多开口甲板板架结构极限承载力实验研究

[目的]为了研究多开口结构形式对甲板板架结构极限承载能力的影响,[方法]以2种不同开口形式的双层板架模型为研究对象,对其在轴向压缩载荷作用下的极限承载能力进行实验研究,对比分析双开口甲板结构和舷侧开口板架结构的失稳破坏模式及极限承载能力,得到多开口甲板板架结构在逐步崩溃过程中甲板各处应力的变化规律。[结果]实验结果表明:开口角隅处应力集中现象明显,随着轴向压缩载荷逐渐增大,开口中部甲板应力急剧上升,多开口结构最终均在最大开口的中部发生失稳破坏;甲板开口尺寸对结构初始轴向刚度的影响显著,舷侧开口结构则在弹塑性变形阶段对极限承载力的影响占主导地位。[结论]所提实验研究方法及结果可为此类甲板结构的设计提供参考。     

船舶舵机基座轻量化设计

[目的]研究将结构优化设计方法运用于船舶基座轻量化设计的流程及其效果。[方法]选用船舶常用舵机基座为研究对象,利用结构优化软件Hyperworks建立模型并进行优化设计。分析板厚对应力的灵敏度,通过将整体式基座改为柱状式基座并辅以尺寸优化以及拓扑优化手段,获取更为合理的基座形状、板厚分布以及减轻孔位置,从而最终获得最大的轻量化效果。[结果]结果表明:将整体式基座改为柱状式基座,能使该型基座减重12.61%;进一步进行尺寸优化后,该型基座取得了36.6%的减重效果;进行更进一步的拓扑优化后,该型基座更是取得了减重37.7%的显著效果。[结论]所提的轻量化设计流程和方法能为船舶辅助装置实际工程中的轻量化设计提供参考和思路。     

矩形耐压舱预应力支柱优化设计

[目的]为有效降低矩形耐压舱顶甲板的弯曲应力,[方法]提出在耐压舱内部设置预应力支柱。首先,给出支柱布局及尺寸已定的情况,以支柱预应力为设计变量,顶甲板板架弯曲应力为目标函数,建立考虑支柱应力约束的支柱预应力最优配置数学模型;然后,进一步将支柱位置作为设计变量,进行支柱布局及其预应力配置优化设计;最后,在预应力优化结果的基础上提出一种降低支柱结构重量的设计思路。[结果]优化结果表明,合理配置支柱的预应力,在支柱重量不增加的前提下顶甲板板架弯曲应力值降低了21.6%;进一步优化后,最终的支柱优化设计方案使顶甲板板架弯曲应力进一步降低了16.0%。[结论]研究结果可为类似结构设计提供方法参考和设计借鉴。     

极地邮轮甲板结构的冗余度分析

按照国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)对船舶结构冗余度的要求,基于加筋板损伤假定,提出一种邮轮甲板结构冗余度验证方法,包括邮轮甲板结构冗余度准则、损伤假定、载荷情形和非线性有限元分析等内容。采用该方法对不同上层建筑参与度下极地邮轮甲板结构的冗余度进行验算。计算结果符合法国船级社《Rules for the Classification of Steel Ships》的加筋板屈曲失效准则,邮轮甲板结构能满足冗余度要求,即“任何加筋结构构件的局部损伤(如局部永久变形、断裂或焊缝失效)不会立即导致整个加筋板格垮塌”。该研究可供邮轮的结构冗余度设计参考。     

邮轮典型开孔高腹板板架结构极限强度分析

[目的]开孔高腹板板架结构是在大型邮轮上层建筑中广泛使用的一类特殊结构,为建立此类结构的设计方法,需充分掌握大型邮轮上层建筑典型开孔高腹板板架结构的力学特性。[方法]综合运用经典加筋板理论与非线性有限元方法,分析甲板初始缺陷、纵桁规格、腹板开孔对板架纵向受压极限承载能力的影响规律。[结果]发现薄板板架对于初始缺陷更为敏感且不同于厚板板架的初始变形模式,纵桁对纵压极限能力贡献度较大,纵压极限承载能力对开孔比例、开孔形状敏感性较低,开孔位置决定崩溃破坏屈曲带的位置,进而揭示了开孔高腹板板架的破坏失效模式。[结论]所得甲板初始缺陷、纵桁几何尺寸、腹板开孔诸因素对开孔高腹板板架极限强度的影响规律,可为邮轮结构轻量化设计及安全性评估提供指导。     

