田口式直交表之實驗設計法於艙口角隅形狀參數最適設計

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1、第一屆台灣作業研究學會學術研討會暨2004年科技與管理學術研討會田口式直交表之實驗設計法於艙口角隅形狀參數最適設計郭信川、張建仁、吳任仕系統工程暨造船學系國立台灣海洋大學e-mail:khc@ntou.edu.tw摘要：貨櫃船因載貨功能考量，船體需有大艙口，而此種結構常使艙口角隅處出現應力集中現象。因此降低艙口角隅的集中應力現象，乃是貨櫃船設計者的重要課題。進行艙口角隅形狀參數設計時，不僅需以疏導應力集中為導向，更應瞭解參數變動量之於艙口角隅應力集中現象之影響，以做為調整設計參數之參考。艙口角隅形狀參數有六種、每一參數有三種變動水準，為節省電腦時間；本文以

2、實驗設計法中之田口直交表，進行艙口角隅形狀之參數最適設計。實驗結果，與全因子實驗比較，證明田口直交表能以較少的實驗次數得到趨近於全部參數組配中最佳組配之結果。壹、前言當大艙口船正向航行時，波浪對船體產生垂向彎矩，對海浪斜向航行時，波浪對船體產生垂向彎矩、水平彎矩及扭矩。垂向彎矩及水平彎矩將會產生彎曲應力，扭矩則會引起剪應力與板面內翹曲應力，兩者在橫甲板處形成彎曲力矩與剪力。因此當船體航行遇上正浪或是斜浪情況時，都會在艙口角隅處形成應力集中現象。因此降低艙口角隅的應力集中現象，乃是貨櫃船設計的重要課題。文獻[6]提出以角隅開鍵孔結構(KEYHOLE)在角隅處

3、應力集中現象的問題有大幅度的改善。針對此種參數設計問題，關於因子之參數組配，常藉工程師經驗判斷；如果必須進行全因子之參數組配設計，即以問題中所有因子及其變動水準數，進行全部之組配之全因子實驗，雖然，對分析參數因子和結果響應之間的關係會得到較明顯結果，屆時會耗費大量的電腦運算時間。當參數因子數與其取決水準較多時，此全因子實驗中之實驗次數會增大，使用上較不方便。隨著直交表實驗設計法[1][8]應用的普及，直交表實驗設計的優點是用部分實驗來代替全因子、多水準的全組合方案試驗，可取得同樣的效果，從而可以大大節省人力、財力、物力和時間。船舶設計者也開始選用直交表實驗

4、設計來優選船舶的主要參數[5][7]。本文也採用此實驗設計法對艙口角隅形狀之參數進行最適化，並同時檢討直交表之使用。田口式直交表實驗設計法，進行參數設計之流程[4]：1、設定參數因子與參數水準2、根據因子與水準數目，選擇適當的直交表3、根據田口式直交表的實驗設計表內之實驗次數進行實驗或分析4、計算以每一因子各水準對於實驗結果之平均反應值5、於各個因子中將其平均反應值最佳的水準提出，並組配為最佳的參數組配6、以參數最佳組配進行實驗或分析7、根據第6步驟之結果與直交表內其他實驗或分析結果比較貳、艙口角隅應力及艙口角隅形狀一、艙口角隅應力強度分析首先利用多巢薄樑

5、理論對大艙口船做整船分析，而對於船體局部結構之強度分析，則採用有限元素法分析。本文參照文獻[6]，先利用WARSHP做整船結構應力分析，再使用有限元素674第一屆台灣作業研究學會學術研討會暨2004年科技與管理學術研討會分析軟體ANSYS做角隅結構之應力分析。本文選用一艘排水量為20180公噸的1092TEU貨櫃船為研究分析的對象。貨櫃船的船體基本資料，如表一。42船體結構採用軟鋼及高張力鋼，其楊氏係數為2.14×10kg/mm、蒲松比為0.3，軟鋼222的等效降伏強度則為26kg/mm，而高張力鋼則有32kg/mm及36kg/mm兩種。表一1092TEU

6、貨櫃船主要尺寸表全長(LOA)155.0公尺垂標間距長(LBP)145.0公尺船寬(B)25.0公尺船深(D)13.9公尺設計吃水(T)8.4公尺排水量()∇20180公噸二、艙口角隅形狀之鍵槽加圓孔式結構設計參數本文的艙口角隅形狀之鍵槽加圓孔式結構設計參數配置示如圖一所示。以下為角隅設計參數的說明：A(起始槽寬)：為鍵槽的起始端處之寬度。R1(外圓弧半徑)：外圓弧半徑，其中P為外圓弧圓心。R1R2(內圓弧半徑)：內圓弧半徑，其中P為內圓弧圓心。R2CR(中心圓弧半徑)：中心圓弧半徑，其中P為中心圓弧圓心。CRr(末端圓孔半徑)：鍵槽末端圓孔的半徑，其中P

7、為其圓心。rTHETA(中心圓弧角度)：外圓弧與艙口側圍緣相切點P與中心圓弧圓心P連線，鍵槽末端圓CR孔圓心P與中心圓弧圓心P連線。兩線段PP與PP所夾的角度即為THETA。rCRCRrCR圖一鍵槽加圓孔式結構參數三、艙口角隅強度分析模型於ANSYS建立有限元素模型時，截取貨櫃船的Frame40至Frame60之間的船段，分析時所用的分析模型如圖二、三所示。結構分析模型的元素是採用ANSYS中的三節點平面板彎曲42元素Shell63。分析模型的元素材料係數：楊氏係數為2.14×10kg/mm，蒲松比為0.3。675第一屆台灣作業研究學會學術研討會暨2004

8、年科技與管理學術研討會圖二Type2艙口端圍緣切孔圖三貨櫃船的Fr