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舱口盖尺寸优化设计
TAE-Sub UM1和Myung-Il ROH 2
大韩民国现代重工有限公司海事研究所，蔚山船舶与海洋工程系，海洋系统工程研究所汉城国立大学，汉城，韩国
文摘：随着国际油价的变化，船舶的运营成本和材料成本不断增加，对船舶重量的减轻提出了要求。各方面，如船运公司、船东和船厂。为了满足这种需求，人们正在对轻型飞船进行许多研究。作为其中之一，一种现有胡同的优化设计方法。提出了一种基于优化技术的船舶减重方法。为此，我们选择了散货船舱口盖作为优化。提出了一个优化问题，以确定舱口罩的最优主要尺寸，以减轻散货船的重量。某些尺寸表示HATC的形状选择H形盖板作为设计变量，选择与舱口盖最大应力、最大挠度和几何形状有关的设计考虑作为约束条件。此外，t将舱盖重量最小化作为目标函数。为了解决这一优化问题，我们开发了一个基于序列二次预测的优化程序。使用C语言编程的amming(Sqp)。为了评估所开发程序的适用性，将其应用于一个求解舱口盖最优主尺寸的问题。八艘180，000吨散货船。结果表明，所开发的程序可使舱口盖的重量减少8.5%左右。因此，本研究将有助于节能和节能。造船厂的环保船。
关键词：舱口盖；船体结构；轻量化；优化；散货船；环境友好型船舶。
本研究的背景
近年来，随着国际油价的上涨，船舶的运营成本和材料成本都在不断增加，对减轻船舶重量提出了更高的要求。如船运公司、船东和船厂等各方。例如，众所周知，就船舶而言，总运营成本的40%以上是由燃料成本造成的(Tranee and Meijers，1980)。为了满足这种需求，许多关于轻型船舶的研究正像汽车动力工业等其他汽车行业一样(Oujebbour等人，2014年)。其中一些包括对现有船体结构、船体结构新概念的提出、纤维增强塑料(FRP)等复合材料在船体中的应用结构等等。其中，以往的研究由于具有较高的减肥可能性，正在取得实际有效的研究成果。因此，现有船体的一种优化设计方法提出了一种基于优化技术的船舶重量减轻方法。
首先，在考虑船厂的要求和要求的基础上，选择了船型和船体结构优化的目标。即使波罗的海博士2009年美国金融危机后，Y指数(BDI)突然下跌，但最近一直在上升。预计bdi的这种上升会导致对大量ca的需求增加。(运输干货的船舶，以下简称B/C)和船主订单数量的增加。
B/C货舱舱口盖是一个非常重要的部件。在B/C中，舱盖设备的成本占造船成本的5~8%(Ha，2011)，以及各种类型的舱口盖正在根据船型使用。这就是为什么在欧洲和日本的外国公司以及国内公司也一直在市场上竞争的原因。为了在火场中幸存下来在舱口盖的照明设计中，在技术开发方面做了大量的工作。
优化技术建立在迭代设计和评审的基础上，通过最小化或最大化某个标准(称为objec)，找到具有某些设计考虑的优化(称为约束)。功能)。随着目标函数和约束条件的多样化和细分，优化技术越来越难以手工实现，需要大量的时间。e.因此，自动化的重要性已经增加，各种优化技术也在研究之中。有了这个优化问题，由设计变量、约束、目标函数（S）应很好地配制，以获得良好的最佳。
本研究以散货船舱口盖为优化目标，从结构安全性和减重两方面进行优化，并应用优化技术。确定舱口盖的最佳主要尺寸。为此，数学上给出了一个确定舱口盖最优主要尺寸的优化问题.一些酒窝选择了代表舱口盖形状的离子作为设计变量，并考虑了与最大应力、最大挠度、临界屈曲应力和土工金属有关的一些设计问题。选择舱口盖y作为约束条件。此外，以舱口盖重量最小为目标函数。为了解决这个优化问题，一个优化a在SQP的基础上，用C语言开发了基于SQP的程序.为了评价所开发程序的适用性，本文将其应用于一个最优正向维数的求解问题。载重量为180，000吨的散货船。
相关作品
