船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)精選(九篇)

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第1篇：船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：船舶管理系統(tǒng)；彈性支撐；位置優(yōu)化設(shè)計(jì)

在戰(zhàn)爭(zhēng)中，船舶經(jīng)常會(huì)受沖擊作用造成內(nèi)部部件損壞，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重的故障問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，加強(qiáng)了船舶管路系統(tǒng)的研究力度，主要利用隨機(jī)輸入對(duì)彈性支撐參數(shù)及位置等進(jìn)行了分析，但沒有對(duì)沖擊荷載及位置優(yōu)化等進(jìn)行分析。本次主要采用直梁模擬船舶管路系統(tǒng)，并利用模型計(jì)算、控制等一系列操作，對(duì)不同位置的彈性支撐進(jìn)行了驗(yàn)算，可以得到各種動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)，確定了彈性支撐位置。

一、構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

本次主要對(duì)船舶彈性支撐管路系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)合彈性支撐情況，將管路系統(tǒng)中的一部分作為了直梁模型。通?？梢詫⒐苈废到y(tǒng)劃分為兩個(gè)階段進(jìn)行分析：第一階段，受沖擊荷載影響，系統(tǒng)可得到初始速度。但是此階段沖擊荷載作用的實(shí)踐較短，產(chǎn)生的沖擊較大，所以可忽略不計(jì)。第二階段是沖擊后階段，該階段中獲得的沖擊初始速度，在周期與隨機(jī)作用下會(huì)發(fā)生強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度較大。

本次分析中將其運(yùn)動(dòng)分為三步，第一，運(yùn)動(dòng)方程：

其中ρ表示航渡，E表示拉壓彈性模量，I表示斷

面關(guān)心矩，x表示激振位移，y（x，t） v表示梁撓度， 為激振位移，Cm為粘性系數(shù)，lci表示彈性支撐位置。

第二，沖擊運(yùn)動(dòng)方程。船舶受到較大沖擊力之后，可以將運(yùn)動(dòng)時(shí)間曲線表示成：

其中參量V表示衡量攻擊強(qiáng)

度的速度；T1表示沖擊運(yùn)動(dòng)非振蕩與風(fēng)量衰減時(shí)間，一般隨著船舶運(yùn)動(dòng)、類型等情況變化；時(shí)間T2為主震蕩衰減時(shí)間；時(shí)間T3為主震運(yùn)動(dòng)分量周期，隨著船位置變化變化，t表示沖擊所耗費(fèi)的時(shí)間。

第三，沖擊完成后進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)方程：

，其中， 是標(biāo)準(zhǔn)白噪聲。

對(duì)系統(tǒng)沖擊后實(shí)施控制時(shí)，必須從四種情況進(jìn)行分析：第一種，進(jìn)行自由振動(dòng)，d2=d3=0；第二隨機(jī)振動(dòng)，d2=1，d3=0；第三，周期振動(dòng)，d2=0，d3=1；第四一般情況，d2≠0，d3≠0。

二、探索最優(yōu)控制問題

（一）制定最優(yōu)控制方程

一般采用模態(tài)分析可以將運(yùn)動(dòng)方程表示為狀態(tài)方程，此時(shí)梁應(yīng)力就可以表示為：

，其中 。

（二）了解目標(biāo)函數(shù)

為了了解系統(tǒng)在沖擊后的振動(dòng)控制，本次研究中主要將其分為四種不同狀態(tài)下，分被是自由振動(dòng)、純隨機(jī)輸入、純周期輸入與一般情況四種情況。

（三）控制方程的解

將運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行模態(tài)分析后，將其表示為 ，其中 為振向量矩陣，q=[q1，q2，q3…qN]T。

第一，如果不計(jì)沖擊狀態(tài)影響，可得到?jīng)_擊階段運(yùn)動(dòng)解為

，位移與速度為qi0=qi0（t）、qi0=qi0（t）。位移與速度均為初始位移速度。第二沖擊后階段。沖擊后主要分為兩部分求解，一種為連續(xù)梁所讀初始速度是自由振動(dòng)在隨機(jī)輸入與周期輸入下所進(jìn)行的強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)，一般從自動(dòng)振動(dòng)、純隨機(jī)輸入與純周期輸入等三方面進(jìn)行計(jì)算。

三、實(shí)例分析

本次將系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為E=2×1011Pa，Cin=2×108NS/m2，l=10m，Z Zb=5×10-6m3，I=5.1×10-7m4，ρ=8.34kg/m。進(jìn)行管路系統(tǒng)彈性支撐布置時(shí)，必須要對(duì)各種運(yùn)輸情況進(jìn)行分析，在不同輸入下設(shè)置1、2、3個(gè)彈性支承，采用對(duì)稱方法設(shè)置。上述均為梁沖擊后在不同情況下所產(chǎn)生的彈性支承位置減振變化，圖中橫坐標(biāo)是lc/l0，縱坐標(biāo)是σ/σ0。l0表示梁長(zhǎng)；c為彈性支撐位置；當(dāng)設(shè)置1到2個(gè)彈性支撐時(shí)，σ0是系統(tǒng)不加載彈性支撐時(shí)承受荷載下的平均彎曲應(yīng)力，當(dāng)布置知三個(gè)彈性支撐時(shí)，σ0只表示加一個(gè)彈性支撐所受荷載的平均彎曲應(yīng)力；σ表示加載彈性支撐系統(tǒng)后，在荷載作用下所產(chǎn)生的平均彎曲應(yīng)力。

第一，分析自動(dòng)振動(dòng)情況。如上圖1所示，當(dāng)布置一個(gè)彈性支撐時(shí)，形成的最佳位置恰好在管路終端；布置兩個(gè)彈性支撐時(shí)，恰好在0.33l0和0.67l0位置；布置三個(gè)彈性支撐時(shí)，最優(yōu)位置在0.25l0、0.50l和0.75l0三個(gè)位置。

第二，隨機(jī)振動(dòng)情況。耐2可知，對(duì)于彈性支撐的最優(yōu)位置，一般布置一個(gè)彈性支撐時(shí)，恰好在管路中點(diǎn)；布置兩個(gè)時(shí)恰好在0.35l0、0.65l0；布置三個(gè)彈性支撐時(shí)，最佳位置是0.27l0、0.50l0和0.73l0。

第三，了解周期運(yùn)行情況。從圖3可知，一個(gè)彈性支撐時(shí)，最佳位置恰好在管路中點(diǎn)；布置兩個(gè)彈性支撐時(shí)恰好位于0.37l0、0.63l0；布置三個(gè)是最佳位置是0.00l0、0.50l0和1.00l0。

第四，分析隨機(jī)與周期聯(lián)合運(yùn)行狀況。圖4展示了周期輸入及書記輸入情況下彈性支撐位置變化的減振圖，在此種操作中充分考慮了兩種不同參數(shù)的位置變化。布置一個(gè)彈性支撐時(shí)，恰好為管路中點(diǎn)；布置兩個(gè)時(shí)，最佳位置是0.37l0，0.63l0與0.39l0，0.61l0；布置三個(gè)彈性支撐時(shí)，最佳位置是0.00l0，0.50l0，1.00l0與0.33l0，0.50l0與0.67l0。

四、結(jié)果分析

結(jié)合上述分型與計(jì)算結(jié)果等分析可知，第一，彈性支撐位置影響著減振效果，圖中所表示的最小值為彈性支撐最佳位置；第二，但彈性支撐參數(shù)相同時(shí)，彈性支撐位置的合理布置不僅影響系統(tǒng)振動(dòng)及隨機(jī)振動(dòng)，而且減振效果較好，但對(duì)系統(tǒng)周期減振效果影響較大；第三，使用不同參數(shù)彈性支撐，所得的最優(yōu)位置也會(huì)發(fā)生很大變化。第四，同一個(gè)系統(tǒng)中，一旦談彈性參數(shù)給定，就必須對(duì)彈性支撐個(gè)數(shù)進(jìn)行選擇。從圖例可知，隨著彈性支撐數(shù)量的增加，不一定可得到較好的彈性支撐減振效果。以上結(jié)論在管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)彈性支撐時(shí)，具有較大作用，可以及時(shí)進(jìn)行考慮分析。

結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，爆炸量與沖擊持續(xù)時(shí)間不斷延長(zhǎng)，危害性也不斷增加，造成了嚴(yán)重的設(shè)備損害問題。經(jīng)過分析可知，設(shè)備沖擊隔離與抗沖擊能力影響著船舶的使用壽命。因此本次利用構(gòu)建模型方式系統(tǒng)全面的分析了彈性支撐沖擊下位置優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，得到的實(shí)際應(yīng)用效果較理想。在今后分析中，還要從數(shù)據(jù)計(jì)算精確性、計(jì)算方法等進(jìn)行探究，選擇一種高效、便利的方式保證船舶安全，減少不良損害。

參考文獻(xiàn)：

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[3]白歡歡.基于變剛度彈性支承的液壓管路流固耦合振動(dòng)的數(shù)值分析[J].燕山大學(xué)，2014，（02）.

第2篇：船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：優(yōu)化設(shè)計(jì)；六維力/力矩傳感器；非線性解耦；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP212.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Optimal Design of a Thin Six-dimensional F/T Sensor and its Nonlinear Decoupling

LIANG Qiaokang1,WANGYaonan1，GE Yunjian2, GE Yu2

(1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China;

2. Institute of Intelligent Machines, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui 230031, China)

Abstract:The height dimension of the F/T sensors always causes additional moment to the bases and actuators of intelligent robots and industrial manipulators. Therefore, an excellent F/T sensor should be highperforming, weakdecoupling and thin. Aiming at providing highperformance sixdimensional force/torque information for intelligent robots and industrial systems, a new thin sixD F/T sensor with its height dimension below 15 mm is designed based on strain measurement. The SDO of the elastic body is performed. The nonlinear decoupling and calibration of the sensor based on Artificial Neural Network is used to eliminate the coupling among components. The results of the calibration experiment have shown that this sensor possesses high performances, the design and optimization are rational, and its maximum nonlinearity error and the maximum coupling error are 0.15%F.S. and 1.6%F.S., respectively.

