時(shí)間：2023-07-23 09:24:43
導(dǎo)語(yǔ)：在船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
關(guān)鍵詞：滑油；艙容；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；溢流
中圖分類號(hào)：U664 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）5-0079-01
船舶滑油系統(tǒng)一般包括：滑油輸送系統(tǒng)，滑油凈化系統(tǒng)，滑油日用系統(tǒng)、滑油泄放系統(tǒng)等?；偷淖饔弥饕ㄒ韵聨讉€(gè)方面：
①減磨作用――在相互運(yùn)動(dòng)的表面形成油膜，減小摩擦；
②冷卻作用――帶走因摩擦而產(chǎn)生的熱量；
③清潔作用――沖洗運(yùn)動(dòng)表面的金屬磨粒；
④密封作用――產(chǎn)生的油膜有密封作用，如活塞與缸套間的油膜起密封燃燒室作用；
⑤防腐作用――油膜阻止空氣與金屬表面的接觸，防止金屬銹蝕；
⑥減噪作用――油膜起緩沖作用，避免運(yùn)動(dòng)面直接接觸，減輕振動(dòng)和噪音；
⑦傳力作用――提供動(dòng)力油壓。
任何一個(gè)相關(guān)滑油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都需要預(yù)先考慮全船的所有設(shè)備狀態(tài)、船舶狀態(tài)等因素，因?yàn)槊恳粋€(gè)系統(tǒng)均不是單獨(dú)存在的，全船的所有系統(tǒng)包括其它設(shè)施均是一個(gè)整體，缺一不可，每一個(gè)系統(tǒng)的故障都有可能導(dǎo)致整個(gè)船舶的災(zāi)難。
1 概述
船舶柴油機(jī)作為船舶動(dòng)力和發(fā)電機(jī)的原動(dòng)力是船舶的核心裝置。為了保證主機(jī)、輔機(jī)及其它機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)行，滑油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格按照柴油機(jī)廠家提供的系統(tǒng)圖作為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且各種設(shè)備的配置也應(yīng)按照柴油機(jī)廠家提供的參數(shù)進(jìn)行配套。由于柴油機(jī)廠家以及運(yùn)行速度和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的不同，因而需配不同的滑油系統(tǒng)。各柴油機(jī)廠均有自己獨(dú)立的系統(tǒng)原理圖供設(shè)計(jì)參考。
2 設(shè)計(jì)布置原則要求
①滑油艙與下列艙柜相鄰布置時(shí)，一般應(yīng)設(shè)隔離空艙：與滑油艙/淡水艙/鍋爐水艙。
②滑油循環(huán)艙：在雙層底船殼上，如若滑油循環(huán)艙延伸至外板時(shí)，需要在柴油機(jī)泄放至循環(huán)艙的泄放管路上設(shè)置截止閥，并且該閥的操作要延伸至花鋼板上易于操作的地方；若循環(huán)艙用隔離空艙與外板隔開，則可不設(shè)置該閥。滑油循環(huán)艙的進(jìn)油管應(yīng)布置在最低液位以下，并遠(yuǎn)離出油口。而且應(yīng)保證船舶在橫傾15 ?和縱傾5 ?的時(shí)候不影響柴油機(jī)的運(yùn)行。對(duì)于主機(jī)滑油循環(huán)艙容量柴油機(jī)廠家都有推薦，最終選配的容量務(wù)必滿足此要求。
③滑油的儲(chǔ)藏、輸送和使用的布置，應(yīng)保證船舶和船上人員的安全。在A類機(jī)器處所以及（在可行情況下）在其他機(jī)器處所內(nèi)所作的布置，應(yīng)至少符合4個(gè)條件：其一，滑油艙柜不得設(shè)在從滑油艙柜溢出或滲漏的滑油可能落于熱表面而構(gòu)成火災(zāi)或爆炸危險(xiǎn)的地方。其二，對(duì)于如有損壞會(huì)使滑油從設(shè)在雙層底以上的及容積500 L以上的儲(chǔ)存柜、沉淀柜和日用柜溢出的滑油管，應(yīng)為其在油柜上直接裝設(shè)一個(gè)旋塞或閥門，且一旦此種油柜所在處所失火，應(yīng)能在有關(guān)處所之外的安全位置加以關(guān)閉。其三，應(yīng)設(shè)有確定任何滑油艙柜內(nèi)存油量的安全有效裝置，如測(cè)深管和液位計(jì)，液位計(jì)為平板玻璃帶自閉閥式，不可為玻璃圓管液位計(jì)。其四，滑油儲(chǔ)存/沉淀/日用艙柜應(yīng)設(shè)置能從柜底泄水的自閉式閥或旋塞，并應(yīng)采用適當(dāng)措施收集泄放出來(lái)的油污水。
④油柜、泵、濾器下面設(shè)置集油盤，并將污油泄放至泄放柜（一般為滑油泄放柜），如若滑油泄放柜布置在雙層底，應(yīng)在泄放總管上設(shè)置相應(yīng)閥件，一般設(shè)有止回閥，一方面防止底層破損后海上倒灌，另一方面還阻止油氣上溢。 同時(shí)帶壓力泄放和重力泄放應(yīng)單獨(dú)分開布置，以防壓力泄放倒灌至其它泄放口。
⑤任一油艙柜或滑油系統(tǒng)的任何部分，包括由船上油泵供油的注入管在內(nèi)，應(yīng)設(shè)有防止超壓的裝置?？諝夤芎鸵缌鞴芤约鞍踩y應(yīng)排向不會(huì)由于油和蒸氣的存在而導(dǎo)致失火或爆炸危險(xiǎn)的位置，且不得排向船員處所和乘客處所，也不得排向特種處所、閉式滾裝處所、機(jī)器處所或類似處所。
⑥對(duì)滑油艙柜（一般指澄清艙）、分油機(jī)加熱器進(jìn)行加熱的介質(zhì)溫度不超過(guò)220 ?，加熱的最高溫度小于其閃點(diǎn)10 ?，需要設(shè)置顯示溫度指示的裝置，盡可能避免使用電加熱。
3 設(shè)計(jì)系統(tǒng)原則要求
3.1 管系設(shè)計(jì)布置符合
①遠(yuǎn)離熱源，盡可能直管布置，減少接頭數(shù)量。②鑄鐵閥件可應(yīng)用于壓力小于7 bar，溫度小于60 ?的管路上，安裝在油柜上的承受靜壓力的閥可使用球墨鑄鐵。③滑油儲(chǔ)存/澄清/日用艙柜上直接布置出口閥件，或CCS規(guī)定在長(zhǎng)度為L(zhǎng)=0.8 D+80撓性短管上布置閥件（D為管子外徑），而且該閥件能就地操作和艙柜處所之外進(jìn)行遙控，艙柜容量≤0.5 m3的可以不遙控，但日用艙除外。④注入管路上應(yīng)設(shè)有防止超壓裝置，例如安全閥，該閥的溢流要到專用溢流柜或其他安全處所?；凸芟氮?dú)立于其它管系，滑油管系需設(shè)置濾器，并保證在設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能對(duì)濾器進(jìn)行清洗，低速機(jī)滑油系統(tǒng)一般設(shè)自清濾器，中速機(jī)一般為機(jī)帶濾器。一般滑油輸送泵排出端應(yīng)設(shè)有安全閥，安全閥排出油液回至泵的進(jìn)口端，以便有效地將泵的排出壓力控制在管系設(shè)計(jì)壓力之內(nèi)。
3.2 管材的選擇
滑油管路的流速吸入管一般為0.4～1.2 m/s，排出管路一般為0.8～2.0 m/s，管材的選用時(shí)要考慮流速的影響，流速高，管徑小，管材省，成本低，但流阻增大，腐蝕加快；流速低，管徑大，管材費(fèi)，成本高，但流阻減少，同樣也能造成腐蝕加快。所以要根據(jù)規(guī)范規(guī)格書的要求并結(jié)合通用慣例合理選用管材。
3.3 閥及附件的選擇
一般情況下所有的管路（通常情況下，透氣管和溢流管除外）都必須有閥以便于檢修。如果管路交叉，則所有的支路上也必須有閥件。但是主機(jī)滑油循環(huán)艙如果位于雙層底，且下面沒(méi)有隔離空艙與船體外板隔離的話，則這個(gè)主機(jī)滑油循環(huán)艙的透氣管就要加閥。閥件的型式同樣根據(jù)規(guī)范和規(guī)格書選取，如果規(guī)范和規(guī)格書無(wú)特殊說(shuō)明，一般我們可以根據(jù)通用慣例來(lái)進(jìn)行選擇，但對(duì)于通徑較大的閥（一般為大于DN80），則盡量選用外形較小的蝶閥代替截止閥，對(duì)于其它特殊閥件等都要根據(jù)廠家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選用。管路附件如儀表、傳感器等可按通用慣例進(jìn)行選用，對(duì)規(guī)范及規(guī)格書特別的要求的要特殊對(duì)待。
4 結(jié) 語(yǔ)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工程，牽一發(fā)而動(dòng)全身。任何船舶系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)均要綜合考慮，對(duì)于設(shè)計(jì)員來(lái)說(shuō)，做系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)則要求，還要考慮系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工的難易程度、設(shè)備的布置和維修方便等因素，只有這樣才能準(zhǔn)確有效的設(shè)計(jì)出一個(gè)合格、合理的系統(tǒng)圖，合理的設(shè)計(jì)能有效地促進(jìn)船廠的造船精度和進(jìn)度的提高乃至成本的減少。
參考文獻(xiàn)：
Abstract： FIR filter is designed by the genetic algorithm based on BP neural network. Aimed at the difficulty of global optimization and the slow computational rate, an improved method is given. The algorithm takes advantage of the global search capabilities of genetic algorithm and the strong search efficiency of BP neural network. It optimizes the search time and improves the performance of the algorithm. It is particularly effective for solving large-scale optimization problems. The example of low-pass filter designed by the improved algorithm shows its feasibility.
