船体内舾装支架布局与强度协同设计研究

一、舾装支架布局现状分析

目前，船体内舾装支架的布局主要依赖经验法则与二维图纸设计，常采用均匀布置或按功能区集中配置的方式。这种方式在设计初期具有一定的简便性，但在实际应用中往往存在布局不合理、空间利用率低、结构冗余或支撑不足等问题。部分支架因受力路径未优化而易发生变形，影响设备稳定性和舾装系统运行安全。此外，传统设计忽略了对不同工况下载荷分布的动态响应分析，难以满足复杂海况下的可靠性要求。随着船舶大型化与自动化发展，对舾装支架布局的精细化、智能化和结构性能要求日益提高，亟需引入科学的分析方法，实现支架布置与结构强度的协同优化。

二、强度分析方法：介绍力学理论与有限元分析技术

（一）传统力学理论在舾装支架中的应用

舾装支架作为连接设备与船体结构的关键构件，其力学性能直接关系到舾装系统的安全与稳定。传统设计常依据材料力学与结构力学原理，在初期将支架简化为梁、柱或刚架结构，通过静力平衡、几何简化等假设对内力（弯矩、剪力、轴力）及应变进行计算。借助胡克定律分析弹性阶段的应力应变关系，并依据如剪应力理论或 von Mises 等效应力理论判断结构安全性。同时，对焊缝强度与应力集中部位也需加以分析，以防局部失效。

（二）有限元分析技术的引入与发展

面对复杂几何、边界与多载荷组合的现代舾装支架结构，传统手算已难以胜任。有限元分析（FEA）通过将结构离散为小单元，数值求解应力场与变形场，成为当前主流方法。ANSYS、ABAQUS、NASTRAN 等软件可进行静力分析、模态分析、疲劳寿命评估等。分析过程包括三维建模、属性赋予、边界设置、网格划分与结果处理，能够直观识别高应力区域和薄弱结构，为优化提供数据支持。

（三）力学理论与数值分析的协同优势

将传统理论与有限元技术融合，有助于提升模型精度与仿真效率。前期可用理论模型初筛不合理设计，后期则借助数值分析进行精细优化。在多工况与多目标设计背景下，结合拓扑优化算法，有助于在结构轻量化与强度之间取得最优平衡。同时，仿真改进能有效替代部分试验环节，降低成本，提高设计迭代效率。协同策略正是实现支架布局合理性与结构安全性的关键支撑。

三、协同设计模型构建：建立布局与强度优化的协同设计框架

（一）协同设计基本理念

协同设计着重强调的其实是在整个设计过程处于初期阶段时，就应该全方位且综合地将舾装支架所涉及到的空间布置方面、力学性能方面以及制造装配所产生的需求维度全部都予以深入且细致的考量。而其核心的思想层面所表达的则是基于布局的合理性，在这个基础之上，来达成结构强度可以实现最优配置的状态，反过来说同样如此，进而促使其能够形成一种 “ 结构 - 性能 - 空间” 三位一体模式的耦合优化体系。在这个已然构建起来的体系当中，支架的空间位置、形状参数、承载路径之类的一系列设计变量，与像静态强度、刚度、稳定性的响应指标之间，会处于相互影响的状态，所以说就必须要借助一体化建模与联合优化的策略方法，才能够对相关问题予以求解探索。

（二）模型构建技术路径

协同设计模型的构建需求是对舾装支架的空间布局连同结构强度加以统筹考虑。在建模初始阶段，依据设备所分布的状况、管系具体行走路径以及施工方面的规范，构建起三维参数化的布局模型，其中设计变量把支架的位置、尺寸以及连接方式等涵盖其中。与此同时，对空间干涉、布置规则等约束予以施加，以便确保工程的可行性。在此基础上，将有限元分析模块予以引入，针对不同的设计方案开展力学方面的仿真工作，进而获取应力、位移的性能指标，并且构建起以质量最小以及应力最小作为目标的优化函数。接下来，采用遗传算法、粒子群优化亦或拓扑优化等智能算法，去达成针对布局与强度的多目标协同优化工作。此模型不但对舾装支架设计效率与性能起到提升作用，而且为船舶舾装系统迈向数字化与智能化设计提供了技术层面的支撑。

（三）模型优势与应用前景

不仅打破传统设计流程 “ 先布局、后校核” 线性逻辑且还引入多学科融合设计思维的协同设计模型，促使舾装支架在满足功能需求之际达成结构性能最优控制。在工程实践里，此模型被认为有助于减少设计迭代次数以及提升设计自动化水平和数字化能力。鉴于参数化建模平台与仿真计算技术的发展状况，此协同设计方法有望在船舶制造领域能广泛推广，进而成为舾装系统智能化设计具备重要意义的支撑技术。

结论：

本研究通过科学且严谨的流程所建立起来的船体内舾装支架布局连同强度方面的协同设计模型，以此达成了对结构合理性以及力学性能展开同步优化的情形，更进一步地实现了舾装系统在安全性和工程效率等方面获得提升的结果。而在未来阶段，能够凭借人工智能算法以及数字孪生技术之间的相互结合，去推动设计智能化以及仿真实时化的方向的进程，并且对该模型在面临多船型状况和复杂工况条件下所具备的应用能力实现拓展。

参考文献：

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