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海洋平台海工结构的轻量化设计——波形船壳板重量和强度利用的最优化
Jonas W. Ringsberglowast;, Huuml;seyin Saˇglam, Md. Asaduzzaman Sarder and Anders Ulfvarson
Department of Shipping and Marine Technology, Division of Marine Design, Chalmers University of Technology SE-412 96,Gothenburg, Sweden
(Received 11 August 2011; final version received 31 May 2012)
摘要：减轻壳板结构的结构重量有许多种方法。本调查研究提出一个利用波形结构对海洋平台浮筒进行创新轻量化设计的实例。将波形船壳板在强度、重量、成本方面与传统加筋板进行比较。基于此，提出一种壳板海洋结构的优化方法。该过程实现了考虑强度特性、重量、成本的多种（结构）解决方案的分析或比较。这里的强度特性包括极限抗拉强度，屈曲稳定性和疲劳寿命分析。进行了线弹性有限元分析以对根据船级社规定涉及多项设计标准的结构特性研究生成输入。结果表明，在与传统加筋板的比较中，波形船壳板结构能够作为更加轻量化的设计解决方法。它能够以较低的成本制造、安装。最后，结构强度特性分析显示，在设计得当时，可以在不牺牲安全边际的条件下满足ABS和DNV船级社的规定。
关键词：优化；波纹板；疲劳；屈曲；极限状态；轻量化设计；有限元分析；参数研究法
术语
a
b
c
d
kS
m,r
s
t
qu
x，y，z
A，C
B
Cm
Cx
波纹上凸缘的宽度[mm]
波纹下凸缘的宽度[mm]
波纹连接板的宽度[mm]
波纹连接板的高度[mm]
材料的剪切屈服应力[MPa]
公式（11）中的威布尔参数；见ABS（2003）
波纹间距[mm]
板厚[mm]
侧向压力，波纹的第一端[kN/m]
坐标系轴，加载方向
公式（11）中威布尔分布常数，见ABS(2003)
波纹板的宽度[mm]
弯矩系数，简支板[kNm]
长度直径比[-]；见公式（6）
E
FDF
L
NR，Nrsquo;R
NT
SR，Srsquo;R
alpha;
gamma;，delta;
eta;
upsilon;
rho;
sigma;0
sigma;a
sigma;b
sigma;Ca
sigma;Cx
sigma;Cy
sigma;CB
sigma;e
sigma;E(C)
sigma;Gx
sigma;Gy
sigma;x
sigma;x,max
sigma;y
sigma;y,max
sigma;y0.2
sigma;Ux
sigma;Uy
tau;
tau;c
tau;G
tau;U
ϕ
phi;
杨氏模量[GPa]
疲劳设计因子[-]；见ABS(2003)
波纹板长度[mm]
周期数，参考时间周期[cycles]
周期数，目标时间周期[cycles]
(许可)应力范围[MPa]
面板的长宽比[-]
公式（11）中的威布尔形状参数；见ABS(2003)
强度利用系数[-]
泊松比[-]
材料密度[kg/m3]
指定板的最小屈服点[MPa]
最大压应力，波纹方向[MPa]
沿长度的最大弯曲应力[MPa]
临界屈曲应力[MPa]
临界屈曲应力，纵向[MPa]
临界屈曲应力，横向[MPa]
临界弯曲屈曲应力[MPa]
冯米塞斯有效应力[MPa]
弹性屈曲应力[MPa]
临界屈曲应力，波纹方向的单轴压缩[MPa]
临界屈曲应力，横向的单轴压缩[MPa]
纵向应力[MPa]
纵向最大压应力[MPa]
横向应力[MPa]
横向最大压应力[MPa]
材料的屈服应力[MPa]
极限强度，纵向单轴应力[MPa]
极限强度，横向单轴应力[MPa]
面内剪切应力[MPa]
边缘剪切的临界屈曲应力[MPa]
剪切应力的临界屈曲应力[MPa]
边缘剪切的极限强度[MPa]
纵向与横向应力相互作用系数[-];见公式（4）和ABS(2003)
波纹角[degrees]
- 引言
波形船壳板是一种由板构成、用来产生线性或非线性波形形状的建筑材料。波形增加了板材在垂直于波形方向上的抗弯强度，但在平行于波形方向上作用不大。通常来说，每块船壳板都在其强度大的方向上制造得更长。波形船壳板重量轻，易运输。这些特点使其在船舶和海洋结构物上使用具有吸引力。
波形板经常被用于舱壁的设计中以减轻重量，降低施工难度和降低维护成本。但是，仍有许多海工结构物使用波形板而不是传统加筋板可以取得很好的效果。文献中有几个例子已经多方面地对波形板在海洋结构中的应用进行了研究。Rahman(1996)提出了一种用于加筋板设计的优化方案，有效改善了船舶结构。在他的研究中，他将两种不同的加筋板与波形板在强度和建造成本方面进行了比较。Kippenes等人(2007)研究了波形舱壁的极限强度。对三种带有波形舱壁的不同类型的船舶进行了建模并比较极限强度。Caldwell(1955)提出了对用于船舶舱壁的波形板的强度分析。Paik等人(1997)的研究中，为了获得波形船壳板的强度计算理论背景，对波形舱壁的极限强度进行了理论与实验研究。