Key words:optimal design; sixdimensional force/torque sensor; nonlinear decoupling; artificial neural network

多維力/力矩信息感知是智能機(jī)器人和工業(yè)自動(dòng)化等應(yīng)用場(chǎng)合最重要的感知之一.因能同時(shí)獲取三維空間直角坐標(biāo)系下的兩個(gè)或者兩個(gè)以上方向的力和力矩信息，已被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合為機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)的反饋控制提供實(shí)時(shí)力/力矩信息，如輪廓跟蹤、零力示教、柔性自動(dòng)裝配、機(jī)器人遠(yuǎn)程操作、機(jī)器人多手協(xié)作、機(jī)器人外科手術(shù)和康復(fù)訓(xùn)練等.目前，機(jī)器人多維力/力矩傳感器生產(chǎn)產(chǎn)家主要有美國(guó)的AMTI，ATI，JR3，Lord等,瑞士的Kriste，德國(guó)的Schunk，HBM等公司.東京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與科學(xué)系設(shè)計(jì)了一種基于光學(xué)檢測(cè)的六維力/力矩傳感器［1］.瑞士蘇黎世聯(lián)邦高等工學(xué)院研制了第一臺(tái)成功應(yīng)用的基于MEMS的電容式六維力/力矩傳感器［2］.美國(guó)代頓大學(xué)研制了一種基于磁致伸縮原理的力傳感器［3］.印度科學(xué)研究院設(shè)計(jì)了一種高靈敏度基于近奇異構(gòu)型的Stewart平臺(tái)的六維力/力矩傳感器［4］.由于應(yīng)變檢測(cè)方法的原理和方法都比較成熟，因此大多數(shù)的多維力/力矩傳感器都采用了這個(gè)方法，其敏感元件――彈性體有三垂直筋結(jié)構(gòu)、雙環(huán)形結(jié)構(gòu)、盒式結(jié)構(gòu)、圓柱形結(jié)構(gòu)、雙頭形結(jié)構(gòu)、三梁結(jié)構(gòu)和八垂直筋結(jié)構(gòu)等［5-9］.目前，雖然各種力傳感器功能齊全、種類繁多，但是傳感器高度尺寸都比較大，一般為40~80 mm之間，大大制約了傳感器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用.此外，大部分的多維力/力矩傳感器都是一體化設(shè)計(jì)，這就勢(shì)必引起傳感器在各維之間存在一定的互相干擾――維間耦合，傳統(tǒng)的多維力/力矩傳感器的線性解耦方式已不能滿足越來越多的應(yīng)用環(huán)境對(duì)精度的要求.本文提出了一種新型的超薄六維力/力矩傳感器，其高度尺寸可以在15 mm以內(nèi)，配合多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦方法，研制的傳感器具有高靈敏度、高精度和各向同性等特點(diǎn).

1 傳感器設(shè)計(jì)

如圖1所示，設(shè)計(jì)的傳感器由上蓋板，彈性體，下蓋板組成.其中，上下蓋板安裝在傳感器的頂部和底部，作為轉(zhuǎn)接板與應(yīng)用環(huán)境相連；彈性體將傳感器受到的力信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出；裝配完成后，在彈性體與下蓋板之間預(yù)留有一個(gè)空腔，用于安放傳感器的信號(hào)處理電路.其中上下蓋板選用不銹鋼材料1Cr13；彈性體選用硬鋁材料LY12.根據(jù)一般場(chǎng)合對(duì)傳感器的要求，擬定三維力量程為300 N，三維力

圖1 傳感器爆炸示意圖

Fig.1 An exploded view of the designed sensor

湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2012年

第4期梁橋康等：超薄六維力/力矩傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)及其解耦

矩量程為10 Nm.

傳感器的高度尺寸是影響傳感器應(yīng)用的一個(gè)重要因素，當(dāng)機(jī)械手實(shí)際操作時(shí)，作為腕力傳感器的高度幾何尺寸越大，機(jī)械手后續(xù)部件所受到的力矩因?yàn)榱Ρ鄣脑龃蠖杀壤脑龃?，這將影響機(jī)械手所需的額定功率及其最大工作空間.因此，傳感器彈性體在設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮其耦合、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、剛度、靈敏度、線性度等性能指標(biāo)外，還應(yīng)該考慮傳感器的高度尺寸.

設(shè)計(jì)的傳感器彈性體如圖2所示，彈性體底座與傳感器的下蓋板通過8個(gè)螺栓相連為傳感器提供剛性支撐作用；中空支柱連接上、下E型膜；上部的傳力環(huán)與傳感器的上轉(zhuǎn)接板通過8個(gè)螺栓連接；4片薄矩形片連接上E型膜與傳力環(huán).下E型膜用來檢測(cè)法向力Fz和切向力Fx，F(xiàn)y；上E型膜用來檢測(cè)繞切向方向的力矩Mx與My；4片薄矩形片用于檢測(cè)繞法向的力矩Mz.由于上、下E型膜的合理布置，傳感器的彈性體高度幾何尺寸僅為10 mm.

圖2 傳感器彈性體結(jié)構(gòu)

Fig.2 A partially cutaway perspective

view of the elastic element

使用有限元分析軟件ANSYS的SDO (Simulationdriven Development and Optimization) 方法，將傳感器彈性體重要幾何尺寸E型膜厚度h，E型膜內(nèi)徑d1，E型膜外徑d2，薄矩形片厚度d3設(shè)為設(shè)計(jì)變量.綜合考慮傳感器的結(jié)構(gòu)和尺寸，將各變量的初始條件限定為：0.45 mm≤h ≤ 1.5 mm,2 mm≤ d1 ≤ 4.5 mm,6 mm≤d2 ≤10 mm,0.5 mm≤ d3≤ 2 mm.彈性體上發(fā)生的應(yīng)變直接決定著傳感器的靈敏度.為了保證傳感器有高的靈敏度，一般采用彈性體上應(yīng)變最大和最小的位置來粘貼應(yīng)變片.只有彈性體工作在其材料的比例極限內(nèi)，才能保證彈性體上的應(yīng)變和應(yīng)力有比例關(guān)系.因此還確定彈性體上發(fā)生的最大應(yīng)變emax，最小應(yīng)變emin和最大變形dmax作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)分別為：emax ≤1 000 με，emin ≥ －500με，dmax ≤ 0.05 mmemax 和emin 確保彈性體工作在材料的比例極限范圍內(nèi)，同時(shí)確保彈性體有足夠的應(yīng)變即傳感器有一定的靈敏度，dmax 可以保證傳感器有良好的線性度和可靠性.

用ANSYS軟件中的DesignModeler 對(duì)彈性體進(jìn)行參數(shù)化建模，并對(duì)模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格、指定邊界條件和負(fù)荷情況等處理，軟件根據(jù)Screening法則確定各設(shè)計(jì)變量的選擇，確定了樣本點(diǎn).程序自動(dòng)將各樣本點(diǎn)按一定方法進(jìn)行組合,并計(jì)算出每種組合相應(yīng)輸出變量的值，最后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的設(shè)計(jì)目標(biāo)，軟件自動(dòng)選擇了3組最優(yōu)解，如表1所示.從優(yōu)化過程可知，相對(duì)另外3個(gè)設(shè)計(jì)變量，E型膜的厚度尺寸為傳感器最靈敏尺寸.

表1 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

Tab.1 Optimal design results

組序

h/mm

d1/mm

d2/mm

d3/mm

SymboleA@max

SymboleA@min

dmax

/mm

1

0.9758

3.4951

8.1325

1.1285

6.3e4

-6.31e4

0.0019

2

0.9801

3.5155

7.9657

1.1638

6.4e4

-6.35e4

0.0019

3

0.9795

3.6521

8.2347

1.2563

6.2e4

-6.29e4

0.0021

2 應(yīng)變片布片及組橋

本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體應(yīng)變片作為檢測(cè)元件，全橋檢測(cè)電路作為測(cè)量電路.根據(jù)ANSYS軟件對(duì)彈性體靜力學(xué)的分析結(jié)果，彈性體上選擇在最大和最小應(yīng)變發(fā)生的位置放置應(yīng)變片，每一維使用4個(gè)應(yīng)變片構(gòu)成全橋檢測(cè)電路，最后將六路檢測(cè)電路的輸出通過彈性體中間的小孔引到底座的空腔中的數(shù)據(jù)采集處理電路.其應(yīng)變片位置和組橋方式如圖3所示，其中Ri為第i個(gè)應(yīng)變片，Uj為第j維的電橋輸出電壓.

(a)應(yīng)變片在彈性體上的布置示意圖

(b)變片組橋方式

圖3 應(yīng)變片布片和組橋方式

Fig. 3 Strain gauges arrangement

傳感器的各維輸出為：

ΔUFxΔUFyΔUFzΔUMxΔUMyΔUMz=1/4UK(ε13－ε14－ε15+ε16)1/4UK(ε17－ε18－ε19+ε20)1/4UK(ε21－ε22－ε23+ε24)1/4UK(ε5－ε6－ε7+ε8)1/4UK(ε9－ε10－ε11+ε12)1/4UK(ε1－ε2－ε3+ε4).（1）

式中，εi為第i片應(yīng)變片的應(yīng)變值，U為橋路的激勵(lì)電壓，K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù).

