SPS舱口盖结构力学性能优化及预报

发布时间：2020-05-15 09:13

【摘要】：钢聚氨酯夹层板(Sandwich Plate System,SPS)结构因其具有质量轻、吸能好、隔音降噪等良好的性能,在工程领域有着广泛的应用,特别在船舶建造、维修等方面成为关注热点。本文以轻量化设计为目标,使用SPS夹层板替代钢制舱盖板,形成SPS舱口盖结构设计方案;基于力学性能分析,采用基于Box-Behnken试验设计(BBD)的响应面法对结构力学性能进行优化设计,得到SPS舱口盖结构优化方案,并建立随机森林(Random Forest,RF)预测模型,实现对结构力学性能的准确预报。本文主要研究内容如下:(1)通过对比序列二次规划法、梯度优化等优化设计方法,结合本文SPS舱口盖的结构特性,采用精度较高、操作简单的响应面法进行结构优化,并对响应面法的试验设计流程、优化过程和模型检验等方面进行了详细介绍;为实现SPS舱口盖结构力学性能的预报,引入基于决策树思想的随机森林回归算法,介绍了模型的建立过程以及预测结果的检验方法。(2)以等重设计为初始,以传统钢制舱口盖为替代目标,提出SPS舱口盖三种设计方案,并考虑加工工艺优选出一种方案作为进一步优化方案。对钢制舱口盖和优选出的SPS舱口盖结构进行静强度分析,得到结构的变形和应力结果。(3)以轻量化为优化设计目标,采用基于BBD试验设计方法的响应面法,对SPS舱口盖进行优化设计:以结构变形和等效应力作为优化目标,结构尺寸及质量为约束条件,建立响应面模型,得到减重的SPS舱口盖优化设计方案;为满足工艺加工要求,调整优化后的结构尺寸,形成两种优化方案。(4)对两种优化方案进行静强度计算,得到相应的SPS舱口盖结构变形和应力,并与优化前结构进行对比。结果表明,优化后的结构变形分别减少了32.58%和34.67%,结构应力分别减少了27.49%和30.04%,强度刚度均满足要求;优化方案比替代目标分别减重了10.04%和8.31%。(5)建立SPS舱口盖结构的性能预报模型:使用BBD试验设计产生的SPS舱口盖数据为样本集,采用bootstrap重抽样法在样本集中随机抽取多个子数据集,分析数据并建立了关于SPS舱口盖结构变形与应力的随机森林回归模型。(6)实现SPS舱口盖力学性能的准确预测:分别采用随机森林回归模型和线性回归模型,对SPS舱口盖结构进行力学性能预报,并对预测结果进行了对比分析。结果表明,本文所建立的随机森林回归模型具有较高的精度,预测结果更为准确。
【图文】：

加筋板结构

第 1 章绪论第 1 章绪论1.1 研究背景与意义作为船体上较为重要的结构，舱口盖主要受到海水上浪产生的水压载荷，并且起到对舱口进行密闭、防止货物受到损伤以及偶尔承受甲板上货物重量的作用[1]，所以要求舱口盖结构应具有一定的刚度和强度，以便能够承受外力而不破坏。一般改善结构的刚度和强度优先考虑的是对结构进行加强，但加强舱口盖会造成船舶质量的增加，不仅会减少船舶的载货量，也会影响船舶的总体性能。因此使用质量轻、性能好的新材料成为船舶建造领域的趋势[2]。钢聚氨酯夹层板（Sandwich Plate System，，SPS）由上下两层钢制面板和密度明显小于面板的聚氨酯弹性体芯层构成，如图 1.1 所示。与船舶上所使用的钢制板架相比，具有重量轻、抗变形能力强、吸能效果好、隔声降噪等突出特点。

夹层板,加筋板结构

口盖结构应具有一定的刚度和强度，以便能够承受外力而不破坏。一般度和强度优先考虑的是对结构进行加强，但加强舱口盖会造成船舶质量的减少船舶的载货量，也会影响船舶的总体性能。因此使用质量轻、性能为船舶建造领域的趋势[2]。聚氨酯夹层板（Sandwich Plate System，SPS）由上下两层钢制面板和密板的聚氨酯弹性体芯层构成，如图 1.1 所示。与船舶上所使用的钢制板架量轻、抗变形能力强、吸能效果好、隔声降噪等突出特点。(a) SPS 结构 (b) 传统加筋板结构图 1.1 SPS 结构与传统加筋板结构对比Fig.1.1 Comparison of SPS structure and conventional stiffened structure
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U667.3

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