Yu2

(1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China;

2. Institute of Intelligent Machines, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui 230031, China)

Abstract:The height dimension of the F/T sensors always causes additional moment to the bases and actuators of intelligent robots and industrial manipulators. Therefore, an excellent F/T sensor should be highperforming, weakdecoupling and thin. Aiming at providing highperformance sixdimensional force/torque information for intelligent robots and industrial systems, a new thin sixD F/T sensor with its height dimension below 15 mm is designed based on strain measurement. The SDO of the elastic body is performed. The nonlinear decoupling and calibration of the sensor based on Artificial Neural Network is used to eliminate the coupling among components. The results of the calibration experiment have shown that this sensor possesses high performances, the design and optimization are rational, and its maximum nonlinearity error and the maximum coupling error are 0.15%F.S. and 1.6%F.S., respectively.

Key words:optimal design; sixdimensional force/torque sensor; nonlinear decoupling; artificial neural network

多維力/力矩信息感知是智能機器人和工業(yè)自動化等應用場合最重要的感知之一.因能同時獲取三維空間直角坐標系下的兩個或者兩個以上方向的力和力矩信息，已被廣泛應用于各種場合為機器人和自動化系統(tǒng)的反饋控制提供實時力/力矩信息，如輪廓跟蹤、零力示教、柔性自動裝配、機器人遠程操作、機器人多手協(xié)作、機器人外科手術和康復訓練等.目前，機器人多維力/力矩傳感器生產產家主要有美國的AMTI，ATI，JR3，Lord等,瑞士的Kriste，德國的Schunk，HBM等公司.東京工業(yè)大學機械工程與科學系設計了一種基于光學檢測的六維力/力矩傳感器［1］.瑞士蘇黎世聯(lián)邦高等工學院研制了第一臺成功應用的基于MEMS的電容式六維力/力矩傳感器［2］.美國代頓大學研制了一種基于磁致伸縮原理的力傳感器［3］.印度科學研究院設計了一種高靈敏度基于近奇異構型的Stewart平臺的六維力/力矩傳感器［4］.由于應變檢測方法的原理和方法都比較成熟，因此大多數(shù)的多維力/力矩傳感器都采用了這個方法，其敏感元件――彈性體有三垂直筋結構、雙環(huán)形結構、盒式結構、圓柱形結構、雙頭形結構、三梁結構和八垂直筋結構等［5-9］.目前，雖然各種力傳感器功能齊全、種類繁多，但是傳感器高度尺寸都比較大，一般為40~80 mm之間，大大制約了傳感器在各個領域的應用.此外，大部分的多維力/力矩傳感器都是一體化設計，這就勢必引起傳感器在各維之間存在一定的互相干擾――維間耦合，傳統(tǒng)的多維力/力矩傳感器的線性解耦方式已不能滿足越來越多的應用環(huán)境對精度的要求.本文提出了一種新型的超薄六維力/力矩傳感器，其高度尺寸可以在15 mm以內，配合多目標優(yōu)化設計方法和非線性神經網絡解耦方法，研制的傳感器具有高靈敏度、高精度和各向同性等特點.

1 傳感器設計

如圖1所示，設計的傳感器由上蓋板，彈性體，下蓋板組成.其中，上下蓋板安裝在傳感器的頂部和底部，作為轉接板與應用環(huán)境相連；彈性體將傳感器受到的力信息轉換為電信號輸出；裝配完成后，在彈性體與下蓋板之間預留有一個空腔，用于安放傳感器的信號處理電路.其中上下蓋板選用不銹鋼材料1Cr13；彈性體選用硬鋁材料LY12.根據(jù)一般場合對傳感器的要求，擬定三維力量程為300 N，三維力

圖1 傳感器爆炸示意圖

Fig.1 An exploded view of the designed sensor

湖南大學學報(自然科學版)2012年

第4期梁橋康等：超薄六維力/力矩傳感器優(yōu)化設計及其解耦

矩量程為10 Nm.

傳感器的高度尺寸是影響傳感器應用的一個重要因素，當機械手實際操作時，作為腕力傳感器的高度幾何尺寸越大，機械手后續(xù)部件所受到的力矩因為力臂的增大而成比例的增大，這將影響機械手所需的額定功率及其最大工作空間.因此，傳感器彈性體在設計時，除了考慮其耦合、結構復雜度、剛度、靈敏度、線性度等性能指標外，還應該考慮傳感器的高度尺寸.

設計的傳感器彈性體如圖2所示，彈性體底座與傳感器的下蓋板通過8個螺栓相連為傳感器提供剛性支撐作用；中空支柱連接上、下E型膜；上部的傳力環(huán)與傳感器的上轉接板通過8個螺栓連接；4片薄矩形片連接上E型膜與傳力環(huán).下E型膜用來檢測法向力Fz和切向力Fx，F(xiàn)y；上E型膜用來檢測繞切向方向的力矩Mx與My；4片薄矩形片用于檢測繞法向的力矩Mz.由于上、下E型膜的合理布置，傳感器的彈性體高度幾何尺寸僅為10 mm.

圖2 傳感器彈性體結構

Fig.2 A partially cutaway perspective

view of the elastic element

使用有限元分析軟件ANSYS的SDO (Simulationdriven Development and Optimization) 方法，將傳感器彈性體重要幾何尺寸E型膜厚度h，E型膜內徑d1，E型膜外徑d2，薄矩形片厚度d3設為設計變量.綜合考慮傳感器的結構和尺寸，將各變量的初始條件限定為：0.45 mm≤h ≤ 1.5 mm,2 mm≤ d1 ≤ 4.5 mm,6 mm≤d2 ≤10 mm,0.5 mm≤ d3≤ 2 mm.彈性體上發(fā)生的應變直接決定著傳感器的靈敏度.為了保證傳感器有高的靈敏度，一般采用彈性體上應變最大和最小的位置來粘貼應變片.只有彈性體工作在其材料的比例極限內，才能保證彈性體上的應變和應力有比例關系.因此還確定彈性體上發(fā)生的最大應變emax，最小應變emin和最大變形dmax作為優(yōu)化設計的設計目標分別為：emax ≤1 000 με，emin ≥ －500με，dmax ≤ 0.05 mmemax 和emin 確保彈性體工作在材料的比例極限范圍內，同時確保彈性體有足夠的應變即傳感器有一定的靈敏度，dmax 可以保證傳感器有良好的線性度和可靠性.

用ANSYS軟件中的DesignModeler 對彈性體進行參數(shù)化建模，并對模型進行劃分網格、指定邊界條件和負荷情況等處理，軟件根據(jù)Screening法則確定各設計變量的選擇，確定了樣本點.程序自動將各樣本點按一定方法進行組合,并計算出每種組合相應輸出變量的值，最后，根據(jù)預先設定好的設計目標，軟件自動選擇了3組最優(yōu)解，如表1所示.從優(yōu)化過程可知，相對另外3個設計變量，E型膜的厚度尺寸為傳感器最靈敏尺寸.