自20世纪60年代以来，人们对船体结构的纵向和横向强度构件的优化设计方法进行了大量的研究。MOE和LUND(1968)提出了一种优化设计Me某油船纵向强度最小构件的设计方法研究了一种基于非线性的超静定框架的优化设计方法，该方法具有最小的成本和重量，并符合MOE(1969)的要求。线性规划纳等人(1985)提出了一种基于有限元分析的最小重量横向强度构件的优化设计方法。Jang和Na(1996年a；1996年b；2000年)双壳油轮结构优化设计系统。他们的研究包括根据DNV clas对最小重量的油轮纵向强度构件的优化设计方法。S准则，基于广义斜率法的最小重量横向强度构件的优化设计方法，以及一种基于广义斜率法的船体整体结构优化设计方法。考虑油箱布置的尼姆重量。Yum(1990)提出了一种基于广义斜率挠度法的B/C最小重量波纹舱壁的优化设计方法。乐E等人(2002)研究了一种基于混合优化算法的油轮中段结构优化设计技术和B/C波纹舱壁优化设计技术。Jung(2008))基于有限元分析(ANSYS)的B/C结构横向强度构件的最小重量设计。Lim(2009)提出了双壳船舱板块的优化设计方法R基于遗传算法和有限元分析(NASTRAN)，考虑结构的安全性和生产率，使其具有最小的权重。
还提出了与舱口盖的设计有关的一些研究。Hhan等人(2002)基于有限元分析的大型集装箱船舱口盖防雷方法研究(Patran和NASTRAN)。他们提出了一种改进的舱口盖设计，在较小的应力下去掉屈曲加筋板，并改变舱口盖顶板的厚度。然而，他们并没有使用任何优化技术来做到这一点。Lee等人(2010年)
集装箱船生产舱口盖焊接引起的整体弯曲挠度行为。这时，他们用热弹性分析方法对舱盖进行弯曲分析。HA(2011)研究了干货货轮舱盖的设计，以减轻其重量。他假定了舱盖和围护结构的开式梁结构的设计荷载的最严峻的条件。有限元分析的Ormed分析方法。
有关船体结构优化设计方法的研究较多，但大多集中于纵向和横向强度构件的优化。此外，其中一些与舱口盖的设计有关，其设计改进基于有限元分析，或基于热弹性分析的整体弯曲行为，而不与优化集成。离子技术。
因此，本文提出了一种基于优化技术的船舶重量减轻方法。特别是对B/C中核心部件之一的舱口盖进行了研究。从而选择散货船舱口盖作为优化目标。为此，提出了一个优化问题，以确定舱口盖的最优主要尺寸。最后开发了优化程序。
本文的主要内容如下：第二节给出了求舱盖最优主要尺寸的优化问题的数学表达式。第三节根据第二节优化问题的数学公式，详细描述了舱口盖优化设计程序的开发过程。第四节给出了比较试验o。F选择优化算法对舱口盖进行优化，以验证算法的有效性、准确性和适用性。第5节提供了一个APPL将所编制的程序应用于某型载重18万吨B/C舱口盖的优化设计，并对其结果进行了讨论。最后，第6节给出了未来的结论和方向。
舱口盖设计的优化问题
优化目标
散货船(简单地说，B/C)是一种没有货物包装的运输谷物、矿石、煤等的干货船。在B/C中，货物装卸的开口称为hatc。在舱口上有一个保护货物的盖板叫做舱口盖。舱口盖有加筋板的结构，加筋板由板和加强板组成。一般来说，舱盖设备占造船成本的5%~8%。尽管舱口盖在B/C中的重要性，它还没有得到优化。因此，舱口盖被选择为opt。本研究的目标是减轻船舶重量。本研究试图对舱盖加筋板的厚度和形状进行优化。图1显示hB/C的舱盖是本研究的优化目标。
如前所述，舱口盖有加筋板的结构，由板和加强板组成，看起来像波纹板，如图1所示。因此，舱口盖可以是i。有效优化的去化和理想化模型将成为本研究的优化目标。图2分别显示了舱口盖的真实、三维CAD和理想化模型。
优化问题的数学推导
本研究的目的是寻找代表舱盖加筋板厚度和形状的最佳主尺寸，以减轻舱口盖的重量。考虑到B/C的总权重，一个由设计变量、约束和目标函数组成的优化问题应该得到数学上的表述。在本研究中，选择代表舱盖主尺寸的TE厚度、加劲肋厚度和加劲肋尺寸作为优化问题的设计变量。在设计时舱口盖，应根据类别规则(CSR；共同结构规则)来考虑结构安全(IACS，2012年；Germanischer Lloyd，2014年)。因此，最大允许应力和挠度在此基础上，将板的最小厚度、最小截面模量和加劲肋的剪切面积作为优化问题的约束，包括一些与t有关的
几何限制。他的舱盖形状。此外，最优舱口盖意味着舱口盖具有最小重量。因此，以舱口盖的重量作为优化设计的目标函数。关于问题。现在，这个求舱口盖最优主要尺寸的优化问题可以表述如下。
,最小截面模量和加劲肋的剪切面积作为优化问题的约束,包括一些与t有关的几何限制.他的舱盖形状.此外,最优舱口盖意味着舱口盖具有最小重量.因此,以舱口盖的重量作为优化设计的目标函数.关于问题.现在,这个求舱口盖最优主要尺寸的优化问题可以表述如下.
