复合材料舵固有频率与重量的优化设计

发布时间：2020-08-03 17:12

【摘要】：随着世界各国对海洋权益的争夺,军事现代化建设也处于你追我赶的状态,其中以先进舰船为代表的各国海上力量蓬勃发展。而对于舰船中不可或缺的各型舵装备也成为了主要的研究对象之一。先进的复合材料舵结构由于其振动特性好、声学性能优良等优点,相比较传统的钢质舵,吸引了越来越多的国家投入资金进行研发,其中对复合材料舵的固有频率与重量开展的优化设计工作也是很重要的一个方面。本文在参阅相关资料基础上,设计了一种NACA0025型复合材料舵,并在此基础上探讨了复合材料舵的优化设计方法。论文的主要内容包含以下几个方面:1.在充分调研了复合材料舵的国内外研究现状和设计方法与设计原则的基础上,利用ABAQUS有限元软件,建立了NACA0025型复合材料舵有限元仿真模型,并提取了其前三阶模态振型和固有频率。2.运用分组比较的方法,将初始的骨架布局方式优化为水平和垂直加强筋各为8个的形式。在此基础上,运用Isight优化软件集成ABAQUS,分别采用梯度算法NLPQL和LSGRG,以前三阶固有频率的加权和最大作为设计目标,对水平和垂直加强筋的厚度进行了优化,并分析了加强筋厚度对前三阶固有频率的影响规律。3.在上述工作的基础上,分别采用梯度算法和多岛遗传算法MIGA对复合材料蒙皮进行了优化设计。设计分两种方案进行。第一种方案为一种简易的方案,第二种方案为更为普遍采用的方案。优化结果表明,虽然二者之间存在一定的差别,但是各有优势。方案一耗时短,但优化解与最优解有些差距。方案二耗时更长,但得到的优化解基本接近最优解。4.采用代理模型的方法,进行复合材料舵固有频率和重量的双目标优化设计。通过数据比较的方式选用了径向基函数模型,将其训练达到精度要求之后,用其替代了复合材料舵仿真模型。随后采用多目标优化算法NSGA-Ⅱ寻找Pareto前沿,并选取其中几个典型设计点,将其代入真实模型中计算出真实响应。本文的研究工作对复合材料舵的单目标与多目标优化设计问题具有一定的借鉴作用;同时在优化过程中得到的设计变量对优化目标的影响规律,对于复合材料舵的实际工程设计具有一定的参考价值。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.7
【图文】：

护卫舰,上层建筑,轻量化,巡逻艇

华中科技大学硕士学位论文上大量使用了该型巡逻艇。随着技术的不断发展，全复合材逐渐摆脱早期的限制。挪威海军 1999 年服役的盾牌级（Sk上最大的全复合材料巡逻艇。家海军的维斯比（Visby）级护卫舰（图 1-1）是世界上第一制造舰体的大型巡逻舰。其建造所用的材料由玻璃纤维和碳芯层组成，舰长 72m，标准排水量 550t。碳纤维复合材料实大大提高燃油经济性的同时，能装载更多武器弹药以及先建造的上层建筑得到了良好的电磁防护，再加上优良的外该级舰成为世界隐身舰艇的先驱。

桅杆结构,护卫舰,舰船,复合材料

图 1-2 拉斐特级护卫舰在舰船的桅杆结构中早有应用。复合材料由于其无磁性全封闭式结构，既能保护内部设备不受风雨侵蚀，又能避杆更具有优势。美国海军在斯普鲁恩斯级 USS Arthur W全封闭的复合材料桅杆，用来取代舰体后半部的传统钢角锥形体对接而成，所有雷达等设备均收纳于结构内部极低的损耗穿过该结构，同时由于外部结构的保护，内海洋盐分的腐蚀。复合材料桅杆的成功应用，促使美国用于其海军下一代舰艇的设计建造工作。受到美国海军跟其步伐，例如英国就在 1996 年启动本国的复合材料目。

驱逐舰,复合材料,桅杆

图 1-2 拉斐特级护卫舰舰船的桅杆结构中早有应用。复合材料由于其无磁封闭式结构，既能保护内部设备不受风雨侵蚀，又能更具有优势。美国海军在斯普鲁恩斯级 USS Arthur封闭的复合材料桅杆，用来取代舰体后半部的传统锥形体对接而成，所有雷达等设备均收纳于结构内低的损耗穿过该结构，同时由于外部结构的保护，洋盐分的腐蚀。复合材料桅杆的成功应用，促使美于其海军下一代舰艇的设计建造工作。受到美国海其步伐，例如英国就在 1996 年启动本国的复合材。

【参考文献】