第1章绪论
1.1 选题的背景及意义
大型美式金枪鱼围网渔船船长一般在80米左右，吨位2000总吨以上，中型船长一般在50～60米，吨位500～1000总吨。
为追捕金枪鱼群，航速一般要求在14～17节，主机功率较大，大型船为3800～5800千瓦，中型船为1600～2700千瓦。
双甲板、中前甲板室船型，首部大都采用球首，尾部做成斜坡形并有滑道，以放置和起卸渔艇。
首部或首、尾部设有侧推装置，推力15～25千牛。
上甲板前部为甲板室，用作布置船员生活舱室，后部为作业区，设有括纲绞机、鱼舱口、网台等。
甲板室后设主桅，上部有鱼群瞭望台，并设2根吊杆分别用以悬挂动力滑车和起卸渔获物。
下甲板为渔获物处理场所，有加工间、冻结间、鱼舱及辅助机舱等。
下甲板以下，主要为机舱、油舱及侧推装置等。
大型船的首部还设有直升飞机平台。
配渔艇2～3艘，供放网时驱赶鱼群和调整网形用捕捞机械设备有10多种、20台左右，如围网绞机、上纲引纲绞机、浮子纲绞机、动力滑车及底环撑杆等。
均为液压或电力传动，并可集中遥控。
大型美式金枪鱼围网渔船的总布置是根据船东的要求，能够满足渔船在围网作业的要求来布置的。
美式金枪鱼围网渔船布置的基本原则就是保证该船在营运的过程中能拥有优良的航海性能的条件下，同时依照美式金枪鱼围网渔船的围网捕鱼的作业特点，尤其是针对该船仅仅捕捞金枪鱼这一种鱼种的特点，就可以将改船布置为一个利于捕捞的连续生产线模式。
这样就可以把渔捞金枪鱼操作流程和金枪鱼速冻保鲜操作流程结合起来，同时可以尽可能地保证船员居住的舒适性。
综上所述，由于美式金枪鱼围网渔船在总布置设计中的特殊要求，就导致该船的稳性问题成为一大难点。
提高船舶稳性的措施一般做法就是减低船上各种设备和重量布置的重心高度，在船的底部加压载物。
但是考虑美式金枪鱼围网渔船在设计要求上就需要尽可能增大舱容，捕捞更多的金枪鱼。
因此，对金枪鱼围网渔船主桅的优化设计就越来越受到船东和设计方的重视。
在设计桅杆的过程就要尽可能地减低桅杆的重心高度，从而来提高船舶的稳性。
1.2 国内外发展状况及趋势
1.2.1金枪鱼围网渔船研究的发展状况
美式金枪鱼围网渔船是渔船中比较先进的一种船型，它的主要特点是运行船速快、操作机动灵活。
该船上配备了各种各样的金枪鱼渔捞机械设备、探鱼设备、渔捞辅助设备及冷藏保鲜装置。
由于金枪鱼具有大量的营养价值，越来越受到消费者的青睐，金枪鱼的利润也比较丰厚。
因此，越来越多的船舶专家学者开始对美式金枪鱼围网渔船进行研究探索。
陈龙等通过收集各种有关美式金枪鱼围网渔船的实船资料，并对这些实船的主要参数进行分析研究，就推导出一系列的些经验公式；贾复等通过对美式金枪鱼围网渔船的主尺度、快速性、稳性等进行了调查研究，就得到了一些近似公式及相关数据；周崇庆等通过对美式金枪鱼围网渔船的快速性的研究，他主要对船型参数、宽度吃水比、浮心纵向位置和球鼻艏参数等数据进行了详细地分析，并提出一些宝贵的建议。
目前，我国相关专家学者对美式金枪鱼围网渔船的研究还停留在对金枪鱼围网渔船的船型特点和参数进行分析研究，但是具体的研发与设计方面的论文基本没有，而专门针对美式金枪鱼围网船设计和分析的规范更是少之又少。
为了满足船东在捕捞作业中的要求，美式金枪鱼围网渔船就必须具备优良的初稳性、良好的快速性和回转性。
而主桅和吊杆作为捕捞工况下的主要的承载结构，它们所处位置重心也较高。
因此，优化主桅和吊杆结构，减小其重量对于高整体稳性有着重要意义。
普通渔船的主桅通常采用规范或经验公式进行设计，金枪鱼围网渔船对稳性的要求较高，且主桅的承载情况较为复杂，采用常规方法实现主桅结构的精细设计存在困难。
第2章有限元基本理论及方法
2.1概述
在数学中，有限元法（FEM，Finite Element Method）是一种为求得偏微分方程边值问题近似解的数值技术。
它通过变分方法，使得误差函数达到最小值并
产生稳定解。