傳感器輸出的力/力矩信息一般為傳感器本地坐標(biāo)系下表示的信息，為了便于控制系統(tǒng)使用，把所獲得的力/力矩信息轉(zhuǎn)換成機(jī)器人手爪坐標(biāo)系如下：

FcMc=Rcs0S(rccs)RcsRcsFsMs.（9）

其中：Fc為在手爪坐標(biāo)系下的三維力；Mc為在手爪坐標(biāo)系下的三維力矩；Rcs為方向轉(zhuǎn)變矩陣；rccs為在手爪坐標(biāo)中表示的，起點(diǎn)在傳感器坐標(biāo)系原點(diǎn)，終點(diǎn)在手爪坐標(biāo)系原點(diǎn)的矢量.Fs為在傳感器坐標(biāo)系下的三維力；Ms為在傳感器坐標(biāo)系下的三維力矩信息；S為斜對(duì)稱算子.

3 傳感器非線性解耦

維間耦合極大地限制了多維力/力矩傳感器精度的提高，因此有效地解耦方法是高精度多維力/力矩傳感器的一個(gè)重要手段［11］.非線性模型真實(shí)地反映了多維力/力矩傳感器的實(shí)際情況，從理論上說可以徹底解決靜態(tài)解耦問題［12］.采用隱層為單層神經(jīng)元的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，神經(jīng)元的個(gè)數(shù)通過實(shí)驗(yàn)得到.如圖4所示，將6維力/力矩傳感器六個(gè)橋路的輸出電壓組成的列向量U=UxUyUzUMxUMyUMzT作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量，將對(duì)應(yīng)的作用在傳感器坐標(biāo)系原點(diǎn)上的六維力/力矩等效信息所組成的列向量F=FxFyFzMxMyMzT作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出向量.對(duì)傳感器進(jìn)行加載，記錄每次加載時(shí)的各路輸出電壓，每次加載的輸出電壓和相應(yīng)的加載力作為一個(gè)樣本點(diǎn)，用基于MATLAB的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練程序?qū)ι窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，以獲得合適的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出與樣本輸出的均方誤差滿足給定的條件，得到傳感器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù).

圖4 六維力/力矩傳感器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦模型

Fig.4 Neural network model for

calibration and decoupling

在解耦模型的訓(xùn)練過程中，采用5~20個(gè)神經(jīng)元數(shù)分別對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，從得到的訓(xùn)練曲線中可知，當(dāng)隱層的單元數(shù)為7時(shí)，不論從誤差、收斂速度和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度等分析，都比較合適，其訓(xùn)練誤差曲線如圖5所示.從圖中可知在訓(xùn)練步數(shù)為360步時(shí)，均方誤差小于0.01，已達(dá)到了精度要求.

訓(xùn)練次數(shù)圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差曲線

Fig.5 Error curve of the neural network training

4 傳感器精度性能分析

通過上述的解耦方法，并經(jīng)過一定的信號(hào)處理，我們最終獲得了超薄六維力/力矩傳感器的輸入和輸出曲線如圖6所示.圖中橫坐標(biāo)表示加載的標(biāo)準(zhǔn)法碼重量，縱坐標(biāo)表示A/D采集模塊的輸出數(shù)字量.

(a)Fx維的標(biāo)定曲線(Fy維與之相同)

(b)Fz維的標(biāo)定曲線

(c) Mx維的標(biāo)定曲線(My與之相同)

(d)Mz維的標(biāo)定曲線

圖6 六維力/力矩傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Fig. 6 Calibration text results

由圖6實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的超薄六維力/力矩傳感器線性度好，并且關(guān)于零點(diǎn)對(duì)稱，各向同性，最大線性度誤差為0.15%F.S.，最大耦合誤差為1.6%F.S.傳感器實(shí)物圖見圖7.

圖7 傳感器實(shí)物圖

Fig.7 The fabricated sixdimensional force/torque sensor

5 結(jié) 論

本文探討了一種基于應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)的超薄六維力/力矩傳感器，對(duì)傳感器力敏元件進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，根據(jù)其力學(xué)特性確定了彈性體進(jìn)行了布片、組橋方式，結(jié)合基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性標(biāo)定及解耦，使設(shè)計(jì)的傳感器具有靈敏度高、線性度好、維間耦合小等特點(diǎn).值得注意的是，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳感器標(biāo)定，傳感器的精度很大程序上受制于訓(xùn)練樣本的范圍，若傳感器所受力超出其量程（訓(xùn)練樣本通常在量程范圍內(nèi)），神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的外延問題極易導(dǎo)致精度衰減，如何解決這類問題有待下一步深入研究.參考文獻(xiàn)

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第3篇：船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)范文

[關(guān)鍵詞]船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ；問題 ；設(shè)計(jì)師 ；模塊

中圖分類號(hào)：U662 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）17-0069-01

前言

在基于安全的情況下，如何快速設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的船體結(jié)構(gòu)并且實(shí)現(xiàn)快速修改，是船舶設(shè)計(jì)師夢(mèng)寐以求的目標(biāo)，針對(duì)這個(gè)目標(biāo)的制定，設(shè)計(jì)師們提出了船體結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)方案，將知識(shí)工程原理和參數(shù)化技術(shù)相結(jié)合，對(duì)船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)做出了研究和分析。

1 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要內(nèi)容

解決船體結(jié)構(gòu)的形式、構(gòu)構(gòu)件的尺度和連接的設(shè)計(jì)問題，使得船體結(jié)構(gòu)具有良好的經(jīng)濟(jì)性能和十分有益的強(qiáng)度。船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞主要從船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的安全性和整體性以及經(jīng)濟(jì)性等方面來分析。

1.1 船體結(jié)構(gòu)的整體性

船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一個(gè)十分復(fù)雜的水上工程項(xiàng)目，各種設(shè)備和儀器以及結(jié)構(gòu)的布置都和船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)緊密相關(guān)，所以船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須滿足船體自身的性能、設(shè)備、電氣和通風(fēng)等功能的要求，確保船只的工作性能在各方面都能協(xié)調(diào)配合、具備良好的工作性能。

1.2 船體結(jié)構(gòu)的安全性

安全問題在任何領(lǐng)域領(lǐng)域都是最重要的問題，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該保證船體結(jié)構(gòu)不會(huì)受到各種外力的作用下，具備一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)闃?gòu)件強(qiáng)度不足出現(xiàn)失去平衡從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞的情況發(fā)生，同時(shí)船體結(jié)構(gòu)還必須具有十分良好的防震性能，使其在各種激蕩力的作用下，都不會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。

1.3 船體結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性

船體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的過程中在考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和構(gòu)件的腐蝕和使用以及維修之后，還要力求減少結(jié)構(gòu)的重量和成本的投入，船體結(jié)構(gòu)材料在保障安全性的前提下要適當(dāng)?shù)倪x擇，使得船體結(jié)構(gòu)本身就具有良好的經(jīng)濟(jì)性能。

2 采用先進(jìn)設(shè)計(jì)工藝對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層優(yōu)化

船體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)人員，還需要對(duì)輪船的主尺度、靜水力性能、船舶參數(shù)和螺旋槳敞水性能進(jìn)行控制優(yōu)化，嚴(yán)格生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的船只性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)不良問題應(yīng)該及時(shí)采取生產(chǎn)維修措施。根據(jù)船底板、內(nèi)底板、三層甲板、二層甲板到主甲板區(qū)域的設(shè)計(jì)順序，對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于船體板的設(shè)計(jì)方式，技術(shù)人員可以采用分割設(shè)計(jì)的方法，確保船體的底部防撞性能提高。

使用雙層船體結(jié)構(gòu)，不僅可以顯著提高船體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還能夠使用雙層底部?jī)?chǔ)存更多的油料。船體設(shè)計(jì)一般都是由多根較差構(gòu)件和很多主向梁組成的板架，對(duì)于橫骨架式的板架結(jié)構(gòu)，使用主向梁（實(shí)肋板）作為肋板間距范圍內(nèi)的承重材料。保證船體架構(gòu)的較差構(gòu)架只需要承受節(jié)點(diǎn)反力。對(duì)于縱骨架式板架設(shè)計(jì)來說，可以通過提高底部結(jié)構(gòu)的載荷效果的方法，利用縱骨傳給實(shí)肋板，保證交叉構(gòu)建也只需要承受節(jié)點(diǎn)反力。對(duì)于艙長(zhǎng)很短的船底板架設(shè)計(jì)（例如艙長(zhǎng)與板架計(jì)算寬度之間的比值小于 0.8 時(shí)），為了更好地確定這種板架中板材的彎曲應(yīng)力，可以將中板材當(dāng)做單跨梁進(jìn)行單獨(dú)處理。

3 船體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 船體尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)

尺寸優(yōu)化是用來修改船體內(nèi)部各單元之間的基本屬性，例如厚度和橫截面以及剛度等。某些結(jié)構(gòu)單元的個(gè)屬性之間可能彼此相關(guān)聯(lián)，例如慣性距、梁的更界面和截面幾何等。因此在優(yōu)化過程中各單元的屬性并不一定作為設(shè)計(jì)變量來進(jìn)行計(jì)算。對(duì)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的問題大多數(shù)都將問題歸納與對(duì)船體尺寸的設(shè)計(jì)中，船體結(jié)構(gòu)游蛇設(shè)計(jì)中尺寸是十分重要的組成部分。例如利用商業(yè)軟件來對(duì)小水線面的雙體船結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化，或者在船體坐墩墩上布局進(jìn)行尺寸優(yōu)化，利用分級(jí)優(yōu)化的分式來進(jìn)行計(jì)算。

