小水线面双体船的结构分析与优化设计.docx
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小水线面双体船的结构分析与优化设计
上海交通大学工程硕士学位论文
小水线面双体船的结构分析与优化设计
摘要
摘
要
本文主要分析计算了某型号小水线面双体船的结构性能，并对其进行
了结构优化。
在理论分析基础上，通过规范进行结构计算，并确定了结构的基本设
计参数和肋骨分布方式。
根据CCS小水线面双体船指南规范并结合所确定
的各种计算工况，分别计算了各工况下的相应的载荷。
在结构数值分析中，利用有限元软件对小水线面双体船进行全船数值
模型计算，分析了结构在外载荷下的响应。
分析的主要内容包括模态分
析、静力分析和屈曲分析。
并在此基础上，分析了连接鳍对结构总强度的
影响。
为提高结构性能，文中对小水线面双体船进行结构优化。
在研究中利
用Isight优化软件平台集成有限元软件，对在选定的设计载荷下小水线面双
体船结构进行了全船结构尺寸优化。
对比分析了结构优化前后结构的静力
相应性能。
分析结果表明，合理选择优化设计设计变量可以有效保证船体
结构强度，提高结构性能，减小结构重量并降低了结构重心。
上述内容构成小水线面双体船结构设计及优化的基本过程。
通过应用
于实例计算表明，该方法实用而可靠，为实船设计改进提供了重要参考。
关键词：
小水线面双体船，结构优化，遗传算法，有限元分析，Isight，
连接鳍
上海交通大学工程硕士学位论文
ABSTRACT
TheStructuralAnalysisandOptimumDesignOf
SmallWaterplaneAreaTwinHullShip
Abstract
Thethesisanalysesthestructuralperformanceofswath,meanwhilemake
thestructuraloptimumdesign.
Accordingtotheguidelinesofsmallwaterplaneareatwinhullcraftby
CCS,aseriesofloadisdetermined.
FEMisusedtocalculatedthestructuralnumeralmodeloftheSWATH
ship,includingthemode,stress,structuralbuckling.Theinfluenceofstructure
causedbytheconnectionfinsisalsoanalysed.
Thestructuraloptimumdesign,whichistoimprovethestructural
performance,isconducted.Size,optimizationofSWATHshipstructureare
carriedoutwithsomeoptimumtoolsbasedonisightplatform.Theresult
indicatesthatkeyproblemforstructuraloptimizationisthedefinitionofloads,
designspacesandvariableswhichisassociatedwithengineer’sdesign
knowledge.
Alltheabovestepsconstitutetheintegralprocedureofoptimumdesignfor
SWATHshipstructureswhichisalsomadeareferrenceforshipsbuild
Keyword：
SWATH，StructuralOptimization,Isight,GeneticAlgorithm,
ConnectionFins
上海交通大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所
取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经
发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以
明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：
黄雪忠
日期：
年月日
上海交通大学
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权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以
