基于響應面法的船舶結構輕量化研究.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，環(huán)境問題日益凸顯，近年來更是出現(xiàn)了嚴重的霧霾天氣，呼吸新鮮空氣都變成了一種奢望。船舶作為主要的交通運輸工具之一，減輕船舶重量便能減少耗油量和污染物的排放量，從而起到保護環(huán)境的作用，因此船舶輕量化研究越來越受到研究人員的重視。
　　目前在船舶結構輕量化的研究中主要有兩種方法:規(guī)范法和直接計算法。規(guī)范法只利用規(guī)范進行結構優(yōu)化，計算精度較低;依靠集成軟件的直接計算法每次迭代都要進行一次有限元分析，計算效率低;通過

2、構造函數(shù)的直接計算法可以提高計算精度和效率，但現(xiàn)有的研究中只考慮了船舶的靜態(tài)特性，沒有將船舶動態(tài)特性考慮在內(nèi)。因此，在同時考慮船舶靜態(tài)和動態(tài)特性的情況下，將響應面法引入到船舶結構輕量化研究中，結合有限元法、響應面法、設計規(guī)范以及優(yōu)化方法，對貨船的船艙進行了結構輕量化研究。完成的主要工作如下:
　　(1)在總結國內(nèi)外船舶輕量化研究的基礎上，將響應面法、有限元法、設計規(guī)范以及優(yōu)化方法加以融合，制定了具體的船舶輕量化研究方案。
　

3、　(2)針對50m貨船的船艙，建立了船艙的三維有限元模型，計算了在最危險工況下船艙所受的端面彎矩、舷外水壓力和貨物載荷。對船舶進行了艙段結構強度計算，得到了船艙各構件的最大等效應力和剪應力數(shù)值，并且得到了船艙的等效應力云圖和剪應力云圖，分析結果表明船艙的最大等效應力和剪應力均出現(xiàn)在角隅處，但沒有超過規(guī)范規(guī)定的許用應力，有一定的優(yōu)化空間。
　　(3)采用劉易斯法對船舶附連水質(zhì)量進行了計算，得到了第1階垂向彎曲振動附連水質(zhì)量、第2階垂

4、向彎曲振動附連水質(zhì)量以及第1階水平彎曲振動附連水質(zhì)量。采用船舶雜交有限元模型（船頭和船尾采用一維模型，船艙采用三維模型），并施加附連水質(zhì)量后對船舶船艙進行了模態(tài)分析，得到了船艙的前三階的固有頻率、振型和模態(tài)應力云圖。結果表明船艙的前三階振型分別為2節(jié)點垂向彎曲振動、扭轉振動和3節(jié)點垂向彎曲振動，并且前三階固有頻率均遠離主機和螺旋槳的工作頻率，避免了船舶發(fā)生共振。
　　(4)利用參數(shù)靈敏度分析方法，分析了船艙最大等效應力、最大剪應力

5、、第1階振動（垂向彎曲振動）頻率、第2階振動（扭轉振動）頻率和第3階振動（垂向彎曲振動）頻率船艙相對于15組構件的靈敏度，選出了對應于若干個大靈敏度的7組構件厚度參數(shù)作為構造響應面函數(shù)的設計變量。
　　(5)利用Box-Behnken試驗設計方法安排試驗，然后按照試驗方案進行有限元分析獲取試驗數(shù)據(jù)，以試驗數(shù)據(jù)為基礎構造了船艙等效應力響應面函數(shù)、剪應力響應面函數(shù)、第1階振動（垂向彎曲振動）頻率響應面函數(shù)、第2階振動（扭轉振動）頻率響

6、應面函數(shù)和第3階振動（垂向彎曲振動）頻率響應面函數(shù)。用相關系數(shù)、校正系數(shù)、變異系數(shù)等對這5種響應面函數(shù)進行擬合度檢驗，檢驗結果表明響應面模型和實物模型的逼近度很高。此外，隨機抽取樣本作為響應面函數(shù)的檢驗樣本，將響應面函數(shù)計算的結果與有限元計算的結果進行了對比，結果表明構造的5種響應面模型的精確度較高，能很好地反映試驗值。
　　(6)以船舶規(guī)范規(guī)定的構件最小尺寸作為尺寸約束條件，以規(guī)范對應力和頻率的要求作為船舶性能的約束條件，以船舶