3.2 船體形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)是通過選擇描述邊界形狀的若干參數(shù)來作為設(shè)計(jì)變量，通過特殊的方式來改變這些參數(shù)值使其能夠確定其本身的形態(tài)結(jié)構(gòu)來完成的。在船體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，部分部件的邊界位置容易因?yàn)槌惺茌d荷而產(chǎn)生應(yīng)力集中造成疲勞或者斷裂破壞的，造成船體結(jié)構(gòu)的損傷，所以在船體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)r要通過尋求良好的邊界形狀來改變應(yīng)力的分布。

4 船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

船舶自身的造價(jià)高昂、使用期限長(zhǎng)、工作環(huán)境十分惡劣。在其使用期間會(huì)遇到多種事故，這些事故本身就會(huì)對(duì)船舶的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各種惡劣的影響，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)船體結(jié)構(gòu)失去工作能力，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，降低社會(huì)效益，目前船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法主要分為確定性設(shè)計(jì)法和結(jié)構(gòu)可靠性分析法。

4.1 確定性設(shè)計(jì)法

船體結(jié)構(gòu)的確定性設(shè)計(jì)法又可以分為兩類，第一類是規(guī)范設(shè)計(jì)法，即根據(jù)船體主尺度和結(jié)構(gòu)形式，以及各種營(yíng)運(yùn)和施工要求，按照船級(jí)社制定的船體建造規(guī)范的相關(guān)規(guī)定來決定構(gòu)件的布置和尺度的，最后再進(jìn)行總強(qiáng)度和局部強(qiáng)度的審查，同時(shí)還要對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行檢查，一旦發(fā)生任何不足植株，則在原設(shè)計(jì)方案上進(jìn)行修改之后在進(jìn)行局部的加強(qiáng)，指導(dǎo)達(dá)到相應(yīng)的目標(biāo)。第二類是直接計(jì)算法，直接計(jì)算法是根據(jù)船型和構(gòu)件布置的不同，來通過規(guī)范不可能羅列的全部特征來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以要求設(shè)計(jì)師具有結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)，可以按照各種構(gòu)件和受力情況，直接進(jìn)行強(qiáng)度的計(jì)算。使得船體結(jié)構(gòu)本身就具備良好的力學(xué)合理性，而且可以預(yù)先選擇目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2 結(jié)構(gòu)可靠性分析法

在船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的確定性設(shè)計(jì)方式中，將有關(guān)參數(shù)都設(shè)置為定值。所采用的安全系數(shù)都表現(xiàn)為強(qiáng)度的儲(chǔ)備，使得人們對(duì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生了固定的印象，認(rèn)為結(jié)構(gòu)是絕對(duì)安全不會(huì)被破壞的，然后，所有船體結(jié)構(gòu)不論哪種船型或者結(jié)構(gòu)形式，都是通過空間的板梁組合結(jié)構(gòu)來完成的，這樣的話，當(dāng)船體結(jié)構(gòu)中的一個(gè)構(gòu)件失去效果之后，內(nèi)力重新分配。整個(gè)結(jié)構(gòu)還能繼續(xù)工作，只有當(dāng)相當(dāng)數(shù)量的構(gòu)建都失效之后，整個(gè)構(gòu)建才會(huì)失去效果。這就促使人們?nèi)パ芯看w中某些構(gòu)件結(jié)構(gòu)被破壞的原因，和損壞后對(duì)船體的影響，這樣才能形成某種采用概率法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性的分析和計(jì)算。結(jié)構(gòu)可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和條件下完成預(yù)定功能的概率，即達(dá)到結(jié)構(gòu)的功能極限狀態(tài)就可以認(rèn)定為結(jié)構(gòu)實(shí)效，目前我國(guó)所采用的是基于概率論的結(jié)構(gòu)可靠性全概率的分析法，還存在很大的局限性。近年來。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估和決策建議在海洋工程領(lǐng)域以及船舶的應(yīng)用中正逐步推廣，世界上主要的船級(jí)都已經(jīng)制定了合理規(guī)范的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和文件。

5 結(jié)束語

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是在滿足船舶總體性和船舶本身的功能性的前提下，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得船舶在試用期間滿足穩(wěn)定性和剛度、強(qiáng)度的要求，船舶設(shè)計(jì)的內(nèi)容決定了其設(shè)計(jì)任務(wù)的繁重程度。目前各國(guó)的船舶業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，世界各國(guó)船舶業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)正朝著機(jī)械化、自動(dòng)化和集成化的方向發(fā)展。提高船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求已經(jīng)成為船舶業(yè)十分重要的問題。

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第4篇：船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)范文

【關(guān)鍵詞】主機(jī) 中央冷卻系統(tǒng) 研究設(shè)計(jì)

船舶中央式冷卻系統(tǒng)可使舷外海水不再接觸各種熱交換器和船舶主柴油機(jī)的冷卻空間，因而極大地簡(jiǎn)化了船舶海水冷卻管系，使海水冷卻管系最短，有力地阻止了因?yàn)楹Ｋg冷卻器以及管路引起的船舶系統(tǒng)漏泄、堵塞等故障現(xiàn)象的發(fā)生，提高了設(shè)備和系統(tǒng)的安全可靠性以及設(shè)備使用壽命。目前在船舶設(shè)計(jì)中已經(jīng)成為一種較為普遍的選擇。

一、船舶中央冷卻水系統(tǒng)概述

中央式冷卻系統(tǒng)分兩個(gè)冷卻水回路，一個(gè)是低溫回路，就是由舷外海水來冷卻低溫淡水的回路；另一個(gè)是高溫回路，就是由低溫淡水來冷卻高溫淡水的回路。低溫淡水主要過來冷卻高溫淡水以及各種冷卻器（空氣冷卻器、滑油冷卻器等）高溫淡水則主要用來冷卻船舶主柴油機(jī)氣缸套、氣缸蓋和增壓器等，所有與主機(jī)直接接觸的冷卻介質(zhì)均為淡水。目前，中央冷卻系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的有兩種基本的形式：混流式中央冷卻系統(tǒng)和獨(dú)立式中央冷卻系統(tǒng)。

圖1 混流式中央冷卻系統(tǒng)

圖2 獨(dú)立式中央冷卻水系統(tǒng)

混流式中央冷卻系統(tǒng)如圖1所示，其特點(diǎn)在于混流，其中的混流指的是高溫淡水和低溫淡水之間的混流，通過在低溫淡水系統(tǒng)和高溫淡水系統(tǒng)中設(shè)立混合閥控制，將部分低溫淡水直接混入高溫淡水系統(tǒng)中進(jìn)行高溫淡水的溫度控制。

獨(dú)立式中央冷卻系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)中的高溫淡水系統(tǒng)和低溫淡水系統(tǒng)分別開來，另設(shè)高溫淡水冷卻器，在中央冷卻器中通過海水冷卻低溫淡水，在高溫冷卻器中通過低溫淡水或海水冷卻高溫淡水。相比而言，獨(dú)立式比混流式更容易控制系統(tǒng)入口水溫度，但耗資較大。

二、中央冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）中央冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

中央冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖3所示，首先要確定的是系統(tǒng)的外界環(huán)境和船舶主機(jī)參數(shù)，通過這兩者來確定系統(tǒng)的負(fù)荷，然后再確定其他泵、散熱器等冷卻設(shè)備。

圖3 設(shè)計(jì)流程圖

（二）冷卻系統(tǒng)管路計(jì)算方法

在管路的計(jì)算中主要以管內(nèi)流速、管徑以及管壁厚度三個(gè)方面為主要指標(biāo)，而在材質(zhì)上通常在選取的時(shí)候均使用碳鋼無縫鋼管，以下將對(duì)各方面分別介紹。

（1）管內(nèi)流速。 確定介質(zhì)在管內(nèi)的流速是管路設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，流速高，則管徑小，管材省，成本低，但引起的阻力增大，腐蝕加快流速低，則管徑大，管材消耗多，成本高，但阻力小，泵的耗電降低，且當(dāng)流速過低時(shí)，也會(huì)引起腐蝕。因此，必須根據(jù)具體管路合理選擇流速。對(duì)于低溫淡水循環(huán)泵，可通過選擇管內(nèi)最佳水流速度來實(shí)現(xiàn)。

（2）管徑。管徑是跟具流經(jīng)管內(nèi)流量及流速而定。

（3）管壁厚度。 管子的壁厚應(yīng)保證管子必要的強(qiáng)度及腐蝕余度，各船級(jí)社對(duì)管子壁厚的計(jì)算均有具體要求。對(duì)于常規(guī)的管路，常按經(jīng)驗(yàn)選取壁厚，而這些要求可作為校核之用。對(duì)特殊的管路，在缺少經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)可作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。受內(nèi)壓的鋼管其最小壁厚占應(yīng)不小于按下式計(jì)算之值。

三、結(jié)論

船舶中央冷卻水系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，涉及知識(shí)面廣，它不僅包括流體力學(xué)、傳熱學(xué)，而且還包括控制技術(shù)，仿真技術(shù)等知識(shí)，本文在設(shè)計(jì)運(yùn)用中只是對(duì)管路、水泵和中央冷卻器等進(jìn)行了計(jì)算和選型，在模型精度以及優(yōu)化設(shè)計(jì)方面還有待進(jìn)一步研究。由于中央冷卻系統(tǒng)所具有的一系列的優(yōu)勢(shì)，相信在現(xiàn)在和將來一定會(huì)有較大的發(fā)展空間。

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第5篇：船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)范文

