CN109271681A - 一种舰船设备与结构共形设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种舰船设备与结构共形设计方法，步骤1、确定平台设备要素，包括设备的定位位置、布置方向以及设备与平台的连接形式；步骤2、计算平台计算压强P_c；步骤3、对平台结构进行板格强度校核：设σ_2c为板中心沿短边方向的相当应力，σ_s为材料的屈服强度，计算σ_2c的值，判断|σ_2c|与1.25σ_s的大小关系，若|σ_2c|<1.25σ_s则板格满足强度要求；若|σ_2c|≥1.25σ_s，则调整板厚重新计算相当应力σ_2c，直到|σ_2c|<1.25σ_s。本发明通过本共形设计方法，不仅能够有效地改善舰船内部平台及设备在设计过程中占用空间大、施工困难以及易产生干涉导致设计返工等问题，还能够获得满足强度、刚度要求，以及不影响设备安装、使用、维护条件下，舰船结构重量较轻和布置空间较大的均衡兼优设计方案。

Description

一种舰船设备与结构共形设计方法

技术领域

本发明涉及舰船工程船体结构设计技术领域，具体涉及舰船平台结构一体化设计过程中的平台相关设备与结构的一种共形设计方法。

背景技术

目前，舰船内部平台结构以及平台相关设备(如风管、电缆、冷凝管、润滑油管等)分布的设计分属于舰船结构和舰船系统分别进行，因此设备与平台普遍为离散结构。以风管为例，风管通常采用固定支架方式挂装在平台结构下方，且为了降低结构振动噪音，采用支架安装隔振器以减小振动，然而隔振器及其支架占用空间大，且固定支架结构易对平台的应力分布造成应力集中等不良影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的舰船内部平台及平台相关设备在设计过程中占用空间大、施工困难以及易产生干涉导致设计返工等问题，提供一种舰船设备与结构共形设计方法，该方法在对设备在舰船内部进行布置时，与舰船平台结构进行一体化设计，即将设备通过结构化处理与平台结构共形设计，在满足舰船平台结构强度、刚度等要求，同时不影响设备安装、使用、维护条件下，实现舰船平台结构轻量化设计及布置空间最大化的设计方案。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种舰船设备与结构共形设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、确定平台设备要素，包括设备的定位位置、布置方向以及设备与平台的连接形式；

步骤2、计算平台计算压强P_c；

步骤3、对所述平台结构进行板格强度校核：设σ_2c为板中心沿短边方向的相当应力，σ_s为材料的屈服强度，计算σ_2c的值，判断|σ_2c|与1.25σ_s的大小关系，若|σ_2c|&lt;1.25σ_s则板格满足强度要求；若|σ_2c|≥1.25σ_s，则调整板厚重新计算相当应力σ_2c，直到|σ_2c|&lt;1.25σ_s。

上述方案中，步骤1中与平台进行一体化设计的平台相关设备包括风管、电缆、冷凝管、润滑油管。

上述方案中，步骤1中，平台风管要素的确定包括风管定位位置的确定及风管开孔的确定：

风管定位位置的确定包括：1)选择风管内径、管路壁厚，并确定风管截面形状；2)考虑所述平台构架布置，选择风管走向及风管的安装位置；3)确定所述风管与所述平台的连接形式：所述风管首、尾分别与前、后横舱壁相连，平台横梁在风管贯穿处断开，进行升高处理后与所述风管相连，使连接处所述平台横梁高度与所述风管高度一致；

风管开孔的确定包括：风管上开孔数量及位置。

上述方案中，所述风管与所述前、后横舱壁、所述平台横梁以及所述平台均采用焊接方式连接。

上述方案中，步骤2中，计算平台计算压强P_c，具体包括以下分步：

1)计算平台上设备重量作用于所述平台上产生的总载荷F；

2)计算平台上设备实际占用面积S；

3)计算设备作用于所述平台上产生的平均压强：P₁＝F/S；

4)计算平台计算压强P_c：平台计算压强P_c取0.005MPa加设备重量作用于平台上产生的平均压强与0.01MPa之间的较大值，即P_c＝max{0.05+P₁,0.01}。

上述方案中，步骤3中，板中心沿短边方向的相当应力σ_2c的计算方法具体包括以下分步：

1)板格强度校核的计算参数选取为：板格长边为平台纵桁间距a，板格短边为平台横梁间距b，板厚为平台板厚t，所述平台计算压强为P_c；

2)根据下式对板格进行刚性判别：

式中，E为弹性模数，U为板的计算参数，将板作为四边刚性固定的矩形板，按式(1)计算得出的值，再取对数查表1得到对应系数u，如果u&lt;1则为绝对刚性板，若u≥1则为有限刚性板，调整板格厚度宽度比t/b重新计算直到u&lt;1；