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年解密后适用本授权书。
本学位论文属于
不保密□。
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学位论文作者签名：
黄雪忠
指导教师签名：
易宏
日期：
年
月
日
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年
月
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上海交通大学工程硕士学位论文
第一章
绪论
第一章绪论
1.1课题的背景和意义
中国是一个海域辽阔，岛屿众多，海岸线漫长的国家。
沿海一线有近万个大小
岛屿，其中最大的沿海岛屿台湾至今仍在敌对势力的控制下，对中国的国家安全形
成了最直接和最致命的威胁。
中国有1.8万公里的大陆海岸线，沿着这些海岸线的
是中国东南部沿海地区。
这些区域构成了目前中国政治、经济和军事的核心地区，
也是中国国家安全中隐患最严重的地区。
其中主要面临的潜在威胁有：
台湾问题、
南海岛屿归属问题、中日钓鱼岛问题、朝鲜半岛问题、美日军事同盟问题，所有这
些问题都是对抗十分激烈，且冲突的对抗将发生在海洋上。
为了维护国家领土的完整，保障国家主权不受侵犯以及保障我国经济运输的安
全，因此必须要建立强大的海军。
按照目前中国海军“积极防御”和“近海歼敌”
的海军战略思想，和“打赢高技术条件下局部战争”的军队当前作战任务，中国海
军的主要作战方向将是有效控制第一，二岛链内外。
目前，与中国有关的涉及战争
与和平的问题和争端都集中在中国的近海，中国海军对中国的国家安全起到决定性
的因素，充分利用各种资源，快速发展中国海军的装备，形成在局部占绝对优势杀
手锏作战力量，以局部的技术和兵力优势取得局部的军事胜利，以威慑性的总体战
略军事力量，使战局得到控制，是目前中国现实的海军发展路线。
在当前由信息技术进步和军事技术进步，引起的战争形态、军事思想、作战方
式、军队编制和武器装备变化，主要集中在三个方面：
1、侦察/精确打击；2、信息
技术；3、隐形技术。
小水线面双体船是根据当前的技术发展，结合我国海军实际需求而设计研发的
新船型。
它兼容了潜艇、水翼艇和双体船的某些优点，是一种综合性能优良的新船
型。
是一种全新的具有优秀隐身特性和良好的水面航渡性能和水下隐蔽性能的高性
能平台。
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第一章
绪论
与常规单体船相比，小水线面双体船主要有以下几个特点[3]：
1.快速性
因为SWATH船的满载吃水线以下船体表面积比相同排水量的单体船大65%-80%，
所以在相等的航速下，SWATH船的摩擦阻力比单体船大得多。
这意味着当SWATH船低
速航行时，其阻力性能比单体船差很多。
在高速航行时，由于兴波阻力小，其阻力
性能才好于单体船[1][9][10]。
因此，SWATH船的海上航速一般设计得较高。
SWATH船的航行水阻力随船速增加而增加，但在波浪中航行的阻力与在静水中
航行的阻力相差很小。
说明SWATH船在波浪中失速小，这一点与单体船有很大不同。
2.耐波性
SWATH船优良的耐波性表现在以下三个方面：
（1）在波浪中的运动幅值和加速度均大大低于同排水量的单体船;
（2）垂荡、纵摇和横荡运动的固有周期较长，这样有可能避开了不规则海浪中
最频的谐波周期，从而避免了谐摇运动;
（3）可以使用较小面积的减摇鳍来消除纵摇。
3.操纵性
SWATH的主体与支体构成两个细长片体，因此其航向稳定性不论在低速航行还是
高速航行均很好[3]。
另外，SWATH船为双舵船，相距较远的两个螺旋桨使装在桨后的
舵的效率提高，从而使低速航行时的旋回性亦较好。
由于小水线面双体船以上特点，并同时具有宽阔的甲板面积等特点，因此在军
事上的用途非常广泛。
利用小水线面舰艇的特点，可以有效地改善配备航空武器的
各种舰艇的战术技术特性。
它可以作为驱逐舰、护卫舰，还可以作为小型巡逻艇、
猎潜艇、导弹艇等。
同时，由于其具有较好的适航性，在反潜领域更具有无可比拟
的优越性。
美国在开展隐身船的研究中，采用了小水线面双体船为其使用船型，艇
体选用了斜支柱形构架，揭示出小水线面双体船对隐蔽性方面有可能存在诸多有利
因素。
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绪论
1.2小水线面双体船的简介
1.2.1小水线面双体船的基本概述
小水线面双体船[36]（SmallWaterplaneAreaTwinHulls，以下可简称SWATH）
