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海洋平台海洋结构的轻量化设计及优化波形船壳板的重量对强度的利用率

JonasW.Ringsberglowast;， Huuml;seyin Sağlam， Md.Asaduzzaman Sarder 和 Anders Ulfvarson， 船舶与海洋技术部，海工设计部门，查尔姆斯理工大学SE-412 96，哥德堡，瑞典

（初始版2011年8月11日，最终版2012年5月31日）

摘要： 船壳板结构的重量有多种方法去减轻。本调查研究展示一种新型的轻量化设计，采用波形结构的海洋平台浮筒。将波形船壳板在强度、重量和成本方面同传统的加筋板比较。为此，针对船壳板结构设计一个最优的方法。这个过程要能够分析比较多种结构的强度特征、重量和成本，这里的强度特征包括极限抗拉强度、屈曲稳定性和疲劳寿命分析。线弹性有限元分析被运用到结构特征研究中，其中根据入级规范涉及了多种设计标准。结果显示，同传统的加筋板相比，波形船壳板结构能够作为重量最轻的设计方案被使用。而且它在制造和安装过程中的成本消耗也比较低。最后，结构强度特征分析显示，当设计合适时，不需要考虑安全余量便可以符合ABS和DNV入级规范。

关键词：最优化；波形板；疲劳；屈曲；最大极限状态；轻量化设计；有限元分析；参数研究法

引言

波形船壳板是一种由板材组成产生线性或非线性波形形状的建造材料。波形能够增加板在垂直于波形方向的抗弯强度，但是平行波形方向没有多大效果。一般而言，每个船壳板在其强度较大的方向制造的比较长。波形船壳板重量轻，便于运输，这个特点使其在船舶和海洋结构的使用上具有吸引力。

波形板经常被用在舱壁设计中去减轻重量，同时还能减轻建造费用和维护费用。不仅如此，还有很多海洋结构采用波形板代替使用的传统加筋板而取得好的效果。在文献中有很多例子，已经从各个方面对波形板在海洋应用进行了研究。Rahman（1996）展示了一种加筋板设计的最优化方法，能够有效提高船舶结构。在他的研究中，波形板与另外两种不同的加筋板在强度和生产成本方面进行了比较。Kippenes et al（2007）研究了波形舱壁的极限强度，比较了三种不同类型的船舶模型的波形舱壁极限强度。Caldwell(1995)分析了波形板作为船舶舱壁的强度。Paik et al（1997）从理论和试验两方面对波形板进行了极限强度研究，以便获得波形船壳板强度校核的理论背景。

海洋工业最近趋势显示，新海洋平台的尺寸、甲板载荷能力和结构重量都在不断增加。对于结构重量的增加，然而却是设计参数产生的负面效应。比如，从运行海洋平台获得的利润。因此，便探索轻量化设计和创新设计方法去减轻重量。本研究则是促成轻量化设计方法运用到船壳板结构中，目的是将波形船壳板运用到多种海洋船舶结构中。本研究的重点集中在描述最优化波形船壳板的软件开发。这里使用半潜式结构的浮筒结构来展示和演示，看Sharman et al(2010)对半潜式结构的综合评论。Sa˘glam和Sarder（2010）对于最优化程序开发的所有步骤都有一个详细的描述。

研究方法

研究中交叉使用了两种类型的方法：有限单元法（FEM）和入级规范中的半经验封闭式公式。有限单元法是将总体载荷效应等效到具体的每一个结构中去，也就是将整个半潜式结构等效到它每个单个的板上。同时，用半经验公式给每个使用的单个结构单元定义明确的约束条件。.这些约束条件是以确定的限制为基础，比如分岔点、屈服和面板的最大极限状态，概括了用于考虑不同方向上的应力的相互作用公式。原始的由加强的平直船壳板组成的结构现在被可供选择的波形板挑战。对于所有的类型，通过逐步的参数优化程序寻找出最佳的结果。最后，通过标准程序识别关键部分作出最后判断，找到最好的解决方案。