關(guān)鍵詞： FIR濾波器；遺傳算法；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
Key words： FIR filter；genetic algorithm；BP neural network
中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2011）17-0037-02
0引言
在數(shù)字信號(hào)處理中，濾波器一直占有重要的地位，數(shù)字濾波器在語(yǔ)音、圖像處理和譜分析等應(yīng)用中經(jīng)常使用，其優(yōu)化設(shè)計(jì)一直受到廣大研究者和工程人員的關(guān)注。其中FIR數(shù)字濾波器有自己突出的優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)總是穩(wěn)定的，易于實(shí)現(xiàn)線性相位，允許設(shè)計(jì)多通帶或多阻帶濾波器等。因此FIR濾波器在數(shù)字信號(hào)處理中得到廣泛的應(yīng)用。
窗函數(shù)法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器是最常見(jiàn)方法，但是一些常見(jiàn)窗口函數(shù)，如矩形窗、漢寧窗等，窗口形狀固定，不能很好地滿足多樣性需求[1]。而利用凱塞給出的經(jīng)驗(yàn)公式則需要多次嘗試。利用Parks-McClellan算法能夠設(shè)計(jì)出性能最優(yōu)的數(shù)字濾波器，但是算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程十分復(fù)雜。FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的問(wèn)題是一個(gè)多變量多極值的尋優(yōu)問(wèn)題。遺傳算法正是求解最優(yōu)問(wèn)題的有效方法，所以在濾波器設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。但是其本身也存在一些缺陷，所以可以對(duì)遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)，使其達(dá)到更優(yōu)的效果。
1改進(jìn)的遺傳算法
遺傳算法（Genetic Algorithm，簡(jiǎn)稱GA）是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化過(guò)程而形成的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索算法。它提供了一種求解復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題的通用框架，它不依賴于問(wèn)題的領(lǐng)域和種類，具有很強(qiáng)的魯棒性。
但是，遺傳算法很難實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)，為了使所求的解盡量靠近全局最優(yōu)，避免早熟現(xiàn)象的出現(xiàn)，雖然曾有人提出對(duì)算法的流程進(jìn)行改進(jìn)，但是結(jié)果收斂速度非常慢，需要花十幾分鐘才能得到一個(gè)較滿意的結(jié)果，此時(shí)對(duì)于那些對(duì)時(shí)間要求苛刻的系統(tǒng)就很難滿足要求了[2]。通過(guò)參考相關(guān)文獻(xiàn)[2][3]，結(jié)合BP（BackPropagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入遺傳算法，這就是改進(jìn)的遺傳算法，即基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的遺傳算法，充分利用遺傳算法全局搜索功能強(qiáng)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法局部搜索能力強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)于求解大規(guī)模多極值優(yōu)化問(wèn)題特別有效。
2FIR濾波器
2.1 FIR數(shù)字濾波器的頻率特性數(shù)字濾波器是對(duì)一個(gè)數(shù)字信號(hào)按照一定的要求進(jìn)行運(yùn)算，然后以數(shù)字形式輸出的系統(tǒng)。輸出僅與過(guò)去以及現(xiàn)在的輸入有關(guān)的數(shù)字濾波器稱為有限沖激響應(yīng)FIR數(shù)字濾波器?？梢员硎緸閇4] [5]：
3改進(jìn)的遺傳算法的實(shí)現(xiàn)
將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法相融合，一方面由遺傳算法保證學(xué)習(xí)的全局收斂性，克服BP對(duì)初始值的依賴性和局部收斂問(wèn)題；另一方面，與BP算法的結(jié)合也克服了單純遺傳算法所帶有的隨機(jī)性和概率性問(wèn)題，而有助于提高它的搜索效率。該算法實(shí)現(xiàn)的基本思想[7][8]是：在遺傳算法每完成一定代數(shù)的進(jìn)化后，保存當(dāng)前最優(yōu)個(gè)體，對(duì)其余個(gè)體進(jìn)行一次神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化汁算，產(chǎn)生新的個(gè)體，這些新個(gè)體和保存的最優(yōu)個(gè)體一起，形成新的一代種群，再參與到下一代的進(jìn)化中。
具體流程[2][9]如下：
第1步：隨機(jī)產(chǎn)生初始種群，個(gè)體數(shù)目一定，每個(gè)個(gè)體表示為染色體的基因編碼；
第2步：分成三個(gè)小的步驟，分別如下：
A．判斷進(jìn)化代數(shù)或者誤差是否滿足設(shè)定值，若滿足則轉(zhuǎn)C；
B．計(jì)算個(gè)體的適應(yīng)度，并判斷是否符合優(yōu)化準(zhǔn)則，若符合，輸出最佳個(gè)體及其代表的最優(yōu)解，并結(jié)束訓(xùn)算；否則轉(zhuǎn)向第3步；
C．保留最優(yōu)個(gè)體，其余個(gè)體參加BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化計(jì)算，產(chǎn)生的新個(gè)體和保留的最優(yōu)個(gè)體一起構(gòu)成新的種群，轉(zhuǎn)B。
第3步：依據(jù)適應(yīng)度選擇再生個(gè)體，適應(yīng)度高的個(gè)體破選中的概率高，適應(yīng)度低的個(gè)體可能被淘汰；
第4步：按照一定的交叉概率和交叉方法，生成新的個(gè)體；
第5步：按照一定的變異概率和變異方法，生成新的個(gè)體；
第6步：按照交叉和變異產(chǎn)生新一代的種群，返回第2步。
在選擇BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算子時(shí)，每當(dāng)進(jìn)化進(jìn)行了指定的代數(shù)，便保留最優(yōu)個(gè)體，其余的個(gè)體全部參加BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，產(chǎn)生全新的個(gè)體。我們選擇這個(gè)代數(shù)為10至20代。
下面以一個(gè)實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明：
例設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，其參數(shù)分別為wp=0.2?仔，ws=0.3?仔，ap=0.25dB，as=50dB，初始階數(shù)可以由文獻(xiàn)[5]確定為M=42。
在此例中，選定初始種群為600，截?cái)喔怕蕿?.5，交叉概率為0.1，變異概率為0.01。在運(yùn)用BP網(wǎng)絡(luò)時(shí)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)隱含層的神經(jīng)元數(shù)為5個(gè)（當(dāng)神經(jīng)元數(shù)為3，4，5時(shí)，其輸出精度都相仿。一般的講，網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元的選擇原則是：在能夠解決問(wèn)題的前提下，再加上一個(gè)到兩個(gè)神經(jīng)元用以加快誤差的下降速度。而當(dāng)神經(jīng)元數(shù)過(guò)大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生其它的問(wèn)題）。在隱含層選擇作為傳遞函數(shù)，用作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練函數(shù)，則由改進(jìn)的遺傳算法設(shè)計(jì)出來(lái)的結(jié)果M=48（窗函數(shù)法設(shè)計(jì)M=61，頻率采樣法M=61）。
4結(jié)論
本文方法對(duì)遺傳算法進(jìn)行了改進(jìn)，利用改進(jìn)的遺傳算法成功地完成了對(duì)FIR低通濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。例子表明文中的濾波器設(shè)計(jì)的結(jié)果優(yōu)于窗函數(shù)法和頻率采樣法，得到了較低的濾波器階數(shù)。也進(jìn)一步證明了遺傳算法全局搜索功能強(qiáng)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法局部搜索能力強(qiáng)。通過(guò)改變參數(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)其他類型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵字：交通船 船員 優(yōu)化設(shè)計(jì)
前言