基于子模型分解的船舶舱段结构代理模型协同优化方法

[目的]为解决船舶舱段结构优化设计参数众多、计算耗时的难题,提出一种基于子模型分解的舱段结构代理模型协同优化方法。[方法]每次选择一个板架,根据当前舱段方案的有限元模型建立板架结构子模型,基于子模型构建板架结构响应的代理模型并进行优化,得到板架优化解后更新舱段模型,再进行下一个板架的优化,如此迭代,直到完成一轮或多轮包含所有板架的协同优化后停止。最后对舱段结构尺寸进行小范围调整,得到最终优化解。[结果]某船舶舱段结构优化结果显示,与从整体优化角度出发的基于降维代理模型的舱段结构优化方法相比,在相当计算成本下,所提方法的优化结果重量进一步减小了2.86%,最终实现结构减重4.96%。[结论]所提方法的优化效果较好,在高维船体结构优化问题上具有较好的应用价值。     

船舶甲板结构稳定性试验及改进设计

为研究具有大开口甲板板架结构的稳定性问题,本文设计了含大开口结构的甲板板架模型,开展了其轴向受压稳定性实验,并采用非线性有限元软件Abaqus对该模型的屈曲破坏过程进行数值仿真计算,试验结果与数值仿真结果吻合较好。在此基础上,根据甲板结构屈曲失效的诱因,设计5种改进设计方案,并使用经试验验证的有限元仿真计算方法对各种改进方案进行分析,选出最佳方案。本文工作为船舶甲板结构稳定性设计提供了一定的参考依据。     

基于改进粒子群算法的大开口甲板板架轻量化设计

船舶甲板板架是船体结构的主要组成部分,如何减轻其结构重量是船体结构设计中最为关注的问题之一。本文根据典型甲板结构特点并结合工程经验提出带支柱大开口甲板板架结构轻量化设计数学模型,针对粒子群算法在寻优过程中存在的容易陷入局部极小、收敛速度慢等缺点,结合粒子在实际寻找食物的过程中,大部分可以飞到其预期的最佳位置,而少数粒子由于受不确定因素影响,发生飞行偏离,提出一种改进粒子群算法。基于改进的粒子群优化算法和ANSYS参数化建模技术完成了典型甲板板架结构在强度约束条件和稳定性约束条件下的轻量化设计,获得了最优设计方案。     

内压下矩形耐压舱内部结构优化设计

[目的]为有效降低内压下矩形耐压舱板架弯曲应力,[方法]分别提出内压下矩形耐压舱内部平台位置和支柱布局以及尺寸优化设计数学模型。以内部平台垂向位置作为设计变量,极小化横纵舱壁结构的最大弯曲应力,采用遗传算法求解,得到最优的内部平台布置位置,其优化结果接近垂向均布。支柱设计采用分级优化设计方法,先以等刚度支柱位置作为设计变量,极小化顶甲板结构的最大弯曲应力,分别得到不同支柱数量下的最优布局方案;然后依据应力约束条件选取支柱数量及布局,在此基础上进一步以支柱截面尺寸作为设计变量,以基础优化方案的重量作为约束,极小化顶甲板结构的最大弯曲应力,得到不等刚度支柱最优截面尺寸。[结果]其优化结果显示偏中心区域支柱截面积更大。最终优化设计方案较初始方案,横舱壁、纵舱壁和顶甲板弯曲应力分别降低了28.3%,25.7%和13.9%。[结论]本优化设计方法可为类似结构设计提供方法参考和设计借鉴。     

基于舱段模型的大开口甲板结构稳定性分析与设计

针对某大开口舱段结构,采用有限元方法（FEM）对比分析3种计算模型位移载荷作用下第1层甲板纵骨轴向应力的分布.计算结果表明,该应力分布存在较大程度的不均匀性,采用双层板架模型或立体舱段模型能获得较准确的纵骨轴向应力分布.同时,分析2种基于稳定性要求的大开口甲板纵骨设计理念的优劣.为合理利用结构材料,均衡各区域纵骨的稳定性储备,建议在设计甲板纵骨时要考虑大开口甲板纵骨轴向应力分布的不均匀性.     

