水下结构物典型基座阻抗优化设计

发布时间：2020-09-16 11:49

　　 船舶运行过程中,船上各种机械设备的运转会引起振动并向外辐射噪声。噪声不仅影响着航程的舒适性和船员身体健康,还会干扰自身水声设备的正常运行。对军用舰船而言,这种振动引起的噪声对它的声隐身性能是不利的。基座作为连接机械设备和船体的结构,它的阻抗特性直接反映了它对来自机械设备振动的阻隔能力,是评判基座设计优劣的重要依据之一。因此,开展基座结构尺寸和拓扑优化设计具有较大的理论意义和工程应用价值。首先,开展了长基座尺寸单目标和多目标优化设计研究。以长基座的面板、腹板以及肘板厚度作为设计变量,不同加载点间阻抗离散度最大值最小化作为优化目标进行尺寸优化设计。在加载点阻抗最小值不低于原始方案且满足强度要求的情况下,优化方案阻抗离散度降低了15.13%,同时基座重量减少了41.93%。采用宽容排序法,以阻抗离散度最大值最小化、加载点阻抗最小值最大化为目标对长基座进行多目标尺寸优化设计。得到的优化方案相比原始方案阻抗离散度降低了6.81%,两个加载点的阻抗最小值分别增大了1.87%以及减小了1.73%,同时基座重量减小了20.91%,同时强度符合要求。其次,进行了长基座腹板及肘板的拓扑优化设计。先以长基座腹板上单元密度作为设计变量,加载点阻抗最小值不低于原始方案为约束,极小化加载点间阻抗离散度最大值为目标进行拓扑优化。根据优化结果提出基座腹板的开孔方案,得到使阻抗离散度降低2.57%,基座重量减小1.98%的优化方案。接着将长基座腹板及肘板单元密度一同作为设计变量进行拓扑优化,得到腹板及肘板上同时开孔的基座结构方案,使得加载点间离散度降低3.63%,重量减轻6.85%。最后,进行了典型悬臂基座结构构型拓扑优化设计。用一个外形尺寸与悬臂基座原始方案相同的长方体代替悬臂基座,以长方体内体单元的密度作为设计变量,它的体积分数作为约束,基座阻抗最小值最大化为目标进行拓扑优化。根据优化结果密度云图提出新的悬臂基座结构形式。通过多方案选优及拓扑优化确定新型悬臂基座的结构及尺寸方案,并对新型悬臂基座的强度与振动特性进行计算校核。本文研究成果为船舶基座和类似结构的阻抗优化设计提供了有益的借鉴和参考。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U674.70
【部分图文】：

船舶基座按照结构形式可以分为局部基座、长基座、平台基座以及悬臂基座。其中长基座一般与耐压壳相连，横跨多个肋位，常用于支撑大型机械设备比如主机。针对典型长基座结构，采用 OPTISTRUCT 对其进行阻抗特性以及强度的计算，分析其特点。再利用 OPTISTRUCT 对长基座的板厚进行单目标及多目标尺寸优化，得到阻抗最小值不小于原方案且阻抗均匀性提高、基座重量减小、强度与原结构相当的方案。2.1 典型长基座阻抗特性计算2.1.1 有限元模型典型长基座的阻抗特性计算模型由长基座及与之相连的耐压圆柱壳构成，结构如图 2.1.1 所示。耐压壳长径比为 1.818，肋距为 600mm，耐压壳厚度为 30mm，其环向肋骨的尺寸为 × × ；基座面板厚度为 60mm，腹板厚度为 30mm，肘板厚度为24 mm，支撑板厚度为 20 mm。长基座的腹板上开有腰圆孔，其开孔尺寸如图 2.1.2所示。

图 2.1.2 典型长基座腹板开孔尺寸示意图模型的坐标系为直角坐标系，X 为船宽方向，向右舷为正；Y 为型深方向，；Z 为船长方向，指向船艉为正。坐标原点位于耐压壳靠近基座一侧端面的耐压壳上的环向肋骨采用 beam188 单元模拟，其余部分均采用壳单元 she，基座部分的网格大小为 30 mm，其余部分的网格大小为 100 mm。整个模型材料弹性模量为 209 GPa，泊松比为 0.3，密度为 7800 ζ 。.2 阻抗特性计算振动系统的机械阻抗一般为简谐激励与它引起的响应的复数比。假设系统 = F ( 1)，位移响应为 x=X ( 2)，那么该系统的机械阻抗可以表示为 ( 1 2)。根据响应选取的运动量不同，机械阻抗可以分为位移阻抗、速加速度阻抗。而根据加载点和响应点的关系，机械阻抗又可以分为原点阻抗抗。同一点的力与响应之比为原点阻抗[51]。本文的计算都是针对原点速度

a) 分别施加在 A、B 两点的单位力 b) 两端位移约束图 2.1.3 典型长基座阻抗计算约束及载荷示意图选取步长为 1Hz，在 OPTISTRUCT 中计算 A、B 两点在 0 到 1000Hz 频率范围内的阻抗。计算得到的阻抗值绘制成曲线如图 2.1.4(a)所示，在此基础上计算这两点的阻抗离散度并绘制曲线如图 2.1.4(b)所示。具体计算结果如表 2.1.1 所示。a) A、B 两点阻抗曲线 b) A、B 两点离散度曲线

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本文编号：2819821