表1 優(yōu)化設計結果

Tab.1 Optimal design results

組序

h/mm

d1/mm

d2/mm

d3/mm

SymboleA@max

SymboleA@min

dmax

/mm

1

0.9758

3.4951

8.1325

1.1285

6.3e4

-6.31e4

0.0019

2

0.9801

3.5155

7.9657

1.1638

6.4e4

-6.35e4

0.0019

3

0.9795

3.6521

8.2347

1.2563

6.2e4

-6.29e4

0.0021

2 應變片布片及組橋

本設計采用半導體應變片作為檢測元件，全橋檢測電路作為測量電路.根據(jù)ANSYS軟件對彈性體靜力學的分析結果，彈性體上選擇在最大和最小應變發(fā)生的位置放置應變片，每一維使用4個應變片構成全橋檢測電路，最后將六路檢測電路的輸出通過彈性體中間的小孔引到底座的空腔中的數(shù)據(jù)采集處理電路.其應變片位置和組橋方式如圖3所示，其中Ri為第i個應變片，Uj為第j維的電橋輸出電壓.

(a)應變片在彈性體上的布置示意圖

(b)變片組橋方式

圖3 應變片布片和組橋方式

Fig. 3 Strain gauges arrangement

傳感器的各維輸出為：

ΔUFxΔUFyΔUFzΔUMxΔUMyΔUMz=1/4UK(ε13－ε14－ε15+ε16)1/4UK(ε17－ε18－ε19+ε20)1/4UK(ε21－ε22－ε23+ε24)1/4UK(ε5－ε6－ε7+ε8)1/4UK(ε9－ε10－ε11+ε12)1/4UK(ε1－ε2－ε3+ε4).（1）

式中，εi為第i片應變片的應變值，U為橋路的激勵電壓，K為應變片的靈敏系數(shù).

傳感器輸出的力/力矩信息一般為傳感器本地坐標系下表示的信息，為了便于控制系統(tǒng)使用，把所獲得的力/力矩信息轉換成機器人手爪坐標系如下：

FcMc=Rcs0S(rccs)RcsRcsFsMs.（9）

其中：Fc為在手爪坐標系下的三維力；Mc為在手爪坐標系下的三維力矩；Rcs為方向轉變矩陣；rccs為在手爪坐標中表示的，起點在傳感器坐標系原點，終點在手爪坐標系原點的矢量.Fs為在傳感器坐標系下的三維力；Ms為在傳感器坐標系下的三維力矩信息；S為斜對稱算子.

3 傳感器非線性解耦

維間耦合極大地限制了多維力/力矩傳感器精度的提高，因此有效地解耦方法是高精度多維力/力矩傳感器的一個重要手段［11］.非線性模型真實地反映了多維力/力矩傳感器的實際情況，從理論上說可以徹底解決靜態(tài)解耦問題［12］.采用隱層為單層神經元的三層BP神經網絡模型，神經元的個數(shù)通過實驗得到.如圖4所示，將6維力/力矩傳感器六個橋路的輸出電壓組成的列向量U=UxUyUzUMxUMyUMzT作為神經網絡的輸入向量，將對應的作用在傳感器坐標系原點上的六維力/力矩等效信息所組成的列向量F=FxFyFzMxMyMzT作為神經網絡的輸出向量.對傳感器進行加載，記錄每次加載時的各路輸出電壓，每次加載的輸出電壓和相應的加載力作為一個樣本點，用基于MATLAB的BP神經網絡訓練程序對神經網絡模型進行訓練，以獲得合適的網絡權值和閾值，使神經網絡輸出與樣本輸出的均方誤差滿足給定的條件，得到傳感器的神經網絡模型參數(shù).

圖4 六維力/力矩傳感器神經網絡解耦模型

Fig.4 Neural network model for

calibration and decoupling

在解耦模型的訓練過程中，采用5~20個神經元數(shù)分別對網絡進行訓練，從得到的訓練曲線中可知，當隱層的單元數(shù)為7時，不論從誤差、收斂速度和網絡復雜程度等分析，都比較合適，其訓練誤差曲線如圖5所示.從圖中可知在訓練步數(shù)為360步時，均方誤差小于0.01，已達到了精度要求.

訓練次數(shù)圖5 神經網絡訓練誤差曲線

Fig.5 Error curve of the neural network training

4 傳感器精度性能分析

通過上述的解耦方法，并經過一定的信號處理，我們最終獲得了超薄六維力/力矩傳感器的輸入和輸出曲線如圖6所示.圖中橫坐標表示加載的標準法碼重量，縱坐標表示A/D采集模塊的輸出數(shù)字量.

(a)Fx維的標定曲線(Fy維與之相同)

(b)Fz維的標定曲線

(c) Mx維的標定曲線(My與之相同)

(d)Mz維的標定曲線

圖6 六維力/力矩傳感器的標定實驗結果

Fig. 6 Calibration text results

由圖6實驗結果可知，設計的超薄六維力/力矩傳感器線性度好，并且關于零點對稱，各向同性，最大線性度誤差為0.15%F.S.，最大耦合誤差為1.6%F.S.傳感器實物圖見圖7.

圖7 傳感器實物圖

Fig.7 The fabricated sixdimensional force/torque sensor

5 結 論

本文探討了一種基于應變檢測技術的超薄六維力/力矩傳感器，對傳感器力敏元件進行了多目標優(yōu)化，根據(jù)其力學特性確定了彈性體進行了布片、組橋方式，結合基于神經網絡的非線性標定及解耦，使設計的傳感器具有靈敏度高、線性度好、維間耦合小等特點.值得注意的是，用神經網絡進行傳感器標定，傳感器的精度很大程序上受制于訓練樣本的范圍，若傳感器所受力超出其量程（訓練樣本通常在量程范圍內），神經網絡的外延問題極易導致精度衰減，如何解決這類問題有待下一步深入研究.參考文獻

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第3篇：船舶優(yōu)化設計范文

[關鍵詞]船體結構設計 ；問題 ；設計師 ；模塊

中圖分類號：U662 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）17-0069-01

前言

在基于安全的情況下，如何快速設計出優(yōu)秀的船體結構并且實現(xiàn)快速修改，是船舶設計師夢寐以求的目標，針對這個目標的制定，設計師們提出了船體結構的快速設計方案，將知識工程原理和參數(shù)化技術相結合，對船體結構的設計做出了研究和分析。

1 船體結構設計中的主要內容

解決船體結構的形式、構構件的尺度和連接的設計問題，使得船體結構具有良好的經濟性能和十分有益的強度。船體結構的設計質量的好壞主要從船體結構設計中的安全性和整體性以及經濟性等方面來分析。

1.1 船體結構的整體性

船體結構的設計是一個十分復雜的水上工程項目，各種設備和儀器以及結構的布置都和船體結構的設計緊密相關，所以船體結構的設計必須滿足船體自身的性能、設備、電氣和通風等功能的要求，確保船只的工作性能在各方面都能協(xié)調配合、具備良好的工作性能。

1.2 船體結構的安全性

安全問題在任何領域領域都是最重要的問題，船體結構設計應該保證船體結構不會受到各種外力的作用下，具備一定的強度和穩(wěn)定，不會因為構件強度不足出現(xiàn)失去平衡從而導致結構損壞的情況發(fā)生，同時船體結構還必須具有十分良好的防震性能，使其在各種激蕩力的作用下，都不會產生較大的振動。