[關(guān)鍵詞]海上生活服務(wù)平臺(tái)；主發(fā)電機(jī)間；管路布置；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM891 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）10-0260-01

1 項(xiàng)目概況

該生活服務(wù)平臺(tái)入級(jí)DNV.GL，主甲板直徑66米，主船體直徑60米，型深27米，結(jié)構(gòu)吃水19米，通過六臺(tái)推進(jìn)器和六臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)行定位，并配備全球最先進(jìn)的DP-3動(dòng)力定位系統(tǒng)，可供496人同時(shí)居住，終端客戶為巴西石油Petrobras。該生活平臺(tái)三個(gè)主發(fā)電機(jī)間的布置位置，每個(gè)發(fā)電機(jī)間配備有兩臺(tái)發(fā)電機(jī)，其中發(fā)電機(jī)間的層高是8米，上下分別跨三層甲板，包括主甲板、中間甲板和上甲板。以下針是針對(duì)發(fā)電機(jī)艙的管道優(yōu)化布置展開論述。

2 管路優(yōu)化布置

主發(fā)電機(jī)間大部分系統(tǒng)是封閉式，其內(nèi)部的系統(tǒng)管路非常密集，涉及的主要系統(tǒng)包括：淡水冷卻、燃油、滑油、啟動(dòng)空氣、排氣和進(jìn)氣等多個(gè)系統(tǒng)。由于艙室內(nèi)的空間十分有限，所以需要對(duì)主發(fā)電機(jī)間內(nèi)的管道進(jìn)行合理的布置并不斷優(yōu)化，但是優(yōu)化的前提是要滿足發(fā)電機(jī)及其他設(shè)備的管道布置基本要求，以及管子工藝流程，然后通過各專業(yè)的協(xié)調(diào)使管路得到更加理想的布置目的。

2.1 管道布置方案優(yōu)化

平臺(tái)上總共有三個(gè)發(fā)電機(jī)間，每個(gè)發(fā)電機(jī)間大概有1000多根根管子，其中70%左右的管路布置在升高平臺(tái)以下，受空間的限制，管路系統(tǒng)的布置方案優(yōu)化實(shí)為重要。圖1是已交付項(xiàng)目的發(fā)電機(jī)間管路布置，整個(gè)發(fā)電機(jī)艙都是滿鋪設(shè)的升高平臺(tái)舾裝件，三個(gè)機(jī)艙的互為系統(tǒng)備用管路全部布置在平臺(tái)以下，圖2是后續(xù)新造系列平臺(tái)的發(fā)電C間管路系統(tǒng)和平臺(tái)優(yōu)化后的效果，給人的感覺很舒服，而且最重要的一點(diǎn)電氣專業(yè)的接地電阻設(shè)備也布置在艙室后面使得發(fā)電機(jī)發(fā)出的高壓電纜接線線路簡(jiǎn)單方便。不再像前幾個(gè)項(xiàng)目接地電阻設(shè)備的布置.使得高壓電纜要穿過整個(gè)艙室才可接線到接地電阻，另外根據(jù)電氣專業(yè)工藝的要求管路距離高壓電纜間距是有一定的要求，而有的位置管路距離高壓電纜托架很難滿足要求。這使得船東后期提出了此類型的意見，為了關(guān)閉意見后期修改的工作量很大，但優(yōu)化后的效果大大避免了此類問題，而且優(yōu)化的管路全部布置在發(fā)電機(jī)底部結(jié)構(gòu)的反頂，優(yōu)化后管路系統(tǒng)的布置和升高平臺(tái)的布置就大大完善了整個(gè)艙室的整體布局、設(shè)備維修和安全通道非常有效。

另外發(fā)電機(jī)艙有些中小型設(shè)備，就以單個(gè)發(fā)電機(jī)間的分油機(jī)設(shè)備周圍連接的燃油和滑油凈化系統(tǒng)管道布置方案，最初的分油機(jī)布置緊靠于艙壁，見圖3優(yōu)化前。這樣的布置就給前期的預(yù)舾裝管路帶來了很大的麻煩，連接分油機(jī)的管子很難配對(duì)精確，另為分油機(jī)本體自帶的滑油收集柜透氣管路布置同樣也影響到設(shè)備的維修空間，經(jīng)過后期討論此位置的設(shè)備和管路必須進(jìn)行必然性的優(yōu)化修改，確認(rèn)后分油機(jī)的布置位置進(jìn)行二次調(diào)整給設(shè)備周圍留有合適的維修空間，便于工作人員的操作維修，另外分油機(jī)自帶滑油收集柜透氣管路布置同樣也優(yōu)化調(diào)整，見圖3優(yōu)化后。以達(dá)到不影響設(shè)備周圍的維修空間，如此一系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)從各方面都滿足了要求，也達(dá)到了船東想要的預(yù)期效果。

2.2 設(shè)備接口管路優(yōu)化

發(fā)電機(jī)艙連接管路最多的就是主發(fā)電機(jī)，管路連接進(jìn)出口主要集中在設(shè)備前端部分，見圖4。進(jìn)出口管的布置直接影響設(shè)備接口處閥門和發(fā)電機(jī)本體零件的維修操作，且影響到周圍安全逃生通道和艙室總體布局的美觀，固必須對(duì)連接發(fā)電機(jī)設(shè)備的進(jìn)出口連接管路進(jìn)行必然的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

首先要根據(jù)設(shè)備的資料分析討論連接主發(fā)電機(jī)的管路的系統(tǒng)原理，以此布置主要的管路系統(tǒng)，然后考慮次要系統(tǒng)管路的布局，研究后針對(duì)發(fā)電機(jī)接口管路連接的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以從以下六大方面考慮：

（1）必需滿足設(shè)備廠家自帶軟管的最大彎曲半徑和膨脹節(jié)的要求；（2）相關(guān)系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)必需依據(jù)系統(tǒng)原理圖；（3）與設(shè)備進(jìn)出口連接的第一段管路盡量留有設(shè)計(jì)支架的位置；（4）設(shè)備進(jìn)出口的隔離閥布置應(yīng)集中設(shè)計(jì)便于操作；（5）連接的管子必須避開安全逃生通道；（6）與設(shè)備連接的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整管盡量的短而直可減少其系統(tǒng)內(nèi)部的阻力損損失。圖5是優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)設(shè)備接口和發(fā)電機(jī)前端的大概布局。

3 結(jié)束語

通過上述優(yōu)化方案的實(shí)例分析，可以發(fā)現(xiàn)主發(fā)電機(jī)間的總體布置，需從整個(gè)生活平臺(tái)的工藝流程來進(jìn)行協(xié)調(diào)分析和優(yōu)化，不僅僅是考慮總體布局、設(shè)備操作、維修空間及安全通道等要求，還要考慮到后期的管路設(shè)計(jì)提供良好的環(huán)境和條件，致使發(fā)電機(jī)間的布置方案滿足實(shí)用、合理、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳紹剛.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)（輪機(jī)分冊(cè)）.人民交通出版社.

第6篇：船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)范文

[關(guān)鍵詞]拖車主梁 應(yīng)力 變形 頻率 拓?fù)鋬?yōu)化

中圖分類號(hào)：U036 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）10-0052-02

引言

拓?fù)鋬?yōu)化主要用于產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，通過拓?fù)鋬?yōu)化可得到結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化分布，在航空航天、船舶海洋、材料研究等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。拖曳試驗(yàn)水池以快速性試驗(yàn)為目的，具備有較好的試驗(yàn)條件，使用范圍廣泛，便于采用新的試驗(yàn)技術(shù)。拖車主梁是拖曳試驗(yàn)水池的主要承載設(shè)備，是保證水中性能試驗(yàn)安全順利進(jìn)行的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)人員在考慮結(jié)構(gòu)承載能力和實(shí)際性能的同時(shí)，往往希望結(jié)構(gòu)重量更輕量化，結(jié)構(gòu)形式更趨于簡(jiǎn)單化，拓?fù)鋬?yōu)化作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念階段，尋求當(dāng)前載荷下材料的最優(yōu)分布，對(duì)最優(yōu)結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵性的指導(dǎo)作用。

本文以某拖曳水池的拖車主梁為研究對(duì)象，以輕量化設(shè)計(jì)為宗旨，基于剛度計(jì)算主梁的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式，期望為水池拖車設(shè)計(jì)的研究人員提供參考幫助。

1.傳統(tǒng)拖車主梁結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)大跨度、重承載橋架結(jié)構(gòu)以箱型梁結(jié)構(gòu)形式見多，如圖1所示為某拖曳水池行走機(jī)構(gòu)橋架結(jié)構(gòu)模型。此類結(jié)構(gòu)在承載部位有一定的安全富裕度，在非承載區(qū)往往有較大的安全富裕度，造成一定的材料浪費(fèi)，同時(shí)增加了結(jié)構(gòu)的重量。

橋架結(jié)構(gòu)中，主梁為主要的承載部件，也是本文的研究對(duì)象，對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的主梁建立計(jì)算模型，主梁采用厚8mm的鋼板焊接而成，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

本水池單根主梁最大承載為15t，主梁中部為承載最惡劣工況，以此工況邊界條件計(jì)算主梁的受力變形，如圖3所示，主梁最大應(yīng)力為88.4MPa，最大變形為2.79mm。

大型重載設(shè)備的共振頻率主要發(fā)生在設(shè)備的低頻階段，故低階自振頻率常常是分析的重點(diǎn)，設(shè)計(jì)師總希望在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)盡量提高或降低設(shè)備的固有頻率。計(jì)算主梁的前二階固有頻率，如圖4所示，主梁的一階固有頻率為42.78Hz，二階固有頻率為54.09Hz。

2.基于拓?fù)鋬?yōu)化主梁結(jié)構(gòu)