类比于连接多段微小直线逼近圆的思想，有限元法包含了一切可能的方法，这些方法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来，并用其去估计更大区域上的复杂方程。
有限元法的解决域是由许多小的互连子域称组成的，然后对每一单元假定一个合适的近似解,然后推导求解域一般满足的条件,并求得问题的解。
这个解不是精确的解,只是近似解而已。
原因是在求解实际问题的时候，会采用将复杂问题的进行简单化处理。
现实情况也是这样，大多数工程实际问题很难求得精确的解，而只能求近似解。
而有限元的计算精度高,况且能满足各种复杂形状,能够满足实际工程问题的精度要求。
因此，有限元法成为了一种十分热门的工程分析手段。
有限元的发展也经历了以下几个过程：
1943年柯朗教授在首次论文中尝试将一系列三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合，来求解圣维南扭转问题。
1960年克拉夫在自己的论文首次提出“有限元法”这个名词。
1965年冯康发表了论文“基于变分原理的差分格式”，这篇论文是国际学术界承认我国独立发展有限元方法的主要依据。
1970年随着科学计算机技术和软件开发的不断发展，有限元也得到迅猛发展。
2.2 弹性力学基本概念及理论
弹性力学也称弹性理论，主要研究弹性体在外力作用或温度变化等外界因素下所产生的应力、应变和位移，从而解决结构或机械设计中所提出的强度和刚度问题。
而弹性力学是有限元分析的基础，下面具体介绍弹性力学的基本理论。
第3章金枪鱼围网船主桅结构优化设计
随着人类文明的不断进步和发展，人们对原材料、生活物质和能源的消耗越来越多，如果长此下去，能源危机的问题也越来越成为一个突出的社会问题。
因此，如何减少能源及物质消耗、降低生产成本越来越受到专家学者的重视，关于优化设计的方法的研究也越来越多。
通过优化设计，一方面可以降低生产制造成本和减少能源物质消耗，另一方面也能够改进产品的外形、提高产品质量。
因此，优化设计的概念越来越深入人心了。
3.1 基于APDL的优化设计
第二章节我们已经具体介绍了有限元的基本原理及方法。
我们在进行有限元分析的流程中，其中涉及到参数包括长度、宽度、厚度、高度等几何参数、材料的弹性模量及泊松比、外载荷的大小和方向等都可以参数化表示，只要将这些参数变量的初值改变，我们就能够得到各种各样的设计方案。
而基于APDL参数化设计也是从这个点出发的，在满足目标物体在满足使用要求或者符合规范要求的前提下，进行优化设计，然后得到各种设计方案，寻求符合要求的最优解。
在实际的工程中，我们经常会越到这样的问题，比如如何使物体的重量最小，如何使一个项目的花费最少，如何使一个结构承受的应力最小或者是如何使一个物体的面积最大等等这样一系列的优化问题。
我们在优化的过程中，还必须确保优化目标能够保证工作需要，能够满足相关的规范要求，也能够满足现有材料的要求。
假如没有这些约束条件下的优化设计，那么优化就没有实际意义了。
APDL 参数化有限元优化设计主要包括以下几个过程：
1．设计优化目标的变量：在进行初步设计的时候，我们会对目标体的初值进行不停地调整，但是这种调整并不是没有依据的，我们必须规定初始变量的范围，在这个许可的范围内进行调整。
2．目标体的状态变量：优化设计的状态变量与初值一样也有相应的变化范围，它是设计变量的函数。
它可能只有上限要求也可能只有下限要求，或者上限、下限都有要求。
我们比较常见的状态变量，比如结构体的极限强度要求，物体的振幅等等。
3．优化设计的目标函数：在优化设计中，我们必须将需要优化的变量与已知的量建立数学上的函数关系，这就是我们所说的目标函数。
比如变量可能会是质量、体积、力等等，函数关系就可能是目标函数的均值最小，或者方差做小等等。
4．优化设计的工具：ANSYS软件提供了两种优化方法。
一种是零阶优化方法，另一种是一阶优化方法。