的概念自十九世纪末提出后，经过不断完善，从二十世纪七十年代起开始应用于实
船。
SWATH是一种综合性能优良的新船型，具有广阔的应用前景，受到许多国家的广
泛关注。
近年来我国已有数艘小水线面双体船建成并投入使用。
典型的SWATH主要结构如图1-1所示，由水下船体、水上船台和支柱三部分组
成：
图1-1典型的SWATH结构图
Fig.1-1TypicalSWATHStructures
（1）水下船体（亦称潜体、片体）——它是两个彼此平行且相互对称的鱼雷状
船体，尾部一般装有推进器。
正常航行时这两个船体深潜水中，它提供了SWATH浮
力的主要部分。
在水下潜体中一般布置燃油舱、淡水舱、压载水舱、推进器或推进
器传动机构以及稳定鳍的控制执行机构。
（2）水上船体（亦称箱体）——水上船体是轻型结构，一般用铝合金或玻璃钢
制成，大型的也有钢结构组成的。
它是高居于水面以上的平台结构。
水上船体造型
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绪论
简单，外形呈长方形，内部是舱室，上面是宽阔的甲板平台，可根据所担负的各种
使命来布置有效载荷，例如安装各种装备、设备、武备，停放直升机及运载集装箱
货物等。
（3）支柱——支柱截面呈扁薄、外凸的流线型。
支柱从水下船体向上穿割水
面，托住水上船体，将水上船体与水下船体连成一个整体，它又是上下船体之间的
联系通道。
每个水下船体由一个或两个以上支柱与水上船体相连。
装在水下船体内侧的稳
定鳍或称水平控制面，其作用是控制船在波浪中的运动和航态，从而进一步改善其
耐波性。
近年来小水线面双体船在研究以及应用中取得不断的发展。
它在航速上的不断
提高及在耐波性等方面所取得的成就，受到了各方面的重视。
船型发展趋势为多体
化。
小水线面双体船吸取各种高性能船的优势，把各种高性能船的优势融合起来，
发展成高性能的复合船型，以满足更加广泛的需要。
目前小水线面双体船的排水量有几十吨的，也有几千、上万吨的，航速为10~30
kn。
美国、日本在小水线面双体船设计建造技术较为领先，成批建造了海洋监测
船，排水量超过3000吨。
而芬兰的“雷迪逊钻石”号豪华旅游船总吨位超过2万吨。
我国从70年代起从事对小水线面双体船的研究，通过30年的研究取得很大的突
破。
针对大型化及系列化的要求，对SWATH船型以及主要性能优化、结构外载荷预报
及试验、极限及抗损强度、震动与噪声控制、首尾鳍自动控制等关键技术展开深入
系统的研究，并取得很大进展，完善对大型SWATH船技术的掌控，逐步形成具有自主
知识产权的新船型技术设计能力。
1.2.2研究对象基本特点
本文研究的某型号小水线面双体船是根据当前的技术发展，适应我国海军实际
需求而设计研发的新船型。
由小水线面双体船技术、潜艇技术、模块化技术、信息
网络技术、综合隐身技术、复合动力推进技术、AIP技术、主动控制技术、精确导
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绪论
航技术和隐蔽通讯技术构成，是一种全新的具有优秀隐身特性和良好的水面航渡性
能和水下隐蔽性能的高性能平台。
小水线面双体船整个艇体结构分为左右鱼雷体、左右支柱和上层建筑三大部
分。
其中，鱼雷体和上层建筑之间用支柱连接，两个鱼雷体之间通过两块连接板相
连接。
上层建筑的前部为球形耐压部分，内布置驾驶舱。
在驾驶舱中可通过支柱内
的通道与左右鱼雷体进行人员通行，在球形耐压驾驶上部为人员进出的封闭门。
在
上层建筑布置一套可升降的复合桅杆，包括电子式潜望镜以及通讯天线。
上层建筑
后部为主机的进气和排气装置。
小水线面双体船的主要工作方式包括水面航渡状态和水下潜伏航行状态，因而
在结构分析和优化中需要考虑这两种航态对结构的影响。
小水线面双体船的水动力响应、船体结构形式以及受力状态均较单体船复杂.连
接两片体的连接桥以及支柱体是船体结构的薄弱环节。
同时其浮力提供紧靠水下部
分的两个鱼雷体和部分支柱体,且支柱体的水线面积很小,导致该船对船舶重量以及
重量重心控制要求比较高。
小水线面双体船结构上有几个突出的问题：
1．片体结构。
该船的片体结构承受不均匀水动压力的水滴状和近似圆柱形筒
体，在计算结构构建是需要率受压筒体的受力特点。
同时结构布置要考虑船舶的座
墩强度。
2．支柱体结构。
支柱体是结构剖面形状发生突变的区域，相当于悬臂梁的根
部，是船舶受力较大的构件。
支柱体的首尾的截面狭窄。
尾部还要承受较大的螺旋
桨及舵叶推力。
并且考虑水和空气两种介质交变频繁的影响，支柱体板壳不宜过
薄，结构应适当加强。
