一种船舶开口非加筋板材尺寸优化方法技术

本发明专利技术涉及一种船舶开口非加筋板材尺寸优化方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)判断对船舶开口非加筋板材极限强度产生影响的板材参数，确定优化对象为板厚和开口比例；(2)确定每个优化对象尺寸的上限和下限，所有分析尺寸均来自优化对象尺寸的上限和下限之间的区间；(3)使用蒙特卡罗法计算不同尺寸下船舶开口非加筋板材的失效概率，采用控制变量法，绘制成统计图；(4)利用步骤(3)获得的统计图，对船舶开口非加筋板的尺寸进行优化。船舶开口非加筋板的尺寸进行优化。船舶开口非加筋板的尺寸进行优化。

An optimization method for the size of non stiffened plates in ship openings

【技术实现步骤摘要】
一种船舶开口非加筋板材尺寸优化方法


[0001]本专利技术涉及船舶与海洋工程结构物建造与可靠性分析领域，尤其涉及一种开口非加筋板尺寸的优化。

技术介绍

[0002]开口结构是船舶内部较为常见的异形结构，船员通行、货物运输、管道铺设都可能会涉及到这一结构。而在众多的开口结构里，开口板材结构是其中的中流砥柱。如何在保证安全的前提下，通过优化开口板材结构尺寸提升该结构的经济性和适用性是船舶设计师们需要考虑的一个问题。
[0003]目前大多数设计师选择船舶开口板材结构的尺寸时，都是依据船级社规范和过往成功经验进行，这样的设计思路可以保证安全性，但可能带来建造成本提高、使用效果降低等问题，具有一定的改进空间。
[0004]因此，本专利技术尝试从可靠性分析的角度，形成一个能够综合考虑多个方面的船舶开口非加筋板材尺寸优化方法，供船舶设计师们参考。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对传统开口非加筋板材尺寸选择过程中考虑因素不足的问题，提出了一种新的开口板材尺寸优化方法。该方法从可靠性分析的角度出发，使用蒙特卡罗法计算不同尺寸下开口板材的失效概率，综合考虑了安全性、经济性、适用性等因素，有利于选择出更为合适的开口板材尺寸。本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]一种船舶开口非加筋板材尺寸优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0007](1)判断对船舶开口非加筋板材极限强度产生影响的板材参数，确定优化对象为板厚和开口比例；
[0008](2)确定每个优化对象尺寸的上限和下限，所有分析尺寸均来自优化对象尺寸的上限和下限之间的区间；
[0009](3)使用蒙特卡罗法计算不同尺寸下船舶开口非加筋板材的失效概率，方法如下：
[0010]1)建立船舶开口非加筋板材的极限状态函数：
[0011][0012]式中，σ
u
代表开口结构的极限应力；M
sw
代表船舶中横剖面处所受的静水弯矩；M
w
代表船舶中横剖面所受的波浪弯矩；W代表船舶中横剖面的剖面模数；χ
u
代表开口结构极限应力的模型不确定因子；χ
sw
代表静水弯矩模型不确定因子；χ
w
代表波浪弯矩模型不确定因子；
[0013]2)针对极限状态函数中每个变量的均值和方差生成该变量对应的随机变量；
[0014]3)根据所生成的各个变量的随机变量，随机抽取N组数据；
[0015]4)将随机抽取出的N组数据依次代入极限状态函数g，计算函数值；
[0016]5)判断判断g＜0的次数L，用L除以随机抽取的数量N，得出开口结构发生破坏的概
率：
[0017][0018]计算过程中采用控制变量法：首先确定一个板材厚度，计算对应板厚下不同开口比例时板材的失效概率，之后再依次计算其他板厚下不同开口比例板材的失效概率；全部分析结束后将计算结果绘制成统计图；
[0019](4)利用步骤(3)获得的统计图，对船舶开口非加筋板的尺寸进行优化。
附图说明：
[0020]图1为本船舶开口非加筋板尺寸优化方法实施流程图
[0021]图2为本专利技术实例中分析的开口非加筋板外观
[0022]图3为本专利技术实例中使用蒙特卡罗法计算的不同板厚和不同开口比例下开口非加筋板的失效概率
具体实施方式