设计变数
舱口盖的形状，即主要尺寸可以用六个参数表示，如图3所示：板厚(Tp)、加劲板厚度(Ts)、加劲肋尺寸(b，a，d)，和加强板的数目(N)。因此，这些参数是优化问题的设计变量。
强制( constraint的名词复数 )
在本研究中，根据类别规则与舱盖结构安全性有关的设计考虑(IACS，2012年；Germanischer Lloyd，2014年)以及与形状有关的几何限制。将舱口盖作为优化问题的约束。更多关于它们的详细情况如下；
屈服应力要求
舱口盖的最大允许应力可给出如下所示
sigma;v：vonMises壳中心的等效应力[N/mm2]
等效应力sigma;v可取如下(德国)
舱口盖的元件。对于有限元计算，
sigma; v = sigma; x2 minus; sigma; x sigma; y sigma; y2 3tau; 2 [N / m2 ]
对刚度的要求
舱口盖的最大允许挠度可以给出如下
f le; 0.0056 l g [m]
优化过程
为解决上述优化问题，建立了以下优化程序。首先，假设设计变量的初始值。此时，值can是随机生成的，或者使用手工设计或现有设计的值。现在，这些值被转移到一个优化算法，一个目标函数的值和约束。都是计算出来的。此时，应自动对设计变量的当前值进行有限元建模和分析，以计算某些结构的响应。如舱口盖的应力和挠度对设计变量的取值。为了进行有限元建模和分析，可以使用任何结构分析程序。然后，我们检查设计变量的当前值是否是最优的。如果是，优化过程将完成，结果将可视化，如果不是，上述步骤将被重新执行。一直吃到最优。图4示出了用于寻找舱口盖的最佳主要尺寸的优化过程。
舱口盖的OPTIMIAION程序
根据第二节描述的优化程序，用C语言编制了舱口盖最优主要尺寸的优化程序。在这个研究中。图5示出了所开发程序的配置。如图所示，所开发的程序由五个模块(输入模块、优化模块)组成。
模块、预处理模块、后处理模块、输出模块)，并与结构分析程序连接。下面描述每个模块的角色或功能。
输入模块
输入模块输入一些数据以优化设计器的舱口盖。数据包括舱口盖的尺寸(长度、宽度和深度)、板和加强板的材料，以及就这样吧。此外，输入模块为设计变量生成初始值，并将它们传递到优化模块。
优化模块
优化算法一般分为两类：全局优化算法和局部优化算法。现在有几类全局优化算法，包括遗传算法。算法(GA)(Goldberg，1989；Davis，1991)，模拟退火法等。这些算法适用于具有多个局部最优的大规模问题.然而，这些算法要求与局部优化算法相比，需要大量迭代才能得到可接受的最优解。还存在几类局部优化算法，包括序列线性P算法。规划(SLP)(Arora，2012年)、顺序二次规划(SQP)(Arora，2012年)、可行方向方法(MFD)(Vanderplaats，1984年)等等。每个算法都可以找到有效地优化。然而，在某些情况下，这些算法找到了相对最优，是最接近的起点。克服全局和局部优化算法的困难THMS，许多研究人员试图将这两种算法结合起来(Lee等人，2002年；Stork和Kusuma，1992年；Porsani等人，1993年)。它们中的大多数都结合了全局优化算法。ITIM（例如GA）和局部优化算法，因此它们被称为混合优化算法。然而，混合优化算法（混合）需要很长的时间（但较少）。因为算法是基于遗传算法的，所以比遗传算法更能找到最优解。如前所述，由于有限元模型的执行，本研究中要解决的问题需要很长时间。Eling和分析。因此，在考虑计算时间的情况下，本文采用了一种简单而有效的算法。所选的是基于sqp的多启动优化算法(见附录)。。该算法通过使用sqp进行多个局部优化来寻找全局最优，并从多个起点(设计的各种初始变量集)进行优化。随机生成n个变量。最后，从多个起点选取最优作为全局最优。
优化模块包括多启动优化算法(MS).该模块计算目标函数的值，并计算约束。通过使用这些值，模块改进设计的当前值变量。此时，对设计变量的当前值进行有限元建模和分析，才能计算出诸如stres等结构的响应。设计变量值的舱口盖的s和挠度。因此，该模块与预处理模块和后处理器模块连接，并在需要时调用它们。
预处理模块
为了利用结构分析程序计算结构响应，需要一个有限元模型。采用预处理模块生成电流的有限元模型。设计变量的值。即模块的作用是有限元建模。在这个模块中，使用th生成一个用于执行结构分析程序的输入文件。e设计变量的当前值。输入文件被传送到
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