3．连接桥结构。
小水线面双体船是典型的短、宽型船舶，船舶的总纵强度相对
比较充足。
而船舶处于横浪航行状态所遭遇的波浪诱导横向弯矩和剪力，以及斜浪
航行状态所遭遇的扭转力矩具有较大破坏性。
连接桥时承受上述载荷的主要结构，
必须保证其强度和刚度。
还应注意连接桥根部的应力集中问题，重视结构过渡的节
点优化设计。
另外需要考虑连接桥，尤其是船首底部的波浪抨击载荷及相应的结构
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绪论
设计。
1.3结构强度分析理论及发展
在船体总强度分析中，船体梁法是比较成熟的方法，通过计算出船体梁横剖面
的惯性矩和剖面模数等参数，然后根据作用在其上的设计弯矩，求出总纵弯曲应
力，再进行总强度的判别。
在此基础上，各种方法应运而生。
Wilde最早应用经典薄
[6]
断面开口薄壁梁，将首尾影响作为边界条件来考虑，但由于未考虑船体非棱柱的特
点，以及用开口薄壁梁理论计算具有闭口剖面的船体强度，因此也有较大的误差。
考虑到船体的非棱柱性，大多数研究者开始采用有限梁方法，把船体离散为阶梯形
薄壁梁段[5]，应用迁移矩阵法或一维有限元法进行计算。
随着科技的发展以及船舶大型化趋势，各种传统方法都不能完全满足对计算的
精度要求。
出现了各种数值计算法，其中应用比较广泛并能保证精度的方法为有限
元法。
上世纪中期有限元法出现并迅猛发展。
有限元法是建立在固体流动变分原理基
础之上的，用有限元进行分析时，首先将被分析物体离散成为许多小单元，其次给
定边界条件、载荷和材料特性，再者求解线性或非线性方程组，得到位移、应力、
应变、内力等结果，最后在计算机上，使用图形技术显示计算结果。
有限元法是源于40年代提出的结构力学的矩阵算法。
1943年Courant第一次尝试
应用定义在三角形边区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合，来求解
St.Venant扭转问题。
R.W.Clough在1960年首先提出了有限元法的理论。
他用这种
方法首次求解了弹性力学的二维平面应力问题。
1963年，Besseling、Melosh和
Jones等人证明了有限单元法是基于变分原理的Ritz法的另一种形式，从而使Ritz分
析的所有理论基础都适用于有限元法，确认了有限元法是处理连续介质问题的一种
普遍方法。
1965年CZienkiewiCz等提出了有限元法可以应用于所有能按变分法形式
计算的场问题。
从1968年开始，很多关于有限元法的数学文献相继发表，论证有限
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壁梁理论来计算集装箱船扭转强度，他把船体货舱部分视为两端有翘曲约束的等
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元法的基本理论是逼近论，是偏微分方程及其变分形式和泛函分析的结合，并致力
于估计各种单元类型离散化的误差、收敛速度和稳定性。
近年来，有限元方法广泛应用于船舶的结构强度计算，并取得巨大的成就，大
大推动了船舶工业的发展。
朱克强和任鸿等[7,9]讨论了结构有限元离散以及斜支柱结
构形式对动载荷和疲劳的有利因素。
并计算了全船的总体引力响应以及应力集中区
域的分布特点。
尹群和任鸿[8]等对小水线面双体船结构加强方式进行了详细研究。
郑莎莎和郑梓萌[10]探讨了小水线面双体船结构疲劳强度的评估方法，设计应力范围
[11]
波浪载荷，并用有限元方法对船舶强度和温度常应力进行评估。
陈志坚和袁建红等
[12,13]
根据小水线面双体船的自身结构特点,进行了SWATH的搁浅研究，对搁浅模式的
过程进行力学行为分析，研究了整船结构完整性和结构不变性的能力、抵抗局部受
损结构"继续破坏"的能力。
1.4结构设计优化概述及发展
优化设计是指从多种方案中选择最佳方案的设计方法。
它以数学中的最优化理
论为基础，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条
件下，寻求最优的设计方案。
1967年，美国的R.L.福克斯等发表了第一篇结构最优
化论文。
1970年，C.S.贝特勒等用几何规划解决了液体动压轴承的优化设计问题
后，优化设计在结构设计中得到应用和发展。
随着数学理论和电子计算机技术的进
一步发展，优化设计已逐步形成为一门新兴的独立的工程学科，并在生产实践中得
到了广泛的应用。
通常设计方案可以用一组参数来表示，这些参数有些已经给定，
有些没有给定，需要在设计中优选，称为设计变量。