安徽地處華東、長(zhǎng)江三角洲腹地，水運(yùn)條件優(yōu)越，水運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)。船舶、錨地、碼頭、船員數(shù)量眾多，船員上下碼頭頻繁，為船員、工作人員提供服務(wù)的港內(nèi)交通船也頗具規(guī)模。港內(nèi)交通船的特點(diǎn)是噸位小、航程短、航次多、航行海況復(fù)雜。由于其設(shè)計(jì)和建造的成本相對(duì)較低，造成目前各式交通船數(shù)量多，質(zhì)量卻良莠不齊，對(duì)港區(qū)管理帶來(lái)一定難度，對(duì)船員安全也不能保障。因此對(duì)港內(nèi)交通船設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化顯得尤為必要。
現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題
1.潛在的安全威脅
傾覆。交通船噸位小、航速快，抵御風(fēng)浪能力不強(qiáng)，航行狀況復(fù)雜，一般定員5-10人，一旦傾覆，必將造成船毀人亡，人身安全、財(cái)產(chǎn)利益受到損失。
觸碰。交通船在往返接送船員和工作人員中，需要頻繁?？吭诖a頭或大型船舶舷側(cè)，觸碰過(guò)程中導(dǎo)致交通船舷側(cè)變形、銹蝕、甚至船體破損滲漏，將會(huì)帶來(lái)險(xiǎn)情或事故。
人員落水。交通船噸位小，如有風(fēng)浪，橫搖是不可避免的。尤其是上下船時(shí)，人員可能集中至交通船一側(cè)，增加了船舶橫傾角度，同時(shí)也增加了人員落水的可能。
駕駛盲區(qū)。交通船一般不設(shè)專用駕駛室，導(dǎo)致駕駛員視線不足，駕駛時(shí)看不清船頭狀況。駕駛盲區(qū)的存在會(huì)導(dǎo)致駕駛員無(wú)法迅速做出正確的判斷，增加了事故的發(fā)生率。
2. 人性化設(shè)計(jì)不足
目前交通船都比較簡(jiǎn)易，既不美觀，也不舒適。而其作為服務(wù)工具，應(yīng)當(dāng)在可控的成本范圍內(nèi)盡量提高其舒適性和美觀度，在規(guī)范允許的前提下為船員提供方便、實(shí)用的服務(wù)。
交通船優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的內(nèi)容
目前港內(nèi)交通船主要有開敞客艙和封閉客艙兩種，本文針對(duì)優(yōu)化后封閉式客艙交通船展開論述。
本船為航行于長(zhǎng)江B級(jí)航區(qū)的鋼質(zhì)港內(nèi)交通船，雙螺旋槳推進(jìn)，載客7人，船員2人。主要依據(jù)中華人民共和國(guó)海事局《內(nèi)河小型船舶法定技術(shù)檢驗(yàn)規(guī)則》（2007）、中國(guó)船級(jí)社《內(nèi)河小型船舶建造規(guī)范》（2006）設(shè)計(jì)。
總長(zhǎng)：11.60m 船長(zhǎng)：10.80m 型寬：3.50m 型深：1.00m
吃水：0.40m 排水量：12.683t
具體布置情況如圖所示。
圖1 側(cè)視圖
圖2 艙底平面圖
1. 安全性優(yōu)化
1.1穩(wěn)性
船舶穩(wěn)性是指正浮于水面上的船舶當(dāng)其某一舷在受到外力作用時(shí)（如風(fēng)浪襲擊、人員及貨物移動(dòng)、船舶觸碰等等），會(huì)使船身向另一舷傾斜，當(dāng)外力取消之后，船舶經(jīng)過(guò)數(shù)次左右搖擺，又回復(fù)到原來(lái)正浮狀態(tài)、抵御傾斜自動(dòng)復(fù)原的能力。根據(jù)傾斜方向，船舶有橫穩(wěn)性和縱穩(wěn)性，由于船長(zhǎng)L比船寬B要大得多，后者一般不危及船舶的安全，船舶傾覆主要由于橫穩(wěn)性不足引起。
船寬和干舷的取值大小，對(duì)船舶穩(wěn)性好壞有著直接影響。一般型寬越大、干舷越大，對(duì)穩(wěn)性越有利。
本交通船船長(zhǎng)10.80m，型寬3.5m，型深1m，寬深比B/D=3.5，長(zhǎng)寬比L/D=10.8；而規(guī)范要求值B/D≦4.5，L/D≦30，滿足其要求。干舷0.6m，為型深的60%，干舷富足量充足。經(jīng)核算，滿載出港時(shí)：初穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)：10.377，穩(wěn)性面積衡準(zhǔn)數(shù)：4.91，風(fēng)壓穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)：8.081，回航靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)：9.99，極限靜傾角衡準(zhǔn)數(shù)：9.99。
可以看出上述主尺度比例的交通船，穩(wěn)性富裕量較大，安全可靠。
1.2抗沉性
船舶在航行過(guò)程中，一旦發(fā)生碰撞或觸礁等情況，都有可能使船體破損，對(duì)船舶、人命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致沉船事故。所以，船舶抗沉性對(duì)船舶安全有著很大的影響。
所謂船舶抗沉性，是指船艙破損浸水后船舶仍能保持一定的浮性和穩(wěn)性的性能。船舶的抗沉性是用水密艙壁將船體分隔成適當(dāng)數(shù)量的艙室來(lái)保證的。這樣，就能以儲(chǔ)備浮力來(lái)補(bǔ)償船體破損進(jìn)水所失去的浮力，保證了船舶的不沉，也為堵漏施救創(chuàng)造了有利條件。
本交通船在FR2、FR9、FR10、FR17設(shè)置了4道水密橫艙壁，設(shè)有首尾兩個(gè)水密艙，客艙區(qū)域兩舷設(shè)置水密縱艙壁，并且在水密舷艙中填充泡沫，在船舶發(fā)生破損時(shí)可提供浮力。經(jīng)上述設(shè)置，本船可承受單艙破損。
1.3儲(chǔ)備浮力
儲(chǔ)備浮力是指船舶設(shè)計(jì)水線面以上船體水密部分的體積所能提供的浮力。
船體在水面上的漂浮位置或吃水與船的排水量相關(guān)。排水量和載重量的變化會(huì)引起吃水的變化。因此，不同的吃水反映了不同的裝載量和排水量?？紤]到船在航行中可能發(fā)生的意外重量增加，如海損破艙進(jìn)水，風(fēng)浪襲擊進(jìn)水等，滿載水線應(yīng)位于上甲板以下一段距離處，使?jié)M載水線以上尚有一定的水密容積，該容積入水后能提供儲(chǔ)備浮力。儲(chǔ)備浮力的大小與船舶的安全性密切相關(guān)。
加大儲(chǔ)備浮力，船舶不易沉沒(méi)，能提高船的安全性， 相對(duì)0.4m設(shè)計(jì)吃水的排水量，本交通船實(shí)際營(yíng)運(yùn)排水量為10.505t，留有2.178t的儲(chǔ)備浮力，極大保障了船舶安全性。
1.4船體結(jié)構(gòu)
船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度同穩(wěn)性、抗沉性都是保障船舶航行安全的基本性能。
本交通船舷側(cè)采用主肋骨制，相對(duì)于交替肋骨制，提高了局部抗碰撞的能力；在舷側(cè)設(shè)置貫通護(hù)舷材和防碰靠把，以減少停靠時(shí)所帶來(lái)的碰撞威脅。
1.5安全設(shè)施
船員在上下船之時(shí)，由于船舶受風(fēng)浪影響產(chǎn)生搖晃，船員有掉入水中的危險(xiǎn)。本交通船在客艙、機(jī)艙圍壁設(shè)置貫通的風(fēng)暴扶手、舷側(cè)設(shè)置欄桿、甲板設(shè)置防滑條，以提高人員行走及上下船的安全性。
2.人性設(shè)計(jì)優(yōu)化
2.1外觀
本著環(huán)保、美觀、耳目一新的設(shè)計(jì)理念，本交通船顏色采用交替彩色油漆。水線以下為黑色，水線以上白色為主，兼以藍(lán)色，黃色，色調(diào)簡(jiǎn)潔、醒目。
整體船型為流線型，視覺(jué)效果流暢、時(shí)尚，同時(shí)減小船舶阻力，提高船舶快速性，增加了船舶經(jīng)濟(jì)性能。
2.2客艙
客艙的高度、座椅類型影響船員乘坐時(shí)的舒適性。本交通船客艙凈空高度2.0m，寬度2.5m，長(zhǎng)度4.0，配7把靠背椅，設(shè)行李存放處，左右側(cè)壁設(shè)風(fēng)雨密窗，可用于乘客觀光，前部設(shè)自閉式風(fēng)雨密門。
客艙寬敞、明亮，提高了乘客的舒適感。
2.3機(jī)艙
由于機(jī)艙的特殊性，柴油機(jī)噪音大，艙室內(nèi)溫度高，空間狹小，工作環(huán)境惡劣，為操作維修帶來(lái)不便。本交通船機(jī)艙凈空高度1.8m，左右舷設(shè)風(fēng)雨密窗、后部設(shè)自閉式風(fēng)雨密門，并設(shè)有通風(fēng)系統(tǒng)，內(nèi)部除機(jī)械設(shè)備外，還留有供檢修的空間，這樣有效改善了機(jī)艙環(huán)境。
2.4駕駛室
本交通船為升高、封閉式駕駛室，前部設(shè)弧形玻璃窗，左右舷設(shè)風(fēng)雨密舷窗，配休息床鋪一張，給長(zhǎng)期在船上工作的船員提供一個(gè)舒適的工作環(huán)境。升高式駕駛室的設(shè)置，使駕駛員視線開闊，減少了盲區(qū)對(duì)駕駛的影響，舒適的同時(shí)也增加了安全性。
總結(jié)
【關(guān)鍵詞】溢油回收機(jī)；無(wú)人艇；搭載平臺(tái)；優(yōu)化設(shè)計(jì)
【Abstract】In the treatment of the oil spill， sometimes encounter some dangerous or shallow waters， need small unmanned craft to the site for oil spill recovery work. Small unmanned craft's front end is equipped with carrying platform， the platform is mainly completed task release of spilled oil recycling machine. In view of the defects and problems existing platform， the optimization of the necessary improvements， in order to ensure the safety of the work tasks more efficient.