1.3 船體結構的經濟性

船體結構在設計的過程中在考慮結構強度和構件的腐蝕和使用以及維修之后，還要力求減少結構的重量和成本的投入，船體結構材料在保障安全性的前提下要適當?shù)倪x擇，使得船體結構本身就具有良好的經濟性能。

2 采用先進設計工藝對船體結構進行分層優(yōu)化

船體結構生產人員，還需要對輪船的主尺度、靜水力性能、船舶參數(shù)和螺旋槳敞水性能進行控制優(yōu)化，嚴格生產環(huán)節(jié)中的船只性能測試，發(fā)現(xiàn)不良問題應該及時采取生產維修措施。根據(jù)船底板、內底板、三層甲板、二層甲板到主甲板區(qū)域的設計順序，對船體結構進行設計。對于船體板的設計方式，技術人員可以采用分割設計的方法，確保船體的底部防撞性能提高。

使用雙層船體結構，不僅可以顯著提高船體結構的穩(wěn)定性，還能夠使用雙層底部儲存更多的油料。船體設計一般都是由多根較差構件和很多主向梁組成的板架，對于橫骨架式的板架結構，使用主向梁（實肋板）作為肋板間距范圍內的承重材料。保證船體架構的較差構架只需要承受節(jié)點反力。對于縱骨架式板架設計來說，可以通過提高底部結構的載荷效果的方法，利用縱骨傳給實肋板，保證交叉構建也只需要承受節(jié)點反力。對于艙長很短的船底板架設計（例如艙長與板架計算寬度之間的比值小于 0.8 時），為了更好地確定這種板架中板材的彎曲應力，可以將中板材當做單跨梁進行單獨處理。

3 船體結構的優(yōu)化設計

3.1 船體尺寸的優(yōu)化設計

尺寸優(yōu)化是用來修改船體內部各單元之間的基本屬性，例如厚度和橫截面以及剛度等。某些結構單元的個屬性之間可能彼此相關聯(lián)，例如慣性距、梁的更界面和截面幾何等。因此在優(yōu)化過程中各單元的屬性并不一定作為設計變量來進行計算。對船體結構設計分析的問題大多數(shù)都將問題歸納與對船體尺寸的設計中，船體結構游蛇設計中尺寸是十分重要的組成部分。例如利用商業(yè)軟件來對小水線面的雙體船結構進行尺寸優(yōu)化，或者在船體坐墩墩上布局進行尺寸優(yōu)化，利用分級優(yōu)化的分式來進行計算。

3.2 船體形狀的優(yōu)化設計

結構形狀的優(yōu)化設計是通過選擇描述邊界形狀的若干參數(shù)來作為設計變量，通過特殊的方式來改變這些參數(shù)值使其能夠確定其本身的形態(tài)結構來完成的。在船體的結構設計中，部分部件的邊界位置容易因為承受載荷而產生應力集中造成疲勞或者斷裂破壞的，造成船體結構的損傷，所以在船體結構的優(yōu)化設計r要通過尋求良好的邊界形狀來改變應力的分布。

4 船體結構的設計方法

船舶自身的造價高昂、使用期限長、工作環(huán)境十分惡劣。在其使用期間會遇到多種事故，這些事故本身就會對船舶的結構產生各種惡劣的影響，甚至會導致整個船體結構失去工作能力，造成很大的經濟損失，降低社會效益，目前船體結構的設計方法主要分為確定性設計法和結構可靠性分析法。

4.1 確定性設計法

船體結構的確定性設計法又可以分為兩類，第一類是規(guī)范設計法，即根據(jù)船體主尺度和結構形式，以及各種營運和施工要求，按照船級社制定的船體建造規(guī)范的相關規(guī)定來決定構件的布置和尺度的，最后再進行總強度和局部強度的審查，同時還要對結構的穩(wěn)定性和安全性進行檢查，一旦發(fā)生任何不足植株，則在原設計方案上進行修改之后在進行局部的加強，指導達到相應的目標。第二類是直接計算法，直接計算法是根據(jù)船型和構件布置的不同，來通過規(guī)范不可能羅列的全部特征來進行設計的，所以要求設計師具有結構力學的知識，可以按照各種構件和受力情況，直接進行強度的計算。使得船體結構本身就具備良好的力學合理性，而且可以預先選擇目標函數(shù)，進行優(yōu)化設計。

4.2 結構可靠性分析法

在船體結構強度的確定性設計方式中，將有關參數(shù)都設置為定值。所采用的安全系數(shù)都表現(xiàn)為強度的儲備，使得人們對結構已經產生了固定的印象，認為結構是絕對安全不會被破壞的，然后，所有船體結構不論哪種船型或者結構形式，都是通過空間的板梁組合結構來完成的，這樣的話，當船體結構中的一個構件失去效果之后，內力重新分配。整個結構還能繼續(xù)工作，只有當相當數(shù)量的構建都失效之后，整個構建才會失去效果。這就促使人們去研究船體中某些構件結構被破壞的原因，和損壞后對船體的影響，這樣才能形成某種采用概率法對結構進行可靠性的分析和計算。結構可靠性是指結構在規(guī)定的時間內和條件下完成預定功能的概率，即達到結構的功能極限狀態(tài)就可以認定為結構實效，目前我國所采用的是基于概率論的結構可靠性全概率的分析法，還存在很大的局限性。近年來。結構系統(tǒng)風險的評估和決策建議在海洋工程領域以及船舶的應用中正逐步推廣，世界上主要的船級都已經制定了合理規(guī)范的風險評估方法和文件。

5 結束語

船體結構設計主要是在滿足船舶總體性和船舶本身的功能性的前提下，通過結構設計使得船舶在試用期間滿足穩(wěn)定性和剛度、強度的要求，船舶設計的內容決定了其設計任務的繁重程度。目前各國的船舶業(yè)之間的競爭十分激烈，世界各國船舶業(yè)的生產技術正朝著機械化、自動化和集成化的方向發(fā)展。提高船舶結構設計的要求已經成為船舶業(yè)十分重要的問題。

參考文獻

[1] 施軍.砰擊荷載下復合材料高速船結構設計與船體制造技術研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2013-02-13.

第4篇：船舶優(yōu)化設計范文

【關鍵詞】主機 中央冷卻系統(tǒng) 研究設計

船舶中央式冷卻系統(tǒng)可使舷外海水不再接觸各種熱交換器和船舶主柴油機的冷卻空間，因而極大地簡化了船舶海水冷卻管系，使海水冷卻管系最短，有力地阻止了因為海水腐蝕冷卻器以及管路引起的船舶系統(tǒng)漏泄、堵塞等故障現(xiàn)象的發(fā)生，提高了設備和系統(tǒng)的安全可靠性以及設備使用壽命。目前在船舶設計中已經成為一種較為普遍的選擇。

一、船舶中央冷卻水系統(tǒng)概述

中央式冷卻系統(tǒng)分兩個冷卻水回路，一個是低溫回路，就是由舷外海水來冷卻低溫淡水的回路；另一個是高溫回路，就是由低溫淡水來冷卻高溫淡水的回路。低溫淡水主要過來冷卻高溫淡水以及各種冷卻器（空氣冷卻器、滑油冷卻器等）高溫淡水則主要用來冷卻船舶主柴油機氣缸套、氣缸蓋和增壓器等，所有與主機直接接觸的冷卻介質均為淡水。目前，中央冷卻系統(tǒng)應用最廣泛的有兩種基本的形式：混流式中央冷卻系統(tǒng)和獨立式中央冷卻系統(tǒng)。

