摘要：本文以研究提高船舶行动力效率作为出发点，重点探讨船舶机舱支撑结构的相关问题；根据此建立相关有限元模型，从而得到了支撑钢结构应力的分布关系；最后采用优化理论，将支撑钢结构优化分布进行迭代方式优化设计。最终结果表明，移除支撑结构的中间部位能够很大程度的减少整体结构的质量，但正是因为支撑结构的中间部位应力较小，所以将其移除也并不会对结构刚度产生过度的影响；优化后的机舱结构性能的抗冲击性能有效增强，对于提高我国整体船舶运输能力，减少我国船舶制造消耗的能源具有重要的促进作用。
关键词：船舶支撑结构；应力分析；有限元；优化设计；抗冲击性能
【正文】很长时间以来船舶运输在物流运输中占据着的重要地位，这与它运输量大，运输过程平稳，冲击小等特点有着重要的关系。然而，我国船舶的相关设计还依然是基于设计师经验的设计，在材料选择、结构设计、加工生产等方面仍然采用的是传统方式；同时，在设计的过程中，许多参数大多是依靠相关手册获得的。尽管当前已经获得了比较多的相关船舶实验数据，但在很多方面的选型数据仍然是不够完善的，并且在设计的过程之中还依然会导致出现很多的漏点和缺陷。船舶的主要非优化设计之一就是船身结构质量过大，为了整体增强船身的刚度，工程师经常以龙骨结构的方式来支撑船身，通常采用片状分布的形式。所以，支撑的骨架成为了船身质量最大的部分。那么为了提高船舶的运作效率，就必须要对船舶骨架的设计采用轻量化标准，最大程度减小船舶的骨架质量；只有这样才能够充分保证整个船舱结构的抗冲击性增强，只有这样才能提高整体优化效能，提高整体的船舶运输效率，减少燃料的损耗，提高整体的运输效益与效能。
一、对船舱碰撞的研究
关于船舱碰撞的研究可以从两个方面入手，主要是内部机理研究和外部机理研究。首先是外部机理研究，外部机理研究主要是在碰撞中的船舶运动方式和发生碰撞时的能量变化；使得运动方程满足动能守恒定理和能量守恒定律，还要充分的考虑周围影响。内部机理研究主要探究影响船舱内部结构的因素；探究不同结构的抵抗性能力。船舶碰撞是一个复杂多变的过程，因此在研究的过程中需要综合多方面的影响因素，综合结合多种学科，结合流体力学，结构动力学，材料动力学，断裂动力学等多方面知识，对其进行研究。
二、有限元模型
有限元的计算方法主要由离散化，单元分析，计算总体方程，评估结果。先将连续体离散化，这样能够减轻每个单元内容上的复杂性。有限元离散方式借鉴了差分离散思想并对其优化。首先要对船舶进行三维设计，在三维建模时将结构细小倒角，细孔特征抑制，能够加快有限元处理过程。由于船舶支撑结构为轴对称结构，所以可以选择一对横截面进行研究，这样可以缩短计算的时间。在船舶支撑钢结构中为对称机构，因此，得出结论，边界为约束结构方向以及高低自由度。中间面未知的节点可以沿着对称面进行滑行，其他荷载主要由水流压力产生。那么荷载形式成为压力的大小，通过计算能够得出，在船舶支撑钢的结构中，应力分布比较不均匀，所以，它的材料性能不能达到充分发挥。为了减少船舶碰撞事故的发生，就必须要对货舱，机舱以及其他舱室的布置进行详细而又细致的研究。要对船舶操纵，航道，航线，易发生碰撞水域的航速以及其他预防措施做出研究，减少不必要的影响和伤害。基于种种问题，就必须要对整体的支撑结构进行优化设计，使得船舶结构质量减轻达到材料高效率利用。对于有限元模型来说，将其推广到实际工程情景环境中来说并不是一件比较难的事情，但是其复杂的解析方法对于计算结构的准确性却有一定的影响。不过随着计算机技术和人工智能的发展，目前整个有限元模型的计算过程也能够顺利的完成，在以后日益完善的科技手段和测量方式能够实现更加精准快速的测量。
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三、灵敏度分析
