一种减重式集装箱船台阶设计方法与流程

本发明涉及一种基于船舶结构力学理论的船舶结构拓扑优化方法，尤其涉及一种集装箱船艏部台阶结构设计的确定方法。

背景技术：

1、为国际海事界公认的节能减排技术措施之一的轻量化技术，有助于减少能源和资源的消耗、有助于降低造船成本、有助于减少二氧化碳等温室气体的排放，实现船舶运输业的可持续健康发展。

2、集装箱船一般航线固定、航期固定，航速大于其他货船，因此集装箱船的方形系数较小，线型变化较快，艏艉线型比较尖瘦。为了布置集装箱，在艏艉货舱区域的每层集装箱高度位置设置了比较多的平台,货舱结构比较复杂。

3、集装箱船台阶的现有设计方案具有施工复杂、结构重量较重等缺点。因此，需要一种减重式集装箱船台阶设计方法，克服传统设计方案的上述缺点。

技术实现思路

1、本发明是要提出一种减重式集装箱船台阶设计方法，将集装箱台阶采用支柱或桁材等形式替代平台，不但可以降低结构重量，达到轻量化的目的，而且替代形式简单有利于降低施工难度。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种减重式集装箱船台阶设计方法，其步骤为：

3、步骤s1，确定集装箱船舱内台阶初始布置方案；

4、步骤s2，确定艏艉可开展优化设计的结构区域；

5、步骤s3，选取合适的优化软件进行优化计算的建模；

6、步骤s4，基于最小密度方法对初始台阶进行拓扑优化分析；

7、步骤s5，基于拓扑优化结果，对台阶区域进行可工程化的方案设计；

8、步骤s6，计算优化方案对集装箱的承载能力。

9、进一步，所述步骤s1中，集装箱船舱内台阶初始布置方案根据母型船设计资料可得。

10、进一步，所述步骤s2中，根据结构布置图，对艏艉有台阶区域进行划分，集装箱船中部平行中体由于没有台阶布置，不作为优化区域。

11、进一步，所述步骤s3中，可基于步骤s2确定的区域，采用优化软件建模。

12、进一步，所述步骤s4中，以最小体积分数为约束条件，以结构刚度最大为优化目标，采用最小密度法开展拓扑优化分析。

13、进一步，采用最小密度法开展拓扑优化分析，将计算模型设计域的每个单元的“单元密度”作为设计变量。

14、进一步，该“单元密度”在0～1之间连续取值，优化求解后单元密度为1或接近1表示该单元位置的材料需要保留；单元密度为0或接近0表示该单元处的材料可以去除。

15、进一步，以最小体积分数为约束条件，在最优点处必须满足kuhn-tucker条件。

16、进一步，所述步骤s5中，基于拓扑优化计算结果，考虑工程设计施工以及常用构件形式及尺寸，确定可用于工程的台阶优化方案。

17、进一步，所述步骤s6中，对台阶优化方案进行强度校核，只要求优化方案具有承载集装箱重力而不被破坏的能力即可。

18、本发明的有益效果是：

19、本发明的减重式集装箱船台阶设计方法将集装箱台阶采用支柱或桁材等形式替代平台，不但可以降低结构重量，达到轻量化的目的，而且替代形式简单有利于降低施工难度。

技术特征：

1.一种减重式集装箱船台阶设计方法，其特征在于，其步骤为：

2.根据权利要求1所述的减重式集装箱船台阶设计方法，其特征在于：所述步骤s1中，集装箱船舱内台阶初始布置方案根据母型船设计资料可得。

3.根据权利要求1所述的减重式集装箱船台阶设计方法，其特征在于：所述步骤s2中，根据结构布置图，对艏艉有台阶区域进行划分，集装箱船中部平行中体由于没有台阶布置，不作为优化区域。

4.根据权利要求1所述的减重式集装箱船台阶设计方法，其特征在于：所述步骤s3中，可基于步骤s2确定的区域，采用优化软件建模。

5.根据权利要求1所述的减重式集装箱船台阶设计方法，其特征在于：所述步骤s4中，以最小体积分数为约束条件，以结构刚度最大为优化目标，采用最小密度法开展拓扑优化分析。

6.根据权利要求5所述的减重式集装箱船台阶设计方法，其特征在于：采用最小密度法开展拓扑优化分析，将计算模型设计域的每个单元的“单元密度”作为设计变量。

7.根据权利要求6所述的减重式集装箱船台阶设计方法，其特征在于：该“单元密度”在0～1之间连续取值，优化求解后单元密度为1或接近1表示该单元位置的材料需要保留；单元密度为0或接近0表示该单元处的材料可以去除。

8.根据权利要求5所述的减重式集装箱船台阶设计方法，其特征在于：以最小体积分数为约束条件，在最优点处必须满足kuhn-tucker条件。

9.根据权利要求1所述的减重式集装箱船台阶设计方法，其特征在于：所述步骤s5中，基于拓扑优化计算结果，考虑工程设计施工以及常用构件形式及尺寸，确定可用于工程的台阶优化方案。

10.根据权利要求1所述的减重式集装箱船台阶设计方法，其特征在于：所述步骤s6中，对台阶优化方案进行强度校核，只要求优化方案具有承载集装箱重力而不被破坏的能力即可。

技术总结
本发明涉及一种减重式集装箱船台阶设计方法，其步骤为：步骤S1，确定集装箱船舱内台阶初始布置方案；步骤S2，确定艏艉可开展优化设计的结构区域；步骤S3，选取合适的优化软件进行优化计算的建模；步骤S4，基于最小密度方法对初始台阶进行拓扑优化分析；步骤S5，基于拓扑优化结果，对台阶区域进行可工程化的方案设计；步骤S6，计算优化方案对集装箱的承载能力。本发明的减重式集装箱船台阶设计方法将集装箱台阶采用支柱或桁材等形式替代平台，不但可以降低结构重量，达到轻量化的目的，而且替代形式简单有利于降低施工难度。

技术研发人员：刘亚冲,吴嘉蒙,朱俊侠,蔡诗剑,朱文博,王元,汤雅敏
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七○八研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29