圖1 混流式中央冷卻系統(tǒng)

圖2 獨立式中央冷卻水系統(tǒng)

混流式中央冷卻系統(tǒng)如圖1所示，其特點在于混流，其中的混流指的是高溫淡水和低溫淡水之間的混流，通過在低溫淡水系統(tǒng)和高溫淡水系統(tǒng)中設立混合閥控制，將部分低溫淡水直接混入高溫淡水系統(tǒng)中進行高溫淡水的溫度控制。

獨立式中央冷卻系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)中的高溫淡水系統(tǒng)和低溫淡水系統(tǒng)分別開來，另設高溫淡水冷卻器，在中央冷卻器中通過海水冷卻低溫淡水，在高溫冷卻器中通過低溫淡水或海水冷卻高溫淡水。相比而言，獨立式比混流式更容易控制系統(tǒng)入口水溫度，但耗資較大。

二、中央冷卻系統(tǒng)設計

（一）中央冷卻系統(tǒng)設計流程

中央冷卻系統(tǒng)的設計流程如圖3所示，首先要確定的是系統(tǒng)的外界環(huán)境和船舶主機參數(shù)，通過這兩者來確定系統(tǒng)的負荷，然后再確定其他泵、散熱器等冷卻設備。

圖3 設計流程圖

（二）冷卻系統(tǒng)管路計算方法

在管路的計算中主要以管內流速、管徑以及管壁厚度三個方面為主要指標，而在材質上通常在選取的時候均使用碳鋼無縫鋼管，以下將對各方面分別介紹。

（1）管內流速。 確定介質在管內的流速是管路設計的重要環(huán)節(jié)，流速高，則管徑小，管材省，成本低，但引起的阻力增大，腐蝕加快流速低，則管徑大，管材消耗多，成本高，但阻力小，泵的耗電降低，且當流速過低時，也會引起腐蝕。因此，必須根據(jù)具體管路合理選擇流速。對于低溫淡水循環(huán)泵，可通過選擇管內最佳水流速度來實現(xiàn)。

（2）管徑。管徑是跟具流經管內流量及流速而定。

（3）管壁厚度。 管子的壁厚應保證管子必要的強度及腐蝕余度，各船級社對管子壁厚的計算均有具體要求。對于常規(guī)的管路，常按經驗選取壁厚，而這些要求可作為校核之用。對特殊的管路，在缺少經驗數(shù)據(jù)時可作為設計的依據(jù)。受內壓的鋼管其最小壁厚占應不小于按下式計算之值。

三、結論

船舶中央冷卻水系統(tǒng)的研究與設計，涉及知識面廣，它不僅包括流體力學、傳熱學，而且還包括控制技術，仿真技術等知識，本文在設計運用中只是對管路、水泵和中央冷卻器等進行了計算和選型，在模型精度以及優(yōu)化設計方面還有待進一步研究。由于中央冷卻系統(tǒng)所具有的一系列的優(yōu)勢，相信在現(xiàn)在和將來一定會有較大的發(fā)展空間。

參考文獻：

[1]潘偉昌.船舶中央冷卻系統(tǒng)的分析與初步研究[J].哈爾濱工程大學，2001.

[2]鄭銳沖.船舶冷卻水系統(tǒng)的優(yōu)化設計[J].武漢理工大學，2000.

第5篇：船舶優(yōu)化設計范文

[關鍵詞]海上生活服務平臺；主發(fā)電機間；管路布置；優(yōu)化設計

中圖分類號：TM891 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）10-0260-01

1 項目概況

該生活服務平臺入級DNV.GL，主甲板直徑66米，主船體直徑60米，型深27米，結構吃水19米，通過六臺推進器和六臺發(fā)電機進行定位，并配備全球最先進的DP-3動力定位系統(tǒng)，可供496人同時居住，終端客戶為巴西石油Petrobras。該生活平臺三個主發(fā)電機間的布置位置，每個發(fā)電機間配備有兩臺發(fā)電機，其中發(fā)電機間的層高是8米，上下分別跨三層甲板，包括主甲板、中間甲板和上甲板。以下針是針對發(fā)電機艙的管道優(yōu)化布置展開論述。

2 管路優(yōu)化布置

主發(fā)電機間大部分系統(tǒng)是封閉式，其內部的系統(tǒng)管路非常密集，涉及的主要系統(tǒng)包括：淡水冷卻、燃油、滑油、啟動空氣、排氣和進氣等多個系統(tǒng)。由于艙室內的空間十分有限，所以需要對主發(fā)電機間內的管道進行合理的布置并不斷優(yōu)化，但是優(yōu)化的前提是要滿足發(fā)電機及其他設備的管道布置基本要求，以及管子工藝流程，然后通過各專業(yè)的協(xié)調使管路得到更加理想的布置目的。

2.1 管道布置方案優(yōu)化

平臺上總共有三個發(fā)電機間，每個發(fā)電機間大概有1000多根根管子，其中70%左右的管路布置在升高平臺以下，受空間的限制，管路系統(tǒng)的布置方案優(yōu)化實為重要。圖1是已交付項目的發(fā)電機間管路布置，整個發(fā)電機艙都是滿鋪設的升高平臺舾裝件，三個機艙的互為系統(tǒng)備用管路全部布置在平臺以下，圖2是后續(xù)新造系列平臺的發(fā)電C間管路系統(tǒng)和平臺優(yōu)化后的效果，給人的感覺很舒服，而且最重要的一點電氣專業(yè)的接地電阻設備也布置在艙室后面使得發(fā)電機發(fā)出的高壓電纜接線線路簡單方便。不再像前幾個項目接地電阻設備的布置.使得高壓電纜要穿過整個艙室才可接線到接地電阻，另外根據(jù)電氣專業(yè)工藝的要求管路距離高壓電纜間距是有一定的要求，而有的位置管路距離高壓電纜托架很難滿足要求。這使得船東后期提出了此類型的意見，為了關閉意見后期修改的工作量很大，但優(yōu)化后的效果大大避免了此類問題，而且優(yōu)化的管路全部布置在發(fā)電機底部結構的反頂，優(yōu)化后管路系統(tǒng)的布置和升高平臺的布置就大大完善了整個艙室的整體布局、設備維修和安全通道非常有效。

另外發(fā)電機艙有些中小型設備，就以單個發(fā)電機間的分油機設備周圍連接的燃油和滑油凈化系統(tǒng)管道布置方案，最初的分油機布置緊靠于艙壁，見圖3優(yōu)化前。這樣的布置就給前期的預舾裝管路帶來了很大的麻煩，連接分油機的管子很難配對精確，另為分油機本體自帶的滑油收集柜透氣管路布置同樣也影響到設備的維修空間，經過后期討論此位置的設備和管路必須進行必然性的優(yōu)化修改，確認后分油機的布置位置進行二次調整給設備周圍留有合適的維修空間，便于工作人員的操作維修，另外分油機自帶滑油收集柜透氣管路布置同樣也優(yōu)化調整，見圖3優(yōu)化后。以達到不影響設備周圍的維修空間，如此一系列的優(yōu)化設計從各方面都滿足了要求，也達到了船東想要的預期效果。