只有将柔度作为拓补优化的目标函数，才能获得结构最优拓补结构。结构刚度是结构外载荷与其结构位移的比值。通过计算能够得出结论，在支撑结构的中间应力较小。将其移除促进减少船身结构的质量还能够提高船舶材料的利用效率。在发生碰撞时，船舶的安全性能就直接与船侧内壁的受力大小直接相关。船舶内壁的抗压性就更加重要。在发生强烈撞击之后，不可避免外板发生损坏。当内壁发生大面积破损时，就会引发仓内进水等严重威胁人身安全等问题。船舶内壁破损的时间和厚度会收到框架结构厚度的影响。当撞击发生在框架结构相应节点时，如果框架过厚会导致内壁提前破碎，造成安全隐患，而外板破损在高能作业中是无法避免的，出于综合考虑，不建议船舶结构增加框架的厚度。当厚度越小时，越有利于分能和分散应力效果。相比较原结构而言，优化后的机舱侧结构的抗冲击性能的得到明显提高。而整体支撑结构的抗压性能也能够得到充分提高。相比较而言整体的优化成本对于整个优化过程来说也达到了极高的性价比。
四、未来分析
对于船舶行驶来说，绝对的抵抗冲击性是不存在的，船舶运输中一定会存在相对性的冲击碰撞，也就是说没有船舶结构能够具备完全抗冲击性能。鉴于船舶发生碰撞的复杂性和目前技术手段的限制，本论文所进行的分析还有待未来进行更深层次的研究。在社会经济的发展和科学技术条件的改善，在未来可以尝试较大规模的碰撞实验，这对于研究船只支撑力结构具有重大的意义。在实验的过程中可以采用吸引多种投资方式的方法节约实验成本，提高整体效益。同时在制造船舶材料性能提高也要加强材料发明与研究，不断提高整体船舶支撑结构的性能和品质。
五、优化措施
当船舶发生碰撞损坏的时候，船舱侧的单层结构容易损坏，此时对于船舱机舱来说相对较危险，然而性能较优良的双层机舱还未得到完全普及。框架结构和板材在发生碰撞时能够产生一定的应力和应变，而且能够吸收掉一部分因碰撞而产生的能量对于减轻冲击能够产生一定的作用。有效布置和利用板材结构能够充分提高支撑结构的抗冲击性能。具体做法如下，增加横向结构和纵向结构，减少小部分支撑结构，其他的软件参数设置均保持不变，将厚度适度增加，最优距离增加0.015m。由于相关结构有所改变，材料密度也随之发生了改变，不过其他的软件设置均未发生改变。由于优化改进了支撑结构，在比较分析的过程中，需要控制相同的变量和环境。不过在过程的选择和控制过程中，要注意避免抗压性能减弱，保持抗压性能的稳定性，尽可能的维持船舶抗压性能的原状，尽量避免测量和实验过程中对船舶抗压性能造成损害。以最优的方式实现实验测量和提高效率效能的目的。
【结束语】
为了研究船舶航行的动力效率，本文将船舶支撑钢结构作为研究对象，组建有限元模型，得到了航行过程中的支撑钢结构动力分布模式，最终采用最优化理论，以结构柔度作为目标函数，将结构体积作为约束函数，最终对支撑纲的材料分布进行迭代优化设计，得出合理的移除支撑结构中间部分能够有效减少船身结构质量和提高材料的利用效率。同时，船舶的抗压性能是一个复杂问题，其中影响因素多变复杂，并且极容易收到外界环境影响；此外，今后仍然可以根据以整个船舶为范围进行精确的模型测量，同时，结合不同的情况，综合考虑发生碰撞或者事故的原因，最后集中处理、分析，对整体船舶结构的抗冲击性能进行评估。
参考文献：
1]谢卫容，马爱兵，周俊荣.船舶机舱支撑结构应力分析及改进设计[J].舰船科学技术，2016，38（08）：10-12.
[2]谢卫容，马爱兵，周俊荣.船舶机舱支撑结构应力分析及改进设计[J].舰船科学技术，2016，38（08）：10-12.
论文作者:方非,冯伟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/25
标签：船舶论文; 结构论文; 性能论文; 应力论文; 机舱论文; 船身论文; 发生论文; 《基层建设》2019年第7期论文;