零阶方法是一个比较成熟的优化方法，它可以用来解决大部分的工程优化问题。
而一阶优化方法更适合更复杂、精度要求更高的优化问题。
3.2 优化设计的具体步骤
APDL优化设计分析也一套完整的过程，具体表述如下：
1．处理器阶段：
(1)在前处理器中建立参数化模型。
(2)在求解器中求解。
(3)在后处理器中提取，然后设定状态变量和目标函数。
2．优化设计器阶段
(1)设定分析文件。
(2)声明优化变量，包括设计变量、状态变量和目标函数。
(3)选择优化的方法
(4)指定优化循环控制方式。
(5)进行优化分析。
(6)查看设计序列的结果。
（7）检查优化设计的序列
3.3桅杆的优化设计
由于美式金枪鱼围网渔船在总布置设计中的特殊要求，就导致该船的稳性问题成为一大难点。
提高船舶稳性的措施一般做法就是减低船上各种设备和重量布置的重心高度，在船的底部加压载物。
但是考虑美式金枪鱼围网渔船在设计要求上就需要尽可能增大舱容，捕捞更多的金枪鱼。
因此，对金枪鱼围网渔船主桅的优化设计就越来越受到船东和设计方的重视。
在设计桅杆的过程就要尽可能地减低桅杆的重心高度，从而来提高船舶的稳性。
下面就基于APDL语言对桅杆的主要参数进行优化分析。
考虑美式金枪鱼围网渔船的桅杆结构形式已经确定，同时也不能改变原有的外载荷，所以最终考虑去优化桅杆杆件的截面积，使之在满足强度要求的情况使重量最轻。
根据宁波东红船舶与海洋股份有限公司所提供的桅杆设计结构图，分析桅杆的主要参数。
在优化的过程中，我们通常将桅杆的杆件进行分组，使得同组的桅杆杆件具有相同规格的截面。
如果不这样分组的话，在实际优化过程，不可能每一根杆件都取不同的截面，所以就可以进行分组优化，减少工作量。
其中有一点值得我们注意的是在优化过程中，我们不改变原有杆件的壁厚，只对半径进行优化设计。
3.3.1 确定桅杆设计变量
通过对桅杆结构分析，确定桅杆主要4根杆件的截面半径：r1、r2、r3、r4。
3.3.2 确定桅杆状态变量
美式金枪鱼围网渔船在捕鱼的整个过程中，通常风载、波浪载荷等随机因素的影响是不可忽略的，风载、波浪载荷等随机因素的影响本文将通过安全系数来考虑。
以上三种工况都是在绞机匀速起吊，在风载、波浪载荷等随机因素的影响不考虑时可处理为静力平衡状态。
桅杆所承受的应力主要集中与吊杆等连接处。
3.3.3 确定目标函数
我们进行桅杆优化的主要目的就是使桅杆的重量能够尽可能地减轻，所以就把桅杆的重量作为目标函数。
桅杆结构都是由钢结构组成的，所以桅杆的密度都是一定的，同时有公式：质量=密度*体积，所以就可以把桅杆的体积作为优化的目标。
3.3.4选择优化方法
ANSYS软件提供了两种优化方法。
一种是零阶优化方法，另一种是一阶优化方法。
零阶方法是一个比较成熟的优化方法，它可以用来解决大部分的工程优化问题。
而一阶优化方法更适合更复杂、精度要求更高的优化问题。
1．零阶方法是目前处理工程实际问题中最常见的一种方法，它的做法就是使目标体的目标函数和状态变量无限地逼近。
2．一阶方法是一种精度很高的优化设计的方法。
一阶优化方法虽然结果精度高，但是计算工作量非常大。
同时我们也不要走出这样的误区，有时候计算精确并不一定能够使计算的结果更准确。
我们在选择优化设计的方法时，下面几点需要引起我们的注意：
(1)我们在采用一阶方法进行优化设计，如果出现了计算结果在不合理的设计序列上收敛。
我可以考虑采用零阶方法，这样能够更好地去研究整个设计空间。
(2)一阶方法比起零阶优化设计方法，我们更容易得到局部的最小值。
这样得到的最小值可能不是我们需要的结果，如果出现这种情况，我们可以通过零阶方法进行验证。
3.3.5优化设计过程
(1)建立参数化的模型
以参数作为优化设计的变量，在PREP7中完成建模工作。
其中设计变量4组杆件截面的半径为r1、r2、r3、r4。
这样就把宁波东红船舶海洋工程股份有限公司设计的桅杆的杆件参数作为变量的初始值：
FINISH