如何找到一组最合适的设计变
量，在允许的范围内，能使所设计的产品结构最合理、性能最好、质量最高、成本
最低（即技术经济指标最佳），有市场竞争能力，同时设计的时间又不要太长，这
就是优化设计所要解决的问题。
在结构优化中，根据设计变量的不同，可以分为尺寸优化（Size
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以及累积损伤计算等问题。
李润培和舒志等通过水动力分析得出小水线面双体船
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Optimization）、形状优化（ShapeOptimization）、拓扑优化（Topology
Optimization）等类型。
1．尺寸优化
尺寸优化用来修改单元的各种基本属性，如厚度、截面形状以及刚度。
某些结构
单元的各种属性可能彼此相关，比如梁的截面积、惯性矩、扭转常数都于截面几何
形状相关。
因此优化中单元属性并不一定直接作为设计变量，但可以表达为设计变
量的函数。
对一些简单的优化问题，如仅调整板厚，单元属性则直接作为设计变
量。
在本文中主要是进行结构板件的尺寸优化。
2．形状优化
通过修改结构的外部形状来求解优化问题。
它是在结构类型、材料、布局已定
的条件下，对结构几何形状进行优化。
结构用有限元近似后，形状即通过节点的位
置来确定，因此以节点位置作为优化的设计变量。
例如，对布局已定的桁架或刚架
的结点位置及截面尺寸进行优化。
对双曲拱坝的中回几何形状及坝体厚度进行优化
等等。
3．拓扑优化
拓扑优化求解结构在封闭空间内形状和材料的最佳分布。
结构拓扑优化模块基
于有限元，通过计算每个单元的材料属性得出给定约束下目标函数的最优解。
它所
采用的优化方法是均匀化方法和变密度法。
均匀化方法用以处理诸如以柔度最小为
目标的均质材料结构的简单优化问题。
随着计算机技术以及优化理论的研究上的发展，结构优化设计的发展趋势转变
为基于一定的优化算法，利用特定的搜索策略寻求最优解。
同时，适合于并行计算
的全局搜索法并结合仿生学的各种方法（基因遗传算法，模拟退火算法，神经元网
络法，以及极大熵原理法）[14-19]开始被应用于结构优化上，取得了瞩目的进展。
这
些方法搜索全局最佳解有一定的优势，目前已经大量应用于大型工程结构中。
上个世纪80年代开始出现了用遗传算法进行结构优化设计。
E．Kita和
H．TanieH[20]应用边界有限元法分析了遗传优化连续结构的拓补和形状优化。
HiroshiYamakawa[21]同时进行结构的拓补和形状、控制系统的设计。
Masahiro[22]应
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绪论
用并行遗传算法同时解决拓补、形状和致动器分配等多约束优化。
王石刚等[23]提出
了一种用于结构优化的具有动态种源空间的遗传算法算法，这种算法可与其它算法
相结合来处理结构优化问题，采用较小种群规模，从而减少计算量；高峰等[24]研究
了遗传算法采用实数码及非一致变异对优化结果的影响效果，并用遗传算法解决多
工况、多约束离散变量桁架结构拓扑优化问题；陈新度、秦叶和马光文[25]等利用遗
传算法求解了离散变量的桁架问题；徐奴文,李俊杰等[55]考虑结构受力特点,采用遗
传算法,给出了塔架体系在屈曲性能约束条件下的最优化设计方法;陈明明；赵连昌
[56]
定标准条件下,寻找一种优化的网络结构;赵栋杰；乐贵高[57]将动态有限元法和遗传
算法有机结合,在对托架进行动力学分析获得相关响应参数的基础,实现了托架的结
构优化;陶晶；吴庆鸣[58],在分析了优化设计方法和变尺度混沌--遗传算法的基础上
对门式启闭机小车架进行结构优化设计;佟维[27,26]利用遗传算法解决刚架结构形状优
化问题；谢楠等[28]利用改进的遗传算法解决桥梁抗震优化设计问题；陆金桂、高兑
现、罗志军等[29]也分别将遗传算法应用于各自的结构设计领域，均取得较好的优化
结果。
Grierson和Pak[30]于1993年用遗传算法法研究了刚架的离散变量布局优化问
题。
近年来对小水线面双体船的结构优化研究也取得不断的发展。
尹群和朱安庆等
[31]
宏等[32]结合兴波阻力计算结果以及粘性阻力和总阻力的变化、船体布置、结构和稳
定性等方面的要求，综合分析了小水线面双体船船型优化结果。
朱海烨和梁利华[33]
对小水线面双体船稳定鳍进行了优化设计，研究了稳定鳍安装位置、稳定鳍面积以
及稳定
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