2.2 設備接口管路優(yōu)化

發(fā)電機艙連接管路最多的就是主發(fā)電機，管路連接進出口主要集中在設備前端部分，見圖4。進出口管的布置直接影響設備接口處閥門和發(fā)電機本體零件的維修操作，且影響到周圍安全逃生通道和艙室總體布局的美觀，固必須對連接發(fā)電機設備的進出口連接管路進行必然的優(yōu)化設計。

首先要根據(jù)設備的資料分析討論連接主發(fā)電機的管路的系統(tǒng)原理，以此布置主要的管路系統(tǒng)，然后考慮次要系統(tǒng)管路的布局，研究后針對發(fā)電機接口管路連接的優(yōu)化設計可以從以下六大方面考慮：

（1）必需滿足設備廠家自帶軟管的最大彎曲半徑和膨脹節(jié)的要求；（2）相關系統(tǒng)的管路設計必需依據(jù)系統(tǒng)原理圖；（3）與設備進出口連接的第一段管路盡量留有設計支架的位置；（4）設備進出口的隔離閥布置應集中設計便于操作；（5）連接的管子必須避開安全逃生通道；（6）與設備連接的現(xiàn)場調整管盡量的短而直可減少其系統(tǒng)內部的阻力損損失。圖5是優(yōu)化后的發(fā)電機設備接口和發(fā)電機前端的大概布局。

3 結束語

通過上述優(yōu)化方案的實例分析，可以發(fā)現(xiàn)主發(fā)電機間的總體布置，需從整個生活平臺的工藝流程來進行協(xié)調分析和優(yōu)化，不僅僅是考慮總體布局、設備操作、維修空間及安全通道等要求，還要考慮到后期的管路設計提供良好的環(huán)境和條件，致使發(fā)電機間的布置方案滿足實用、合理、安全、經濟、美觀的要求。

參考文獻

[1] 陳紹剛.船舶設計實用手冊（輪機分冊）.人民交通出版社.

第6篇：船舶優(yōu)化設計范文

[關鍵詞]拖車主梁 應力 變形 頻率 拓撲優(yōu)化

中圖分類號：U036 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）10-0052-02

引言

拓撲優(yōu)化主要用于產品的概念設計，通過拓撲優(yōu)化可得到結構材料的優(yōu)化分布，在航空航天、船舶海洋、材料研究等領域有著廣泛的應用。拖曳試驗水池以快速性試驗為目的，具備有較好的試驗條件，使用范圍廣泛，便于采用新的試驗技術。拖車主梁是拖曳試驗水池的主要承載設備，是保證水中性能試驗安全順利進行的關鍵，設計人員在考慮結構承載能力和實際性能的同時，往往希望結構重量更輕量化，結構形式更趨于簡單化，拓撲優(yōu)化作為結構設計中的概念階段，尋求當前載荷下材料的最優(yōu)分布，對最優(yōu)結構起著關鍵性的指導作用。

本文以某拖曳水池的拖車主梁為研究對象，以輕量化設計為宗旨，基于剛度計算主梁的最優(yōu)結構形式，期望為水池拖車設計的研究人員提供參考幫助。

1.傳統(tǒng)拖車主梁結構

傳統(tǒng)大跨度、重承載橋架結構以箱型梁結構形式見多，如圖1所示為某拖曳水池行走機構橋架結構模型。此類結構在承載部位有一定的安全富裕度，在非承載區(qū)往往有較大的安全富裕度，造成一定的材料浪費，同時增加了結構的重量。

橋架結構中，主梁為主要的承載部件，也是本文的研究對象，對傳統(tǒng)結構形式的主梁建立計算模型，主梁采用厚8mm的鋼板焊接而成，其結構尺寸如圖2所示。

本水池單根主梁最大承載為15t，主梁中部為承載最惡劣工況，以此工況邊界條件計算主梁的受力變形，如圖3所示，主梁最大應力為88.4MPa，最大變形為2.79mm。

大型重載設備的共振頻率主要發(fā)生在設備的低頻階段，故低階自振頻率常常是分析的重點，設計師總希望在減輕結構重量的同時盡量提高或降低設備的固有頻率。計算主梁的前二階固有頻率，如圖4所示，主梁的一階固有頻率為42.78Hz，二階固有頻率為54.09Hz。

2.基于拓撲優(yōu)化主梁結構

拓撲優(yōu)化技術是結構優(yōu)化技術中有前景、具有創(chuàng)新性的技術，是指在給定的設計空間內找到最佳的材料分布，或者傳力路徑，從而在滿足各種性能的條件下得到重量最輕的設計，拓撲優(yōu)化過程包括：定義優(yōu)化函數(shù)、定義目標函數(shù)和約束條件、初始優(yōu)化過程以及執(zhí)行拓撲優(yōu)化[8-9]。

由上述可知，拖車主梁跨度為6970mm，主梁長度為8060mm，寬度為800mm，高度為650mm，建立主梁的初始有限元模型，如圖5所示。

不改變主梁的邊界條件，以主梁初始結構整個模型為優(yōu)化區(qū)域，最大變形為約束條件，最小體積為目標函數(shù)，如式（1）所示。

采用HyperWorks計算拖車主梁結構的最優(yōu)模型，本次計算共進行了49步迭代，考慮加工工藝和加工難度，取單元密度值為0.12，則拖車主梁的優(yōu)化迭代過程如圖6所示。

3.主梁優(yōu)化結構強度校核

拖車主梁最終優(yōu)化結構如圖6第49步，導出最終優(yōu)化迭代后的幾何模型，考慮機械加工工藝對優(yōu)化迭代后的模型進行修整，得出最終主梁模型如圖7所示，主梁跨度為6970mm，最大高度為650mm，寬度為800mm，焊接鋼板厚度為14mm。

對修整后的主梁模型重新劃分網格，不改變初始邊界條件，為驗證計算結果得可靠性，導入不同有限元分析軟件計算優(yōu)化后的主梁模型，本文采用ABAQUS計算優(yōu)化修整后的主梁應力和變形響應。

4.結果對比

在相同的邊界條件下，對比傳統(tǒng)拖車主梁和優(yōu)化后拖車主梁的應力、變形、前二階固有頻率，如表1所示，優(yōu)化后的拖車主梁較傳統(tǒng)主梁應力有所增大，變形有所減小，一階固有頻率有所減小，二階固有頻率有所增大，重量有所減小。

以傳統(tǒng)拖車主梁計算數(shù)值為基，計算優(yōu)化后拖車主梁的變化率，如表2所示，由表可知，優(yōu)化后的拖車主梁較傳統(tǒng)主梁有所減少的為最大變形、一階固有頻率和重量，變化較為明顯的為應力和一階固有頻率。

5.結語

以某拖曳水池的拖車主梁為研究對象，計算了傳統(tǒng)形式拖車主梁的變形和應力響應，考核一階和二階固有頻率，基于拓撲優(yōu)化對主梁結構進行了重新優(yōu)化設計，考核了最終優(yōu)化修整后主梁結構的強度和剛度，對比傳統(tǒng)主梁結構應力、變形、前二階固有頻率，結果表明，基于拓撲優(yōu)化后的拖車主梁結構在滿足強度和剛度的條件下，一階固有頻率和重量較傳統(tǒng)主梁結構有明顯降低。

參考文獻

[1] 周克民，胡云昌.結合拓撲分析進行平面連續(xù)體拓撲優(yōu)化[J].天津大學學報，2001，34（3）：340-345.