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)中有前景、具有創(chuàng)新性的技術(shù)，是指在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)找到最佳的材料分布，或者傳力路徑，從而在滿足各種性能的條件下得到重量最輕的設(shè)計(jì)，拓?fù)鋬?yōu)化過程包括：定義優(yōu)化函數(shù)、定義目標(biāo)函數(shù)和約束條件、初始優(yōu)化過程以及執(zhí)行拓?fù)鋬?yōu)化[8-9]。

由上述可知，拖車主梁跨度為6970mm，主梁長(zhǎng)度為8060mm，寬度為800mm，高度為650mm，建立主梁的初始有限元模型，如圖5所示。

不改變主梁的邊界條件，以主梁初始結(jié)構(gòu)整個(gè)模型為優(yōu)化區(qū)域，最大變形為約束條件，最小體積為目標(biāo)函數(shù)，如式（1）所示。

采用HyperWorks計(jì)算拖車主梁結(jié)構(gòu)的最優(yōu)模型，本次計(jì)算共進(jìn)行了49步迭代，考慮加工工藝和加工難度，取單元密度值為0.12，則拖車主梁的優(yōu)化迭代過程如圖6所示。

3.主梁優(yōu)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

拖車主梁最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖6第49步，導(dǎo)出最終優(yōu)化迭代后的幾何模型，考慮機(jī)械加工工藝對(duì)優(yōu)化迭代后的模型進(jìn)行修整，得出最終主梁模型如圖7所示，主梁跨度為6970mm，最大高度為650mm，寬度為800mm，焊接鋼板厚度為14mm。

對(duì)修整后的主梁模型重新劃分網(wǎng)格，不改變初始邊界條件，為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果得可靠性，導(dǎo)入不同有限元分析軟件計(jì)算優(yōu)化后的主梁模型，本文采用ABAQUS計(jì)算優(yōu)化修整后的主梁應(yīng)力和變形響應(yīng)。

4.結(jié)果對(duì)比

在相同的邊界條件下，對(duì)比傳統(tǒng)拖車主梁和優(yōu)化后拖車主梁的應(yīng)力、變形、前二階固有頻率，如表1所示，優(yōu)化后的拖車主梁較傳統(tǒng)主梁應(yīng)力有所增大，變形有所減小，一階固有頻率有所減小，二階固有頻率有所增大，重量有所減小。

以傳統(tǒng)拖車主梁計(jì)算數(shù)值為基，計(jì)算優(yōu)化后拖車主梁的變化率，如表2所示，由表可知，優(yōu)化后的拖車主梁較傳統(tǒng)主梁有所減少的為最大變形、一階固有頻率和重量，變化較為明顯的為應(yīng)力和一階固有頻率。

5.結(jié)語

以某拖曳水池的拖車主梁為研究對(duì)象，計(jì)算了傳統(tǒng)形式拖車主梁的變形和應(yīng)力響應(yīng)，考核一階和二階固有頻率，基于拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，考核了最終優(yōu)化修整后主梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，對(duì)比傳統(tǒng)主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形、前二階固有頻率，結(jié)果表明，基于拓?fù)鋬?yōu)化后的拖車主梁結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下，一階固有頻率和重量較傳統(tǒng)主梁結(jié)構(gòu)有明顯降低。

參考文獻(xiàn)

[1] 周克民，胡云昌.結(jié)合拓?fù)浞治鲞M(jìn)行平面連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，34（3）：340-345.

[2] ESCHENAUER H A.Topology optimization of continuum structures：A review[J].Applied Mechanics Review，2001，54（4）：331-389.

[3] 余湘三，陳澤梁，樓連根等.船舶性能實(shí)驗(yàn)技術(shù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1991.

第7篇：船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞 鋼筋混凝土 非線性 幾何規(guī)劃 優(yōu)化設(shè)計(jì) 現(xiàn)澆梁

中圖分類號(hào)：TU37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁是建筑結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件，其截面設(shè)計(jì)首先是根據(jù)變形要求的高跨比限值假定截面高度，根據(jù)構(gòu)造要求決定截面寬度，然后再根據(jù)正截面的抗彎承載力和斜截面的抗剪承載力配置縱筋和箍筋?？梢?，整個(gè)設(shè)計(jì)過程中并沒有考慮梁的造價(jià)問題，設(shè)計(jì)結(jié)果常常很不經(jīng)濟(jì)。因此，許多學(xué)者提出了各種各樣的以造價(jià)為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，歸納起來，大多數(shù)方法的優(yōu)化結(jié)果并沒有直接給出梁截面高度和截面寬度的計(jì)算公式，而是以耗時(shí)的迭代過程來確定優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。因此，找到一種簡(jiǎn)單的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，顯得十分必要。

鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁的的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)多變量多約束的非線性規(guī)劃問題，本文以造價(jià)最低為優(yōu)化模型，去掉消極約束，將非線性的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為具有不同設(shè)防水平的幾何規(guī)劃問題，通過幾何規(guī)劃解，給出了現(xiàn)澆梁截面高度和截面寬度的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算公式。利用本文方法，通過若干次試算即可得到優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)解。需要指出的是本文僅討論均布荷載作用的一般優(yōu)化梁?jiǎn)栴}，其他情況方法相同，這里不再贅述。文末給出的實(shí)際算例計(jì)算結(jié)果表明，本文方法具有一定的實(shí)用價(jià)值。

優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)

在計(jì)算鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁截面時(shí)，跨度和設(shè)計(jì)荷載均為已知，需要確定的是截面尺寸bxh,，以及縱筋和箍筋的用量。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)變量選為截面有效高度h0，截面寬度b,縱向受拉鋼筋面積As以及單位長(zhǎng)度箍筋面積Asv/s,s為箍筋間距。當(dāng)目標(biāo)函數(shù)選為單位梁長(zhǎng)的造價(jià)時(shí)，費(fèi)用主要由混凝土費(fèi)用、鋼筋和箍筋費(fèi)用以及模板費(fèi)用組成。由于模板為非一次性用材，可不考慮其對(duì)造價(jià)的影響，則目標(biāo)函數(shù)C為

C=Ccb(h0+a0)+CsAs+2Csv(1)

式中，Cc為單位體積混凝土造價(jià)（CNY/m3）;Cs為單位體積縱向受力鋼筋的造價(jià)（CNY/m3）；Csv為單位體積箍筋的造價(jià)（CNY/m3）；為箍筋彎鉤長(zhǎng)度；a0為混凝土保護(hù)層厚度。

由構(gòu)造要求，取h0+a0h0，， 1.4 h0，則（1）式可簡(jiǎn)化為 C=Ccbh0+CsAs+2.8Csvh0(2)

鋼筋混凝土梁應(yīng)滿足正截面彎矩M的抗彎承載力和斜截面剪力V的抗剪承載力要求，由此可得

（3）

（4）

式中，為等效系數(shù)；ft、fc分別為混凝土抗拉和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fy、fyv分別為縱筋和箍筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。將式（3）和式（4代入式（2）中，并去掉正截面彎矩承載力計(jì)算中的消極約束，即

以及后，原問題可轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)幾何規(guī)劃問題。

幾何規(guī)劃最優(yōu)解

去掉消極約束的幾何規(guī)劃問題有兩種情況

當(dāng)時(shí)，求b和h0,使得

（5）

約束條件為

（6）

式中，

為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)，為設(shè)防變量。

可見，上述幾何規(guī)劃問題有3個(gè)變量b、h0和x,存在兩個(gè)困難度，其對(duì)偶問題可寫成

約束為

（7）

式中為對(duì)偶變量，應(yīng)滿足（8）

因?yàn)樵瓎栴}大于零，所以取=+1，解方程組（7）得

（9）

設(shè)g=m/n，將對(duì)偶函數(shù)兩邊取對(duì)數(shù)，分別對(duì)、求偏導(dǎo)后，并令偏導(dǎo)數(shù)為零，可得

（10）

當(dāng)能滿足0

（11）

原變量b,h0和對(duì)偶變量的關(guān)系為

（12）

解上述方程組，可得具有設(shè)防水平的最優(yōu)解為

(13)

通過數(shù)值分析表明，式（10）只適用于特殊情況，即剪力相對(duì)于彎矩較大時(shí)才有解（13），一般情況下，去掉消極約束,問題變成求b和h0,使得

（14）

約束為

（15）

式（15）的規(guī)劃解

（16）

（17）

極小化時(shí)的C值為C0,因?yàn)?/p>

則有

（18）

（19）

式（19）與式（13）形式相同，但和需分別按式（17）、式（18）和式（9），式（11）計(jì)算。

由于b/h0是在某范圍內(nèi)變化的未知量，使得優(yōu)化問題含有部分模糊約束性質(zhì)，通過轉(zhuǎn)換b/h0為，并給賦予有限個(gè)不同的離散值從而消除了模糊性質(zhì)，使具有了工程上的設(shè)防水平概念，若依次取為，可得s個(gè)具有不同設(shè)防水平的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從中可選出最優(yōu)解b*和h0*,亦即b*和h*,。

當(dāng)V≤1.0ftbh0時(shí)，求b和h0,使得

(20)

約束條件為

（21）

式中

上述幾何規(guī)劃解為

（22）

式中，分別按式（16）、式（17）和式（18）計(jì)算，只需將式中m和n用代換即可。

算例

某一凈跨為3.3米的鋼筋混凝土矩形截面簡(jiǎn)支梁，原設(shè)計(jì)截面為200mmX300mm,主筋為318，箍筋為雙肢6@200，現(xiàn)求造價(jià)為最小的優(yōu)化設(shè)計(jì)，該梁承受的均布恒荷載設(shè)計(jì)值為40.3kN/m(包括自重)，均布活荷載設(shè)計(jì)值為9.5kN/m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25(ft=1.27N/mm2, fc=11.9N/mm2,混凝土單價(jià)設(shè)定為275CNY/m3;箍筋采用I級(jí)鋼筋fyv=270N/mm2,,單價(jià)取為4250元/t；縱向受力鋼筋為II級(jí)鋼筋fy=300N/mm2,,,單價(jià)取為4250元/t

