基于響應(yīng)面法的船舶結(jié)構(gòu)輕量化研究.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟(jì)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(yán)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(yùn)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(hù)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(jié)構(gòu)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(jìn)行結(jié)構(gòu)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(jìn)行一次有限元分析，計算效率低;通過

2、構(gòu)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(yīng)面法引入到船舶結(jié)構(gòu)輕量化研究中，結(jié)合有限元法、響應(yīng)面法、設(shè)計規(guī)范以及優(yōu)化方法，對貨船的船艙進(jìn)行了結(jié)構(gòu)輕量化研究。完成的主要工作如下:
　　(1)在總結(jié)國內(nèi)外船舶輕量化研究的基礎(chǔ)上，將響應(yīng)面法、有限元法、設(shè)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(jìn)行了艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算，得到了船艙各構(gòu)件的最大等效應(yīng)力和剪應(yīng)力數(shù)值，并且得到了船艙的等效應(yīng)力云圖和剪應(yīng)力云圖，分析結(jié)果表明船艙的最大等效應(yīng)力和剪應(yīng)力均出現(xiàn)在角隅處，但沒有超過規(guī)范規(guī)定的許用應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(yīng)力云圖。結(jié)果表明船艙的前三階振型分別為2節(jié)點(diǎn)垂向彎曲振動、扭轉(zhuǎn)振動和3節(jié)點(diǎn)垂向彎曲振動，并且前三階固有頻率均遠(yuǎn)離主機(jī)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(yīng)力、最大剪應(yīng)力

5、、第1階振動（垂向彎曲振動）頻率、第2階振動（扭轉(zhuǎn)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(gòu)件的靈敏度，選出了對應(yīng)于若干個大靈敏度的7組構(gòu)件厚度參數(shù)作為構(gòu)造響應(yīng)面函數(shù)的設(shè)計變量。
　　(5)利用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計方法安排試驗(yàn)，然后按照試驗(yàn)方案進(jìn)行有限元分析獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)造了船艙等效應(yīng)力響應(yīng)面函數(shù)、剪應(yīng)力響應(yīng)面函數(shù)、第1階振動（垂向彎曲振動）頻率響應(yīng)面函數(shù)、第2階振動（扭轉(zhuǎn)振動）頻率響

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