本文關(guān)鍵詞：基于拓?fù)鋬?yōu)化的船舶結(jié)構(gòu)輕量化研究

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【摘要】：針對(duì)船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是最近比較熱門的研究的課題,其優(yōu)化目標(biāo)是在滿足船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下,減少船體鋼材的使用量。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化截然不同,結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是探尋找到最佳的材料布局形式及最佳傳力路徑。查閱文獻(xiàn)可知,現(xiàn)在的船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域中,大部分是針對(duì)船體結(jié)構(gòu)件的尺寸優(yōu)化和結(jié)構(gòu)件的布局優(yōu)化而拓?fù)鋬?yōu)化涉及較少。另一方面,高速三體船做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),船體結(jié)構(gòu)形式十分復(fù)雜,橫向分離彎矩和扭轉(zhuǎn)力矩對(duì)船體結(jié)構(gòu)影響很大,為滿足其剛度和強(qiáng)度要求,就會(huì)選擇加大構(gòu)件尺寸,導(dǎo)致總體重量增加。但是,不論屬于哪種類型的高速船,對(duì)其自身的重量都敏感。怎樣合理的化解船舶自重與確保強(qiáng)度、剛度之間的矛盾關(guān)系,是高速三體船設(shè)計(jì)中亟需要去解決掉的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化一直都是最具挑戰(zhàn)性和經(jīng)濟(jì)性的研究領(lǐng)域,而結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化在各個(gè)工程結(jié)構(gòu)中優(yōu)化和輕量化設(shè)計(jì)中又有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以三體船片體的艙壁結(jié)構(gòu)為對(duì)象,基于拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理和分析過(guò)程,進(jìn)行結(jié)構(gòu)最佳拓?fù)湫问降姆治雠c探索:(1)依據(jù)SIMP材料密度模型理論,設(shè)計(jì)變量為單元材料密度,目標(biāo)函數(shù)為體積比,約束條件為靜力響應(yīng),確定優(yōu)化準(zhǔn)則,建立完整的拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型。(2)為了驗(yàn)證本文拓?fù)鋬?yōu)化方法的合理與準(zhǔn)確性,做了兩個(gè)方面的工作:一是選取三篇文獻(xiàn)中的拓?fù)鋬?yōu)化經(jīng)典案例L型板結(jié)構(gòu),進(jìn)行優(yōu)化求解比較;二是選取ANSYS中拓?fù)鋬?yōu)化模塊對(duì)固支梁受力做優(yōu)化求解并比較;結(jié)果表明,本文所運(yùn)用的拓?fù)鋬?yōu)化方法得到拓?fù)錁?gòu)型輪廓清晰、無(wú)附連組織結(jié)構(gòu),各部分尺寸的布局更加規(guī)整、協(xié)調(diào)。(3)本文以艙壁結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,運(yùn)用有限元方法,以英國(guó)勞氏的《Rules for the Classification of Trimarans》為依據(jù),利用CAE軟件ANSYS完成該艙壁在各個(gè)工況下的分析,保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求,同時(shí),以應(yīng)力的傳遞和材料的布局最優(yōu)為目標(biāo),以此對(duì)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)設(shè)計(jì)區(qū)域進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,從而尋找一套在經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和工藝等性能方面更加合理的設(shè)計(jì)方案。(4)根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的兩種算法,即基于優(yōu)化準(zhǔn)則的控制算法與敏度算法,根據(jù)計(jì)算結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),本文分析的艙壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí),控制算法要優(yōu)于敏度算法。(5)利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù),在不犧牲結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、性能的條件下,尋找得到最佳的拓?fù)錁?gòu)型,實(shí)現(xiàn)艙壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)區(qū)域的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了體積減少50%,進(jìn)而通過(guò)此方案最終達(dá)到了船舶結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)研究目的。
【關(guān)鍵詞】：連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化 艙壁結(jié)構(gòu) 輕量化 優(yōu)化準(zhǔn)則
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U661.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• abstract7-11
• 第1章 緒論11-16
• 1.1 研究背景及意義11-12
• 1.2 拓?fù)鋬?yōu)化的研究進(jìn)展12
• 1.3 船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化發(fā)展12-14
• 1.4 本文研究?jī)?nèi)容14-16
• 第2章 優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本理論16-33
• 2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的簡(jiǎn)介16-17
• 2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本理論17-19
• 2.2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本簡(jiǎn)介17
• 2.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型17-18
• 2.2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法分類18-19
• 2.3 連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化基本理論19-29
• 2.3.1 連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化基本介紹19-21
• 2.3.2 拓?fù)鋬?yōu)化的基本原理及特點(diǎn)21-22
• 2.3.3 連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化方法分類22-29
• 2.4 材料插值模型29-32
• 2.4.1 SIMP材料插值模型29-30
• 2.4.2 RAMP材料插值模型30-31
• 2.4.3 Hashin-shtrikman材料屬性上下限及插值模型31-32
• 2.5 本章小結(jié)32-33
• 第3章 連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化流程及算法驗(yàn)證33-45
• 3.1 引言33
• 3.2 拓?fù)鋬?yōu)化模型建立33-35
• 3.2.1 設(shè)計(jì)變量的選取33
• 3.2.2 目標(biāo)函數(shù)的選取33-34
• 3.2.3 約束條件34-35
• 3.3 拓?fù)鋬?yōu)化算法選擇35-38
• 3.3.1 拓?fù)鋬?yōu)化求解算法介紹及選擇36-37
• 3.3.2 基于OC法對(duì)材料密度公式推導(dǎo)37-38
• 3.4 連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化算例分析38-44
• 3.4.1 與文獻(xiàn)中經(jīng)典算例的拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)比分析38-41
• 3.4.2 與ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算軟件對(duì)比分析41-44
• 3.5 本章小結(jié)44-45
• 第4章 艙壁結(jié)構(gòu)的有限元分析45-57
• 4.1 引言45
• 4.2 三體船的性能概述45-47
• 4.3 艙壁結(jié)構(gòu)的有限元模型47-49
• 4.3.1 幾何模型47-48
• 4.3.2 材料參數(shù)48
• 4.3.3 網(wǎng)格劃分48-49
• 4.4 三體船所受載荷分析49-53
• 4.5 計(jì)算工況53-54
• 4.6 艙壁結(jié)構(gòu)有限元分析54-55
• 4.7 屈服校核與結(jié)果分析55-56
• 4.7.1 屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)55
• 4.7.2 校核結(jié)果55-56
• 4.8 本章小結(jié)56-57
• 第5章 艙壁結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)分析57-78
• 5.1 艙壁結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的理論依據(jù)57
• 5.2 艙壁結(jié)構(gòu)輕量化研究目標(biāo)57-58
• 5.3 艙壁結(jié)構(gòu)輕量化研究方法58
• 5.4 艙壁結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的實(shí)行58-69
• 5.4.1 前處理59-60
• 5.4.2 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)60
• 5.4.3 優(yōu)化結(jié)果的后處理60
• 5.4.4 輸出得到優(yōu)化結(jié)果60
• 5.4.5 拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算分析與結(jié)果60-69
• 5.4.6 艙壁結(jié)構(gòu)輕量化研究結(jié)果匯總69
• 5.5 艙壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比69-71
• 5.6 拓?fù)鋬?yōu)化兩種算法的比較分析71-74
• 5.7 結(jié)果輸出74-77
• 5.8 本章小結(jié)77-78
• 第6章 總結(jié)與展望78-80
• 6.1 總結(jié)78-79
• 6.2 進(jìn)一步研究工作展望79-80
• 參考文獻(xiàn)80-84
• 致謝84

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1119769