【Key words】Oil spill recovery machine； Unmanned ship； Carrying platform； The optimization design
0 前言
目前，全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，促使各國(guó)對(duì)石油及其石油產(chǎn)品需求量持續(xù)增大。在石油運(yùn)輸過(guò)程中，由于各種原因?qū)е碌囊缬褪鹿蕰r(shí)有發(fā)生，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，進(jìn)而嚴(yán)重影響海洋生物的生存環(huán)境以及人類的生存。鑒于此，多種溢油處理及回收方法不斷產(chǎn)生。當(dāng)前，海上溢油回收處理方法主要有三種：物理法、化學(xué)法以及生物法。由于使用化學(xué)或者生物法處理溢油的同時(shí)有可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成新的污染，因此回收溢油最為理想可靠的方法是使用物理法處理。目前較為廣泛的物理法主要有各種收油機(jī)以及收油網(wǎng)等機(jī)械裝置。本文主要是研究并改進(jìn)安裝在無(wú)人艇上的搭載平臺(tái)，使其能夠更加安全、可靠地在無(wú)人危險(xiǎn)水域收放收油機(jī)，從而能夠高效率完成水面溢油的回收工作。
現(xiàn)有的搭載平臺(tái)盡管能夠完成溢油回收機(jī)的收放工作，但是也存在的一定問(wèn)題。如圖1所示：
由圖可知，其工作原理為：①在無(wú)人艇開往目的地的過(guò)程中，裝置如圖所示放在船頭。②無(wú)人艇行駛到達(dá)目的的以后，電機(jī)6啟動(dòng)將溢油回收機(jī)提起。③溢油回收機(jī)提起以后，電機(jī)6停止。電機(jī)1啟動(dòng)，開始放鋼絲繩。通過(guò)立桿頂部的滑輪連接到擺動(dòng)桿，從而是擺動(dòng)桿下落。④擺動(dòng)桿放下以后，電機(jī)1停止，電機(jī)6啟動(dòng)，放下連接擺動(dòng)桿和溢油機(jī)間的鋼絲繩，把溢油機(jī)放到水面上。溢油回收機(jī)開始工作。⑤當(dāng)溢油回收機(jī)工作結(jié)束以后。電機(jī)6啟動(dòng)，把溢油機(jī)收上去，然后電機(jī)1啟動(dòng)，收拉光絲繩，將擺桿拉回，然后電機(jī)1停止。電機(jī)6啟動(dòng)放下溢油回收機(jī)，最終回到如圖狀態(tài)。無(wú)人挺開始航行去下一個(gè)地點(diǎn)或回航。
通過(guò)對(duì)上述搭載平臺(tái)的研究分析，船舶搖擺載荷，對(duì)搭載平臺(tái)上的溢油回收機(jī)及頂部電機(jī)產(chǎn)生的船舶搖擺載荷，對(duì)搭載平臺(tái)影響比較明顯，對(duì)搭載平臺(tái)強(qiáng)度的影響比較大。所以可以在安全及保險(xiǎn)措施上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化并完善。
1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案內(nèi)容
1.1 通過(guò)分析確定方案
通過(guò)上述分析可知對(duì)搭載平臺(tái)影響較大的幾個(gè)因素，由于船的要本載荷本身不可避免，而且溢油回收機(jī)的型號(hào)已經(jīng)確定，因此改進(jìn)方案定為撤去頂部電動(dòng)機(jī)，這樣不但可以減少擺動(dòng)桿與立柱連接處的靜載荷，也減少了頂部電機(jī)產(chǎn)生的船舶搖擺載荷。從而提高搭載平臺(tái)的使用壽命和工作安全系數(shù)。
1.2 方案概述
通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)。搭載平臺(tái)的模型如圖2所示：
此搭載平臺(tái)的工作過(guò)程大致分為兩大部分：
第一部分如圖3所示：
第二部分如圖4所示。
由圖可知，其工作原理為：①在無(wú)人艇開往目的地的過(guò)程中，裝置如圖3所示放在船頭。②無(wú)人艇行駛到達(dá)目的的以后，卷筒1啟動(dòng)將溢油回收機(jī)提起。③溢油回收機(jī)提起以后，卷筒1停止。卷筒2啟動(dòng)，開始放鋼絲繩。通過(guò)立桿頂部的滑輪連接到擺動(dòng)桿，從而是擺動(dòng)桿下落。④擺動(dòng)桿放下以后，卷筒2停止，卷筒1啟動(dòng)，放下鋼絲繩，把溢油機(jī)放到水面上。溢油回收機(jī)開始工作。⑤當(dāng)溢油回收機(jī)工作結(jié)束以后。卷筒1啟動(dòng)，把溢油機(jī)收上去，然后卷筒2啟動(dòng)，收拉鋼絲繩，將擺桿拉回，然后卷筒2停止。卷筒1啟動(dòng)放下溢油回收機(jī)，最終回到如圖3狀態(tài)。無(wú)人挺開始航行去下一個(gè)地點(diǎn)或回航。
模型圖示中1和2為卷筒，均由液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，一個(gè)通過(guò)鋼絲繩的鏈接控制溢油回收機(jī)的升降，一個(gè)通過(guò)鋼絲繩的鏈接控制搖擺桿的擺動(dòng)。
在圖示中擋桿桿3和4分別控制擺動(dòng)支架的工作的兩個(gè)極限位置。
式中n為安全系數(shù)，k鋼絲繩捻制折減系數(shù)，w鋼絲繩充滿系數(shù)，σb鋼絲的公稱抗拉強(qiáng)度。
滑輪可根據(jù)選好的鋼絲直徑，來(lái)選擇。滑輪用以支撐鋼絲繩。承受負(fù)載不打的滑輪，結(jié)構(gòu)尺寸較?。ㄖ睆紻
2 結(jié)束語(yǔ)
本文主要討論了對(duì)已有搭載平臺(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，完成對(duì)溢油回收機(jī)的收放功能的方案。并且保證其能更加安全高效的完成溢油回收工作，對(duì)于在危險(xiǎn)區(qū)域的無(wú)人收油工作具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。優(yōu)化后的搭載裝置結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，對(duì)水面溢油回收油工作安全高效進(jìn)行及環(huán)境保具有一定的參考價(jià)值。
【參考文獻(xiàn)】
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關(guān)鍵詞：掣鏈器；Patran；有限元分析
Abstract: There is no references about the FEA of anchor stopper in China that focus on the effects of the strength of anchor stopper base and its support structure on the ship security situation. By taking a certain type of bunker tanker’s chain stopper as the object controller, this paper carries out finite element analysis based on the finite element software Patran & Nastran for stopper base and its support structure, determines the rationality and safety of structural design, and puts forward the structural design optimization ideas and provides an important reference for the strength calculation of chain stopper.
Key words: Chain Stopper; Patran; FEA
1 引言
在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)船舶機(jī)械設(shè)備在船舶上的固定以及相關(guān)設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)均是按結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)理論進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)，難以滿足設(shè)計(jì)要求。 隨著有限元技術(shù)的發(fā)展和其在船舶工程上的應(yīng)用，設(shè)計(jì)工程師可以運(yùn)用有限元軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計(jì)算，進(jìn)而根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間和避免了因不當(dāng)設(shè)計(jì)而造成的重大損失[1]。
掣鏈器位于錨機(jī)與錨鏈筒之間的甲板上，用以?shī)A住錨鏈。拋錨后，閘上掣鏈器，可將錨鏈的拉力傳給船體，使錨機(jī)不處于受力狀態(tài)；航行時(shí)，掣鏈器承受錨和部分錨鏈的重力，并將收到錨鏈筒內(nèi)的錨貼緊船體，不致發(fā)生撞擊[2]。因此，掣鏈器基座及其支撐結(jié)構(gòu)所承受載荷力很大，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系到船舶的安全性能。
近年來(lái)，中國(guó)船級(jí)社（CCS）在相關(guān)規(guī)范中已規(guī)定掣鏈支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須要進(jìn)行強(qiáng)度校核才能允許建造[3]，然而，目前在國(guó)內(nèi)的研究中尚沒(méi)有與掣鏈器支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算相關(guān)的文獻(xiàn)。在本文中將應(yīng)用Patran&Nastran有限元分析軟件，以某型號(hào)的供油船的掣鏈器及其支撐結(jié)構(gòu)為對(duì)象進(jìn)行有限元分析和探討。
2 掣鏈器基座及其支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型
本掣鏈器及其附近的船體支撐結(jié)構(gòu)的材料均為CCS-A級(jí)鋼，其彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，極限強(qiáng)度為235 MPa。
在本文中建立掣鏈器及其四周船體結(jié)構(gòu)有限元模型。在有限元模型中，船體結(jié)構(gòu)中基座、甲板及錨鏈筒等用板單元模擬，甲板縱梁和橫梁用梁?jiǎn)卧M。該掣鏈器為滾輪閘刀掣鏈器，結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，因此在建立有限元模型時(shí)并對(duì)原實(shí)際設(shè)計(jì)模型結(jié)構(gòu)作了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，如：掣鏈器僅建立了兩塊安裝板，受力結(jié)構(gòu)用MPC單元來(lái)代替，與錨鏈筒相連的肘板不予以考慮等。由于錨鏈筒有支撐作用，因此對(duì)錨鏈筒在鉛垂方向建模約2 000 mm。
在有限元模型中：X正方向?yàn)榇追较?，Y正方向?yàn)榇兄赶蜃笙戏较?，Z負(fù)方向?yàn)殂U垂方向。有限元模型如圖1和圖2所示。
圖1 掣鏈器及其附屬支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型（甲板上面）
圖2 掣鏈器及其附屬支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型（甲板下面）
3 邊界條件和載荷的確定
3.1 邊界條件
根據(jù)CCS的相關(guān)要求，在有限元模型邊緣分別為橫艙壁、隔壁板、縱艙壁，故在這些部件與甲板相交的節(jié)點(diǎn)都應(yīng)該施加約束。在橫艙壁與甲板的連接處約束Y和Z方向的線位移及X軸的轉(zhuǎn)角，縱艙壁與甲板的連接處約束X和Z方向的線位移及Y軸的轉(zhuǎn)角；在錨鏈筒的下端約束約束Y和Z方向的線位移及X軸的轉(zhuǎn)角。
圖3 有限元模型的邊界條件
3.2 載荷計(jì)算
根據(jù)文獻(xiàn)[3]中所規(guī)定的，掣鏈器的支撐結(jié)構(gòu)的計(jì)算載荷為錨鏈破斷強(qiáng)度的80%，按照錨系泊布置圖所示方向，施加規(guī)定載荷工況于有限元支撐結(jié)構(gòu)模型上，方向沿錨鏈拉伸方向，即沿錨鏈筒方向。在本船中選用AM-2級(jí)直徑48 mm錨鏈，其破斷拉力為1 270 kN，故設(shè)計(jì)載荷：
F = 1 270×0.8 = 1 016 kN
另外，還需要考慮結(jié)構(gòu)的自重載荷，在軟件中設(shè)置一個(gè)重力加速度即可。
4 計(jì)算結(jié)果及分析
有限元分析結(jié)果見(jiàn)表1及圖4~圖7。