参考结构的描述

所研究的浮筒结构是新的半潜式生产单元的持续设计的一部分，具有以下主要参数：

bull;甲板载荷能力：33000立方公吨

bull; 总长：146米

bull; 总宽：137米

bull; 浮筒长度：105米

bull; 吃水：41.5米

一开始浮筒结构的总体设计采用加强的扁钢板。为了本研究的目的，在数值分析中只考虑浮筒结构的一小部分，因此，在模型制造和分析过程中，使用浮筒结构中间的五个部分来证明使用波形船壳板的轻质潜力。详细介绍看Sa˘glam and Sarder（2010）。

图1显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。在结构分析中有助于全局刚度的所有结构元素被并入该参考结构模型中。表1显示了数值分析中的材料特性，以及参考结构的尺寸和结构数量。

表一：在数值分析中使用的材料特性和参考结构尺寸。

J.W. Ringsberg et al.

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。

4 强度分析介绍

本研究中板结构的强度分析是基于线弹性理论。在轻量化最优化设计中，极限强度能力的参考和波形结构的计算都是作为一种价值测量的比较。

极限强度是船壳板的一种设计标准。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。当屈服扩展到有或没有屈曲发生的程度时，通常达到极限强度极限。在本研究中，屈曲和屈服被合并，作为设计和优化过程的一部分。这里用于量化与屈曲和屈服相关的参数的方法从ABS（2004）和DNV（2010）获得。

通过计算von Mises有效应力来检查对抗屈服的安全裕度，其与材料的屈服应力相比较。屈曲强度评估程序应最终考虑以下五个明确的崩溃情况：

bull;所有的波形崩溃作为一个单元，在这种情况下波形作为一个梁杆没有足够的强度，并同板作为一个单元一起屈曲。看图2。

图2.作为一个单元的波形的总体崩溃

bull;通过在双轴压缩下沿边缘屈服而没有任何波形失效的面板崩溃，看图3。作为二次效应，面板崩溃将会出现。

图3.因屈服而崩溃的平板

bull;通多波形屈服达到极限强度产生的梁杆崩溃，首先出现在梁的跨中，然后在支座。看图4。

图4：梁杆类型崩溃

bull;当板面或边缘受到局部压力应力达到极限强度时，波形板的面或边缘出现局部屈曲。看图5。

图5：波形板的面和边缘的局部屈曲

bull;当面板主要承受轴向拉伸载荷并且面板横截面在面板的全面或局部屈曲发生之前屈服时，可能发生总屈服。看图6.

图6：总体屈服

当外界的压缩载荷效应达到一个临界水平时出现屈曲。波形船壳板将被设计成使得最大负载在板的纵向（波形）方向上起作用。因为波形板在横向（垂直于波形）上抵抗屈曲的刚度较弱。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造成的屈曲。 注意的是，横向负载和偏转降低了结构的面内刚度，这又引起面内（膜）应力。 同时横向载荷还引起弯曲和面内应力。

在5-10节中描述了如何通过参数优化方法计算屈曲应力，几个外部操作负载情况被叠加以覆盖半潜式浮筒结构的实际负载和操作环境。波形剖面被改变和评估，以及细长比和面板纵横比。Johnson–Ostenfeld的修正（见Paik and Thayamballi 2003）应用于体现屈服对屈曲行为和极限状态的影响。因此，分叉点的弹性屈曲应力的计算从而转换成临界屈曲应力。

