摘 要

近年来，我国经济飞速发展，随之也产生的一些问题，其中环境问题越来越凸显。环境问题比如水质变坏，空气污染等等。我们需要从各方面来改善我们的环境。就船舶行业而言，现阶段普遍采用船舶轻量化技术，一方面可以降低材料的使用，另一方面还可以减少燃油的消耗，从而达到改善环境的目的。所以，越来越多的研究人员投身到船舶轻量化的研究中。

本文完成的主要内容：

（1）用Solidworks软件对油船的中间舱段进行建模，然后将构建好的三维模型导入到Hyperworks中，对其进行网格的划分，以便接下来的分析计算。

（2）计算模型的自由模态，分析其振动特性，然后施加边界条件以及载荷，计算舱段的应力，从计算结果可以看出，该舱段的应力应变没有超过规范的许用值，存在一定的优化空间。

（3）以纵舱壁和其强化构件的厚度为设计变量，约束条件以优化前最大应力值作为参考，从而确定约束条件，以中间舱段的质量为目标函数，从而建立优化模型。

（4）通过优化前后的自由模态及应力应变的比较，以及是否满足规范要求，来检验优化方案是否可行。通过对比，可知得到的优化方案是可行的。

经过优化设计后的舱段，其整个舱段的质量减轻了3.84%，利用有限元方法对优化后的舱段结构进行分析，结果表明，优化后的振动特性及应力应变均符合船舶建造规范，并且与优化之前的振动特性及应力应变相差不大。因此，可以使用该优化方法，来实现船舶轻量化的目的。

关键词：船舶舱段；轻量化设计；有限元；力学特性；尺寸优化。

Abstract

In recent years,China's economy has developed at a rapid pace,and some problems have arisen with it,and environmental problems have become more and more prominent.Environmental problems such as deterioration of water quality, air pollution, etc.We need to improve our environment in a variety of ways.As far as the shipbuilding industry is concerned,the lightweight design of ships is generally adopted at this stage.On the one hand, the use of materials can be reduced,and on the other hand, the consumption of fuel can be reduced, thereby achieving the purpose of improving the environment.Therefore,more and more researchers are devoted to the research of ship light weighting.

The main content of this article:

1. Modeling the middle section of the tanker with Solidworks software,then importing the constructed 3D model into Hyperworks,and then dividing the grid for subsequent analysis and calculation.
2. First calculate the free mode of the model,analyze its vibration,and then apply the boundary conditions and load.From the calculation results,it can be seen that the stress and strain of the section does not exceed the allowable value of the specification,so there is certain optimization. space.
3. Taking the thickness of the longitudinal bulkhead and its reinforced members as the design variables,the constraint conditions are taken as the reference for the maximum stress value before optimization,so as to determine the constraint conditions,and the quality of the intermediate section is taken as the objective function,so as to establish an optimization model.
4. It is tested whether the optimization scheme is feasible by comparing the free mode and stress strain before and after optimization and whether the specification is met.By comparison, it is known that the optimization scheme is feasible.

After the optimized treatment,the mass of the whole section is reduced by 3.84%,and the optimized structure of the section is analyzed by the finite element method.The results show that the optimized vibration characteristics and stress and strain are consistent with the ship construction.It is standardized and has little difference from the vibration characteristics and stress strain before optimization.Therefore,the optimization method can be used to achieve the purpose of light weighting the ship.

Key words:ship cabin;lightweight design;finite element;mechanical properties;size optimization.

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2船舶轻量化研究方法的分类 2

1.3船舶轻量化的研究现状 2

1.4主要进行的研究工作 3

第2章 船舶的力学特性分析 5

2.1船舶有限元静力分析 5

2.1.1船舶总纵强度 5

2.1.2有限元模型的确定 5

2.1.3网格的划分 5

2.1.4载荷分析 6

2.1.5边界条件 6

2.2 船舱的分析实例 7

2.2.1 船舶主要参数及尺寸 7

2.2.2网格划分 8

2.2.3舱段的自由模态 11

2.2.4施加边界条件以及载荷 15

2.2.5应力应变的计算 17

第3章 舱段的轻量化设计 21

3.1船舶轻量化的发展 21

3.2优化设计的数学模型 22

3.3舱段的数学模型 22

3.3.1设计变量 23

3.3.2定义响应 23

3.3.3模型的建立 23

3.3.4定义约束 24

3.4优化结果 24

3.4.1优化后的尺寸 24

3.4.2优化后的自由模态 25

3.4.3 优化后的应力应变 28

第4章 总结和展望 32

4.1总结 32

4.2展望 32

参考文献 33

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1978年，我国实行了改革开放，打开了通向世界的大门，与各国的经济贸易往来越来越频繁，比如进口原油，大豆，汽车等，中国向外出口玩具，服装与大型机械设备等。虽然船舶的运输速度慢，但是由于船舶是货物运输最为经济的运货方式，并且受到了政府的极大重视，也采取了各种的政策扶持，使得我国的船舶行业得到了迅速的发展。随着造船数量的不断增长，如今我国已经成为了世界第一造船国，包括民用船（邮轮，油船，杂货船，集装箱船等），军用船（航空母舰，巡洋舰，护卫舰，驱逐舰等）。如今我国又开始实施一代一路战略，这必将会让我国的船舶行业有更大的发展空间。

