基于响应面法的复合材料舱壁结构优化设计

发布时间：2021-02-12 12:19

　　为减轻船舶结构重量,提高船舶的承运能力,造船企业逐渐考虑采用复合材料结构替代常规的钢制舱壁结构。为得到最佳的舱壁结构设计参数,提出了一种将响应面模型与遗传算法相结合的优化设计方法。采用Box-Behnken设计方法,在设计空间中抽取样本点并进行模拟,建立舱壁最大变形、最大Mises应力及质量的响应面模型。利用遗传算法对响应面模型进行优化,得到Pareto最优解。仿真实验表明:与原先的钢制舱壁方案,优化后的质量减轻了约23%,最大变形基本与钢制舱壁方案一致。研究结果表明所提出的方案适用于工程结构多参数优化设计。 

【文章来源】：重庆大学学报. 2020,43(06)北大核心

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

复合材料舱壁结构图(单位: mm)

DOE实验设计作为数理统计的分支之一,其目的是在设计空间选取较少的试验点,在满足统计分析要求的前提下达到降低成本和缩短试验周期的目的。常用的试验设计有:全因子试验设计、正交实验设计、Box-Behnken设计和拉丁方试验设计等[15]。获得合适的试验点,是能够建立精确响应面模型的基础。其中Box-Behnken设计具有所有的试验点都位于等距的端点上,并不包含各变量上下水平所产生于立方体定点的试验的特点。以较少的试验次数,去估计一阶、二阶与一阶矩相交作用项之多项式模式。这里选用Box-Behnken设计(BBD)进行试验点选取,用于计算变量的最优值及考察变量间的相互作用。通过BBD法共构造出49个试验点,各个试验点参数平行图如图2所示。1.2 基于Kriging函数法的响应面模型

通过ANSYS Workbench中的DesignXplorer模块,在有限元参数化模型基础上,设置Kriging算法的相关参数,其中核函数设置为可变式的,最大允许改进点设置为5,最大预测允许相关误差为5%,改进点只选取最大预测相对误差的点的影响,求出Kriging响应面模型的拟合度曲线,如图3所示。图3中反映了舱壁总质量、最大变形和最大Mises应力3个设计参数的拟合关系,通过其可判断Kriging响应面模型的拟合计算值与BBD求得的设计值之间的对应程度。图中舱壁总质量、最大变形和最大Mises应力所对应的点,都在对角线附近,这表明BBD所得到样本点及其响应面拟合值的一致性非常好,故所得到的Kriging响应面模型与实际有限元计算的结果吻合,满足后续设计分析的需求。2 基于遗传算法的舱壁优化

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于响应面法优化蜂窝夹层结构件制备工艺[J]. 盛涛,王旭,王晓蕾,田杰,郑金华,潘利剑.  高科技纤维与应用. 2019(01)
[2]绿色船舶技术发展战略研究[J]. 张信学,赵峰,王传荣,曾晓光,赵俊杰.  中国工程科学. 2016(02)
[3]一种改进的自适应遗传算法及其在层合板优化中的应用研究[J]. 罗利龙,赵美英,穆朋刚.  机械科学与技术. 2012(05)
[4]复合材料加筋板结构的二级协同优化设计方法[J]. 吴莉莉,姚卫星.  南京航空航天大学学报. 2011(05)
[5]船舶结构多学科设计优化近似方法的比较(英文)[J]. 苟鹏,刘蔚,崔维成.  船舶力学. 2007(06)
[6]复合材料加筋结构的神经网络响应面优化设计[J]. 李烁,徐元铭,张俊.  机械工程学报. 2006(11)

博士论文
[1]基于Kriging方法的结构可靠性分析及优化设计[D]. 张崎.大连理工大学 2005

硕士论文
[1]一体化复合材料上层建筑力学性能及其连接结构设计研究[D]. 郭占一.哈尔滨工程大学 2016
[2]舱室轻量化壁板结构仿真分析方法研究[D]. 李鹏.中国海洋大学 2014



本文编号：3030855