面对越来越严重的环境和能源问题,船舶轻量化的重要性日益凸显。从局部舱段到整船,国内外学者利用有限元方法及各类有限元软件进行了大量研究。参数化的应用使船舶结构优化取得了较大的发展,提高了研究效率,获得了更好的效果。经过阅读文献、仔细思考,可以发现在船舶结构轻量化方面,依然存在着不少值得深入研究的地方,特别是形成一种能够解决一系列类似问题的指导方法,因此针对有限元分析的缺点与不足,本文以一艘54m机动散货船为研究对象,对以下几个部分进行了研究,以此希望对船舶结构轻量化研究提供更多有价值的参考。(1)全船动力特性分析。建立了全船有限元模型,确定了边界条件,计算了船舶激振频率禁区、附连水质量,进行了全船动力特性分析,得出了散货船全船的固有频率。结果表明该船舶还有一定的优化空间。(2)散货船分段刚体等效模型的建立。提出了一种新的等效方法,将弹性船体模型转换为分段刚体模型,成功引入到多刚体动力学软件,使模型可在多刚体动力学软件中进行分析,达到既减小模型规模、加快分析速度,又可加入多种影响因素的目的。此等效方法既保留了传统传递矩阵法的传递思想,可以达到工程精度要求,又使分析对象保持了原本的几何形状,保证了船体等效为刚体后在多刚体动力学软件中运行的必要条件与意义。本文从理论上详细论述了分段刚体等效思想,选用杆、轴、梁模型进行了等效方法可行性与有效性的验证。其后研究了散货船机舱主要机械设备、附连水质量、边界条件的等效方法,确定了散货船等效成分段刚体时原始数据的选取规则,进而建立了散货船的分段刚体模型。(3)散货船分段刚体模型的参数化设计。通过分析船体实际结构,选取了纵、横向主要骨材构件的长、宽、高作为设计变量,将全船构件分组,编写了各个构件的表达式,总结了通用的表示方法,获得了参数化的散货船分段刚体模型。当骨材构件的长、宽、高任一尺寸发生变化时,模型属性皆可作出相应改变。进行了设计变量的灵敏度分析,筛选出了对于质量、固有频率灵敏度较大的设计变量,将其作为最终的全船轻量化设计变量。建立了效果显著且快捷实用的分段刚体参数化模型,为参数化优化提供了基础。(4)散货船的多目标优化。阐述了优化的步骤,介绍了多目标优化的优点,计算了全船外板、骨材构件尺寸约束条件,选择了全船质量最轻和第二阶固有频率最小作为优化目标,进行了散货船轻量化和被动振动控制研究。获得了既满足质量最轻又使第二阶固有频率最小优化的质量结果、频率结果及相应构件的尺寸。结果表明,散货船总质量减少了2.7%;第二阶固有频率减少了3.1%。进行多目标优化,既可减少船舶总质量,在动力学上又增加了频率储备。(5)全船静力强度的校核。对优化后的散货船模型进行了有限元强度校核,检验优化后的外板、骨材尺寸能否达到强度要求。结果表明优化后的船舶性能符合规范要求,同时所得结果也说明了所用轻量化方法不仅有着较好的可行性,还有着巨大的工程价值和社会意义。(6)相对移动的物体与船舶相互作用的研究。总结并计算了散货船受到的各种振动激励,将其等效后添加在分段刚体等效模型上。利用充液系统动力学的理论,将压载水分为三种情况进行等效,等效为固定质量块和单摆的形式;货物的等效则以货物重心移动的轨迹为约束,建立了晃动的压载水与相对移动货物等效模型,探讨了相对移动的物体与散货船的互相影响。针对船舶横摇运动,对比了不同货物模拟方法的区别,验证了压载水对维持船舶稳性的作用。校核优化后的船舶稳性,结果表明,优化后船舶稳性良好,满足规范要求与实际需要。