求得彎矩M=64mN.m剪力V=75.2kN，屬于V 1.0ftbh0情況。取，0.2,0.4,0.6,0.8,1.0，可得一組解b和h0,如表1所示，本組解考慮了目標(biāo)函數(shù)所具有的模糊性質(zhì)，并與模糊約束條件取一致的設(shè)防水平，分析表明可不比如此，

表1 b和h0,的解值

最優(yōu)解b*=198.9mm,h0*=498.9mm,取整后b=200mm,h=450mm,計(jì)算縱向受拉鋼筋A(yù)s=498.4mm2,選用218（As=509mm2），計(jì)算箍筋用量ASV/s=0.52,選用雙肢6@130，利用本文優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的最優(yōu)化設(shè)計(jì)比原設(shè)計(jì)降低造價(jià)約為14.7%。

4結(jié) 論

本文根據(jù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，將具有非線性性質(zhì)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成幾何規(guī)劃問題，通過幾何規(guī)劃解，導(dǎo)出了鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁截面高度h和截面寬度b的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算公式。大量的實(shí)際算例計(jì)算結(jié)果分析表明：

梁的截面尺寸優(yōu)化主要取決于設(shè)計(jì)彎矩和材料的造價(jià)

設(shè)計(jì)剪力對(duì)截面尺寸的選取影響較小，只有當(dāng)設(shè)計(jì)剪力與設(shè)計(jì)彎矩相比較大，即按式（10）計(jì)算出，能滿足0

本文建立的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法所得出的計(jì)算公式概念簡(jiǎn)單，便于計(jì)算、對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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第8篇：船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：折疊式夾層板；船體結(jié)構(gòu)；安全系能；設(shè)計(jì)方案

當(dāng)船舶處于碰撞或是擱淺的狀態(tài)時(shí)，很容易損壞船體結(jié)構(gòu)，降低船體的安全性能，給船舶后期正常的使用埋下重大的安全隱患。在此形勢(shì)影響下，很多研究者將如何增強(qiáng)船體結(jié)構(gòu)的碰撞性作為主要的研究目的，對(duì)提高折疊式夾層板船體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來了可靠的參考依據(jù)。由于船體結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注的是吸能單元作用下船舶結(jié)構(gòu)的合理性，需要設(shè)計(jì)人員采取先進(jìn)的方法設(shè)計(jì)出高效的吸能單元，為船體結(jié)構(gòu)耐撞性的增強(qiáng)提供重要的保障。

一、FSP船體結(jié)構(gòu)概念的設(shè)計(jì)

折疊式夾層板簡(jiǎn)稱為FSP。相關(guān)的研究報(bào)告表明，這種材料在實(shí)際的應(yīng)用中具有良好的耐撞性能，可以作為船體設(shè)計(jì)中重要的吸能單元。 折疊式夾層板的結(jié)構(gòu)主要包括夾芯層結(jié)構(gòu)和上下的蒙皮，通過膠接的方式將二者有效地連接起來，組成了質(zhì)量可靠的結(jié)構(gòu)。在實(shí)際的應(yīng)用中，通過折疊工藝的作用，可以得到夾芯層結(jié)構(gòu)。在具體的設(shè)計(jì)過程中，利用FSP的優(yōu)良特性，可以用它取代傳統(tǒng)船舶的縱骨，增強(qiáng)船體的耐撞性能。設(shè)計(jì)思路的具體內(nèi)容主要包括：（1）為了節(jié)約生產(chǎn)成本，可以采取一定的方式除去外板的肋骨，設(shè)置為性能更好的折疊式夾芯層。這種材料的合理使用避免了船體結(jié)構(gòu)焊接時(shí)變形現(xiàn)象的出現(xiàn)，減少了焊接工作量；（2）傳統(tǒng)的船體外板可以用抗壓性能優(yōu)越的夾層板上下蒙皮取代。這種特殊的材料具體使用中可以發(fā)揮出一定的吸能作用，減少了船體結(jié)構(gòu)的安全隱患。這些內(nèi)容體現(xiàn)了折疊式夾層板船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體思路。設(shè)計(jì)中技術(shù)人員應(yīng)該對(duì)夾層板耐撞性能的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行必要地分析和計(jì)算，使得船體的縱骨與夾芯層的高度可以保持一致，保證船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理科學(xué)性。

二、FSP雙層船體結(jié)構(gòu)中耐撞性設(shè)計(jì)

（一）碰撞的設(shè)計(jì)方案

選取高度較大的剛性球，撞擊預(yù)先準(zhǔn)備好的原油輪側(cè)面，計(jì)算出被撞船遭受撞擊后的面積大小，明確具體的尺寸規(guī)格。為了使撞擊試驗(yàn)的效果更加明顯，試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的參考價(jià)值，可以選用排水量約為10000t的船體作為撞擊船，撞擊過程中的速度保持在每秒行駛10米左右。為了保證撞擊船結(jié)構(gòu)的剛度，可以選用低碳鋼作為主要的原材料。試驗(yàn)過程中技術(shù)人員除過計(jì)算出撞擊時(shí)重要的參數(shù)大小，也要充分考慮材料應(yīng)變硬化產(chǎn)生的影響。在設(shè)計(jì)方案的制定和實(shí)施的過程中，為了保證碰撞試驗(yàn)最終所得數(shù)據(jù)的真實(shí)有效性，相關(guān)的操作者應(yīng)該對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行中的相關(guān)材料特性進(jìn)行深入地分析，確保這些材料在實(shí)際的使用中可以達(dá)到預(yù)期的效果。在碰撞試驗(yàn)進(jìn)行中操作人員應(yīng)該嚴(yán)格遵守具體的操作流程，采取有效的方式處理好細(xì)節(jié)問題，為后期船體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的參考依據(jù)。同時(shí)，試驗(yàn)過程中也需要制定和實(shí)施可靠的防護(hù)措施，避免安全事故的發(fā)生，保證試驗(yàn)的順利完成。

（二）撞擊中相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的分析

利用相關(guān)計(jì)算機(jī)模擬軟件的作用，可以對(duì)試驗(yàn)中船體結(jié)構(gòu)經(jīng)過撞擊后相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行深入地分析。這些技術(shù)指標(biāo)主要包括：（1）損傷變形；（2）碰撞力。

試驗(yàn)中船體結(jié)構(gòu)經(jīng)過一定外界作用力的碰撞后，通過對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷變形分析，可知這種變形量明顯的特征是集中在局部，即屬于試驗(yàn)中選取的碰撞區(qū)域。同時(shí)，船體結(jié)構(gòu)損傷變形模式主要為膜拉伸。這種拉伸作用對(duì)于船體不同結(jié)構(gòu)部位產(chǎn)生的效果有所差異。呈現(xiàn)屈曲變形特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)主要為強(qiáng)框架；呈現(xiàn)膜拉伸變形特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)主要為船體的常規(guī)結(jié)構(gòu)部位。

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)參考模型分析的過程中，可知船體結(jié)構(gòu)的碰撞力大小也能衡量FSP的安全性能。從FSP船體碰撞曲線的分析中可知：（1）所有碰撞曲線的大致走向基本相同，體現(xiàn)了不同階段的碰撞效果；（2）某些選定參考點(diǎn)的船體結(jié)構(gòu)碰撞力較小，起始階段FSP結(jié)構(gòu)的第一峰值碰撞力最大。同時(shí)，船體為FSP結(jié)構(gòu)的碰撞力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)船體結(jié)構(gòu)，客觀地體現(xiàn)了這種原材料的優(yōu)良特性。撞擊過程中相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的明確，可以為船體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供重要的參考信息。運(yùn)用信息化技術(shù)構(gòu)建可靠的參考模型過程中，操作人員應(yīng)該對(duì)相關(guān)的仿真軟件測(cè)試系統(tǒng)有著充分地了解，以便所有的參數(shù)可以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)測(cè)試完畢，保證后期工作的順利開展。

三、FSP單殼船體結(jié)構(gòu)碰撞的設(shè)計(jì)

相對(duì)而言，單殼船體結(jié)構(gòu)碰撞的過程及相關(guān)的參考模型構(gòu)建比較簡(jiǎn)單。碰撞方案設(shè)計(jì)中可以選用175000DWT的散貨船作為主要的研究對(duì)象，撞擊材料可選為剛度較大的帶球鼻船舶。利用信息化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可知撞擊船體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的損傷變形效果非常明顯。主要體現(xiàn)在：（1）經(jīng)過撞擊后船體側(cè)面呈橢圓形，船體結(jié)構(gòu)損傷變形大；（2）隨著FSP船體結(jié)構(gòu)剛度的增大，整個(gè)船體結(jié)構(gòu)損傷變形的影響范圍也會(huì)相應(yīng)地?cái)U(kuò)大，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的吸能；（3）不同船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形量有所區(qū)別。常規(guī)的船體結(jié)構(gòu)主要的變形模式為撕裂和拉伸，而FSP結(jié)構(gòu)碰撞過程中產(chǎn)生的變形模式比較多，主要包括夾芯層結(jié)構(gòu)的壓皺屈曲、膜拉伸、撕裂變形。這些結(jié)構(gòu)的組成部分，對(duì)于船體結(jié)構(gòu)的碰撞設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。設(shè)計(jì)人員只有充分地考慮碰撞試驗(yàn)中相關(guān)結(jié)構(gòu)變形的影響因素，才能增強(qiáng)設(shè)計(jì)方案的合理性和科學(xué)性。

