HyperWorks在船舶甲板支撑结构设计中的应用（周维星）
周维星 徐峰 徐帅 朱眀罡
中国舰船研究设计中 湖北武汉 430064
摘要 :文章应用 HyperWorks 软件评估了液压折臂吊下甲板支撑构件的强度，并进一步应用OptiStruct 模块对液压折臂吊下的船舶甲板支撑结构进行了尺寸优化设计。优化过程中将甲板支撑构件尺寸参数作为变量，将中国船级社规范中规定的许用应力指标作为约束，将支撑结构总质量最小作为优化目标， 最终得到了满足规范要求的甲板支撑构件最优尺寸。
关键词：船舶结构， 尺寸优化， HyperWorks
1 引言
近年来，民船大型化，功能多样化已成为一种趋势。在船舶设计过程中，船体局部结构有限元强度计算任务较以往有所增加。设计部门需对船级社规范指定的结构，进行有限元强度计算，确保该结构应力符合规范要求，并编制好计算报告书送船级社审核。
在规范指定进行有限元强度校核的构件中，甲板设备支撑结构占了很大比重。其中，典型的甲板设备主要有锚机、起重机、吊杆、起重柱、系缆桩、导缆器和应急拖带装置等。按规范要求液压折臂吊属起重机吊杆一类，需进行支撑结构强度校核。本文以液压折臂吊为例，说明 HyperWorks 在船舶结构强度计算中的具体应用。
通常，在进行强度校核计算前，甲板支撑结构的构件尺寸已初步确定。构件尺寸的初始值是根据整条船的结构规范计算书得来的，这些尺寸主要是基于船舶种类、主尺度、骨架形式等全船性的参数根据规范计算出来的，没有考虑其上布置甲板设备带来的载荷。在以往的计算中，通常先校核构件初始尺寸的强度，如不满足规范满求，则逐步增大构件尺寸，直至满足规范要求。本文使用 HyperWorks 软件的优化功能，完成船舶甲板结构支撑构件的尺寸优化设计。该方法相对以往方法更加方便，在很大程度上提高了工作效率，通过将质量最小作为优化目标，得到的构件尺寸也更加合理。
2 有限元计算模型
在三维笛卡尔坐标系中建立液压折臂吊支撑结构舱段三维有限元计算模型。船长方向为X 轴，正方向由船尾指向船首； 船宽方向为 Y 轴，正方向由右舷指向左舷； 型深方向为 Z轴，正方向由基线指向甲板。规范要求计算模型采用局部立体结构模型，以液压折臂吊有效作用平面矩形的形心为中心， 向四周分别扩展至少一倍的该矩形相对应的长、宽距离，垂向应从液压折臂吊基座面扩展至甲板之下的第一个平台甲板或至少 D/4 处（D 为型深）。且应保证有限元计算模型范围延伸至结构主要支撑构件上。计算中将甲板纵桁、强横梁、强肋骨等强构件的腹板、主甲板板、舷侧板用壳单元离散；将甲板纵桁、强横梁、强肋骨等强构件的面板用梁单元离散；将甲板纵骨、舷侧纵骨及舱壁扶强材用梁单元离散。模型中位移单位为 mm，应力单位为 MPa。
船体材料主要采用屈服极限 235MPa 的 B 级船用结构钢，弹性模量 E=2 .06 × 105 N/mm2 ，泊松比 μ=0.3 。基于 HyperMesh 建立的液压折臂吊支撑结构舱段三维有限元计算模型见图 1。
a)俯视图 b)仰视图
图 1 液压折臂吊支撑结构舱段有限元模型
3 初始尺寸强度校核
首先，针对液压折臂吊下甲板支撑结构初始尺寸进行强度校核。设计中将吊机布置在甲板强横梁和纵桁的交汇出，根据船体规范计算书算得的甲板强构件初始尺寸为：T 型材腹板9mm ，T 型材面板为 12x120 的扁钢。
3.1 载荷条件
根据规范要求，计算中主要考虑吊机的最大倾覆力矩、安全工作载荷和吊机自重三个方面的载荷。
1）吊机最大倾覆力矩：
“规范 ”中给出，倾覆力矩系指起重设备在安全载荷下作业，起重设备与船体结构连接处所计算得出的最大弯矩，本计算中折臂吊最大动弯矩为 308.2kN.m。
2）安全工作载荷：
安全工作载荷系指在任何规定的变幅长度范围内，起重机可起升的最大载荷。本吊机由设备商提供的安全工作载荷为 4t。根据“规范 ”，对于近海作业的起重设备，附加于起重设备自重的 150%安全工作载荷应进行校核，所以计算中安全工作载荷取6t。