[2] ESCHENAUER H A.Topology optimization of continuum structures：A review[J].Applied Mechanics Review，2001，54（4）：331-389.

[3] 余湘三，陳澤梁，樓連根等.船舶性能實驗技術[M].上海：上海交通大學出版社，1991.

第7篇：船舶優(yōu)化設計范文

關鍵詞 鋼筋混凝土 非線性 幾何規(guī)劃 優(yōu)化設計 現(xiàn)澆梁

中圖分類號：TU37 文獻標識碼：A 文章編號：

鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁是建筑結構的基本構件，其截面設計首先是根據(jù)變形要求的高跨比限值假定截面高度，根據(jù)構造要求決定截面寬度，然后再根據(jù)正截面的抗彎承載力和斜截面的抗剪承載力配置縱筋和箍筋?？梢?，整個設計過程中并沒有考慮梁的造價問題，設計結果常常很不經濟。因此，許多學者提出了各種各樣的以造價為目標函數(shù)的優(yōu)化設計方法，歸納起來，大多數(shù)方法的優(yōu)化結果并沒有直接給出梁截面高度和截面寬度的計算公式，而是以耗時的迭代過程來確定優(yōu)化設計變量。因此，找到一種簡單的優(yōu)化設計方法，顯得十分必要。

鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁的的優(yōu)化設計是一個多變量多約束的非線性規(guī)劃問題，本文以造價最低為優(yōu)化模型，去掉消極約束，將非線性的優(yōu)化問題轉化為具有不同設防水平的幾何規(guī)劃問題，通過幾何規(guī)劃解，給出了現(xiàn)澆梁截面高度和截面寬度的優(yōu)化設計計算公式。利用本文方法，通過若干次試算即可得到優(yōu)化設計變量的最優(yōu)解。需要指出的是本文僅討論均布荷載作用的一般優(yōu)化梁問題，其他情況方法相同，這里不再贅述。文末給出的實際算例計算結果表明，本文方法具有一定的實用價值。

優(yōu)化設計目標函數(shù)

在計算鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁截面時，跨度和設計荷載均為已知，需要確定的是截面尺寸bxh,，以及縱筋和箍筋的用量。因此，優(yōu)化設計變量選為截面有效高度h0，截面寬度b,縱向受拉鋼筋面積As以及單位長度箍筋面積Asv/s,s為箍筋間距。當目標函數(shù)選為單位梁長的造價時，費用主要由混凝土費用、鋼筋和箍筋費用以及模板費用組成。由于模板為非一次性用材，可不考慮其對造價的影響，則目標函數(shù)C為

C=Ccb(h0+a0)+CsAs+2Csv(1)

式中，Cc為單位體積混凝土造價（CNY/m3）;Cs為單位體積縱向受力鋼筋的造價（CNY/m3）；Csv為單位體積箍筋的造價（CNY/m3）；為箍筋彎鉤長度；a0為混凝土保護層厚度。

由構造要求，取h0+a0h0，， 1.4 h0，則（1）式可簡化為 C=Ccbh0+CsAs+2.8Csvh0(2)

鋼筋混凝土梁應滿足正截面彎矩M的抗彎承載力和斜截面剪力V的抗剪承載力要求，由此可得

（3）

（4）

式中，為等效系數(shù)；ft、fc分別為混凝土抗拉和抗壓強度設計值；fy、fyv分別為縱筋和箍筋的抗拉強度設計值。將式（3）和式（4代入式（2）中，并去掉正截面彎矩承載力計算中的消極約束，即

以及后，原問題可轉化為標準幾何規(guī)劃問題。

幾何規(guī)劃最優(yōu)解

去掉消極約束的幾何規(guī)劃問題有兩種情況

當時，求b和h0,使得

（5）

約束條件為

（6）

式中，

為混凝土強度影響系數(shù)，為設防變量。

可見，上述幾何規(guī)劃問題有3個變量b、h0和x,存在兩個困難度，其對偶問題可寫成

約束為

（7）

式中為對偶變量，應滿足（8）

因為原問題大于零，所以取=+1，解方程組（7）得

（9）

設g=m/n，將對偶函數(shù)兩邊取對數(shù)，分別對、求偏導后，并令偏導數(shù)為零，可得

（10）

當能滿足0

（11）

原變量b,h0和對偶變量的關系為

（12）

解上述方程組，可得具有設防水平的最優(yōu)解為

(13)

通過數(shù)值分析表明，式（10）只適用于特殊情況，即剪力相對于彎矩較大時才有解（13），一般情況下，去掉消極約束,問題變成求b和h0,使得

（14）

約束為

（15）

式（15）的規(guī)劃解

（16）

（17）

極小化時的C值為C0,因為

則有

（18）

（19）

式（19）與式（13）形式相同，但和需分別按式（17）、式（18）和式（9），式（11）計算。

由于b/h0是在某范圍內變化的未知量，使得優(yōu)化問題含有部分模糊約束性質，通過轉換b/h0為，并給賦予有限個不同的離散值從而消除了模糊性質，使具有了工程上的設防水平概念，若依次取為，可得s個具有不同設防水平的優(yōu)化設計方案，從中可選出最優(yōu)解b*和h0*,亦即b*和h*,。

當V≤1.0ftbh0時，求b和h0,使得

(20)

約束條件為

（21）

式中

上述幾何規(guī)劃解為

（22）

式中，分別按式（16）、式（17）和式（18）計算，只需將式中m和n用代換即可。

算例

某一凈跨為3.3米的鋼筋混凝土矩形截面簡支梁，原設計截面為200mmX300mm,主筋為318，箍筋為雙肢6@200，現(xiàn)求造價為最小的優(yōu)化設計，該梁承受的均布恒荷載設計值為40.3kN/m(包括自重)，均布活荷載設計值為9.5kN/m，混凝土強度等級為C25(ft=1.27N/mm2, fc=11.9N/mm2,混凝土單價設定為275CNY/m3;箍筋采用I級鋼筋fyv=270N/mm2,,單價取為4250元/t；縱向受力鋼筋為II級鋼筋fy=300N/mm2,,,單價取為4250元/t

求得彎矩M=64mN.m剪力V=75.2kN，屬于V 1.0ftbh0情況。取，0.2,0.4,0.6,0.8,1.0，可得一組解b和h0,如表1所示，本組解考慮了目標函數(shù)所具有的模糊性質，并與模糊約束條件取一致的設防水平，分析表明可不比如此，

表1 b和h0,的解值

最優(yōu)解b*=198.9mm,h0*=498.9mm,取整后b=200mm,h=450mm,計算縱向受拉鋼筋As=498.4mm2,選用218（As=509mm2），計算箍筋用量ASV/s=0.52,選用雙肢6@130，利用本文優(yōu)化設計方法的最優(yōu)化設計比原設計降低造價約為14.7%。