/CLEAR
/PREP7
!设计变量的初始化
r1=4.5
r2=2.6
r3=2.10
r4=1.6
！进行三维建模
……
ET，1，BEAM44
！定义单元类型；定义截面，材料属性；网格化；
3.4 本章小结
本章主要工作是介绍APDL优化的具体的过程，然后利用这种方法对桅杆的参数进行优化。
主要内容有以下几点：
（1）概述了APDL优化设计的基本概念；
（2）简述了优化过程的整个框架流程；
（3）描述了桅杆优化设计的具体过程。
第4章金枪鱼围网船主桅结构建模
4.1 主桅杆模型介绍
美式金枪鱼围网渔船的渔捞设备布置如图1所示。
该船机舱位于艏部，上层建筑设在舯前，舯部有主桅杆，其上方有瞭望台。
主桅杆向后有长为18.5米的
渔捞吊杆，负荷为7吨，上面悬有动力滑车，动力滑车能承载的最大载荷是32吨。
另外还有2个9米长的小吊杆。
对于主桅而言，主要的受力点为各吊杆的承座、绞机与滑车的支点等。
美式金枪鱼围网渔船的主桅杆的有限元结构模型是由主桅结构及其附近区域的艏楼甲板结构和主甲板结构组成的，它的建模以宁波东红船舶与海洋工程设计股份有限公司提供的结构图为基础。
主桅的结构采用的钢板是A32高强度钢板，艏楼甲板和主甲板结构所采用的钢板是CCSA钢板。
本文采用的是ANSYS有限元软件，其计算精度是毋庸置疑的，其处理关键便是如何处理得符合实际情况，并最终得到精确的计算结果。
本文的结构分析主要有以下几个重要步骤：主要结构模型的建立、边界条件的处理、以及模型加载、最后进行计算分析等。
本章主要讨论了整个模型的建立过程和分析。
本文对主桅结构进行有限元分析主要是应力和变形的分析，包括下列方面：1）、对船舶资料进行阅读分析，包括型线图、基本结构图、总布置图、等等。
2）、根据图纸资料建立有限元模型。
3）、模型建立好后先根据实际载荷，将桅杆按照实际情况校正并将载荷按照实际情况在桅杆上布。
并进行静水校核，确保模型的正确性。
4.2桅杆及附近甲板结构有限元模型的建立
对有限元进行分析则必须先要建立有限元模型，它是所有后续工作的基础，虽然在建模过程中，建模的难度不大，但是要想提高建模准确度以及效率，则必须要学会一些方法和小技巧；此外还必须有一定的检查错误和修改模型错误的能力。
所以说这个过程有一定同时工作量大也很复杂。
建模过程当中，会根据具体的模型结构来简化一些构件，由于本船是海船，构件大多尺寸都很大，所以绝大部分都是用板单元(shell)来进行模拟，并且以四边形居多，其他也有许多地方进行了简化，比如小孔可以不用开，因为这些小孔虽然对局部强度有着影响，但是影响十分小，建出来即浪费时间又不会影响整个模型的计算精度。
4.2.1 桅杆及附近结构有限元建模原则
结构有限元建模是个比较繁琐复杂的过程，因此要提高建模效率，加快建模进程时间则需要有个建模顺序、层次。
在实际建模过程中，是没有一个固定的建模顺序的，然而优化的建模思路和方法会使模型建立更容易。
通常，在进行有限元模型建立的时候，我们必须考虑实际具体的分析目的来进行相应的不同的建模型式和结构。
针对同一个实际模型而言是可以根据不同的需求去建立不同型式的模型的。
同时在整个有限元模型要想正确建立就必须要能够正确分析认识其承受载荷的模式原理，载荷通过构件的的传递以及相应的应力变形特征。
如若不然，模型的准确性无法保障，所以，要想保证建模的正确性就必须要正确的划分网格线，通过各种类型单元的合理组合来模拟真实情况。
船体结构的建模原则有如下几点：
1）正常情况下，假若船体结构是沿着中纵剖面对称的，那么就只需要建出一半模型即可，假若非对称的，那就必须都建立出来。
2）对构件的简化仅仅是对一些次要构件的简化，而对一些主要构件，例如构成横向框架的横梁、肋骨、肋板、舱壁以及参与总纵强度的纵向骨材桁材以及板材都必须尽量按照真实情况模拟，而一些连接的地方的构件则可以简化，如肘板之类的。
