独立B型LNG液舱结构多目标优化研究

摘要

随着液化天然气（LNG）产业的迅猛发展，LNG运输船的市场需求也在不断扩大。薄膜型LNG船在运输过程中容易产生剧烈的液舱晃荡冲击载荷，从而对液舱结构造成破坏，而独立B型LNG船液舱内部设置了舱壁板材及多种桁材，有效缓解了液舱晃荡效应，从而保证了运输过程中液舱在部分装载时的结构安全。针对独立 B型LNG液舱结构设计，从减小液舱晃荡的角度出发，对液舱内部构件进行合理设计和优化十分必要。同时，LNG船液舱内部温度低至零下163摄氏度，对结构材料有特殊要求，从降低成本的角度出发，需对独立B型LNG液舱结构进行轻量化设计。减小液舱晃荡效应以及液舱结构轻量化设计这两个目标之间存在一定的矛盾，因此对独立B型LNG液舱结构开展多目标优化研究具有重要的工程意义。
　　本文首先研究了基于各船级社规范的液舱晃荡载荷计算，从液舱共振风险判断标准、非共振晃荡载荷计算公式和共振晃荡载荷计算公式入手，总结归纳了对液舱晃荡载荷进行简化计算的思路和方法。接着采用有限元软件MSC.Patran/Nastran建立了独立B型LNG船舱段有限元模型，完成了多种工况下的舱段模型强度校核，对液舱结构、船体结构和支撑结构进行了屈服强度评估，并对不满足设计要求的结构进行了加强。然后在舱段有限元模型的基础上进行了液舱结构多目标优化，定义了液舱晃荡系数，来表述液舱内部构件对晃荡特性的影响，以液舱内部桁材的腹板高度作为优化设计变量，在ISIGHT平台上建立了以液舱结构重量和液舱晃荡系数为目标的独立B型LNG液舱结构多目标优化模型。通过试验设计方法和和径向基函数方法，建立了高精度的近似模型，以代替有限元分析过程、节省优化时间成本。最后应用NSGA-II、NCGA和AMGA三种多目标遗传算法，计算得到改进的液舱结构设计方案，分析表明优化结果真实可靠，且AMGA算法在处理本文的多目标优化问题时效果最佳。进一步对目标函数进行了设计变量灵敏度分析，得到了各设计变量对目标函数的贡献程度百分比，从而为独立B型液舱结构多目标优化设计提供了参考。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 独立B型LNG液舱系统简介

1.3 液舱晃荡研究现状

1.4 本文研究的主要内容

第二章 基于船级社规范的晃荡载荷计算

2.1 CSR规定的液舱晃荡载荷

2.2 液舱共振风险判断标准

2.3 液舱晃荡载荷计算

2.4 本章小结

第三章 独立B型LNG液舱结构强度分析

3.1 舱段有限元模型

3.2 载荷及工况

3.3 屈服强度计算结果

3.4 结构加强方案

3.5 本章小结

第四章 独立B型LNG液舱结构优化

4.1 液舱晃荡系数

4.2 优化模型

4.3 近似模型

4.4 优化策略及优化结果

4.5 设计变量灵敏度分析

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间已发表或录用的论文