從表1的結(jié)果中可以得出該船的掣鏈器基座及其支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足要求，而且在結(jié)構(gòu)最大位移變形為1.55 mm，也在可接受范圍之內(nèi)，故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。
從圖4中的板單元的應(yīng)力云圖可以看出最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在掣鏈器基座與甲板的焊接靠近錨鏈筒處，屬于局部應(yīng)力集中，若局部較小范圍內(nèi)區(qū)域的應(yīng)力水平過(guò)大，可取所計(jì)算的單元和與其連接結(jié)點(diǎn)所屬單元的應(yīng)力之平均值；從圖5中可以看出最大位移變形出現(xiàn)在甲板與掣鏈器基座焊接處，并且是在離錨鏈筒的遠(yuǎn)端。梁?jiǎn)卧系淖畲笳龖?yīng)力和最大剪切應(yīng)力均出現(xiàn)在掣鏈器基座的加強(qiáng)材上。以上現(xiàn)象均與結(jié)構(gòu)實(shí)際情況相符合，因此本文中的有限元模型建立及約束條件的設(shè)置真實(shí)地模擬了實(shí)際結(jié)構(gòu)。
表1 有限元分析結(jié)果
圖4 應(yīng)力分布云圖
圖5 位移變形云圖
圖6 梁?jiǎn)卧龖?yīng)力分布云圖
此外，從計(jì)算結(jié)果中可以看出各項(xiàng)應(yīng)力值離各自的許用應(yīng)力值還有較大的空間，這意味著材料的力學(xué)性能尚得到充分發(fā)揮，因此，在保證強(qiáng)度的要求的前提下，還可以進(jìn)一步對(duì)原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小構(gòu)件的尺寸參數(shù)，從而降低船舶的建造成本。
圖7 梁?jiǎn)卧羟袘?yīng)力分布云圖
5 結(jié)論
本文基于Patran&Nastran有限元分析軟件，以某型號(hào)成品油船的掣鏈器基座及其附近的支撐結(jié)構(gòu)為對(duì)象，根據(jù)其實(shí)際結(jié)構(gòu)和受力情況，對(duì)其進(jìn)行了有限元分析。有限元分析結(jié)果表明，支撐結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)材布置合理，原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度滿足規(guī)范要求，而并且可以本次有限元分析為基礎(chǔ)，在原來(lái)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以充分利用材料，降低成本。因此，對(duì)掣鏈器基座及其支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析具有重要的實(shí)際工程意義。
此外，由于在國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有與掣鏈器有限元分析相關(guān)的文獻(xiàn)，故本文對(duì)負(fù)責(zé)掣鏈器有限元分析計(jì)算送審工作的工程師具有寶貴的指導(dǎo)價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 孫麗萍. 船舶結(jié)構(gòu)有限元分析[M]. 哈爾濱工程大學(xué)出版社，2004
關(guān)鍵詞：優(yōu)化設(shè)計(jì)； CAE； 機(jī)械設(shè)計(jì)； 產(chǎn)品設(shè)計(jì)； 設(shè)計(jì)質(zhì)量
Abstract: along with the social economy development, engaged in mechanical design of workers with engineering and technical personnel more and more be taken seriously, this paper analysis the optimization design method can improve mechanical design efficiency and the design of the personnel quality, improve the design of mechanical products, only for reference.
Keywords: optimization design; CAE; Mechanical design; Product design; Design quality
中圖分類號(hào)：S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：
1 引言
機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是在進(jìn)行某種機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)規(guī)定的約束條件，優(yōu)選設(shè)計(jì)參數(shù)，使某項(xiàng)或幾項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)獲得最優(yōu)值。 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的 “最優(yōu)值”或“最佳值”，系指在滿足多種設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件下所獲得的最令人滿意和最適宜的值。 最優(yōu)值的概念是相對(duì)的， 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及設(shè)計(jì)條件的變動(dòng)，最優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)也將發(fā)生變化。 優(yōu)化設(shè)計(jì)反映了人們對(duì)客觀世界認(rèn)識(shí)的深化，它要求人們根據(jù)事物的客觀規(guī)律， 在一定的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)條件下，得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。
機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)可解決設(shè)計(jì)方案參數(shù)的最佳選擇問(wèn)題。 這種選擇不僅保證多參數(shù)的組合方案滿足各種設(shè)計(jì)要求，而且又使設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)值。 因此，求解優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題就是一種用數(shù)學(xué)規(guī)劃理論和計(jì)算機(jī)自動(dòng)選優(yōu)技術(shù)來(lái)求解最優(yōu)化的問(wèn)題。
2 機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的比較
機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作的任務(wù)就是使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品既具有優(yōu)良的技術(shù)性能指標(biāo)，又能滿足生產(chǎn)的工藝性、使用的可靠性和安全性要求，且消耗和成本最低等。 機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，一般需要經(jīng)過(guò)需求分析、市場(chǎng)調(diào)查、方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、工程繪圖和編制技術(shù)文件等一系列工作過(guò)程。
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法通常是在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，參照同類產(chǎn)品，通過(guò)估算、經(jīng)驗(yàn)類比或試驗(yàn)等方法來(lái)確定產(chǎn)品的初步設(shè)計(jì)方案，然后對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等性能分析計(jì)算，檢查各項(xiàng)性能是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。 如果不能滿足要求， 則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或直觀判斷對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修改。
整個(gè)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程是人工試湊和定性分析比較的過(guò)程。 實(shí)踐證明，按照傳統(tǒng)方法得出的設(shè)計(jì)方案，可能存在有較大改進(jìn)和提高的余地。 在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中也存在“選優(yōu)”的思想，設(shè)計(jì)人員可以在有限的幾種
合格設(shè)計(jì)方案中，按照一定的設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，選出較好的方案。 但是由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法受到計(jì)算方法和手段等條件的限制，設(shè)計(jì)者不得不依靠經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行類比、推斷和直觀判斷等一系列智力工
作，這是很難找出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的。
優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的研究和應(yīng)用實(shí)踐，使傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法發(fā)生了根本變革，從經(jīng)驗(yàn)、感性和類比為主的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法過(guò)渡到科學(xué)、理性和立足于計(jì)算分析的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法， 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)正在逐步向自動(dòng)化、集成化和智能化方向發(fā)展。
3 優(yōu)化方法與 CAE
在保證產(chǎn)品達(dá)到某些性能目標(biāo)并滿足一定約束條件的前提下，通過(guò)改變某些允許改變的設(shè)計(jì)變量，使產(chǎn)品的指標(biāo)或性能達(dá)到最期望的目標(biāo)，這就是優(yōu)化方法。
優(yōu)化作為一種數(shù)學(xué)方法，通常是利用對(duì)解析函數(shù)求極值的方法來(lái)達(dá)到尋求最優(yōu)值的目的。 基于數(shù)值分析技術(shù)的 CAE（Computer aided engineering）方法， 顯然不可能對(duì)我們的目標(biāo)得到一個(gè)解析函數(shù)，
CAE 計(jì)算所求得的結(jié)果只是一個(gè)數(shù)值。 然而，樣條插值技術(shù)又使 CAE 中的優(yōu)化成為可能， 多個(gè)數(shù)值點(diǎn)可以利用插值技術(shù)形成一條連續(xù)的可用函數(shù)表達(dá)的曲線或曲面，如此便回到了數(shù)學(xué)意義上的極值優(yōu)化技術(shù)上來(lái)。 樣條插值方法當(dāng)然是種近似方法，通常不可能得到目標(biāo)函數(shù)的準(zhǔn)確曲面，但利用上次計(jì)算的結(jié)果再次插值得到一個(gè)新的曲面，相鄰兩次得到的曲面的距離會(huì)越來(lái)越近，當(dāng)它們的距離小到一定程度時(shí)，可以認(rèn)為此時(shí)的曲面可以代表目標(biāo)曲面。 那么，該曲面的最小值，便可以認(rèn)為是目標(biāo)最優(yōu)值。 以上就是 CAE 方法中的優(yōu)化處理過(guò)程。 一個(gè)典型的 CAE 優(yōu)化過(guò)程通常需要經(jīng)過(guò)以下的步驟來(lái)完成：
(1) 參數(shù)化建模 ：利用 CAE 軟件的參數(shù)化建模功能把將要參與優(yōu)化的數(shù)據(jù)(設(shè)計(jì)變量)定義為模型參數(shù)，為以后軟件修正模型提供可能。
(2) 求解： 對(duì)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型進(jìn)行加載與求解。