大型邮轮甲板变高梁的应用分析

针对大型邮轮甲板结构设计中的变高梁的结构形式,以大型邮轮居住舱室局部甲板平台为例,采用有限元分析软件及参数化建模工具对普通强梁板架及局部变高梁板架进行强度分析,结果表明,在保证局部强梁剖面模数的条件下,采用变高梁设计的板架结构在强梁附近的弯曲应力比普通强梁板架的局部应力小,能够满足强度要求,对变高梁在大型邮轮中不同场景下的布置应用进行探讨。     

基于精细网格模型的邮轮人员疏散模拟及实验验证北大核心CSCD

[目的]人员撤离分析是邮轮设计和安全评估中的重要内容,为相对精确地模拟邮轮上的人员疏散行为和规律,提出一种基于精细网格的邮轮人员疏散仿真模型。[方法]首先,为刻画邮轮的内部空间结构,将甲板内部区域划分为0.1 m×0.1 m的基本二维网格点,并定义目标区域和功能处所区域这2类特殊区域;然后,引入行人期望运动方向和运动趋向性参数,建立自由选择最短路径和指定最短路径这2种人员运动规则;最后,以欧盟Safeguard项目的邮轮疏散实验为案例进行仿真分析。[结果]对比结果表明:所建立的人员疏散模型满足ERD,EPC,SC,TAT%等4项模型验证指标的衡准要求;与实验数据对比,全船总撤离时间、各集合站撤离时间的模拟结果与实验结果基本一致,其中全船撤离时间的相对误差为4.9%;与商用软件EXODUS的模拟结果相比,所建立模型的计算结果更契合实验数据。[结论]该人员疏散模型满足邮轮人员撤离分析要求,可为邮轮脱险通道的设计布置以及人员撤离方案的制定和优化提供支持。     

舰载机典型调运方案推演与时序优化

[目的]为提高舰载机甲板调运效率,开展舰载机调运路径与时序的快速规划研究。[方法]建立一种基于网络拓扑结构的调运路径快速规划方法,引入舰载机运动模型和轨迹跟踪控制方法,建立仿真推演模型。以典型出动回收作业为例探讨舰载机调运约束条件、调运原则以及优化目标,提出一种调运时序快速优化方法。[结果]仿真推演结果显示,优化算法可提高多台弹射器作业进程的并行度,优化后的调运方案与1997年美军高强度演习数据接近。[结论]运用所提出的方法可快速获得真实合理的舰载机甲板调运方案,对于舰载机出动回收能力研究、调运方案辅助决策具有参考价值。     

搁置脚载荷作用下的甲板压力分布特征实验和数值分析

[目的]船舶上装载物的搁置脚与甲板之间存在着复杂的接触关系,不能简单地将搁置脚载荷视作均布载荷来处理。为探讨在搁置脚载荷作用下船舶甲板结构的压力分布,[方法]以某大型装备的搁置脚为例,首先采用有限元方法对其进行非线性接触数值计算,并分析在甲板板上的压力分布特征。然后,通过实验验证搁置架与甲板的接触力分布规律,并在此基础上提出一种运用等效轮印载荷代替搁置脚载荷的简化计算方法,以此将复杂的非线性接触计算转化为线弹性计算。[结果]结果表明,搁置脚与甲板之间的接触力主要分布在强横梁处和搁置脚前端,其中搁置脚前端的接触力使甲板板具有较大应力,该应力约占总载荷的25%;实验结果与数值计算结果吻合较好。[结论]所提简化计算方法对此类甲板设计及强度计算具有较好的实用性。     

船舶甲板结构稳定性实验与数值仿真研究

为了研究具有大开口甲板板架结构的稳定性问题,本文设计了含大开口的甲板板架模型,开展了其轴向受压稳定性实验,并采用非线性有限元软件ABAQUS对该模型的屈曲破坏过程进行了数值仿真计算,试验结果与数值仿真结果吻合较好.在此基础上,分析了导致结构屈曲失效的主要因素,为船舶甲板结构稳定性设计提供了参考依据.     

