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基于人工蜂群算法和有限元强度计算的集装箱船剖面结构优化

罗文平 刘维勤 王红旭 杨萌

罗文平, 刘维勤, 王红旭, 等. 基于人工蜂群算法和有限元强度计算的集装箱船剖面结构优化[J]. 中国舰船研究, 2023, 18(2): 160–167, 217 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02520
引用本文: 罗文平, 刘维勤, 王红旭, 等. 基于人工蜂群算法和有限元强度计算的集装箱船剖面结构优化[J]. 中国舰船研究, 2023, 18(2): 160–167, 217 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02520
LUO W P, LIU W Q, WANG H X, et al. Optimization of the section structure of container ship based on artificial bee colony algorithm and finite element strength calculation[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2023, 18(2): 160–167, 217 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02520
Citation: LUO W P, LIU W Q, WANG H X, et al. Optimization of the section structure of container ship based on artificial bee colony algorithm and finite element strength calculation[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2023, 18(2): 160–167, 217 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02520

基于人工蜂群算法和有限元强度计算的集装箱船剖面结构优化

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02520
基金项目: 国防基础科研计划资助项目(JCKY2020206B037)
详细信息
    作者简介:

    罗文平,男,1997年生,硕士生。研究方向:船舶结构优化。E-mail:important979lwp@163.com

    刘维勤,男,1985年生,博士,副教授。研究方向:船舶与海洋工程结构物优化。E-mail:liuweiqin_123@sina.com

    王红旭,男,1984年生,高级工程师

    通信作者:

    刘维勤

  • 中图分类号: U661.4

Optimization of the section structure of container ship based on artificial bee colony algorithm and finite element strength calculation

知识共享许可协议
基于人工蜂群算法和有限元强度计算的集装箱船剖面结构优化罗文平,等创作,采用知识共享署名4.0国际许可协议进行许可。
  • 摘要:   目的  现有基于有限元强度计算的结构优化研究大多采用改写单元节点信息文件来实现参数化建模的方法,为解决在船体剖面结构优化过程中难以考虑型材数量变化的问题,提出一种基于参数化几何建模分析和人工蜂群(ABC)算法的船舯剖面结构优化方法。  方法  首先,在Matlab平台编写蜂群算法,并基于ABAQUS内核语言Python建立能够在其CAE模块中生成几何模型的脚本文件;其次,建立能够提交有限元计算和读取结果的Python脚本文件,通过将算法每次生成的解改写到脚本对应位置完成几何模型的更新,后台调用ABAQUS并依次运行脚本文件;最后,将计算结果返回到Matlab平台中进行校核,完成参数化几何建模与有限元分析。  结果  以4600 TEU集装箱船在总纵弯矩作用下的舱段剖面结构优化为例验证了该方法的可行性,得到集装箱船舱段结构减重达18.7%。  结论  经对比分析,在设定条件下基于有限元的优化方法比基于规范的优化方法更加充分。
  • 图  人工蜂群算法流程

    Figure  1.  Flow chart of artificial bee colony algorithm

    图  集装箱船的结构优化计算流程图

    Figure  2.  Calculation process of container ship structure optimization

    图  结构剖面示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of structural section

    图  基于有限元法与规范的优化迭代过程

    Figure  4.  Iterative process of FEA and code-based optimization

    图  基于有限元法与规范最终优化结果的舱段校核应力云图

    Figure  5.  Stress cloud map of cabin checked with FEA and code-based method according to the final optimization results

    图  迭代过程中基于有限元法与规范的相关参数变化

    Figure  6.  Variation of related parameters during iteration with FEA and code-based method

    表  变量范围取值原则

    Table  1.  Principle for variables selection range

    变量下限上限
    nunu0−2nu0+2
    t0.5t01.5t0
    h0.5h02h0
    t10.5t101.5t10
    l0.5l02l0
    t20.5t201.5t20
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    表  舯部船底区域设计变量及优化结果

    Table  2.  Design variables and optimization results for midship bottom area

    设计变量优化前规范优化后变化率/%有限元优化后变化率/%
    内底板厚/mm1411.5−17.911.0−21.4
    上下型材数量/个11010
    内底型材/mm160×10.0140×12.5+9.4140×9.5−16.9
    中底桁厚度/mm13.011.5−11.511.0−15.4
    外底板厚/mm18.017.5−2.815.5−13.9
    外底型材/mm240×10.0220×12.5+14.6220×9.5−12.9
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    表  侧部船底区域设计变量及优化结果

    Table  3.  Design variables and optimization results for lateral bottom area

    设计变量优化前规范优化后变化率/%有限元优化后变化率/%
    内底板厚/mm1412−14.311−21.4
    上下型材数量/个23+50.03+50.0
    内底型材/mm260×11250×10−12.6250×10−12.6
    旁底桁厚度/mm11.59.0−21.79.5−17.4
    旁底桁型材数量/个2201−50.0
    旁底桁型材/mm×mm160×11.5140×10.0−23.9140×10.5−20.1
    外底板厚/mm16.015.5−3.113.5−15.6
    外底型材/mm300×11270×10−18.2270×10−18.2
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    表  舭部区域设计变量及优化结果

    Table  4.  Design variables and optimization results for bilge area

    设计变量优化前规范优化后变化率/%有限元优化后变化率/%
    舭部外板厚/mm1511−26.712−20.0
    垂直交叉板厚/mm8.07.5−6.36.5−18.8
    型材数量/个43−25.02−50.0
    竖直板型材/mm280×11.5270×10.0−16.1260×10.5−15.2
    水平板型材/mm270×11.0300×11.0+11.1240×9.5−23.2
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    表  上部舷侧区域设计变量及优化结果

    Table  5.  Design variables and optimization results for upper side area

    设计变量优化前规范优化后变化率/%有限元优化后变化率/%
    各甲板型材数量/个21−50.01−50.0
    主甲板板厚/mm2019−5.019−5.0
    甲板型材/mm400×11.0365×11.0−8.8380×9.5−18.0
    舷侧外板板厚/mm1615−6.313−18.8
    舷侧内板板厚/mm12.012.0011.5−4.2
    舷侧型材数量/个43−25.040
    舷侧型材/mm260×13.0280×10.5−13.0240×11.5−18.3
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    表  舯部舷侧区域设计变量及优化结果

    Table  6.  Design variables and optimization results for midship side area

    设计变量优化前规范优化后变化率/%有限元优化后变化率/%
    二级甲板板厚/mm10.011.5+15.08.5−15.0
    甲板型材/mm200×11.0200×11.00200×9.5−13.6
    舷侧外板板厚/mm14.012.0−14.311.5−17.9
    舷侧内板板厚/mm11.511.508.5−26.1
    舷侧型材数量/个54−20.04−20.0
    舷侧型材/mm230×13.0230×10.5−19.2230×11.5−11.5
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    表  下部舷侧区域设计变量及优化结果

    Table  7.  Design variables and optimization results for lower side area

    设计变量优化前规范优化后变化率/%有限元优化后变化率/%
    三级甲板板厚/mm810.5+31.39.0+12.5
    甲板型材/mm270×11.0300×11.0+11.1240×9.5−23.2
    舷侧外板板厚/mm13.011.5−11.512.0−7.7
    舷侧内板板厚/mm11.511.0−4.39.0−21.7
    舷侧型材数量/个5503−40.0
    舷侧型材/mm220×13.0230×10.5−15.6250×11.5+0.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-15
  • 修回日期:  2021-11-15
  • 网络出版日期:  2023-04-18
  • 刊出日期:  2023-04-28

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