3)按绝对刚性板进行计算，首先计算a/b，计算结果查表2可得计算系数1为α、计算系数2为β，则板中心沿短边方向的相当应力σ_2c按下式计算：

式中，σ_2c为绝对刚性板板中心沿短边方向的相当应力，σ_s为材料的屈服强度。

本发明的有益效果在于：

本发明舰船设备与结构共形设计方法主要应用于舰船平台一体化设计，以舰船内部平台结构设计为对象，结合设备的定位位置、布置方向以及设备与平台的连接形式，在对平台设备在舰船内部进行布置时，与舰船平台结构进行一体化设计，即将平台设备通过结构化处理与平台结构共形设计。

通过本共形设计方法，不仅能够有效地改善舰船内部平台及设备在设计过程中占用空间大、施工困难以及易产生干涉导致设计返工等问题，还能够获得满足强度、刚度要求，以及不影响设备安装、使用、维护条件下，舰船结构重量较轻和布置空间较大的均衡兼优设计方案。通过共形设计的设备与现有设计方案相比，在舱室中不再单独占用空间，而与平台构架公用空间，从而可以实现舰船布置空间最大化及平台结构轻量化设计的设计方案。

本发明方法可应用于舰船新研型号产品及改换装产品舱室平台中。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是实施例中未安装风管时的平台结构图；

图2是实施例中与风管进行共形设计后的平台结构图；

图3是图2的A-A方向剖视图。

图中：10、平台；11、横梁；12、纵桁；20、风管；21、第一开孔；22、第二开孔；23、第三开孔；24、第四开孔；25、第五开孔；26、第六开孔。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明涉及一种舰船设备与结构共形设计方法，以风管20、平台10一体化设计为例，如图1-3所示，该方法包括以下步骤：

步骤1、确定平台风管20要素，包括风管20定位位置的确定及风管20开孔的确定：

风管20定位位置的确定包括：1)选择风管20内径、管路壁厚，并确定风管20截面形状；具体的，选择风管20内径为250mm×150mm，管路壁厚为10mm的方管。2)考虑所述平台10构架布置，确定风管20为纵向布置，并确定风管20位于所述平台10下表面；具体的，所述风管20布置于平台10中纵剖面与左舷第一旁纵桁12之间，位于所述平台10下表面，距左舷第一旁纵桁12距离为400mm。3)确定所述风管20与所述平台10的连接形式：所述风管20首、尾分别与前、后横舱壁相连，平台横梁11在风管20贯穿处断开，进行升高处理后与所述风管20相连，使连接处所述平台横梁11高度与所述风管20高度一致；具体的，所述风管20与所述前、后横舱壁、所述平台横梁11以及所述平台10均采用焊接方式连接。

风管20开孔的确定包括：风管20上开孔数量及位置，具体的，所述风管20上共有六个开孔，第一开孔21位于风管20底面，以风管20中纵剖面为对称面，后端部距后舱壁350mm，第一开孔21开孔尺寸为200mm×200mm；第二开孔22、第三开孔23、第四开孔24、第五开孔25、第六开孔26位于风管20侧面，尺寸为80mm×120mm；其中所述第三开孔23、第五开孔25位于风管20靠近左舷一侧，后端部分别距后舱壁1950mm和3850mm；第二开孔22、第四开孔24、第六开孔26位于风管20靠近右舷一侧，后端部分别距离后舱壁1300mm、1950mm和3850mm。

步骤2、计算平台10计算压强P_c，具体包括以下分步：

1)计算平台10上设备重量作用于所述平台10上产生的总载荷F＝291000N；

2)计算平台10上设备实际占用面积S＝41695986mm²；

3)计算设备作用于所述平台10上产生的平均压强：P₁＝F/S＝0.007MPa；

4)计算平台10计算压强P_c：平台10计算压强P_c取0.005MPa加设备重量作用于平台10上产生的平均压强与0.01MPa之间的较大值，即P_c＝max{0.005+P₁,0.01}＝0.012MPa。

步骤3、对所述平台10进行板格强度校核：设σ_2c为板中心沿短边方向的相当应力，σ_s为材料的屈服强度，计算σ_2c的值，判断|σ_2c|与1.25σ_s的大小关系，若|σ_2c|&lt;1.25σ_s则板格满足强度要求；若|σ_2c|≥1.25σ_s，则调整板厚重新计算相当应力σ_2c，直到|σ_2c|&lt;1.25σ_s。