大型邮轮泳池系统设计技术

泳池系统作为邮轮上重要的休闲娱乐设施,需要根据大型邮轮内部空间、给排水方式以及相关辅助系统的布置模式进行系统结构设计以满足邮轮上的正常使用需求.依据相关设计规范对泳池给排水系统以及水循环系统进行研究,以某大型邮轮为例,分析邮轮泳池的系统组成与工作原理,并对泳池系统相关设计参数进行计算,为大型邮轮泳池系统的设计提供参考.     

邮轮泳池水的循环方式对比分析

泳池是邮轮休闲娱乐设施的重要组成部分,泳池水的循环方式是影响水质均匀的重要因素。通过对顺流式、逆流式和混流式3种主流泳池水循环方式的优缺点进行收集分析,结合邮轮对泳池水循环方式的特殊要求进行综合评价与比选,推荐VISTA级大型邮轮采用逆流回水、顺流给水的泳池水循环方式,以提高泳池水循环效率。     

考虑跨洋特征及碎冰对快速性影响的极地探险邮轮型线优化

[目的]全球减碳背景下,为应对极地船舶设计建造的环保要求,需开展跨洋航行时碎冰水域对极地探险邮轮船体型线优化设计的影响规律研究,以获得最佳节能型线。[方法]针对极地探险邮轮的跨洋航行特征,采用航区权重方法进行量化评估,分析碎冰对阻力和推进效率的影响。应用计算流体力学耦合离散元法（CFD-DEM）来分析螺旋桨的碎冰水域性能,建立以联合自航功率为目标的优化模型,进而对全船参数化模型开展设计航速下的优化计算。[结果]计算结果表明,优化后的船型可以满足排水量要求,有效降低了2种水域下的航行功率,其联合自航功率降低了9.71%。[结论]研究成果验证了基于权重优化方法的可行性和合理性,可为极地探险邮轮的型线和推进器优化设计提供参考。     

邮轮模块化铝制阳台的结构设计与评估

为提高邮轮舾装国产化配套率,基于一艘总吨位5万的中型邮轮,结合船级社的设计要求,提出一种模块化铝制阳台的结构设计方案,重点设计了阳台甲板型材、玻璃栏杆,以及立柱等关键结构,并采用有限元方法,完成了甲板型材及模块化阳台整体结构的强度评估。     

考虑细长杆件不同坠落角度的海洋平台甲板损伤预报方法

[目的]在海洋平台吊装作业中,因吊机设备老化以及违规操作等而造成的坠物事故在海洋平台作业中时有发生,其中在杆件结构,如套管、钻铤等设备方面的问题最为常见,因杆件坠落时接触面积小,常会导致板架结构的损伤破坏。[方法]选取细长杆件坠物撞击甲板结构的场景开展结构损伤研究。在此基础上,考虑坠落角度对结构损伤的影响,确定结构损伤变形模型,并运用塑性力学理论,建立考虑杆件坠落角度影响的结构损伤解析预报方法。[结果]结果显示,小角度坠落场景下的结构损伤变形大,结构吸能高,根据结构响应可将坠落角度分为4个角度区间;解析计算结果与仿真计算得到的吸能曲线在数值以及变化趋势上相近。[结论]在杆状结构以一定角度撞击甲板结构时,甲板产生的塑性变形区域形状会随着撞深而产生变化,针对各阶段甲板变形特点的解析计算对海洋平台甲板板架结构抗撞设计评估具有一定的指导意义。