这里提出的用于波形板结构的强度分析的程序限于图2-6所示的五种崩溃模式中的三种，详细内容见Sağlam and Sarder (2010)。因此，本研究中提出的波形船壳板结构的屈曲和崩溃模式如下：

bull;局部面/腹板屈曲：在该屈曲模式中，检查波形剖面的不同板带的平面外屈曲。

bull;单元波形的梁杆屈曲：检查波形板的任何单元波形的屈曲。

bull;整个波形屈曲（整体屈曲）：检查整体屈曲，也就是整个板的平面外屈曲。

分类规则的理论评估：屈曲、最大极限状态和疲劳强度

本节对检查传统加筋结构和波形板的承载能力的标准给出了一个简要概述。标准只作简单的介绍，没有详细的解释和动机。反之，感兴趣的读者可以直接看ABS（2004）或者Sağlam and Sarder（2010）。在等式中使用的变量符号遵循ABS（2004）中定义的符号，也可以参阅定义每个变量的符号列表。虽然DNV规范并不直接用于分析，但是考虑了其对于板和波形舱壁的设计标准。

5.1 局部屈曲评估

面板和腹板承受面内载荷的屈曲强度根据公式（1）评估，在第6节中，提出了关于强度利用系数eta;的讨论：

5.2 梁杆屈曲评估

将单元波形当做梁杆处理，其中公式（2）描述了必须满足的极限状态。方程（2）描述的波形单元作为梁处理，它是评估关于梁杆屈曲抗力受横向载荷的影响，其由Perry-Robertsson公式发展而来。详见Paik and Thayamballi（2003年）。注意的是，在计算中边缘效应的考虑是完全有效的：

5.3 总体屈曲评估

相对于双轴压缩和边缘剪切来评估波形板的总体屈曲强度，见公式（3）。注意的是，这里不考虑侧向载荷环境的影响。对于本研究提到的参考结构和波形船壳板结构，这个屈曲模式不是决定性的：

5.4 极限强度的评定

Paik和Thayamballi（2003）和ABS（2004）的海上惯例给出了关于如何对面板进行极限强度检查的清楚描述。在平面应力条件下经受双轴压缩和边缘剪切的板的极限强度必须满足公式（4）。该标准考虑了在所有方向上的极限强度的综合。细长比和面板短边的长度在这是面板区域的极限强度的重要参数：

对于面板结构的设计，期望板在达到面板的极限强度之前屈曲。要分别检查每个加载方向，即纵向、横向和剪切载荷。在公式（5） - （7）中，给出了纵向方向的示例。在该方向上的最大允许压应力应小于或等于纵向方向上的极限应力乘以一个强度利用因子eta;，见第6节表2：

公式（1）中的局部屈曲准则给出：

极限强度设计的标准要求任何方向的极限应力必须大于相应的屈曲应力，同时考虑细长比Cx，见公式（7）。等式（5） - （7）给出等式（8）中的最终表达式，其是在纵向方向达到极限强度之前的屈曲设计标准：

在极限强度评估程序中，当受到横向载荷和/或平面内载荷时，检查板的屈服。经受均匀侧压力的板的极限强度与面内应力结合必须满足等式（9）中的关系。它结合了来自侧向压力的影响以及面内应力作为von Mises有效应力sigma;e，根据等式（10）可看出，详见Paik和Thayamballi（2003年）。注意，波形的间距s和短板边缘的长度t对该极限状态具有显著影响：

5.5 屈服强度评估

将有效应力与von Mises屈服准则进行比较。von Mises有效应力必须低于允许的最大极限状态（ULS）。为了满足ULS，当经受其设计的设计负载峰值时，该结构不能崩溃。在本研究中，应力集中的影响仅在疲劳分析中考虑。 对于板结构，von Mises有效应力定义为：

整个结构的评估通过计算公式（10）中的有效应力。这里使用的设计标准是结构的所有部分必须具有低于材料的屈服应力的90％的应力水平。该标准适用于“严重风暴”负载情况，这是关于极限强度的最极端负载情况，详见第6节和第9节。

5.6 疲劳强度的评定

波浪载荷引起的疲劳应力范围在遵循ABS规则（2003）的简化疲劳分析中考虑。在疲劳评估中考虑了基于3times;30 = 90年操作的安全系数。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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