4結 論

本文根據(jù)最優(yōu)化設計理論，將具有非線性性質優(yōu)化問題轉化成幾何規(guī)劃問題，通過幾何規(guī)劃解，導出了鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁截面高度h和截面寬度b的優(yōu)化設計計算公式。大量的實際算例計算結果分析表明：

梁的截面尺寸優(yōu)化主要取決于設計彎矩和材料的造價

設計剪力對截面尺寸的選取影響較小，只有當設計剪力與設計彎矩相比較大，即按式（10）計算出，能滿足0

本文建立的優(yōu)化設計方法所得出的計算公式概念簡單，便于計算、對實際設計有一定的參考價值。

參考文獻

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3 申建紅劉瑛宗力 鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁截面優(yōu)化確定，青島建筑工程學院學報2003 24（3）

第8篇：船舶優(yōu)化設計范文

關鍵詞：折疊式夾層板；船體結構；安全系能；設計方案

當船舶處于碰撞或是擱淺的狀態(tài)時，很容易損壞船體結構，降低船體的安全性能，給船舶后期正常的使用埋下重大的安全隱患。在此形勢影響下，很多研究者將如何增強船體結構的碰撞性作為主要的研究目的，對提高折疊式夾層板船體結構的穩(wěn)定性帶來了可靠的參考依據(jù)。由于船體結構耐撞性設計重點關注的是吸能單元作用下船舶結構的合理性，需要設計人員采取先進的方法設計出高效的吸能單元，為船體結構耐撞性的增強提供重要的保障。

一、FSP船體結構概念的設計

折疊式夾層板簡稱為FSP。相關的研究報告表明，這種材料在實際的應用中具有良好的耐撞性能，可以作為船體設計中重要的吸能單元。 折疊式夾層板的結構主要包括夾芯層結構和上下的蒙皮，通過膠接的方式將二者有效地連接起來，組成了質量可靠的結構。在實際的應用中，通過折疊工藝的作用，可以得到夾芯層結構。在具體的設計過程中，利用FSP的優(yōu)良特性，可以用它取代傳統(tǒng)船舶的縱骨，增強船體的耐撞性能。設計思路的具體內容主要包括：（1）為了節(jié)約生產成本，可以采取一定的方式除去外板的肋骨，設置為性能更好的折疊式夾芯層。這種材料的合理使用避免了船體結構焊接時變形現(xiàn)象的出現(xiàn)，減少了焊接工作量；（2）傳統(tǒng)的船體外板可以用抗壓性能優(yōu)越的夾層板上下蒙皮取代。這種特殊的材料具體使用中可以發(fā)揮出一定的吸能作用，減少了船體結構的安全隱患。這些內容體現(xiàn)了折疊式夾層板船體結構設計的整體思路。設計中技術人員應該對夾層板耐撞性能的關鍵參數(shù)進行必要地分析和計算，使得船體的縱骨與夾芯層的高度可以保持一致，保證船體結構設計的合理科學性。

二、FSP雙層船體結構中耐撞性設計

（一）碰撞的設計方案

選取高度較大的剛性球，撞擊預先準備好的原油輪側面，計算出被撞船遭受撞擊后的面積大小，明確具體的尺寸規(guī)格。為了使撞擊試驗的效果更加明顯，試驗數(shù)據(jù)具有一定的參考價值，可以選用排水量約為10000t的船體作為撞擊船，撞擊過程中的速度保持在每秒行駛10米左右。為了保證撞擊船結構的剛度，可以選用低碳鋼作為主要的原材料。試驗過程中技術人員除過計算出撞擊時重要的參數(shù)大小，也要充分考慮材料應變硬化產生的影響。在設計方案的制定和實施的過程中，為了保證碰撞試驗最終所得數(shù)據(jù)的真實有效性，相關的操作者應該對試驗進行中的相關材料特性進行深入地分析，確保這些材料在實際的使用中可以達到預期的效果。在碰撞試驗進行中操作人員應該嚴格遵守具體的操作流程，采取有效的方式處理好細節(jié)問題，為后期船體結構的優(yōu)化設計提供可靠的參考依據(jù)。同時，試驗過程中也需要制定和實施可靠的防護措施，避免安全事故的發(fā)生，保證試驗的順利完成。

（二）撞擊中相關技術指標的分析

利用相關計算機模擬軟件的作用，可以對試驗中船體結構經過撞擊后相關的技術指標進行深入地分析。這些技術指標主要包括：（1）損傷變形；（2）碰撞力。

試驗中船體結構經過一定外界作用力的碰撞后，通過對結構的損傷變形分析，可知這種變形量明顯的特征是集中在局部，即屬于試驗中選取的碰撞區(qū)域。同時，船體結構損傷變形模式主要為膜拉伸。這種拉伸作用對于船體不同結構部位產生的效果有所差異。呈現(xiàn)屈曲變形特點的結構主要為強框架；呈現(xiàn)膜拉伸變形特點的結構主要為船體的常規(guī)結構部位。

在計算機網絡參考模型分析的過程中，可知船體結構的碰撞力大小也能衡量FSP的安全性能。從FSP船體碰撞曲線的分析中可知：（1）所有碰撞曲線的大致走向基本相同，體現(xiàn)了不同階段的碰撞效果；（2）某些選定參考點的船體結構碰撞力較小，起始階段FSP結構的第一峰值碰撞力最大。同時，船體為FSP結構的碰撞力遠遠大于常規(guī)船體結構，客觀地體現(xiàn)了這種原材料的優(yōu)良特性。撞擊過程中相關技術指標的明確，可以為船體結構的優(yōu)化提供重要的參考信息。運用信息化技術構建可靠的參考模型過程中，操作人員應該對相關的仿真軟件測試系統(tǒng)有著充分地了解，以便所有的參數(shù)可以在規(guī)定的時間內測試完畢，保證后期工作的順利開展。

三、FSP單殼船體結構碰撞的設計

相對而言，單殼船體結構碰撞的過程及相關的參考模型構建比較簡單。碰撞方案設計中可以選用175000DWT的散貨船作為主要的研究對象，撞擊材料可選為剛度較大的帶球鼻船舶。利用信息化技術的優(yōu)勢，可知撞擊船體結構中產生的損傷變形效果非常明顯。主要體現(xiàn)在：（1）經過撞擊后船體側面呈橢圓形，船體結構損傷變形大；（2）隨著FSP船體結構剛度的增大，整個船體結構損傷變形的影響范圍也會相應地擴大，增強了結構的吸能；（3）不同船體結構產生的變形量有所區(qū)別。常規(guī)的船體結構主要的變形模式為撕裂和拉伸，而FSP結構碰撞過程中產生的變形模式比較多，主要包括夾芯層結構的壓皺屈曲、膜拉伸、撕裂變形。這些結構的組成部分，對于船體結構的碰撞設計起著至關重要的作用。設計人員只有充分地考慮碰撞試驗中相關結構變形的影響因素，才能增強設計方案的合理性和科學性。

通過對試驗中碰撞力―撞深關系曲線的分析，可知常規(guī)船體結構遭受撞擊后產生的效果在曲線上主要體現(xiàn)為：處于加載狀態(tài)的載荷波動大，碰撞力載荷一般。而通過對FSP結構曲線的分析，可知它具有明顯的平臺階段。這也客觀地體現(xiàn)了這種結構剛度大的優(yōu)勢，實際應用中可以承受住較大的碰撞力。同時，由于夾芯層的作用，保證了結構優(yōu)良的吸能特性。

結束語：

折疊式夾層板船體結構碰撞性的設計，需要對設計過程中的試驗效果進行深入地分析。根據(jù)相關計算機軟件的模擬作用，對結構的損傷變形、碰撞力、吸能等重要的參數(shù)做出有效地評估，增強設計方案的適用性。同時，F(xiàn)SP結構作為一種先進的耐撞結構形式，在實際的應用中具有良好的作用效果。處理好設計方案中存在的細節(jié)問題，可以優(yōu)化船體結構。

參考文獻：

[1]錢天龍，姜得志.基于夾層板的單殼船體結構耐撞性設計[J].中國水運（下半月），2013，（05）.