通過對(duì)試驗(yàn)中碰撞力―撞深關(guān)系曲線的分析，可知常規(guī)船體結(jié)構(gòu)遭受撞擊后產(chǎn)生的效果在曲線上主要體現(xiàn)為：處于加載狀態(tài)的載荷波動(dòng)大，碰撞力載荷一般。而通過對(duì)FSP結(jié)構(gòu)曲線的分析，可知它具有明顯的平臺(tái)階段。這也客觀地體現(xiàn)了這種結(jié)構(gòu)剛度大的優(yōu)勢(shì)，實(shí)際應(yīng)用中可以承受住較大的碰撞力。同時(shí)，由于夾芯層的作用，保證了結(jié)構(gòu)優(yōu)良的吸能特性。

結(jié)束語：

折疊式夾層板船體結(jié)構(gòu)碰撞性的設(shè)計(jì)，需要對(duì)設(shè)計(jì)過程中的試驗(yàn)效果進(jìn)行深入地分析。根據(jù)相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件的模擬作用，對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷變形、碰撞力、吸能等重要的參數(shù)做出有效地評(píng)估，增強(qiáng)設(shè)計(jì)方案的適用性。同時(shí)，F(xiàn)SP結(jié)構(gòu)作為一種先進(jìn)的耐撞結(jié)構(gòu)形式，在實(shí)際的應(yīng)用中具有良好的作用效果。處理好設(shè)計(jì)方案中存在的細(xì)節(jié)問題，可以優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

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第9篇：船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：環(huán)境影響;船舶;結(jié)構(gòu)完整性;設(shè)計(jì); 腐蝕

在船舶建造和維護(hù)階段來降低對(duì)環(huán)境影響是本文著重討論的方向，本文試著將通過船舶以下幾個(gè)方面進(jìn)行解決：通過改善船體的方式來降低運(yùn)行中油耗，進(jìn)而減少對(duì)環(huán)境影響；優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過改善船體強(qiáng)度以及合理細(xì)分船室來防止燃油和危險(xiǎn)品泄露；降低噪聲污染和振動(dòng)，因?yàn)闀?huì)影響到內(nèi)部環(huán)境和外環(huán)境的質(zhì)量；解決預(yù)防腐蝕和檢測(cè)腐蝕度問題；船舶設(shè)備的維護(hù)。

1、減少船體結(jié)構(gòu)完整性的缺失對(duì)環(huán)境的影響

船舶意外事故及對(duì)海洋造成污染的原因，往往是由于碰撞或者擱淺致使船體結(jié)構(gòu)完整性受到破壞。因此，在設(shè)計(jì)船體時(shí)候應(yīng)考慮到這些方面：1.1、提高船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和吸引能力。1.2、要保證有充足的殘存強(qiáng)度以便在事故的救援中贏得更多的時(shí)間。1.3、如何預(yù)防海損中因船室破裂而引起的污染也是我們需要關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是噸位比較大的油輪以及其他特殊化學(xué)物品專用船。

目前的研究主要是通過簡(jiǎn)化算法（運(yùn)用于評(píng)估船舶在不同結(jié)果組裝形式下所能承受碰撞及擱淺的能力）的方式來提高船體強(qiáng)度和能量吸收能力。目前正在使用的有限元法全數(shù)值，通過模擬方式（船舶垂向運(yùn)動(dòng)擱淺模擬，撞擊運(yùn)動(dòng)模擬，和局部結(jié)構(gòu)模擬）和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，得出有效的結(jié)果，凸顯了其重要性，這已經(jīng)開始用于設(shè)計(jì)評(píng)估中，以便提高船舶碰撞和擱淺強(qiáng)度。

2、優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)減少油耗

船模實(shí)驗(yàn)是船體構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，尤其是拖模試驗(yàn)是其重要一環(huán)。此外，目前運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算來進(jìn)行船殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法已經(jīng)在船舶設(shè)計(jì)中得到實(shí)際運(yùn)用。當(dāng)然，這要求設(shè)計(jì)人員要有豐富的專業(yè)知識(shí)和判斷能力，同時(shí)需要我們?cè)谝韵聨讉€(gè)方向做出努力

2.1、在穩(wěn)定性和粘性流體方面，改進(jìn)流體動(dòng)力學(xué)模型。

2.2、加快流體動(dòng)力學(xué)模擬化的自動(dòng)化進(jìn)程，改進(jìn)技術(shù)。

2.3、通過改善船體強(qiáng)度及細(xì)分船艙室來防止燃油和化學(xué)物品的泄露。

3、 降低噪音和振動(dòng)

由于螺旋槳工作過程中周圍的流場(chǎng)環(huán)境不同引起空泡現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)。所以，如何減小汽輪推薦系統(tǒng)的噪音是值得我們思考的問題。

3.1、設(shè)計(jì)出合適的船槳配合裝置，使其周圍的流場(chǎng)趨于平順可以降低噪聲和振動(dòng)。

3.2、 在一定的流場(chǎng)中我們還可以通過設(shè)計(jì)新的槳葉來改善螺旋槳空泡現(xiàn)象，進(jìn)而減少噪聲和振動(dòng)。通過流體動(dòng)力學(xué)并結(jié)合完善的模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)運(yùn)用流體可視化，來幫助改善船體設(shè)計(jì)中興波領(lǐng)域的問題。

3.3、使用全船的三維有限元模擬，以便在設(shè)計(jì)階段更好的對(duì)船體的振動(dòng)水平作出一個(gè)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，這比噪聲預(yù)測(cè)水平要更先進(jìn)些。

4、減少腐蝕對(duì)船舶的損害

除了前面提到的碰撞和擱淺，超載、斷裂外腐蝕也會(huì)損壞船舶結(jié)構(gòu)的完整性，從而影響船舶的穩(wěn)定性。我們考慮：通過在設(shè)計(jì)階段規(guī)定附加的外板厚度以及防腐系統(tǒng)來解決。優(yōu)良的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能在一定程度上減輕腐蝕度，但是在維修設(shè)計(jì)方面很少有人關(guān)注，如：留出適當(dāng)空間為局部結(jié)構(gòu)的檢修或者涂抹敷料提供方便，因此，在船舶防腐設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該注意到該問題。

5、船舶的防腐與檢測(cè)

腐蝕是船體設(shè)計(jì)和維護(hù)中不得不面對(duì)的一個(gè)問題，否則它會(huì)在消弱船體功能同時(shí)也會(huì)引起環(huán)境污染，然而影響腐蝕的因素是多方面的，想把這些問題杜絕在設(shè)計(jì)階段是不現(xiàn)實(shí)的，所以在很大程度上是靠檢測(cè)和維護(hù)來消除腐蝕的，檢測(cè)的步驟在一定的程度上決定了應(yīng)對(duì)腐蝕問題的有效性。

5.1、檢查貨物量，裝載量，壓艙物，腐蝕率等，同時(shí)還要作好鋼的溫度、腐蝕發(fā)生率的記錄。

5.2、需要檢查循環(huán)裝載和鋼結(jié)構(gòu)的偏離對(duì)腐蝕程度的影響。

5.3、要考慮原油沖刷對(duì)腐蝕性及對(duì)鋼表面油墨的影響，同時(shí)還要研究不同種類的原油對(duì)設(shè)備的有效性影響。

5.4、為檢驗(yàn)混合物和濕氣對(duì)腐蝕造成的影響，要對(duì)其包含的惰性氣體進(jìn)行檢測(cè)。

6、 船舶設(shè)備的維護(hù)

船舶的設(shè)備維護(hù)與備用系統(tǒng)關(guān)系到環(huán)境問題，維護(hù)管理體系在整個(gè)安全體系中占有重要地位，通過對(duì)維護(hù)系統(tǒng)的不斷改進(jìn)能有效降低成本，強(qiáng)化安全。

維護(hù)可分計(jì)劃維護(hù)和非計(jì)劃維護(hù)，非計(jì)劃維護(hù)囊括了事故發(fā)生時(shí)的維護(hù)和未預(yù)防到的事故的維護(hù)。預(yù)防性維護(hù)主要是維護(hù)船體和大型鋼結(jié)構(gòu)架，安全消防器材，防污染和航行裝置，通信系統(tǒng)及垃圾處理和排放系統(tǒng)等等，通過采用新的維修材料來降低成本，增加實(shí)用性。

此外，還可以通過改進(jìn)設(shè)計(jì)和組裝工藝來延長(zhǎng)船舶壽命，以減少年報(bào)費(fèi)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益的雙贏性。合理使用不同材料也能有效減輕其重量，尤其是高速船更為重要，需要我們注意的是：在還未對(duì)不同的材料進(jìn)一步處理前，必須要分開儲(chǔ)存。

總之，世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展肯定會(huì)帶動(dòng)船舶制造業(yè)的發(fā)展，雖然從船舶的“生命周期”來看，船舶的全球化環(huán)境影響是發(fā)生產(chǎn)生在船舶運(yùn)營(yíng)階段，但是從當(dāng)?shù)氐囊暯莵砜?，在船舶的建造、維修過程中對(duì)環(huán)境影響是比較大，值得我們關(guān)注。我們應(yīng)該不斷的進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，提高船舶的技術(shù)含量和自動(dòng)化水平，提高能源的利用率，使世界航運(yùn)業(yè)也在一個(gè)良性、和諧的狀態(tài)下快速發(fā)展。

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