板中心沿短边方向的相当应力σ_2c的计算方法具体包括以下分步：

1)板格强度校核的计算参数选取为：板格长边为平台纵桁12间距a＝3200mm，板格短边为平台横梁11间距b＝600mm，板厚为平台10板厚t＝6mm，所述平台10计算压强为P_c＝0.012MPa；

2)根据下式对板格进行刚性判别：

式中，E为弹性模数，取值为196GPa。

则根据表1进行线型插值得到对应系数u＝0.5。

表1.四边刚性固定板的辅助函数值

由于u&lt;1，则为绝对刚性板。

3)按绝对刚性板进行计算，首先计算a/b＝5.3333，根据表2并进行线型插值可得α＝6800，β＝0.906。

表2.系数α、β值

a/b	3.0	3.5	4.0	5.0	6.0	∞
							α	6430	6620	6710	6795	6810	6825
β	0.80	0.871	0.890	0.905	0.908	0.910

则绝对刚性板板中心沿短边方向的相当应力σ_2c为：

式中，σ_s为材料的屈服强度，取值为235MPa。

由于|σ_2c|&lt;1.25σ_s＝293.75MPa，板格满足强度要求。

为了验证本设计方法的有效性，通过有限元软件分别计算安装风管20前、后平台10最大主应力：未安装风管20时平台10最大主应力为236MPa；安装风管20时平台10最大主应力为202MPa。通过对比可以发现，进行风管20设备与平台10共形设计后的平台10最大主应力相比未进行共形设计的平台10应力较小，且应力集中现象明显减弱，证明了本发明方法的有效性。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种舰船设备与结构共形设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、确定平台设备要素，包括设备的定位位置、布置方向以及设备与平台的连接形式；

步骤2、计算平台计算压强P_c；

步骤3、对所述平台结构进行板格强度校核：设σ_2c为板中心沿短边方向的相当应力，σ_s为材料的屈服强度，计算σ_2c的值，判断|σ_2c|与1.25σ_s的大小关系，若|σ_2c|&lt;1.25σ_s则板格满足强度要求；若|σ_2c|≥1.25σ_s，则调整板厚重新计算相当应力σ_2c，直到|σ_2c|&lt;1.25σ_s。

2.根据权利要求1所述的舰船设备与结构共形设计方法，其特征在于，步骤1中与平台进行一体化设计的平台相关设备包括风管、电缆、冷凝管、润滑油管。

3.根据权利要求2所述的舰船设备与结构共形设计方法，其特征在于，步骤1中，平台风管要素的确定包括风管定位位置的确定及风管开孔的确定：

风管定位位置的确定包括：1)选择风管内径、管路壁厚，并确定风管截面形状；2)考虑所述平台构架布置，选择风管走向及风管的安装位置；3)确定所述风管与所述平台的连接形式：所述风管首、尾分别与前、后横舱壁相连，平台横梁在风管贯穿处断开，进行升高处理后与所述风管相连，使连接处所述平台横梁高度与所述风管高度一致；

风管开孔的确定包括：风管上开孔数量及位置。

4.根据权利要求3所述的舰船设备与结构共形设计方法，其特征在于，所述风管与所述前、后横舱壁、所述平台横梁以及所述平台均采用焊接方式连接。

5.根据权利要求1所述的舰船设备与结构共形设计方法，其特征在于，步骤2中，计算平台计算压强P_c，具体包括以下分步：

1)计算平台上设备重量作用于所述平台上产生的总载荷F；

2)计算平台上设备实际占用面积S；

3)计算设备作用于所述平台上产生的平均压强：P₁＝F/S；

4)计算平台计算压强P_c：平台计算压强P_c取0.005MPa加设备重量作用于平台上产生的平均压强与0.01MPa之间的较大值，即P_c＝max{0.05+P₁,0.01}。

6.根据权利要求1所述的舰船设备与结构共形设计方法，其特征在于，步骤3中，板中心沿短边方向的相当应力σ_2c的计算方法具体包括以下分步：

1)板格强度校核的计算参数选取为：板格长边为平台纵桁间距a，板格短边为平台横梁间距b，板厚为平台板厚t，所述平台计算压强为P_c；

2)根据下式对板格进行刚性判别：

式中，E为弹性模数，U为板的计算参数，将板作为四边刚性固定的矩形板，按式(1)计算得出的值，再取对数查表1得到对应系数u，如果u&lt;1则为绝对刚性板，若u≥1则为有限刚性板，调整板格厚度宽度比t/b重新计算直到u&lt;1；

3)按绝对刚性板进行计算，首先计算a/b，计算结果查表2可得计算系数1为α、计算系数2为β，则板中心沿短边方向的相当应力σ_2c按下式计算：

式中，σ_2c为绝对刚性板板中心沿短边方向的相当应力，σ_s为材料的屈服强度。