第9篇：船舶優(yōu)化設計范文

關鍵詞：環(huán)境影響;船舶;結構完整性;設計; 腐蝕

在船舶建造和維護階段來降低對環(huán)境影響是本文著重討論的方向，本文試著將通過船舶以下幾個方面進行解決：通過改善船體的方式來降低運行中油耗，進而減少對環(huán)境影響；優(yōu)化船體結構設計通過改善船體強度以及合理細分船室來防止燃油和危險品泄露；降低噪聲污染和振動，因為會影響到內部環(huán)境和外環(huán)境的質量；解決預防腐蝕和檢測腐蝕度問題；船舶設備的維護。

1、減少船體結構完整性的缺失對環(huán)境的影響

船舶意外事故及對海洋造成污染的原因，往往是由于碰撞或者擱淺致使船體結構完整性受到破壞。因此，在設計船體時候應考慮到這些方面：1.1、提高船體結構強度和吸引能力。1.2、要保證有充足的殘存強度以便在事故的救援中贏得更多的時間。1.3、如何預防海損中因船室破裂而引起的污染也是我們需要關注的焦點，尤其是噸位比較大的油輪以及其他特殊化學物品專用船。

目前的研究主要是通過簡化算法（運用于評估船舶在不同結果組裝形式下所能承受碰撞及擱淺的能力）的方式來提高船體強度和能量吸收能力。目前正在使用的有限元法全數(shù)值，通過模擬方式（船舶垂向運動擱淺模擬，撞擊運動模擬，和局部結構模擬）和試驗結果進行比較，得出有效的結果，凸顯了其重要性，這已經開始用于設計評估中，以便提高船舶碰撞和擱淺強度。

2、優(yōu)化船體結構減少油耗

船模實驗是船體構造優(yōu)化設計的基礎，尤其是拖模試驗是其重要一環(huán)。此外，目前運用流體動力學計算來進行船殼結構的優(yōu)化方法已經在船舶設計中得到實際運用。當然，這要求設計人員要有豐富的專業(yè)知識和判斷能力，同時需要我們在以下幾個方向做出努力

2.1、在穩(wěn)定性和粘性流體方面，改進流體動力學模型。

2.2、加快流體動力學模擬化的自動化進程，改進技術。

2.3、通過改善船體強度及細分船艙室來防止燃油和化學物品的泄露。

3、 降低噪音和振動

由于螺旋槳工作過程中周圍的流場環(huán)境不同引起空泡現(xiàn)象，進而產生噪聲和振動。所以，如何減小汽輪推薦系統(tǒng)的噪音是值得我們思考的問題。

3.1、設計出合適的船槳配合裝置，使其周圍的流場趨于平順可以降低噪聲和振動。

3.2、 在一定的流場中我們還可以通過設計新的槳葉來改善螺旋槳空泡現(xiàn)象，進而減少噪聲和振動。通過流體動力學并結合完善的模擬實驗技術運用流體可視化，來幫助改善船體設計中興波領域的問題。

3.3、使用全船的三維有限元模擬，以便在設計階段更好的對船體的振動水平作出一個準確的預測，這比噪聲預測水平要更先進些。

4、減少腐蝕對船舶的損害

除了前面提到的碰撞和擱淺，超載、斷裂外腐蝕也會損壞船舶結構的完整性，從而影響船舶的穩(wěn)定性。我們考慮：通過在設計階段規(guī)定附加的外板厚度以及防腐系統(tǒng)來解決。優(yōu)良的設計結構能在一定程度上減輕腐蝕度，但是在維修設計方面很少有人關注，如：留出適當空間為局部結構的檢修或者涂抹敷料提供方便，因此，在船舶防腐設計時就應該注意到該問題。

5、船舶的防腐與檢測

腐蝕是船體設計和維護中不得不面對的一個問題，否則它會在消弱船體功能同時也會引起環(huán)境污染，然而影響腐蝕的因素是多方面的，想把這些問題杜絕在設計階段是不現(xiàn)實的，所以在很大程度上是靠檢測和維護來消除腐蝕的，檢測的步驟在一定的程度上決定了應對腐蝕問題的有效性。

5.1、檢查貨物量，裝載量，壓艙物，腐蝕率等，同時還要作好鋼的溫度、腐蝕發(fā)生率的記錄。

5.2、需要檢查循環(huán)裝載和鋼結構的偏離對腐蝕程度的影響。

5.3、要考慮原油沖刷對腐蝕性及對鋼表面油墨的影響，同時還要研究不同種類的原油對設備的有效性影響。

5.4、為檢驗混合物和濕氣對腐蝕造成的影響，要對其包含的惰性氣體進行檢測。

6、 船舶設備的維護

船舶的設備維護與備用系統(tǒng)關系到環(huán)境問題，維護管理體系在整個安全體系中占有重要地位，通過對維護系統(tǒng)的不斷改進能有效降低成本，強化安全。

維護可分計劃維護和非計劃維護，非計劃維護囊括了事故發(fā)生時的維護和未預防到的事故的維護。預防性維護主要是維護船體和大型鋼結構架，安全消防器材，防污染和航行裝置，通信系統(tǒng)及垃圾處理和排放系統(tǒng)等等，通過采用新的維修材料來降低成本，增加實用性。

此外，還可以通過改進設計和組裝工藝來延長船舶壽命，以減少年報費量，進而實現(xiàn)環(huán)境保護和經濟效益的雙贏性。合理使用不同材料也能有效減輕其重量，尤其是高速船更為重要，需要我們注意的是：在還未對不同的材料進一步處理前，必須要分開儲存。

總之，世界經濟的發(fā)展肯定會帶動船舶制造業(yè)的發(fā)展，雖然從船舶的“生命周期”來看，船舶的全球化環(huán)境影響是發(fā)生產生在船舶運營階段，但是從當?shù)氐囊暯莵砜?，在船舶的建造、維修過程中對環(huán)境影響是比較大，值得我們關注。我們應該不斷的進行技術創(chuàng)新，提高船舶的技術含量和自動化水平，提高能源的利用率，使世界航運業(yè)也在一個良性、和諧的狀態(tài)下快速發(fā)展。

參考文獻

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[4]李傳昌.船舶污染途徑及預防措施. 水運技術.1999

[5]王德才. 曾令泉. 論防治船舶污染海洋環(huán)境. 中國水運 .2006. 08