3）对有限元网格的划分要求，若网格太过细，那么必然会给建模带来工作量的增加；若网格太过粗，那么计算结果又不能很好的表达局部细节处的响应。
所以要根据具体问题具体讨论，目前对于各类规范主要有两大方面的划分网格的方法：第一种是粗网格，这种划法是依据主要构件在船体中所处的位置来进行划分网格的；另一种则是细网格，主要依据骨材（肋骨）的间距来划分网格。
目前，大部分规范都采用细网格的办法。
4）粗网格的有限元模型可以很好的表达总纵弯曲，但是对加强筋和板格单元的反映却不是很好。
因此划分为粗网格的模型单元经常是用膜单元于杆单元来建模，但是杆元只能受拉压而不能承受弯曲和扭转，所以在承受总纵弯矩的结构应用梁单元。
由于膜单元是不具有面外刚度的，所以有时候还需要用梁单元来支撑膜单元。
5）网格细化的有限元模型可以十分详细真实的表达实际情况，这种模型中
的板壳构件（如甲板、外壳、舱壁等）一般用板单元进行模拟，骨材一般用梁单元模拟，一些支撑构件如支柱可以用杆单元模拟，因为梁单元可以收弯曲扭转而杆单元不行，所以杆单元不能够替代梁单元去模拟一些骨材构件。
6）主要的常用单元类型有如下几种：板单元、梁单元、杆单元等。
并且平常只用得到简单单元，这些单元都是节点处于角点处的单元。
通常例如五边形或者八边形之类的高阶单元是很少用的，也没有必要。
7）在建模时，尽量多建四边形单元而减少三角形单元的数量，因为，三角形单元是偏向刚性的，尤其是处于平面应力状态的情况下。
本文也是一样的，尽量避免三角形单元。
8）在实际建模当中，尽量要避免出现单元的翘曲，一方面会引起计算错误，另一方面即使计算不报错，但是结果的可靠性就大大降低了。
对于我们所计算的线弹性模型（线性位移模型），为了提高计算精度，减少畸形单元，一般建议单元的边长比不要超过3:1，并且最好是使局部情况下的单元尺寸尽可能一致规则。
并且要求单元的网格大小最好要大于板厚的两倍。
9）通常情况下，船体模型的建立是不考虑腐蚀因素的影响的，建模使用的尺寸就是图纸中给出的设计尺寸也就是结构构件的净尺寸，但有时候也有一些特殊的情形，比如DNV疲劳强度规范明确说明是要考虑腐蚀余量的。
本文使用的是结构的设计尺寸，并未考虑腐蚀余量。
10）在有板缝线的地方按理来说应该是单元的边界，假如板缝线不是单元的边界，而是被单元跨过，那么就要调整单元的刚度至等效刚度。
并且板单元应该处在相应板构件的中线面位置上面，但是在一般的整体建模过程中，是可以将板单元建在外轮廓面上的。
11）因为船体结构是十分复杂的，所以模型建立的时候有的地方必须要简化处理，但是处理前提是不能影响计算结果的精度，例如，将一些次要构件进行简化合并、或者摊在板厚上（例如加强筋），但是一定要保证其刚度不能变。
还有一些小的开孔可以忽略，另外再如肘板，也是可以忽略的。
4.2.2 主桅杆及其附近甲板模型的建立
美式金枪鱼围网渔船的主桅杆模型坐标系采用右手坐标系，原点位于FR29，
其 X 轴沿船体纵向指向船艏，Y 轴沿船宽方向指向左舷侧，Z 轴沿型深指向上。
舱段从FR17-FR52。
坐标系的划分：计算中有限元模型的坐标系统取右手坐标系统，且：X方向为船舶的纵向，以坞首方向为正方向；Y方向为船舶的横向，以坞纵中线向左舷方向为正；Z方向为船舶的垂向，以基线向上为正。
单元与网格：模型中主要采用以下两种单元：板壳(shell)单元：桅杆壳板、上甲板、艏楼甲板及围壁。
梁(beam)单元：桅杆加强结构及甲板纵桁、甲板横梁。
网格采用四边形单元，尽量不使用三角形单元，网格大小以横向骨材和纵骨间距为基准。
边界条件：在主甲板围壁底部施加简支边界条件。
本文采用有限元建模，船舶的主要信息如下表：
表3-1 船舶主要信息
由于所给图纸不足，并且缺失很多有用的资料。
所以说这给建模带来了极大的麻烦与挑战，例如没有基本结构图、型线图，所以只能根据一些横剖面图进行建模。
许多材料尺寸需要手动量取，也给模型建立带来了不便与误差。
模型共有117701个节点，127469个单元。
模型见下图。