(3) 后處理：把狀態(tài)變量(約束條件)和目標(biāo)函數(shù)(優(yōu)化目標(biāo))提取出來(lái)供優(yōu)化處理器進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)評(píng)價(jià)。
(4) 優(yōu)化參數(shù)評(píng)價(jià)：優(yōu)化處理器根據(jù)本次循環(huán)提供的優(yōu)化參數(shù)、設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量及目標(biāo)函數(shù)與上次循環(huán)提供的優(yōu)化參數(shù)作比較之后確定該次循環(huán)目標(biāo)函數(shù)是否達(dá)到了最小，或者說(shuō)結(jié)構(gòu)是否達(dá)到了最優(yōu)。 如果最優(yōu)，完成迭代，退出優(yōu)化循環(huán)圈，否則，進(jìn)行下步。
(5) 根據(jù)已完成的優(yōu)化循環(huán)和當(dāng)前優(yōu)化變量的狀態(tài)修正設(shè)計(jì)變量，重新投入循環(huán)。數(shù)值優(yōu)化的過(guò)程如圖 1 所示。
4 優(yōu)化技術(shù)研究現(xiàn)狀
在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，追求最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案一直是設(shè)計(jì)人員不懈努力、奮斗不止的理想和目標(biāo)，并且在長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)實(shí)際中產(chǎn)生了諸如進(jìn)化優(yōu)化、 直覺(jué)優(yōu)化、試驗(yàn)探索優(yōu)化等一些優(yōu)化策略和方法，并在“設(shè)計(jì)———評(píng)價(jià)———再設(shè)計(jì)”的過(guò)程中，自覺(jué)或不自覺(jué)地利用經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)、圖解分析、黃金分割和分析數(shù)學(xué)等一些經(jīng)典的優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了一些簡(jiǎn)單的單變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。 在此階段，沒(méi)有形成完整的優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論體系，因而可稱它為古典優(yōu)化設(shè)計(jì)。
隨著近代數(shù)學(xué)的分支———數(shù)學(xué)規(guī)劃論的創(chuàng)立，特別是近 50 年來(lái)計(jì)算機(jī)及其計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)工程設(shè)計(jì)中較復(fù)雜的一些優(yōu)化問(wèn)題的計(jì)算有了重要的工具，并在航空航天、汽車和船舶等民生要害工業(yè)部門及一些重大工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用中取得了較好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果，同時(shí)也促進(jìn)了工程優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法的發(fā)展， 如開發(fā)出優(yōu)化方法程序庫(kù)、機(jī)構(gòu)與零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)程序庫(kù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序庫(kù)等一些大型的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件，并結(jié)合工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在多目標(biāo)優(yōu)化、混合離散變量?jī)?yōu)化、隨機(jī)變量?jī)?yōu)化、模糊優(yōu)化以及人工智能、
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面都獲得一些顯著的成果，逐步形成以計(jì)算機(jī)和優(yōu)化技術(shù)為基礎(chǔ)的近代優(yōu)化設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：船舶 動(dòng)力裝置 節(jié)能 減排
中圖分類號(hào)：F407文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
一、引言
船舶節(jié)能的關(guān)鍵是節(jié)能船型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在滿足船舶使用的條件下，優(yōu)化船體線型設(shè)計(jì)與船型，使船舶阻力最小，選用耗油量小的主機(jī)，使總體協(xié)調(diào)匹配，達(dá)到船、機(jī)、槳、舵的最佳配置，從而提高船舶的推進(jìn)效率，減少運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。
船舶節(jié)能已成為世界各國(guó)造船界和航運(yùn)界研究的重要課題，他關(guān)系到節(jié)約燃料資源和費(fèi)用、環(huán)境保護(hù)以及船舶運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益等問(wèn)題。為此，國(guó)內(nèi)外均投入大量人力、物力進(jìn)行重點(diǎn)研究，我國(guó)還頒布了《節(jié)約能源管理暫行條例》。隨著造船業(yè)的發(fā)展，船舶燃料費(fèi)用呈顯著增高趨勢(shì)，占船舶航運(yùn)運(yùn)營(yíng)總費(fèi)用開支成本的比例頗大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，油船約占60%，散貨船約占50%，定期客貨船約占35%，小型運(yùn)輸船也占25%~30%。因此，船舶節(jié)能極其重要，是關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的問(wèn)題。
二、國(guó)內(nèi)外節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展
從1970年代以來(lái)發(fā)生了兩次能源危機(jī)，石油價(jià)格的飆升，航運(yùn)企業(yè)管理成本增加。特別是近年來(lái)，不斷迅速上漲的油價(jià)，導(dǎo)致船舶營(yíng)運(yùn)成本因素有了顯著變化，燃料的成本比例正在迅速增加，已超過(guò)50%。船舶節(jié)能、降低燃料消耗和燃料成本，提高工廠經(jīng)濟(jì)效益已經(jīng)成為一個(gè)重要的主題，使船舶節(jié)能工作擁有了更多的關(guān)注。所以從柴油機(jī)制造商、船廠和船舶公司，一直以減少船舶燃油成本上下功夫，以提高其經(jīng)濟(jì)效益。
一艘船要在節(jié)能技術(shù)進(jìn)步，要不斷的加強(qiáng)基礎(chǔ)管理。技術(shù)進(jìn)步是使用船舶節(jié)能技術(shù)促進(jìn)船舶開展節(jié)能工作，例如，在新的構(gòu)建船舶設(shè)計(jì)的船、機(jī)、槳葉在能源消費(fèi)在優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理配置推進(jìn)柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)，盡量減少船舶阻力、提高推進(jìn)效率，推進(jìn)柴油機(jī)長(zhǎng)沖程和更少的缸數(shù)、小型化的柴油機(jī)，充電系統(tǒng)優(yōu)化改善，提高掃氣壓力、優(yōu)化燃燒室和新燃燒系統(tǒng)，提高了燃油噴射系統(tǒng)，提高最高燃燒壓力等等，為了減少燃料消耗柴油發(fā)動(dòng)機(jī)直接；推進(jìn)柴油機(jī)電廠方面包括主軸發(fā)生器，該系列螺絲，廢熱回收等節(jié)能技術(shù)來(lái)提高整體效率的船。加強(qiáng)基礎(chǔ)管理包括：船舶合理調(diào)度；使用氣象導(dǎo)航；以減少導(dǎo)航和耗能速度；使用劣質(zhì)燃油；加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)管理，合理的維護(hù)，保持柴油機(jī)及其動(dòng)力設(shè)備良好的工作條件等。
三、 節(jié)能減排新技術(shù)在現(xiàn)代化船舶上的應(yīng)用成果
3.1 韓國(guó)船舶新技術(shù)可省50%燃料費(fèi)
韓國(guó)大型造船企業(yè)STX海洋造船9月21日表示，該公司開發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)的節(jié)能船舶準(zhǔn)備接受訂單。這種技術(shù)可以大大減少在船舶航運(yùn)上的碳排放，可以節(jié)省高達(dá)50%的燃料成本。
3.2 船舶發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收系統(tǒng)研發(fā)動(dòng)態(tài)
日本發(fā)展渦輪增壓器生成系統(tǒng)。系統(tǒng)的開發(fā)用于推進(jìn)柴油發(fā)電機(jī)的渦輪增壓器和新開發(fā)的高速發(fā)電機(jī)相連，將發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱回收，內(nèi)部使用，作為一個(gè)恢復(fù)電力平臺(tái)，電力供應(yīng)柴油發(fā)電機(jī)組的發(fā)電能力。此外，該系統(tǒng)的使用，二氧化碳的排放量最高可以減少4.6%，還可以減少燃料消耗。
四、 船舶動(dòng)力裝置典型節(jié)能減排措施分析
4.1 柴油機(jī)排氣與冷卻水余熱的再利用
燃料在汽缸中燃燒后的尾氣和冷卻水熱量，只有很少的熱量來(lái)可以利用。因此，對(duì)于我國(guó)巨大的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船隊(duì)來(lái)說(shuō)，節(jié)能領(lǐng)域是有前途的。這些可以用來(lái)加熱的熱量得以有效使用，現(xiàn)在最常見(jiàn)的是燃?xì)忮仩t和主機(jī)暖缸使用冷卻水熱量，燃?xì)廨啓C(jī)也使用主機(jī)余熱。
4.2 提高船舶動(dòng)力裝置的效率
船舶動(dòng)力裝置包括主、輔機(jī)和傳動(dòng)軸系統(tǒng)等設(shè)備。因此，為提高工作效率，整個(gè)動(dòng)力裝置應(yīng)該在各方面采取有效措施。
1）優(yōu)化主機(jī)。由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)論是低和中速或高速柴油機(jī)的燃油消耗率是大大降低，但是各種機(jī)器的差異是顯而易見(jiàn)的。因此，船舶應(yīng)根據(jù)船舶的具體情況，選擇性能穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益好的主機(jī)。由于主機(jī)能源消耗在整個(gè)動(dòng)力裝置中的比例最大，所以通過(guò)主機(jī)優(yōu)化來(lái)提高效率影響最大。目前主要的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速、長(zhǎng)沖程，目標(biāo)是減少石油消耗速率，同時(shí)，主機(jī)和低速大直徑螺旋槳匹配效果好。節(jié)能功率主機(jī)主要是降低燃油消耗率，重油或替代燃料，提高操作效率的船。
2）主發(fā)電機(jī)燃燒劣質(zhì)油。主發(fā)電機(jī)燃燒和主機(jī)相同的重油，使用一個(gè)品種油，使房間布局和管道布局大大簡(jiǎn)化，減少了維護(hù)工作量。同時(shí)也節(jié)省燃料成本。
3）優(yōu)化船、機(jī)、葉片。由于船舶航行的情況要復(fù)雜得多，外部條件（載重、道格拉斯、污染等）經(jīng)常變化；所以船、機(jī)、槳本身技術(shù)狀態(tài)將會(huì)改變，所以，這三個(gè)協(xié)調(diào)特征改變，這樣他們的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)，影響能量轉(zhuǎn)換的完善程度，因?yàn)檫@個(gè)原因，管理工作人員在使用操作的船只時(shí)，應(yīng)該是清楚的各種特點(diǎn)和經(jīng)常調(diào)整的操作點(diǎn)，使他們處于最佳狀態(tài)，通過(guò)操作目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