近期海工业的发展趋势表明，新建海洋平台的尺寸、甲板承载能力和结构重量正在增加。然而，结构的重量增加是一个具有负面影响的设计参数，例如对于运营平台获得的利润。因此，轻量化设计和能够减轻重量的创新性设计解决方案正在被寻求。本研究是促成轻量化设计方案运用于船壳板结构中。该想法是将波形船壳板应用于海洋结构的几个部分中。本研究侧重于说明一种用于船舶结构的波形船壳板的优化的程序。在这里使用一种半潜式结构的浮筒结构来展示与演示；见Sharma等人(2010)对半潜式结构的综述评论。在Saˇglam和Sarder(2010)中提供了优化程序的详细描述和发展的所有步骤。
- 研究方法
本研究交叉采用两种方法：有限元法（FEM）和入级规范中的半经验封闭表达式法。有限元法用于将总体载荷效应等效到具体的每一个结构中，即将整个半潜式结构等效到每个单独的板上，同时，半经验公式对每个单个结构单元的使用给出了明确的约束条件。这些约束条件基于确定的限制，如分歧点、屈服和面板的极限状态，概括了考虑不同方向应力的相互作用公式。最初由加筋的平直船壳板组成的结构受到波形板的挑战。对于这两种类型，采用逐步参数优化的方法寻找最优解。最后，用标准程序验证所找到的最佳解决方案，该程序确定了最终判断的最关键部分。
- 参考结构的描述
所研究的浮筒结构是正在进行的新型半潜式生产装置设计的一部分，主要参数如下：
- 甲板载荷能力：33000公吨
- 长度（总体）：146米
- 宽度（总体）：137米
- 浮筒长度：105米
- 吃水：41.5米
浮筒整体结构的初始（参考）设计方案是由加筋平直钢板制成。为达到本研究的目的，在数值分析中只需要考虑浮筒结构的一小部分。因此浮筒结构中间的五个部分用于模型制作和分析过程，以展示使用波形船壳板的轻量化潜力；详细见Saˇglam and Sarder (2010)。
图1展示了半潜式结构研究的一部分几何模型和参考结构的五个节段。在结构分析中对总体刚度有贡献的所有结构单元都包含在该参考结构模型中。表1列出了数值分析中使用的材料特性，以及参考结构的尺寸和一些结构构件。
表1.数值分析中使用的材料特性和参考结构尺寸
|
属性 |
数值 |
|
杨氏模量，E [GPa] |
206 |
|
泊松比，upsilon; |
0.3 |
|
拉伸屈服应力，sigma;y0.2 [MPa] |
355 |
|
剪切屈服应力，ks [MPa] |
205 |
|
密度，rho; [kg/m3] |
7850 |
|
长度 [m] |
12.8 |
|
宽度 [m] |
17.3 |
|
高度 [m] |
11.5 |
|
深度 [m] |
30.0 |
|
加强筋间距 [mm] |
640 |
|
加强筋尺寸（球形） [mm] |
430times;15 55times;68.5 |
|
船壳板厚度 [mm] |
19-23 |
图1.所研究的半潜式结构（上）的一部分的几何模型和参考加强结构（下）的突出部分的放大图。
- 强度分析介绍
本研究中提出的板结构强度分析是基于线弹性理论。在轻量化优化设计中，极限强度能力的参考和波形结构的计算都是作为一种衡量标准。
极限强度是船壳板结构的设计标准之一。当压应力为主时，屈曲和屈服是达到极限强度界限的主要现象。当屈服传播到一定程度，不论是否发生屈曲，通常都会达到极限强度界限。在本研究中，屈曲和屈服是设计和优化过程的一部分。这里用于量化有关屈曲和屈服的参数的方法取自ABS(2004)和DNV(2010)。
通过计算冯米塞斯有效应力，并与材料的屈服应力进行比较，验证了抗屈服的安全裕度。屈曲强度评估程序最终应考虑以下五种明显的崩溃情况:
- 所有的波形崩溃作为一个单元，此时波形作为一个梁柱没有足够的强度，并且与板作为一个单元一起屈曲。见图2。
图2.所有的波形崩溃作为一个单元
- 在双轴压缩下沿边缘屈服而破坏而没有任何波形破坏的面板崩溃，见图3。作为第二效应，面板崩溃将会发生。
图3.屈服导致的面板崩溃。
- 梁-杆式崩溃，通过波形的屈服达到其极限强度，首先出现在跨中，然后在支座处；见图4。
图4.梁-杆式崩溃
- 当板面或边缘受到局部压力应力达到极限强度时，波形板的面或者边缘出现局部屈曲；见图5。
图5.波形板的面或者边缘出现局部屈曲
- 当面板主要受轴向拉伸载荷，并且面板的横截面在面板发生全面或局部屈曲之前屈服时，可能发生总屈服；见图6。
图6.总屈服
当外部压载的载荷效应达到临界水平时会发生屈曲。波形船壳板面板将会被设计为最大的载荷作用在板的纵向（波形）方向上的方式。原因在于波形板在横向（垂直于波形）方向上具有较小的刚度/抗弯曲性。在本研究中，波形板的设计考虑了由于压缩、剪切和侧向压力载荷或所有三种类型载荷的组合而产生的弯曲。需要注意的是，横向载荷和挠度会降低结构的面内刚度，从而引起平面内（膜）内应力。横向载荷也会引起弯曲和平面内应力。
在第5-10节中描述了如何通过参数优化方法计算屈曲应力。叠加了几种外部操作载荷情况，以涵盖半潜式浮筒结构
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资料编号：[732]
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