[0023]下面结合附图和实例对本专利技术作进一步说明。
[0024]本实例分析的开口非加筋板外观如图2所示，该板材来自一艘中型船舶顶部。
[0025]优化前首先需要判断对开口非加筋板材极限强度产生影响的板材参数。
[0026]根据学者们的研究，开口非加筋板极限强度有如下计算公式：
[0027][0028]式中σ
y
为材料屈服极限，σ
u
为极限平均应力，β为板的柔度系数，AR为开口面积在整个板材面积中所占的比例。对于柔度系数β，有如下的计算公式：
[0029][0030]上式中t为最大板厚，b为板材宽度，E为板材的弹性模量。
[0031]由上面两个式子可以看出，影响开口板材强度的尺寸参数有板厚，板宽，开口比例等。
[0032]本实例中，板材的宽度和长度不宜更改，因此优化的对象主要针对板厚和开口比例。
[0033]由于尺寸一旦修改过多，会对船体结构承载力产生较大影响，因此有必要确定优化对象尺寸的上限和下限。
[0034]本实例中，板厚的上限为50mm，下限为45mm；开口比例的上限为0.19，下限为0.11。所有分析尺寸均来自上述区间。
[0035]接下来需要使用蒙特卡罗法计算不同尺寸下的开口非加筋板失效概率。
[0036]根据学者研究，船舶发生总纵弯曲时开口板材在外力作用下的极限状态函数为：
[0037][0038]上式中σ
u
代表开口结构的极限应力；M
sw
代表船舶典型中横剖面处所受的静水弯
矩；M
w
代表船舶典型中横剖面所受的波浪弯矩；W代表典型中横剖面的剖面模数(即抗弯截面系数)；χ
u
代表结构极限应力的模型不确定因子；χ
sw
代表静水弯矩的模型不确定因子；χ
w
代表波浪弯矩的模型不确定因子。
[0039]本实例中，选取的开口非加筋板所属船舶其典型中横剖面系数W经计算为125.657m3。极限应力σ
u
的均值和方差会受到板宽，板厚和开口比例的影响，其余变量的均值和方差对于同一艘船舶而言是相同的。
[0040]需要注意的是，具体计算过程中需要采用控制变量法，如先确定一个板材厚度，计算对应板厚下不同开口比例时板材的失效概率，之后再依次计算其他板厚下不同开口比例板材的失效概率。全部分析结束后将计算结果绘制成统计图方便观察和总结。
[0041]对于一个开口非加筋板来说，更厚的板材、尽可能小的开口意味着更高的安全性，而更薄的板材、尽可能大的开口意味着更好的经济性与适用性。为了在安全性、经济性与适用性之间寻找平衡，我们需要仔细分析通过蒙特卡罗法分析得到的不同尺寸下开口板材的失效概率，找到可以在安全性、经济性与适用性之间获得平衡的开口板材尺寸。
[0042]本实例共设置了六个板厚，分别为45mm，46mm，47mm，48mm，49mm，50mm，每个板厚在开口比例为0.11、0.13、0.15、0.17、0.19时的失效概率都需要得到计算。
[0043]根据学者们的研究，极限应力σ
u
服从正态分布，开口板材极限应力均值和方差有如下计算公式：
[0044][0045][0046]上面两个式子中，σ
y
为材料屈服极限，σ
u
为极限平均应力，β为板的柔度系数，AR为开口面积在整个板材面积中所占的比例，b为板的宽度(本实例设为420mm)，t为板厚，E为钢材弹性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船舶开口非加筋板材尺寸优化方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)判断对船舶开口非加筋板材极限强度产生影响的板材参数，确定优化对象为板厚和开口比例；(2)确定每个优化对象尺寸的上限和下限，所有分析尺寸均来自优化对象尺寸的上限和下限之间的区间；(3)使用蒙特卡罗法计算不同尺寸下船舶开口非加筋板材的失效概率，方法如下：1)建立船舶开口非加筋板材的极限状态函数：式中，σ
u
代表开口结构的极限应力；M
sw
代表船舶中横剖面处所受的静水弯矩；M
w
代表船舶中横剖面所受的波浪弯矩；W代表船舶中横剖面的剖面模数；χ
u
代表开口结构极限应力的模型不确定因...

【专利技术属性】
技术研发人员：余杨，张菁瑞，余建星，李昊达，刘欣，刘鹏飞，孙若珂，黄恺航，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：