4.3 廢氣處理技術(shù)
減少粒子的新技術(shù)。最常見(jiàn)的方法是在排氣管上安裝一個(gè)粒子捕獲器，用來(lái)捕獲排氣微粒，在特定條件下，使粒子捕獲器清潔得到再生。目前，再生方法有很多，但捕獲設(shè)備材料、工藝的限制，捕獲器再生可靠性可以是一個(gè)很好的保障。還需要廣泛的研究。是否有任何其他技術(shù)也廣泛深入地，如：靜電捕獲技術(shù)、旋風(fēng)分離點(diǎn)技術(shù)，燃料添加劑技術(shù)。但這些技術(shù)從實(shí)際還有很多距離。
五、 船舶動(dòng)力裝置節(jié)能減排技術(shù)的展望
5.1 新型油料節(jié)能技術(shù)
燃料添加劑滲透到柴油，柴油，催化氣化，使柴油油缸完全燃燒，減少黑煙，節(jié)省燃料。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，燃料添加劑技術(shù)將繼續(xù)進(jìn)步，不斷適應(yīng)節(jié)能減排的需求。
5.2 開發(fā)代用燃料
發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)依賴于石油燃料，石油燃料得到有限，容易出現(xiàn)短缺，許多科學(xué)家一直在考慮到原油儲(chǔ)存、燃料生產(chǎn)和石油消費(fèi)問(wèn)題。未來(lái)的船舶動(dòng)力裝置不能只考慮石油作為基本燃料，可以考慮使用其他的新能源來(lái)取代石油。
5.3 船舶管理措施
要做到節(jié)能，首先應(yīng)加強(qiáng)主機(jī)輔機(jī)鍋爐的管理和維護(hù)。對(duì)船舶來(lái)說(shuō)，航速對(duì)節(jié)能起著舉足輕重的作用，根據(jù)每個(gè)航次實(shí)際情況，采取最低耗油率航速，節(jié)約燃油，少排廢氣。船舶節(jié)能的另外一個(gè)重要環(huán)節(jié)是要保證機(jī)器的良好工況，就主機(jī)輔機(jī)而言，主要從燃油系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)兩方面進(jìn)行科學(xué)管理，燃油方面，可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況安裝輕重油轉(zhuǎn)換設(shè)備，低質(zhì)燃油通過(guò)加熱、攪拌、過(guò)濾后其流動(dòng)性提高，可以達(dá)到充分燃燒的目的。還可以根據(jù)其性質(zhì)合理添加燃油添加劑和助燃劑，對(duì)燃油進(jìn)行循環(huán)分濾，在進(jìn)機(jī)前適度加熱，保持適度的粘度，此外還要加強(qiáng)對(duì)高壓油泵、噴油器的監(jiān)測(cè)和保養(yǎng)，使之處于最佳狀況，從而確保最佳燃燒工況，減少能源損耗，減少排放船舶廢氣。另一方面加強(qiáng)機(jī)電設(shè)備的保養(yǎng)和維護(hù)也能起到節(jié)能減排的的效果。保持進(jìn)排氣系統(tǒng)的通暢，定期調(diào)進(jìn)氣閥間隙；定期檢查調(diào)整供油時(shí)和噴油壓力，確保其在規(guī)定范圍內(nèi)；保持燃燒室組件之間的適宜間隙；保持系統(tǒng)的順暢。系統(tǒng)不順暢會(huì)使機(jī)械磨損增加，會(huì)增加油耗；保證足夠的新鮮空氣供給量；保持操作系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)處于良好狀態(tài)，將大大提高機(jī)械效率，從而節(jié)約油耗。
六、結(jié)論
總之，在整個(gè)世界節(jié)能減排研究背景，我國(guó)船舶節(jié)能減排也已經(jīng)投入更多的力量。我們的優(yōu)勢(shì)在于落后的優(yōu)勢(shì)，除了新技術(shù)開展創(chuàng)新以外，還通過(guò)發(fā)展先進(jìn)的全球標(biāo)準(zhǔn)信息網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，對(duì)整個(gè)船舶集成系統(tǒng)、智能管理，總的來(lái)說(shuō)，掌握創(chuàng)新的方向，使我們的船舶業(yè)具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。
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關(guān)鍵詞：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；節(jié)點(diǎn)；桿件；優(yōu)化
一、前言
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是中國(guó)空間結(jié)構(gòu)中發(fā)展最快，應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)有:空間工作，傳力途徑簡(jiǎn)捷，重量輕，剛度大，抗震性能好，施工安裝簡(jiǎn)便，網(wǎng)架桿件和節(jié)點(diǎn)便于定型化、商品化、可在工廠中成批生產(chǎn)，有利于提高生產(chǎn)效率，網(wǎng)架的平面布置靈活，屋蓋平整，有利于吊頂，安裝管道和設(shè)備，網(wǎng)架的建筑造型輕巧美觀，便于建筑處理和裝飾。
傳統(tǒng)鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方式為：首先設(shè)計(jì)規(guī)劃、選定網(wǎng)架形式及其使用的材料，再根據(jù)同類結(jié)構(gòu)以往經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)架高度以及桿件截面形狀與截面面積等，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，然后驗(yàn)算整個(gè)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及其組成構(gòu)件是否滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求等。但假若我們發(fā)現(xiàn)計(jì)算的截面和假定的截面有很大不不同，那就必須要重新來(lái)過(guò)。在按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對(duì)鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，一般會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)很繁雜且不連續(xù)的設(shè)計(jì)過(guò)程，沒(méi)有達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最優(yōu)的目的。顯然，為了降低網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)，可以采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法來(lái)減少結(jié)構(gòu)用鋼量，另外，在一定程度上也可以對(duì)結(jié)構(gòu)的受力合理性進(jìn)行優(yōu)化分析。
二、鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
1. 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件設(shè)計(jì)
一般工程中大多數(shù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所采用的材料均為鋼材，采用Q235和Q345鋼居多，這兩種鋼材的優(yōu)勢(shì)在于：鋼材力學(xué)性能、焊接性能都很好，材質(zhì)也相對(duì)比較穩(wěn)定。桿件具有很多的截面形式，但這其中主要以空腹載面是最好的，如圓鋼管，方鋼管，這兩種截面各向慣性矩均大，對(duì)受力有利，此外空腹截面封閉后內(nèi)部不易腐蝕，表面也難以積灰和積水，具有較好的防腐性能。
2. 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的設(shè)計(jì)
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)是連接交匯桿件、傳遞荷載的重要環(huán)節(jié)，進(jìn)行合理的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安全性能、制作安裝、工程進(jìn)度和工程造價(jià)都有著極其重要且直接的影響。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)分為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和支座節(jié)點(diǎn)兩大類，其設(shè)計(jì)和構(gòu)造都應(yīng)該遵循受力合理、傳力明確可靠、構(gòu)造簡(jiǎn)單、制作安裝方便等規(guī)定，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)分為幾大類，分別是焊接鋼板節(jié)點(diǎn)、焊接空心球節(jié)點(diǎn)、螺栓球節(jié)點(diǎn)、直接相貫節(jié)點(diǎn)及焊接鋼管節(jié)點(diǎn)。
支座節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)架將荷載傳遞給下部結(jié)構(gòu)的連接件，是支承結(jié)構(gòu)上的網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)，我們?cè)卺槍?duì)網(wǎng)架進(jìn)行內(nèi)力分析的時(shí)候，都要對(duì)支座節(jié)點(diǎn)加設(shè)一定的約束，這些約束一般可以分為可動(dòng)鉸支承，不動(dòng)球鉸支承和不動(dòng)圓柱鉸支承三大類。焊接空心球節(jié)點(diǎn)是我國(guó)較早應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)之一。它可以是不加肋的空心球，也可以是加肋空心球，兩個(gè)半球的焊接以及兩個(gè)半球與加肋圓環(huán)焊接構(gòu)造。螺栓球節(jié)點(diǎn)可以說(shuō)是我國(guó)應(yīng)用最為廣泛的節(jié)點(diǎn)形式，它由鋼球、螺栓、套筒、銷子和錐頭或封板組成，適用于鋼管連接。
3. 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一些注意事項(xiàng)需要我們認(rèn)真了解。我們要注意制作工藝的可行性，力求安裝的方便，還要關(guān)注網(wǎng)架的單位含鋼量。從細(xì)節(jié)上來(lái)說(shuō)，這包括支座的安裝難易以及網(wǎng)架錐體的桿件的大小。如網(wǎng)架工程中如采用上弦球作支點(diǎn)并同時(shí)用肋板式支座，可能發(fā)生網(wǎng)架腹桿套筒與支座肋板空間沖突。所以，在網(wǎng)架設(shè)計(jì)、制作和安裝的過(guò)程中，我們應(yīng)注意根據(jù)實(shí)際情況，采取切實(shí)有效的措施， 既保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在求，又便于施工，保證工程進(jìn)度。
三、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
對(duì)鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括網(wǎng)架類型優(yōu)化、網(wǎng)架跨度優(yōu)化及網(wǎng)架高度優(yōu)化。不同網(wǎng)架類型在同樣跨度、厚度和網(wǎng)格尺寸以及約束條件下，所得到的用鋼量也不相同。當(dāng)采用正放四角錐網(wǎng)架、斜放四角錐網(wǎng)架、抽空四角錐網(wǎng)架和棋盤四角錐網(wǎng)架4種平板網(wǎng)架類型時(shí)，用鋼量較低，為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)比較理想的結(jié)構(gòu)類型。網(wǎng)架跨度大小直接影響最優(yōu)網(wǎng)架厚度和網(wǎng)格尺寸的選擇。隨著網(wǎng)架平面尺寸的增大，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的最優(yōu)厚度和最優(yōu)網(wǎng)格大小呈增大趨勢(shì)。遺傳算法優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)高度，適用于不同的邊界條件、不同支撐方式以及承受不同荷載的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行全局尋優(yōu)，避免結(jié)果陷入局部最優(yōu)解能夠節(jié)約用鋼量，結(jié)果可靠，可用于實(shí)際工程中。