21世纪以来，全球经济发展迅速，而节能与环保成了世界人民所关注的热点。地球上的能源一些是可再生的，一些是不可再生的，所以我们如果还是以能源的消耗与环境的污染来达到经济增长的目的，最后必将导致经济的崩溃。因此我们必须要调整我国现有的经济结构，要坚持科学的、绿色的、可持续的发展观，使我国的经济实现又快又好的发展。随着我国经济全球化进程的不断加快，我国需要进口大量的能源以及及原材料，使得造船的数量不停的增加，燃油消耗量不断增加，增加污染排放，使得环境问题越来越严峻，所以为了实现在船舶行业上的节能减排，各国先后使用船舶轻量化的技术。

船舶轻量化主要有四个优点：

1. 减少钢材。船舶的结构大部分是钢材材料，采用船舶轻量化，一方面可以减少对钢材的使用量，另一方面还可以降低生产厂家的制造成本。
2. 减少石油的消耗。大部分船舶的运行原理是将石油的化学能转化为船舶的动能。随着船舶重量的增加，船舶所消耗的燃油也随之增加。可以通过采用船舶的轻量化的设计，来降低船舶的牵引消耗，从而减少对燃油的消耗。
3. 保护环境。燃油的主要成分是一些碳氢化合物的混合物，其中也含有少量的氮化物以及硫化物。燃油完全燃烧理论上只会产生水和二氧化碳，但是会由于油气混合不均，氧气不足或者燃烧条件过热等原因导致一些污染物的排放。污染物包括一氧化碳，碳氢化合物，氮氧化物，以及微粒PM，这些污染物会对人们的身体健康造成一定的危害。所以船舶通过轻量化设计可以起到环境保护的作用。
4. 提高船舶性能。船舶轻量化设计可以改善船舶的航行，加速，制动，转向等运动性能，从而改进了它的操作稳定性，并且还可以为降低其振动，噪声，使船员或者游客有一个相对舒适的环境。

现阶段，提出了绿色船舶的概念。绿色船舶是指采用相对先进技术在其设计、制造、营运到报废回收的整个过程中能够比较经济地满足其预定性能和功能，并且实现提高能源使用效率、减少甚至消除环境污染的船舶。显然，绿色造船是一个综合考虑资源利用效率和环境影响的现代的造船理念，绿色船舶是“节能减排、绿色环保、安全适居”的新型现代船舶。综合上面的描述，船舶轻量化能够起到降低制造成本，节约资源，提高船舶性能和保护环境的作用。

1.2船舶轻量化研究方法的分类

船舶的性能一般是指强度、速度、稳定性，经常用3-S一词代替。船舶轻量化是指减少材料的使用，但是同时满足其船舶的设计要求以及约束条件。目前所采用的船舶轻量化的手段大致分为四个方向，第一是对船舶进行独特的设计，让它在满足使用性能的前提下，经过设计一些特殊的结构，来减轻它的质量；第二材料上的轻量化，比如在上层建筑使用轻量化的金属，比如铝合金、高强度钢材、工程塑料或者蜂窝煤结构来达到轻量化的目的。第三结构上的轻量化，比如拓扑优化，在给定的设计区域内，寻找一种布局(如空洞的布局，有无空洞，结构连接形式或者个数等等)，是在其满足一定的约束条件的前提下，达到质量最轻的目标；第四是运用一些先进的制造技术，来达到轻量化的目的，现在已经投入使用的一些先进的制造技术（如气压和液压成形技术)可以减少零件的数目，并且还减少零件厚度，从而减轻船舶的重量。

在以上的四种轻量化的手段中，在船舶设计方面，不同用途的船舶会有其独特的设计，比如油船，一般会采用双层底结构，防止碰撞时产生漏泄，所以在船舶的用途已经确定的前提下，其船型的设计就很难做出很大的变化；在新材料的研究方面，有研发周期长投入的成本高等缺点，并且由于现阶段又没有合适的替代材料，会使研究的成本大大提高；在先进的制造技术方面会受到当前的科学技术发展不完备的限制；所以当今采用最多的也是最经济的一种方法是通过改变船舶的结构尺寸来达到轻量化的目的。

