(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221086172 9.2 (22)申请日 2022.07.22 (71)申请人 天津大学 地址 300350 天津市津南区海河教育园雅 观路135号天津大 学北洋园校区 (72)发明人 余建星　金子航　余杨　王福程　 苏晔凡　黄恺航　 (74)专利代理 机构 天津市北洋 有限责任专利代 理事务所 12 201 专利代理师 程毓英 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/22(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 119/02(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种提高抗冰载荷能力的船舶冰带结构分 级冗余优化方法 (57)摘要 本发明涉及一种提高抗冰载荷能力的船舶 冰带结构分级冗余优化方法， 包括步骤如下： 根 据船舶冰级及设计参数确定舷侧冰带浮冰碰撞 载荷； 对船体结构进行有限元建模， 划分舷侧各 级结构层次； 各结构层次构 件分别在本级内构成 板格、 板架结构或作为横向框架结构的组成部 分； 在遭遇外部浮冰碰撞载荷时， 应力首先在各 级内部构 件间进行传递， 而后扩展至更高级别构 件； 基于有限元技术进行结构剩余强度分析， 通 过关键构件分级迭代损伤法评估舷侧结构冗余 度； 舷侧冰带结构 优化设计， 优化目标为： 保证载 荷工况下， 结构损伤不会从低级构 件传递到高级 构件； 对优化后的结构进行剩余强度分析及结构 冗余度分析。 权利要求书3页 说明书8页 附图5页 CN 115270299 A 2022.11.01 CN 115270299 A 1.一种提高抗冰载荷能力的船舶冰带 结构分级冗余优化方法， 包括 步骤如下： 第一步： 根据船舶冰级及设计参数确定舷侧冰带浮冰碰撞载荷； 为模拟船舶在冰区航行时的极端载荷工况， 设冰带的冰带首部区、 冰带中部区及冰带 尾部区三个区域分别在全长范围内承受浮冰碰撞载荷， 舷侧冰带浮冰碰撞载荷工况设置 为： 浮冰等效载荷大小为p， 载荷高度为1m， 均布在冰带首部区、 中部区及尾部区， 载荷作用 方向垂直于船体外 板； 第二步： 对船体结构进行有限元建模， 划分舷侧各级结构层次； 采用有限元方法对舷侧冰带结构在浮冰碰撞下的力学响应进行分析， 根据船舶 设计参 数及结构形式， 对船体结构进行有限元建模及 网格划分； 为了对舷侧冰带结构构件的应力 传递及失效模式进行模拟， 舷侧模型网格划分采用六面体或四面体单 元； 对于不同的船舶结构形式， 划分舷侧各级结构层次， 以便逐级进行强度评估及优化， 各 结构层次构件分别在本级内构成板格、 板架结构或作为横向框架结构的组成部分； 在遭遇 外部浮冰碰撞载荷时， 应力首 先在各级内部构件间进行传递， 而后扩展至更高级别构件； 第三步： 基于有限元技术进行结构剩余强度分析， 通过 “关键构件分级迭代损伤法 ”评 估舷侧结构冗余度； 利用第二步建立的船体结构有限元模型进行数值模拟分析， 边界条件设置为： 对横舱 壁端施加对称约束， 即约束x方向位移及y、 z方向转角； 按照第一步中确定的舷侧冰带浮冰 碰撞载荷进行加载， 得到结构应力 分布情况， 在此基础上进行极限强度分析及结构冗余度 评估； 为保证船舶在极端重复碰撞载荷下的安全性， 确定极限强度衡量标准σaccept将极限强 度衡准表示 为： 其中， ReL为材料屈服强度， Rm为材料抗拉强度， λ为计算工况下载荷安全系数， Cm为结构 材料非线性 修正系数； 采用关键构件分级迭代损伤法对结构冗余度进行评估， 步骤如下： 1)按照载荷工况对结构进行浮冰碰撞有限元分析， 取当前结构中应力最大的构件， 记 其应力值为σmax； 若σmax小于σaccept， 则判断结构满足要求， 分析终止； 若σmax大于σaccept， 则将 该构件作为当前 结构的关键构件， 继续后续分析； 2)判断该关键构件所处的结构级别； 若关键构件出现在第一级结构， 则对该关键构件 进行损伤模拟， 随后重复步骤1)操作； 若关键构件出现在第二级 结构， 则说明损伤风险由第 一级构件转移到第二级构件， 对该关键构件进 行损伤模拟， 随后重复步骤1)操作； 若关键构 件出现在第三级结构， 则说明损伤风险转移到第三级构件， 分析终止； 3)分析终止后， 对结构冗余度进行评级； 若完整结构在有限元分析中满足要求， 则认为 结构冗余度很高， 无需优化和加强； 若经迭代损伤分析后， 仅第一级构件发生损伤， 则评定 结构冗余度为R1级， 认为该结构具备充足冗余度， 无需优化； 若有第二级构件发生损伤， 则 评定结构 冗余度为 R2级， 认为该结构 冗余度不 足， 需对第一级构件进 行优化； 若有第三级构 件发生损伤， 则评定结构冗余度为R3级， 认为该结构冗余度严重不足， 需对第一、 二级构件 进行优化；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115270299 A 2对于步骤2)中的关键构件损伤模拟， 损伤模式取最不利情况， 即构件端部发生断裂； 相 应地， 在有限元模型中修改关键构件的约束条件为一端简支、 一端固支， 以模拟其损伤模 式； 第四步： 舷侧冰带结构优化设计： 根据第三步结构冗余度分析结果， 对相应构件进行分 级优化， 优化目标为： 保证载荷工况 下， 结构损伤不会从低级构件传递到高级构件； 第五步： 对优化后的结构进行剩余强度分析及结构冗余度分析， 若优化方案满足要求， 则对方案引起的结构质量变化进 行计算和分析； 若优化方案不满足要求或结构质量变化过 大， 超过3％， 则继续第四步 直至结构满足第三 步分析中的强度及结构冗余度要求； 第六步： 确定最终冰带 结构分级冗余优化方案 。 2.根据权利要求1所述的船舶冰带 结构分级冗余优化方法， 其特 征在于， 第一 步中， 船舶冰带浮冰碰撞等效载荷为： 其中， k值与船舶排水量、 船舶发动机 输出功率相关， 表示 为： Δ为船舶处于设计最高冰级工况时的排水量； P为船舶轮机实际连续输出功率， 单位 kW； a， b与k值大小及冰载荷作用区域有关； c1为不同冰级下冰载荷出现在冰带 首部区、 冰带中部区及冰带尾部区的可能性。 3.根据权利要求1所述的船舶冰带结构分级冗余优化方法， 其特征在于， 第二步中， 划 分舷侧各级结构层次如下： 第一级： 1)舷侧纵骨； 2)包含普通肋骨、 中间肋骨、 甲板间肋骨的肋骨结构； 第二级： 1)舷侧纵桁； 2)强肋骨； 第三级： 1)甲板边板； 2)包含舭肘板、 梁肘板的肘板结构； 3)包含舱壁水平桁、 舱 壁垂直桁、 舱 壁板的舱 壁结构。 第三步中， 所确定的极限强度衡量标准σaccept： 其中， ReL为材料屈服强度， Rm为材料抗拉强度， λ为计算工况下载荷安全系数， Cm为结构 材料非线性 修正系数。 4.根据权利要求1所述的船舶冰带结构分级冗余优化方法， 其特征在于， 第四步的优化 方法包括： 提高关键构件结构强度， 即增大构件尺寸或改进构件钢材； 增加关键构件传力路权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115270299 A 3