網(wǎng)架優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用一系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，如準(zhǔn)則方法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法和系統(tǒng)迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)方等法。這些優(yōu)化設(shè)計(jì)方法均是以網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的重要特征參數(shù)作為優(yōu)化變量，以結(jié)構(gòu)用鋼量大小和受力特性的組合作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行的優(yōu)化迭代過(guò)程。具體來(lái)看，準(zhǔn)則方法從結(jié)構(gòu)力學(xué)原理出發(fā)建立一些最優(yōu)準(zhǔn)則以尋求用解析形式表示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù)，或者通過(guò)直觀的迭代運(yùn)算決定結(jié)構(gòu)各單元的截面參數(shù)。而數(shù)學(xué)規(guī)劃方法是從解極值問(wèn)題的數(shù)學(xué)原理出發(fā)，運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃中的各種方法，求得一系列設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)解。系統(tǒng)迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)方法首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，獲得各部分構(gòu)件的內(nèi)力。并依此內(nèi)力作為條件分別對(duì)各部分構(gòu)件進(jìn)行局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，得到本輪次的構(gòu)件；在下一個(gè)輪次時(shí)，將上一輪次得到的構(gòu)件重新形成新的網(wǎng)架，對(duì)新的網(wǎng)架進(jìn)行有限元分析，判斷其最大撓度是否滿足規(guī)范要求。
需要注意的是，優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果只是數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，由于優(yōu)化時(shí)優(yōu)化參數(shù)、優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及計(jì)算程序能力的限制，不可能讓優(yōu)化設(shè)計(jì)做到完美無(wú)瑕，還必須結(jié)合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造經(jīng)驗(yàn)對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，使得設(shè)計(jì)結(jié)果更貼切經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際。
四、結(jié)語(yǔ)
總之，空間鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為一種建筑造型美觀，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)及民用建筑領(lǐng)域的，給網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展帶來(lái)了極大的市場(chǎng)。隨著網(wǎng)架優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的實(shí)施，網(wǎng)架的經(jīng)濟(jì)型和受力合理性將得到最大的體現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
[1]劉寅東,卞鋼.基于ANSYS的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化及其二次開發(fā).船舶力學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 10(2): 120-125.
關(guān)鍵詞：鋼夾層板；船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化；強(qiáng)度
鋼夾層板復(fù)合材料剛性大、強(qiáng)度高、重量輕，而且經(jīng)濟(jì)環(huán)保、舒適性好，逐漸成為船體結(jié)構(gòu)的重要材料，需對(duì)鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)予以優(yōu)化設(shè)計(jì)，深入研究。
1.鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原理
強(qiáng)度是復(fù)合材料推廣應(yīng)用過(guò)程中必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題，鋼夾層板材料也不例外，若鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)不當(dāng)，則易對(duì)船體的安全性和使用效益構(gòu)成威脅。因此通過(guò)綜合分析、合理對(duì)比夾層板理論、單層板等效、有限元結(jié)構(gòu)等鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)分析方法，以及屈曲強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分析方法后，得出了優(yōu)化鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，具體闡述如下。
對(duì)于船體而言，高航速和大荷載是其重要的技術(shù)指標(biāo)，所以如何在滿足剛度和強(qiáng)度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)厚度優(yōu)化尤為關(guān)鍵，簡(jiǎn)而言之，就是設(shè)計(jì)的夾層板和芯層厚度，既要符合屈曲、強(qiáng)度、頻率、位移、尺寸等約束要求，也要確保結(jié)構(gòu)重量最輕[1]。這就需要我們合理計(jì)算強(qiáng)度因子在滿足R
2.鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度研究
2.1.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
為更為直觀的了解鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度性能，在此以一鋼制油船為例加以分析。已知該母型船為無(wú)限航區(qū)的雙殼油船，總長(zhǎng)、垂線間長(zhǎng)、型寬、型深、設(shè)計(jì)吃水分別為144.0、134.5、21.5、11.3、7.65（m），吃水方形系數(shù)為0.8177，排水量和壓載艙容分別為16660和6610（m?），中拱和中垂最大靜水彎矩分別為958516和-1010319（kN.m）[2]；然后基于上述提及的結(jié)構(gòu)優(yōu)化原理和實(shí)際需要對(duì)該船的原有結(jié)構(gòu)作了改裝設(shè)計(jì)，其中甲板、內(nèi)外殼、內(nèi)外底、斜板等為重點(diǎn)優(yōu)化部位，經(jīng)初步分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)的重量有所減輕；為進(jìn)一步了解結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果以及其強(qiáng)度性能，則構(gòu)建了有限元模型，但為實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱性載荷工況，除了涉及端部橫艙壁外，還應(yīng)在模型中引入船體左右部位的舷結(jié)構(gòu)。
具體而言，該模型重要采用多點(diǎn)約束用于確定邊界條件，即一方面使端面的縱向單元與位于中心線中和軸位置的獨(dú)立點(diǎn)保持一定的相關(guān)性，并對(duì)位于后端的獨(dú)立點(diǎn)加以x軸位移約束；另一方面則借助一端為剛性固定的彈簧單元模擬邊界條件，以此確保自由端面有一個(gè)假定的平斷面，但彈簧單元需分別設(shè)置在甲板、外板、內(nèi)殼、內(nèi)底板、舷側(cè)、艙壁位置（結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1）[3]；最后進(jìn)行了施加載荷操作，包括船舷外水作用產(chǎn)生的壓力、貨油壓力、端面彎矩等，以便科學(xué)驗(yàn)證優(yōu)化后的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度效果。
圖1 鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)模型及其邊界條件
2.2.強(qiáng)度評(píng)估研究
一是針對(duì)屈服強(qiáng)度計(jì)算，依舊采用許用應(yīng)力直接計(jì)算剛夾層板船體結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力，此時(shí)便需要根據(jù) 這一等效應(yīng)力估算屈服強(qiáng)度（此時(shí)的單元等效應(yīng)力等于基準(zhǔn)應(yīng)力），其中 和 分別代表單元正應(yīng)力， 代表單元剪應(yīng)力，通常鋼夾層板的面板及其支撐構(gòu)件處的基準(zhǔn)應(yīng)力不得超過(guò)235kN/mm2，而芯材的基準(zhǔn)應(yīng)力和層間剪切力應(yīng)分別小于芯材強(qiáng)度和最小粘接力；經(jīng)評(píng)估對(duì)比鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)中的面板屈服強(qiáng)度和局部芯層強(qiáng)度，即甲板、內(nèi)外底、斜板、內(nèi)外殼的對(duì)應(yīng)工況、最大應(yīng)力、許用應(yīng)力、實(shí)際屈服度、剪切應(yīng)力等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的船體與普通船體有著類似的應(yīng)力分布，且高應(yīng)力位置也大體相同，但在整體上有著較低的應(yīng)力水平。建議在以后的鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，還應(yīng)適當(dāng)降低雙層底高和斜板寬度，以強(qiáng)化斜板設(shè)計(jì)效果，并合理減小面板厚度以期改善甲板的應(yīng)力效果。
二是針對(duì)屈曲強(qiáng)度計(jì)算，考慮到鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度需要滿足 / ≥1.1這一條件，其中 和 分別代表單面受壓載荷和梁彎曲應(yīng)力，故需要結(jié)合有限元法解決復(fù)雜的邊界問(wèn)題和受載問(wèn)題，優(yōu)化后的船體結(jié)構(gòu)有著較強(qiáng)的屈曲強(qiáng)度。
最后經(jīng)綜合對(duì)比分析得出，優(yōu)化后的鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)中的甲板、內(nèi)底和外底的梁剖面模數(shù)有一定的減小，甲板、內(nèi)外底、內(nèi)外殼、邊艙斜板的質(zhì)量分別降低了13.12、6.56、70.55、84.25（噸），而且成本節(jié)約效果明顯。故上文所述的鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果較好，強(qiáng)度性能有所提高。
結(jié)束語(yǔ)：
隨著鋼夾層板在船舶和海洋領(lǐng)域應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對(duì)其船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度也會(huì)有越來(lái)越高的要求，進(jìn)一步提高鋼夾層板在船體中的應(yīng)用效果和價(jià)值，以強(qiáng)度因子為切入點(diǎn)，探索合理的優(yōu)化方法。
參考文獻(xiàn)：
[1] 劉志慧.鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2011（05）.