基于拓扑优化的船舶结构轻量化研究

发布时间：2017-10-30 23:18

  本文关键词：基于拓扑优化的船舶结构轻量化研究

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【摘要】：针对船舶结构进行优化设计是最近比较热门的研究的课题,其优化目标是在满足船体结构强度的条件下,减少船体钢材的使用量。结构拓扑优化设计与结构尺寸优化截然不同,结构拓扑优化的目标是探寻找到最佳的材料布局形式及最佳传力路径。查阅文献可知,现在的船舶结构优化领域中,大部分是针对船体结构件的尺寸优化和结构件的布局优化而拓扑优化涉及较少。另一方面,高速三体船做结构设计时,船体结构形式十分复杂,横向分离弯矩和扭转力矩对船体结构影响很大,为满足其刚度和强度要求,就会选择加大构件尺寸,导致总体重量增加。但是,不论属于哪种类型的高速船,对其自身的重量都敏感。怎样合理的化解船舶自重与确保强度、刚度之间的矛盾关系,是高速三体船设计中亟需要去解决掉的问题。结构拓扑优化一直都是最具挑战性和经济性的研究领域,而结构进行拓扑优化在各个工程结构中优化和轻量化设计中又有着十分重要的现实意义。本文以三体船片体的舱壁结构为对象,基于拓扑优化设计的基本原理和分析过程,进行结构最佳拓扑形式的分析与探索:(1)依据SIMP材料密度模型理论,设计变量为单元材料密度,目标函数为体积比,约束条件为静力响应,确定优化准则,建立完整的拓扑优化数学模型。(2)为了验证本文拓扑优化方法的合理与准确性,做了两个方面的工作:一是选取三篇文献中的拓扑优化经典案例L型板结构,进行优化求解比较;二是选取ANSYS中拓扑优化模块对固支梁受力做优化求解并比较;结果表明,本文所运用的拓扑优化方法得到拓扑构型轮廓清晰、无附连组织结构,各部分尺寸的布局更加规整、协调。(3)本文以舱壁结构为研究对象,运用有限元方法,以英国劳氏的《Rules for the Classification of Trimarans》为依据,利用CAE软件ANSYS完成该舱壁在各个工况下的分析,保证结构强度满足设计规范的要求,同时,以应力的传递和材料的布局最优为目标,以此对结构的目标设计区域进行拓扑优化,从而寻找一套在经济、结构强度和工艺等性能方面更加合理的设计方案。(4)根据拓扑优化设计的两种算法,即基于优化准则的控制算法与敏度算法,根据计算结果比较发现,本文分析的舱壁结构进行优化时,控制算法要优于敏度算法。(5)利用拓扑优化技术,在不牺牲结构的强度、性能的条件下,寻找得到最佳的拓扑构型,实现舱壁结构设计区域的结构实现了体积减少50%,进而通过此方案最终达到了船舶结构轻量化设计研究目的。
【关键词】：连续体结构拓扑优化 舱壁结构 轻量化 优化准则
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U661.4
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-11
• 第1章 绪论11-16
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 拓扑优化的研究进展12
• 1.3 船舶结构的优化发展12-14
• 1.4 本文研究内容14-16
• 第2章 优化设计的基本理论16-33
• 2.1 结构设计、结构分析及结构优化的简介16-17
• 2.2 结构优化设计的基本理论17-19
• 2.2.1 结构优化设计的基本简介17
• 2.2.2 结构优化设计的数学模型17-18
• 2.2.3 结构优化设计的方法分类18-19
• 2.3 连续体结构拓扑优化基本理论19-29
• 2.3.1 连续体结构拓扑优化基本介绍19-21
• 2.3.2 拓扑优化的基本原理及特点21-22
• 2.3.3 连续体拓扑优化方法分类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材料属性上下限及插值模型31-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第3章 连续体拓扑优化流程及算法验证33-45
• 3.1 引言33
• 3.2 拓扑优化模型建立33-35
• 3.2.1 设计变量的选取33
• 3.2.2 目标函数的选取33-34
• 3.2.3 约束条件34-35
• 3.3 拓扑优化算法选择35-38
• 3.3.1 拓扑优化求解算法介绍及选择36-37
• 3.3.2 基于OC法对材料密度公式推导37-38
• 3.4 连续体结构拓扑优化算例分析38-44
• 3.4.1 与文献中经典算例的拓扑优化对比分析38-41
• 3.4.2 与ANSYS拓扑优化计算软件对比分析41-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第4章 舱壁结构的有限元分析45-57
• 4.1 引言45
• 4.2 三体船的性能概述45-47
• 4.3 舱壁结构的有限元模型47-49
• 4.3.1 几何模型47-48
• 4.3.2 材料参数48
• 4.3.3 网格划分48-49
• 4.4 三体船所受载荷分析49-53
• 4.5 计算工况53-54
• 4.6 舱壁结构有限元分析54-55
• 4.7 屈服校核与结果分析55-56
• 4.7.1 屈服强度标准55
• 4.7.2 校核结果55-56
• 4.8 本章小结56-57
• 第5章 舱壁结构轻量化设计分析57-78
• 5.1 舱壁结构轻量化设计的理论依据57
• 5.2 舱壁结构轻量化研究目标57-58
• 5.3 舱壁结构轻量化研究方法58
• 5.4 舱壁结构拓扑优化的实行58-69
• 5.4.1 前处理59-60
• 5.4.2 拓扑优化设计60
• 5.4.3 优化结果的后处理60
• 5.4.4 输出得到优化结果60
• 5.4.5 拓扑优化计算分析与结果60-69
• 5.4.6 舱壁结构轻量化研究结果汇总69
• 5.5 舱壁结构优化前后对比69-71
• 5.6 拓扑优化两种算法的比较分析71-74
• 5.7 结果输出74-77
• 5.8 本章小结77-78
• 第6章 总结与展望78-80
• 6.1 总结78-79
• 6.2 进一步研究工作展望79-80
• 参考文献80-84
• 致谢84

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：1119769