3）液压折臂吊自重：
本船液压折臂吊自重为 2.38t。
3.2 边界条件
模型两端剖面各节点施加简支边界条件， 约束 x、y、z 方向线位移；模型下边界（包括主甲板以下 1.8m 处舷侧外板、肋骨以及支柱）施加简支边界条件，约束 x、y 、z 方向线位移；中纵剖面主甲板施加简支边界条件，约束 x、y、z 方向线位移。
3.3 分析结果
应用 HyperWorks 软件 RADIOSS 求解器进行计算，图2 给出了支撑结构初始尺寸下的应力云图。
a)Mises 应力云图 b) 剪切应力云图
c)梁单元正应力云图
图 2 初始尺寸强度校核结果
根据规范，构件的许用应力见表 1 。通过应力云图可见，吊机下甲板强横梁的腹板剪应力最大值为 95MPa，面板的正应力最大值为 224MPa，均不满足规范规定的许用应力值，需对吊机支撑结构进行加强。
其中：σS 为材料屈服应力。
4 优化分析
通过计算发现吊机载荷作用下，高应力区域集中出现在吊机下甲板交叉的强横梁和纵桁上，因此仅将 T 型材腹板厚度、T 型材面板宽度和面板厚度三个尺寸作为变量对支撑结构进行优化。考虑到工程实际，将各变量定义为离散型，如表 2。
在定义变量之后，指定响应作为优化约束条件和目标函数。针对本次研究，目标函数设置为甲板支撑结构质量最小； 约束条件为各应力分量不超过规范规定的许用值，表 3 给出了优化分析中约束的具体定义。
通过 OptiStruct 求解，最终优化结果为 T 型材腹板厚度 12mm ，T 型材面板厚度为17mm,T 型材面板宽度为 140mm。此时，液压折臂吊下甲板支撑结构应力云图如图 3。可见，优化尺寸后支撑结构的最大剪应力为 72.7MPa，最大正应力为 156.5Mpa 均满足了规范规定的许用值。此时，结构正应力值已经十分接近许用应力值，说明通过优化分析，我们得到了满足规范要求的最合理结构尺寸，使材料得到充分的利用， 节约了成本。
a)支撑结构剪切应力云图 b)支撑结构正应力云图
图 3 进行尺寸优化后结构的应力云图
5 结论
本文以液压折臂吊下甲板支撑结构为优化对象，采用 HyperWorks 软件进行强度评估并完成了优化分析，获得了满足船舶规范要求的结构最优尺寸。相对以往方法，该方法更加科学方便，获得的结构尺寸也更加合理。 除了船体结构强度方面，在船体振动、冲击响应等方向，还可以将该方法进行进一步推广应用，这也是本文作者下一步的研究内容。
HyperWorks Application in the Design of the Supporting Structure of the Ship Deck
Zhou Weixing Xu Feng Xu Shuai Zhu Minggang
Abstract: This paper shows the application of HyperWorks software in evaluating the strength of the supporting structure of hydraulic folding arm, and the application of OptiStruct module in the optimization of it. Taking deck support structure size as design variable, allowed stress as constraint, minimize the total mass. Finally get an optimal size.
Keywords: Ship Structure Size Optimization HyperWorks
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