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2007Altair大中国区用户技术大会论文集

OptiStruct在船舶中剖面优化设计中的应用

张丽王德禹

上海交通大学海洋工程国家重点实验室

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2007Altair大中国区用户技术大会论文集

OptiStruct在船舶中剖面优化设计中的应用

张丽王德禹

（上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200030）

摘要：结合CCS规范，建立了考虑弯扭组合强度约束的集装箱船中剖面优化设计的模型。

以3100TEU集装箱船为例，借助于OptiStruct优化设计系统，对其进行了拓扑优化，并与

模拟退火优化设计的结果进行了比较。结果表明，该软件对于船舶中剖面优化设计是行之有

效的。

关键词：集装箱船中剖面拓扑优化设计

Abstract：BasedonCCSrules,optimalmodelofMidshipsectionofcontainershipwith

bending-torsionalstrengthconstraintissetup.Take3100TEUcontainershipasexample,

topologyoptimumdesigniscarriedoutintheOptiStructenvironment,andtheidealand

reasonableresultwasobtained.

Keywords:containership,midshipsection,topologyoptimization

1概述

船舶中剖面的结构形式和构件尺寸集中反映了整个船体结构的概貌，它包括了中部区

域各类板的厚度、骨架形式、纵向加强材的尺寸等。并且可以参照它确定首尾部区域相应构

件尺寸，这样全船纵向构件尺寸就基本确定了，其重量约占全船结构重量的80%以上[1]，因

此，寻求满足各种约束条件下的结构重量最轻或成本最省的船舶中剖面结构优化设计,有重

要的实际意义。

集装箱船与普通货船相比,具有吨位大、航速快、装卸效率高等特点，因此今年来发展

很快。现代大型集装箱船为了存放更多的集装箱,争取更大存放空间,有甲板大开口和舱口围

板结构,并且在船首部、尾部设计中也尽量争取更多空间存放集装箱。同普通货船相比,有些

集装箱船的货舱舱口宽度已超过船宽的80%,舱口长度已达到船长的90%,并且大舱口结

构破坏了主甲板的连续性,所以总纵强度和扭转强度不易满足。因此，建立考虑弯扭组合强

度约束的集装箱船中剖面优化设计模型是必要的。

2有限元模型的建立

模型化范围取纵向为船中货舱区域“1/2货舱＋1个货舱＋1/2货舱”范围，即沿纵向4

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个40呎箱位的长度；垂向取型深范围；横向取船宽范围，且从左舷至右舷不计型线变化。

有限元模型中包括横向水密舱壁和横向支持舱壁，横向支持舱壁在二个舱长模型范围内位于

两端和中间。

2.1坐标系定义

有限元模型的坐标系统取右手坐标系，即：

﹒x方向为船体的纵向，以向船首方向为正；

﹒y方向为船体的横向，以船纵中线向左舷为正；

﹒z方向为船体的垂向，以基线向上为正。

2.2网格划分

货舱区域的所有主要板材，如：外壳板、内壳板、纵桁、横舱壁结构（包括舱壁上的垂

向、水平桁材腹板）等，以板单元来模拟。

有限元网格划分尺寸按以下规定：

（1）沿船体横向和垂向以纵骨间距为一个单元。

（2）沿船体纵向以肋位间距为一个单元。

（3）主要构件（包括双壳间纵向平台、横向强框架、双层底纵桁和肋板、横舱壁的垂

向、横向桁材等）腹板：沿这些构件的腹板高度方向划分为三个单元。

2.3材料与属性

计算中所使用的材料参数如下：

合金钢的材料参数：

弹性模量：206GPa

材料密度：7.9e+3kg/m3

泊松比：0.3

长度单位为：mm

2.4舱段有限元模型受力和约束图

结构形式、载荷均左右对称的工况，有限元计算模型横向可只取半宽（如左舷），在纵

中剖面上的所有节点施加下列左右对称约束条件：

沿横向轴的线位移约束，即：δy＝0；

绕纵向轴的角位移约束，即：θx＝0；

绕垂向轴的角位移约束，即：θz＝0。

为了消除刚体移动，在前后端面的纵中剖面处分别取两点约束其线位移，即δx＝0，δy

＝0，δz＝0。

在前后端面内，船体横剖面中和轴与纵中剖面的交点处（模型中设为独立点或主节点），

施加船体梁的总纵弯矩和扭转弯矩，有限元计算模型取半宽，弯矩取一半。参照CCS规范

[2]，对于3100TEU集装箱船，垂向弯矩为1.827e12MPa，水平弯矩为5.882e11MPa，扭

转弯矩为2.675e