1.3船舶轻量化的研究现状

在船舶轻量化设计中，一些研究人员在船舶的独特设计上进行优化实验，一些研究人员在船舶的选材上对其进行优化，还有一部分对船舶进行尺寸优化设计。

（1）在船舶的独特设计上进行优化，邓乐和杨赵华等人根据各种多体船资料，对三体船的客轮渡进行了结构上的初步设计，并且根据它的特点做了相关的有限元校核，同时还对连接桥的结构形式进行了比较分析，最后的结果表明，其他的两种形式没有该船的密加筋，连接桥结构形式性能优异。

（2）在选用轻量化材料上进行优化，韩志强提出可以导出碳纤维层板最佳纤维含量的设计方法，从而实现了船用碳纤维层板的轻量化设计。他所采用的模型是11m碳纤维警备艇，以此为例进行轻量化的研究，结果表明：在满足国际标准结构安全性的前提下，船体外板的质量减少了12.5%。并且通过国际标准总纵强度校核的方式，确认该轻量化方法具有可行性。

（3）在尺寸优化方面，张会新利用形状优化和尺寸优化对船舶船底的板架做优化，在一定在约束条件下，相比于之前的结构重量，减轻了15.82%。

张群站以集装箱船作为其研究的模型，将集装箱船中剖面中的构件尺寸当做模型的设计变量，以集装箱船的质量最小作为研究的目标函数，以船舶建造规范要求建立相应的约束条件，并且运用蚁群算法对集装箱船进行结构尺寸优化，经过优化后的模型质量比优化之前的设计质量减少了17.08%。

刘学涛也以集装箱船作为其研究的模型，并且对集装箱船的中剖面作轻量化设计。将影响船舶质量的因素作为其模型的设计变量，并且通过钢制海船入级与建造规范，建立相应模型的约束条件，也就是将应力不超过规范的最高强度限制作为模型的约束条件，将该研究对象质量最轻作为其目标函数，对该集装箱的舱段进行了优化计算，结果表明，该结构的质量比之前减少了17.2%。

李仲伟等人以1500吨的双体船船作为研究的模型，直接使用集成软件对研究模型进行轻量化设计。他首先用建模软件完成对该研究模型的三维建模，然后利用分析软件将船舶规范中的最大规范应力值作为模型的约束条件，以质量最轻作为模型的目标函数，最后对其进行优化计算。结果也表明，优化后的双体船重量达到了最轻。

朱稣骥以一艘超大型油船作为研究的模型，并对模型的典型中横剖面进行轻量化设计。根据双壳油船共同规范作为模型强度校核的依据，从而对优化模型施加约束，之后选取396个变量作为优化的设计变量，并且采用了遗传算法对其进行了优化设计，优化之后的油船中横剖面的面积降低了2.6%，实现了轻量化的目的。

Dgkarr选取双层油船为研究模型，选择双层油船中间舱段构件的尺寸作为设计变量，以船舶建造规范规定的最小剖面模数、最小甲板厚度及许用应力作为优化模型的约束条件，将结构质量最轻作为其目标函数，并采用罚函数对其进行优化设计，从而实现了该模型轻量化的目的。

Ehler,S运用智能搜索算法粒子群算法对船舶进行轻量化的分析，该算法是针对液化天然气船在碰撞时，对船体的高强度钢材的使用效率做优化分析，并且选取了采用高强度钢的材料的船舶作为研究的对象。该算法的优点是提高了碰撞性非线性计算的速度，以此最终达到优化计算分析的目的。

1.4主要进行的研究工作

所研究的对象是在近海航区航向的长度为101.6m的大型油船。一般对整个货油舱段或者全船进行有限元分析能准确的反映油船结构的受力情况的，但是对整个货油舱段或者全船的建模耗费的时间长，计算量也很大。根据实践应用表明，将船中的附近舱段单独隔离出来，并对其进行有限元的建模分析，是可以较为准确的反映其结构的应力分布状态的。因为无论在任何的装载情况或者波浪的条件下，其船中间的部位是受力最为严重的。所以本课题选取该油船中间的一个舱段为研究的模型，主要进行了以下几个方面的工作：

（1）模型的建立。使用Solidworks对该油船的中间舱段建立三维立体模型，然后将三维模型导入Hypermesh软件中，首先对其进行几何清理，然后对各个部位单独进行网格划分。

（2）有限元静力学分析。对该舱段先进行自由模态的计算，一方面可以分析它的振动情况，另一方面又可以验证网格质量如何。然后对该研究模型施加边界条件以及相应的载荷，进行有限元静力学分析。

（3）优化处理。选取质量最小作为优化模型的目标函数，将船外壳厚度，每个L,T型材，以及各种加强筋作为设计变量，将应力和应变作为优化模型的约束条件，进行优化。将之前的舱段各个部位的尺寸参数修改为优化之后的尺寸，然后进行静力学分析，检验优化后的舱段是否满足油船建造规范。

第2章 船舶的力学特性分析

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